工業總線和工業以太網在自動化應用的探討

工業總線和工業以太網在自動化應用的探討

盡管在機器自動化領域還有數十個工業現場總線協議在使用，但工業以太網正在以其優異的特性取代其中的很多協議。

在早些年的時候，有一些基本的開放通訊串口標準，例如RS232和RS422/485。包括這些在內的那些標準是諸如Modbus標準的基礎，Modbus使用串口通訊標準作為基礎進而成為工業領域協議的主導。

以太網當時還不太成熟，而現場總線協議在許多應用領域提供足夠的性能和可靠性。不過，現場總線技術通常很貴并且安裝困難，而且不同的協議在硬件和軟件方面都不兼容。

許多最初實施的現場總線都是用來將遠程I/O和可編程邏輯控制器（PLC）相連。許多通訊標準都是基于RS422/485標準的，不過在轉移到獨立基金會下和開放之前，絕大多數都是專屬的協議。例如，DeviceNet、Modbus以及Profibus DP最初都是專有協議，分別屬于羅克韋爾自動化、施耐德電氣以及西門子公司。現在，每一個協議最終都變成由一家獨立基金會管理的開放標準。

[PROFINET和PROFIBUS是PNO組織推出的兩種現場總線。兩者本身沒有可比性，PROFINET基于工業以太網，而PROFIBUS基于RS485串行總線。兩者協議上由于介質不同完全不同，沒有任何關聯。兩者相似的地方都具有很好的實時性，原因在于都使用了精簡的堆棧結構?；跇藴室蕴W的任何開發都可以直接應用在PROFINET網絡中。世界上基于以太網的解決方案的開發者遠遠多于PROFIBUS開發者，所以，有更多的可用資源去創新技術。

今天，有好幾種可選的現場總線可以用來將PLC和遠程I/O，以及其他例如電機啟動器、傳感器和氣動閥歧管等這樣簡單的設備連接起來。

在工業自動化系統中廣泛使用的以太網幫助工業用戶實現了各種各樣的連接。
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1.國內外流行的現場總線與工業以太網或實時以太網有：

FF、CIP、PROFIBUS、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、INTERBUS、CAN、Lonworks、CC-Link、HART 等現場總線。

PROFINET、TCnet、EtherCAT、Ethernet Powerlink、EPA、Modbus-RTPS、 SERCOS、VNET/IP、SERCOS III、HSE等工業以太網或實時以太網。

每種總線都有其產生的背景和應用領域?？偩€是為了滿足自動化發展的需求而產生的，由于不同領域的自動化需求各有其特點，因此在某個領域中產生的總線技術一般對這一特定的領域的滿足度高一些，應用多一些，適用性好一些。

現場總線與工業以太網在冶金、石油、化工、醫藥等流程行業的過程控制，加工制造業，樓宇，交通運輸，農業，機器人，驅動產品，智能電網等領域得到了廣泛的應用。

如何深入學習和掌握現場總線與工業以太網并應用到實際的工程項目中是每一位讀者面臨的難點。

現場總線屬于局域網的范疇，學習現場總線，首先要學習掌握《計算機網絡》方面的知識，了解ISO/OSI通信參考模型和數據通信的基礎知識，現場總線與工業以太網的通信模型與ISO/OSI模型的對應關系，現場總線的采用的拓撲網絡結構等。不論是哪種現場總線或工業以太網，均遵從OSI通信參考模型。現場總線通信接口的實現，一般通過通信控制器（專用ASIC）完成，它通常集成了現場總線的物理層、數據鏈路層等，應用層由用戶通過軟件實現。

2、以太網技術的進化

許多人仍然認為工業以太網是和現場總線不同的事物，不過如果想一下傳統的現場總線技術在過去完成了哪些事情以及今天的以太網可以做什么，就會發現它們實際上是一回事?，F場總線技術往往以具有高度確定性數據傳輸的特性自居，而通過提高速度和低水平時間同步手段，以太網可以做相同的事情?？梢酝ㄟ^許多現場總線電纜為設備供電，同樣可以通過以太網供電實現。在采用適合的工業以太網協議的應用場合中，很少有工作不正常的。

早期的以太網網絡，確定性不好而且時基誤差很明顯，這會導致處理速度減慢。使用那些例如簡單的以太網集線器之類的不太智能的網絡設備，導致數據沖突和重試經常發生。隨著性價比高的工業以太網、非管理型交換機以及管理型交換機的出現，數據沖突已經變得不再是問題了?，F在的以太網處理能力增強了，而且在絕大多數應用場合的數據傳輸延遲水平方面都顯著地降低了。

即便是使用標準的、現成的以太網芯片，由于使用了諸如在EtherNet/IP中的一級I/O信息傳送的時序安排機制，對于大多數應用場合來說時基誤差也都足夠低了。對于那些對時序要求更加嚴格的應用來說，諸如EtherCAT的協議使用精確時間協議同步（IEEE1588）。

種類豐富的各種PLC和其他控制器都支持EtherNet/IP。

大多數的以太網網絡采用星型拓撲結構，其中以太網交換機或多個交換機構成其中心，而其他設備構成分支，許多包括交換機端口的設備都采用多個RJ-45接口，這是讓菊鏈式連接更加經濟有效。

3、工業通訊協議的選擇

與其他通訊技術不同，以太網允許在同一個網絡上運行多個協議。一些主流的以太網協議包括EtherCAT，EtherNet/IP，Modbus TCP，Powerlink，Profinet以及SERCOS。自動化供應商通常會建議用戶對適合應用情況的以太網協議的選擇，不同的供應商傾向于不同的協議。

大部分供應商傾向于一種特定的以太網協議，不過他們又經常不僅限于一種。使用供應商建議的協議一般更有好處，因為這樣會獲得最好的支持以及最大范圍的可兼容的產品。如果一個應用場合要求使用兩個不同的供應商，而且對于兩種協議都有可選的控制器和現場設備，時序和速度的要求通常成為決定因素。

應用場合會決定使用哪種現場總線技術。在許多應用中，使用多種協議可能更加合理，將每種協議應用在最合適的水平上。使用混合的協議和通訊架構將現場設備與控制器連接、將控制器與人機界面（HMI）連接、以及將HMI與更高級別的計算系統連接通常是正確的選擇。要想實現這些，挑選支持多種協議的控制器很有必要。

對于大型的生產制造和倉庫傳送帶應用場合，控制器與現場設備之間的長距離可以通過使用位于EtherNet/IP網絡中的網關來實現。使用很常見的管理型和非管理型交換機也有助于以太網連接的分布。

對于控制器之間的連接，或者控制器與HMI之間的連接，一些以太網的變種是比較好的選項；硬件的支持會決定選擇什么協議。

以太網在高一些級別的連接方面占主導地位，對于控制器與遠程I/O以及現場設備之間的這些低一些級別的連接方面，可以通過IO-Link、DeviceNet、Profibus DP、或以太網的一些變種來實現。