第一部

工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的優(yōu)勢(shì)和作用

目前，世界各地的制造工廠都依賴以太網(wǎng)解決方案來滿足工業(yè)應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性能和耐用性的要求。與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)能提供更快的速率，能更好地處理大批量數(shù)據(jù)，最終還能通過卓越的能效比和更加高效的設(shè)備節(jié)省更多開支。以太網(wǎng)還能單挑重任，作為唯一的組網(wǎng)技術(shù)，把車間的自動(dòng)化系統(tǒng)連接到用于控制車間的企業(yè)IT系統(tǒng)——在提升性能的同時(shí)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計(jì)。

以太網(wǎng)為何能在制造業(yè)發(fā)揮重大作用，如何發(fā)揮作用？以太網(wǎng)的崛起有多種原因，但有幾個(gè)原因是需要注意的：

為避免沖突，目前的多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)都采用全雙工工作模式。雖然在半雙工模式下有可能發(fā)生沖突，但是，只要沖突幀之比不超過特定閾值，可能就不會(huì)構(gòu)成問題。全雙工則可以完全避免沖突。

就如其他常見的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境（如風(fēng)電場(chǎng)、石油天然氣冶煉廠）一樣，工廠的環(huán)境和運(yùn)行條件通常都非常惡劣。運(yùn)營方需要考慮振動(dòng)、顆粒物和極端溫度，在自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中部署工業(yè)以太網(wǎng)電纜和連接器即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

工業(yè)以太網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議方面提供了多種選擇。工廠可以打破主導(dǎo)著商用以太網(wǎng)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，比如，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)冗余和快速恢復(fù)。另外，EtherNet/IP?、EtherCAT?等協(xié)議可以支持多種應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域的過去和未來

——標(biāo)準(zhǔn)化和性能造就不同

以太網(wǎng)起步于數(shù)十年前，該技術(shù)培育出了一個(gè)強(qiáng)大的制造商群體，催生了一個(gè)快速發(fā)展的產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)。隨著以太網(wǎng)性能的提升，速度與成熟度的結(jié)合使以太網(wǎng)越來越有可能取代為串行接口開發(fā)的協(xié)議。

以用于支持基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)的控制器和交換機(jī)的發(fā)展為例。如今的芯片都可以通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行修改，以支持確定性處理，而它們的I/O控制器也采用特殊配置，能支持從EtherNet/IP到Modbus/TCP的任何工業(yè)自動(dòng)化協(xié)議。

通過這些產(chǎn)品可以管窺工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)代制造工廠里的作用?？梢詢?yōu)化循環(huán)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)還能防止不必要的斷開故障。作為一項(xiàng)額外優(yōu)勢(shì)，以太網(wǎng)領(lǐng)域的供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)為通過自動(dòng)化解決方案解決各種挑戰(zhàn)提供持續(xù)性的支持。

以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬都超過多數(shù)專用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，其持續(xù)發(fā)展在很大程度上取決于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化組織和巨大的供應(yīng)商群體。具體地，以太網(wǎng)已經(jīng)展現(xiàn)出強(qiáng)大的能力，它能在正確的時(shí)間，可靠地把正確的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸_的地點(diǎn)，而制造商則廣泛運(yùn)用無線儀器儀表以解決各種業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)，如提升流程性能、可靠性和效率，達(dá)到政府指令的要求等?！狝RCAdvisoryGroup副總裁ChantalPolsonetti在2013年為《自動(dòng)化世界》(AutomationWorld)撰寫。

以太網(wǎng)獨(dú)特的性能特點(diǎn)使其也可以作為與物聯(lián)網(wǎng)集成的自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)的前景在很大程度上取決于利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和活動(dòng)而非歷史信息來支持決策。正如Polsonetti在其文章中指出的那樣，可以通過改進(jìn)系統(tǒng)層來克服機(jī)器設(shè)備層次的不足。

