工业总线和工业以太网在自动化应用的探讨

工业总线和工业以太网在自动化应用的探讨

尽管在机器自动化领域还有数十个工业现场总线协议在使用，但工业以太网正在以其优异的特性取代其中的很多协议。

在早些年的时候，有一些基本的开放通讯串口标准，例如RS232和RS422/485。包括这些在内的那些标准是诸如Modbus标准的基础，Modbus使用串口通讯标准作为基础进而成为工业领域协议的主导。

以太网当时还不太成熟，而现场总线协议在许多应用领域提供足够的性能和可靠性。不过，现场总线技术通常很贵并且安装困难，而且不同的协议在硬件和软件方面都不兼容。

许多最初实施的现场总线都是用来将远程I/O和可编程逻辑控制器（PLC）相连。许多通讯标准都是基于RS422/485标准的，不过在转移到独立基金会下和开放之前，绝大多数都是专属的协议。例如，DeviceNet、Modbus以及Profibus DP最初都是专有协议，分别属于罗克韦尔自动化、施耐德电气以及西门子公司。现在，每一个协议最终都变成由一家独立基金会管理的开放标准。

[PROFINET和PROFIBUS是PNO组织推出的两种现场总线。两者本身没有可比性，PROFINET基于工业以太网，而PROFIBUS基于RS485串行总线。两者协议上由于介质不同完全不同，没有任何关联。两者相似的地方都具有很好的实时性，原因在于都使用了精简的堆栈结构。基于标准以太网的任何开发都可以直接应用在PROFINET网络中。世界上基于以太网的解决方案的开发者远远多于PROFIBUS开发者，所以，有更多的可用资源去创新技术。

今天，有好几种可选的现场总线可以用来将PLC和远程I/O，以及其他例如电机启动器、传感器和气动阀歧管等这样简单的设备连接起来。

在工业自动化系统中广泛使用的以太网帮助工业用户实现了各种各样的连接。
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1.国内外流行的现场总线与工业以太网或实时以太网有：

FF、CIP、PROFIBUS、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、INTERBUS、CAN、Lonworks、CC-Link、HART 等现场总线。

PROFINET、TCnet、EtherCAT、Ethernet Powerlink、EPA、Modbus-RTPS、 SERCOS、VNET/IP、SERCOS III、HSE等工业以太网或实时以太网。

每种总线都有其产生的背景和应用领域。总线是为了满足自动化发展的需求而产生的，由于不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定的领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。

现场总线与工业以太网在冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制，加工制造业，楼宇，交通运输，农业，机器人，驱动产品，智能电网等领域得到了广泛的应用。

如何深入学习和掌握现场总线与工业以太网并应用到实际的工程项目中是每一位读者面临的难点。

现场总线属于局域网的范畴，学习现场总线，首先要学习掌握《计算机网络》方面的知识，了解ISO/OSI通信参考模型和数据通信的基础知识，现场总线与工业以太网的通信模型与ISO/OSI模型的对应关系，现场总线的采用的拓扑网络结构等。不论是哪种现场总线或工业以太网，均遵从OSI通信参考模型。现场总线通信接口的实现，一般通过通信控制器（专用ASIC）完成，它通常集成了现场总线的物理层、数据链路层等，应用层由用户通过软件实现。

2、以太网技术的进化

许多人仍然认为工业以太网是和现场总线不同的事物，不过如果想一下传统的现场总线技术在过去完成了哪些事情以及今天的以太网可以做什么，就会发现它们实际上是一回事。现场总线技术往往以具有高度确定性数据传输的特性自居，而通过提高速度和低水平时间同步手段，以太网可以做相同的事情。可以通过许多现场总线电缆为设备供电，同样可以通过以太网供电实现。在采用适合的工业以太网协议的应用场合中，很少有工作不正常的。

早期的以太网网络，确定性不好而且时基误差很明显，这会导致处理速度减慢。使用那些例如简单的以太网集线器之类的不太智能的网络设备，导致数据冲突和重试经常发生。随着性价比高的工业以太网、非管理型交换机以及管理型交换机的出现，数据冲突已经变得不再是问题了。现在的以太网处理能力增强了，而且在绝大多数应用场合的数据传输延迟水平方面都显著地降低了。

即便是使用标准的、现成的以太网芯片，由于使用了诸如在EtherNet/IP中的一级I/O信息传送的时序安排机制，对于大多数应用场合来说时基误差也都足够低了。对于那些对时序要求更加严格的应用来说，诸如EtherCAT的协议使用精确时间协议同步（IEEE1588）。

种类丰富的各种PLC和其他控制器都支持EtherNet/IP。

大多数的以太网网络采用星型拓扑结构，其中以太网交换机或多个交换机构成其中心，而其他设备构成分支，许多包括交换机端口的设备都采用多个RJ-45接口，这是让菊链式连接更加经济有效。

3、工业通讯协议的选择

与其他通讯技术不同，以太网允许在同一个网络上运行多个协议。一些主流的以太网协议包括EtherCAT，EtherNet/IP，Modbus TCP，Powerlink，Profinet以及SERCOS。自动化供应商通常会建议用户对适合应用情况的以太网协议的选择，不同的供应商倾向于不同的协议。

大部分供应商倾向于一种特定的以太网协议，不过他们又经常不仅限于一种。使用供应商建议的协议一般更有好处，因为这样会获得最好的支持以及最大范围的可兼容的产品。如果一个应用场合要求使用两个不同的供应商，而且对于两种协议都有可选的控制器和现场设备，时序和速度的要求通常成为决定因素。

应用场合会决定使用哪种现场总线技术。在许多应用中，使用多种协议可能更加合理，将每种协议应用在最合适的水平上。使用混合的协议和通讯架构将现场设备与控制器连接、将控制器与人机界面（HMI）连接、以及将HMI与更高级别的计算系统连接通常是正确的选择。要想实现这些，挑选支持多种协议的控制器很有必要。

对于大型的生产制造和仓库传送带应用场合，控制器与现场设备之间的长距离可以通过使用位于EtherNet/IP网络中的网关来实现。使用很常见的管理型和非管理型交换机也有助于以太网连接的分布。

对于控制器之间的连接，或者控制器与HMI之间的连接，一些以太网的变种是比较好的选项；硬件的支持会决定选择什么协议。

以太网在高一些级别的连接方面占主导地位，对于控制器与远程I/O以及现场设备之间的这些低一些级别的连接方面，可以通过IO-Link、DeviceNet、Profibus DP、或以太网的一些变种来实现。