第二部分

全廠自動(dòng)化中的以太網(wǎng)/IP

對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)來說，以太網(wǎng)解決方案具有卓越的優(yōu)勢(shì)、能效比和設(shè)備選擇自由性，這些優(yōu)勢(shì)全部來自其底層技術(shù)的靈活性、數(shù)十年的發(fā)展以及供應(yīng)商群體的成熟度。

在本部分，我們將看看EtherNet/IP?，并考察如何在全廠自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中實(shí)施EtherNet/IP?。該標(biāo)準(zhǔn)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，基本兼容現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，這使其成為提升工廠性能、優(yōu)化成本控制的絕佳選擇。

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的制造環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)必要的靈活性、可見性和效率，采用開放式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的單一系統(tǒng)架構(gòu)顯得至關(guān)重要?！伎婆c羅克韋爾自動(dòng)化有限公司(RockwellAutomation)在2011年聯(lián)合發(fā)布的一份出版物中的解釋。

EtherNet/IP是自動(dòng)化的基礎(chǔ)

——一種同時(shí)面向車間和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議

在2013年11月開展"移動(dòng)性、以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)查"時(shí)，ControlEngineering（控制工程）雜志調(diào)查了200名受訪者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EtherNet/IP是同類中運(yùn)用最廣泛的行業(yè)協(xié)議，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同領(lǐng)域的其他協(xié)議。超過70%的受訪者稱其設(shè)施中采用的是EtherNet/IP。

EtherNet/IP的受歡迎程度因行業(yè)而異，就如礦業(yè)和汽車制造業(yè)一樣。具體地，以全廠自動(dòng)化為例，EtherNet/IP可以支持多種應(yīng)用的融合，同時(shí)還能確保實(shí)時(shí)性能。在整個(gè)工廠全面部署以太網(wǎng)，EtherNet/IP可以連通工業(yè)和辦公通信。

EtherNet/IP可以依據(jù)思科與羅克韋爾自動(dòng)化有限公司的融合型全廠以太網(wǎng)(CPwE)架構(gòu)實(shí)施，后者是一種面向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的參考架構(gòu)。其目標(biāo)是通過面向設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，把工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)應(yīng)用與范圍更廣的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)整合起來。EtherNet/IP為這一目標(biāo)創(chuàng)造了條件。

在全廠實(shí)施EtherNet/IP時(shí)，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以各設(shè)備的功能及設(shè)備可能存在的性能和可用性要求為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第2層和第3層多路開關(guān)層級(jí)結(jié)構(gòu)以及區(qū)域分割方案。最低層次有執(zhí)行器、機(jī)器人等，驅(qū)動(dòng)、批量控制等應(yīng)用處于上一層次，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)則位于最上層。

深入挖掘這種EtherNet/IP配置的細(xì)微特性，就能發(fā)現(xiàn)，可以用VLAN來分離工業(yè)流量和非工業(yè)流量，通過防火墻來隔離生產(chǎn)區(qū)域和企業(yè)區(qū)域。另外，托管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可為網(wǎng)絡(luò)帶來必要的彈性、環(huán)路預(yù)防、多播管理、診斷和其他服務(wù)。千兆光纖上行鏈路和冗余路徑以及基于工廠物理布局的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則為彈性網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)力支撐。

基于EtherNet/IP的融合型全廠以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)驗(yàn)豐富的工廠運(yùn)營方擁有充足的EtherNet/IP配置資源。另外，EtherNet/IP采用的是未經(jīng)修改的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，為這一過程提供了便利。

基于CPwE的EtherNet/IP實(shí)施指南能為企業(yè)帶來哪些好處？

采用EtherNet/IP一類基于以太網(wǎng)的協(xié)議的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)源于以太網(wǎng)和IP技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)、靈活性和發(fā)展成熟度。通過現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式自動(dòng)化的模塊化標(biāo)準(zhǔn)也存在類似的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)有助于解決諸如下列問題：

系統(tǒng)維護(hù)：以太網(wǎng)是傳統(tǒng)型自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的良好替代方案，因?yàn)槠渑c企業(yè)系統(tǒng)的集成更加容易，維護(hù)成本也較低。另外，以太網(wǎng)和IP技術(shù)領(lǐng)域的人才和專業(yè)知識(shí)也更加容易獲取。

數(shù)據(jù)管理：采用基于以太網(wǎng)的協(xié)議可以提升可用性、性能和實(shí)時(shí)特性。采用單一網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化橫跨多個(gè)應(yīng)用和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理工作。

與業(yè)務(wù)流程的集成：連通車間和企業(yè)系統(tǒng)有助于加快決策過程。因廠制宜的設(shè)計(jì)和廣泛的驗(yàn)證機(jī)制可以確?？煽啃院涂沙掷m(xù)性。

最后，將EtherNet/IP一類的以太網(wǎng)協(xié)議用于全廠自動(dòng)化可以滿足對(duì)確定性性能的要求，同時(shí)還能采用易于維護(hù)的以太網(wǎng)和IP標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)集強(qiáng)大的實(shí)力和便利性于一身，不斷超越傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線，因而成為自動(dòng)化行業(yè)的可行選擇。

第三部

ModbusTCP和PROFINET

從本質(zhì)上來講，CPwE是為了幫助制造商越過不同傳統(tǒng)串行網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性并實(shí)現(xiàn)必要的服務(wù)整合、簡(jiǎn)便維護(hù)和高可用性，幫助他們?yōu)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用案例做好準(zhǔn)備。通過把IT和控制工程師以及他們各自負(fù)責(zé)的系統(tǒng)整合起來，CPwE能夠地最大限度地優(yōu)化工業(yè)作業(yè)，大幅提高原材料的利用率，確保產(chǎn)品和服務(wù)的及時(shí)交付。

EtherNet/IP?已經(jīng)成為CPwE的主要載體，因?yàn)樗沁B通思科的以太網(wǎng)到廠框架（包括安全和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）和羅克韋爾自動(dòng)化有限公司的Logix控制平臺(tái)及FactoryTalk平臺(tái)一體化架構(gòu)之間的橋梁。CPwE實(shí)施方案中的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通過對(duì)EtherNet/IP的原生支持，集成了通用型工業(yè)協(xié)議。

EtherNet/IP運(yùn)用未經(jīng)修改的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這種綜合性的端到端網(wǎng)絡(luò)集成，這是定制型現(xiàn)場(chǎng)總線所無法實(shí)現(xiàn)的。思科和羅克韋爾攜手合作后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于IEEE802.11Wi-Fi的WLAN的支持，優(yōu)化了CPwE實(shí)施方案。這些WLAN擁有細(xì)顆粒度的服務(wù)質(zhì)量和流量?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)定特性，有助于克服工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中通常存在的干擾問題和覆蓋范圍下降問題。

EtherNet/IP、Modbus?TCP和部分形式的PROFINET?采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可通過CPwE實(shí)現(xiàn)交互。

這次我們將把目光投向EtherNet/IP以外，看看為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)提供一定支持的其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。畢竟，CPwE的部分價(jià)值主張是能幫助主要在第二層LAN模型中進(jìn)行通信的IAC網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)互連和互操作。EtherNet/IP、ModbusTCP和部分形式的PROFINET采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可通過CPwE實(shí)現(xiàn)這種交互水平。以太網(wǎng)、IP和TCP/UDP可分別用在第2層、第3層和第4層，在運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行通信。

面向互操作型互連網(wǎng)絡(luò)的ModbusTCP和PROFINET

我們來看看基于以太網(wǎng)的兩款解決方案，即ModbusTCP和幾個(gè)版本的PROFINET，這些解決方案可以與EtherNet/IP和其他協(xié)議（如HTTP、FTP、Telnet等）交互，無需采用非標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口卡和/或交換基礎(chǔ)設(shè)施。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都非常流行，其中，截至2015年1月，PROFINET占所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的8%，ModbusTCP在同一市場(chǎng)上的占有率為3%。

ModbusTCP

ModbusTCP是廣泛使用的不依賴具體供應(yīng)商的Modbus協(xié)議的一個(gè)變體，最初由施耐德電氣公司于1979年提出。Modbus采用串行連接，而ModbusTCP則以以太網(wǎng)為其物理網(wǎng)絡(luò)，支持以TCP/IP堆棧的形式通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ModbusTCP于1999年列入標(biāo)準(zhǔn)，目前可以集成在采用TCP/IP插座的任何設(shè)備中。

ModbusTCP采用開放式的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，這使其成為互操作環(huán)境下的最佳選擇。它可以基于常規(guī)型的PC以太網(wǎng)卡運(yùn)行，并且由于專門為其分配了以太網(wǎng)端口502，所以具有良好的未來適應(yīng)能力。Modbus是一個(gè)開放項(xiàng)目，最初由施耐德開發(fā)，現(xiàn)由Modbus組織負(fù)責(zé)管理（2004年起），有廣泛的供應(yīng)商群體在為開發(fā)具有成本優(yōu)勢(shì)的解決方案而努力。

采用TCP/IP而非UDP，可在ModbusTCP中實(shí)現(xiàn)大量并發(fā)連接，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)事務(wù)的低維護(hù)控制。這樣，ModbusTCP與Modbus系列中的前輩采用的無狀態(tài)事務(wù)不同，模擬的是萬維網(wǎng)的簡(jiǎn)約原則。

在ModbusTCP中采用TCP/IP]的主要原因是通過將事務(wù)封裝在無需客戶端和服務(wù)器應(yīng)用執(zhí)行任何特定操作即可識(shí)別、監(jiān)督和取消的連接中，實(shí)現(xiàn)對(duì)各'事務(wù)'的持續(xù)控制。這使得該機(jī)制可以容忍網(wǎng)絡(luò)性能的大幅變化，還能輕松添加防火墻和代理等安全特性?！环蓐P(guān)于ModbusTCP的實(shí)時(shí)自動(dòng)化指南解釋。

PROFINET

我們?cè)诙鄠€(gè)其他條目里談到了PROFINET，所以，這里我們不會(huì)深入探討該協(xié)議的所有特性。但值得注意的是，其設(shè)計(jì)——對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP的支持，以及可以繞過TCP/IP并以PROFINETI/O和IRT傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特殊堆?！貏e適合平衡辦公以太網(wǎng)的便利性與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需求。

與ModbusTCP一樣，PROFINET主要用于工業(yè)自動(dòng)化流程控制。它支持優(yōu)化布線（例如通過西門子的FastConnect系統(tǒng)），能通過WLAN實(shí)現(xiàn)確定性性能，并且兼容星形、樹形和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（在現(xiàn)場(chǎng)總線的線性布局以外），這些特性使其成為簡(jiǎn)化現(xiàn)代IAC系統(tǒng)的布局、提升其性能的常用選擇。另外，PROFINET還能從目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議PROFIBUS輕松轉(zhuǎn)換，所以，對(duì)許多制造商來說，決定集成PROFINET并非難事。

PROFINET、ModbusTCP和EtherNet/IP都是絕佳的例子，很好地展現(xiàn)了如何以以太網(wǎng)等無處不在的技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)要求苛刻、可擴(kuò)展的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。在工廠里，以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)始終都是其熟悉度和靈活性——它可以把工業(yè)和辦公網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一起來，并且在帶寬等關(guān)鍵領(lǐng)域超過現(xiàn)場(chǎng)總線，還直接支持TCP/IP。將來，諸如CPwE一樣的架構(gòu)以及時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)一類的項(xiàng)目的持續(xù)發(fā)展不但會(huì)擴(kuò)大以太網(wǎng)在自動(dòng)化行業(yè)的運(yùn)用范圍，同時(shí)還能進(jìn)一步提高工廠的效率。