繼以太網(wǎng)和基于IP的協(xié)議成功地取代了用于自動(dòng)化的RS485和專用同軸電纜解決方案之后，經(jīng)常出現(xiàn)這種推測(cè)，即以太網(wǎng)將取代現(xiàn)場(chǎng)總線。同樣，自從所有類型的以太網(wǎng)設(shè)備都能與同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接后，常常出現(xiàn)這樣的建議，那就是以太網(wǎng)可能成為現(xiàn)場(chǎng)總線不能實(shí)現(xiàn)的單一協(xié)議問(wèn)題的解決方案。使用現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)的相互關(guān)聯(lián)被極大地曲解了。本文進(jìn)一步探討了自動(dòng)化系統(tǒng)集成的真實(shí)性、每種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所扮演的角色以及用戶處理許多運(yùn)行在以太網(wǎng)上專用協(xié)議的方法。
多年以來(lái)“現(xiàn)場(chǎng)總線”這個(gè)術(shù)語(yǔ)在許多方面經(jīng)常使用，很難說(shuō)出人們?cè)谑褂眠@個(gè)詞時(shí)它的真正含義。例如，HART是現(xiàn)場(chǎng)總線嗎？Profibus和Modus也是現(xiàn)場(chǎng)總線嗎？使用這個(gè)詞時(shí)僅僅是指定義在IEC61158中的總線嗎？它僅僅和用于過(guò)程自動(dòng)化或機(jī)器自動(dòng)化和運(yùn)動(dòng)控制的總線有關(guān)嗎？一種總線必須提供本征安全的能力才稱得上是現(xiàn)場(chǎng)總線嗎？
在過(guò)去的幾年中，市場(chǎng)上有一種更加寬泛的定義解決了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的疑惑：現(xiàn)場(chǎng)總線可以指貫穿工廠層的在過(guò)程中將傳感器/發(fā)送器和執(zhí)行器/閥門(mén)連接起來(lái)的任何自動(dòng)化總線。
這還是很難理解當(dāng)人們說(shuō)傳感器層的網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)他們的真正含義。這可以指它確實(shí)和傳感器和發(fā)送器連接，但是它通常是指與按順序連接到實(shí)際傳感器的遠(yuǎn)程I/O塊相連接。
大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議不是專用的。許多是基于IEC或其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如用于以太網(wǎng)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于容量低于以太網(wǎng)，因此它們看起來(lái)相對(duì)特殊。
什么是以太網(wǎng)和IP？
以太網(wǎng)這個(gè)名字也被廣泛地誤解了。許多時(shí)候當(dāng)問(wèn)人們他們工廠中使用什么工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，今天他們會(huì)回答是“以太網(wǎng)”或“TCP/IP”，正如過(guò)去他們回答“RS485”或“RS232”一樣。這些實(shí)際上都是錯(cuò)誤的，因?yàn)橐蕴W(wǎng)和TCP/IP不是完整的協(xié)議堆棧，正如RS232和RS485不是協(xié)議一樣。然而，以太網(wǎng)和TCP/IP為一些新的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了基礎(chǔ)。
協(xié)議堆棧的頂端是應(yīng)用層協(xié)議。在這里你可以找到數(shù)據(jù)類型和針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化或其它任務(wù)的服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)瀏覽（HTTP）、EMAIL（SMTP）、文檔傳輸（FTP）、網(wǎng)絡(luò)管理（SMTP）或其它功能的幾乎無(wú)限的陣列。
以太網(wǎng)和IP的實(shí)際能力一般與在這個(gè)平臺(tái)上能同時(shí)運(yùn)行的數(shù)以千計(jì)的不同應(yīng)用層協(xié)議有關(guān)。這就使網(wǎng)絡(luò)能同時(shí)通過(guò)所有不同類型的設(shè)備做不同的事情而不產(chǎn)生沖突。然而，不同的設(shè)備連接到同一網(wǎng)絡(luò)并不意味它們之間能互相通信，這是由于它們常常使用不同的協(xié)議。雖然數(shù)以千計(jì)的以太網(wǎng)協(xié)議之間并不一定會(huì)產(chǎn)生沖突，但它們也并不能使設(shè)備之間互相通話。大部分以太網(wǎng)解決方案完全是專用的，因此當(dāng)尋求互相作用的解決方案時(shí)，仔細(xì)地檢查應(yīng)用層就變的非常重要。
在數(shù)以千計(jì)的使用以太網(wǎng)和IP的應(yīng)用層協(xié)議當(dāng)中，僅僅有少數(shù)是開(kāi)放的并特別用于工業(yè)自動(dòng)化的；大部分工廠只需要與少量的協(xié)議連接。工廠管理者的主要擔(dān)心就是為不同工業(yè)應(yīng)用層 設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)設(shè)備之間不能相互通話。例如，SMAR、Emerson和Yokogawa的控制器都使用以太網(wǎng)，但是它們之間不能通話。因此用戶必須避免將多種專用以太網(wǎng)解決方案混合，而是選擇一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)應(yīng)用層并貫穿整個(gè)工廠地使用。每個(gè)應(yīng)用層協(xié)議有不同的功能和形成的原因。例如，大部分以太網(wǎng)設(shè)備支持SNMP，但是這不意味它們能夠參與同一個(gè)控制方案或能夠偵測(cè)控制器的故障。雖然SNMP能夠很好地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，但是它除此以外別無(wú)其它功能。這樣SNMP只是工業(yè)協(xié)議的補(bǔ)充而并不能取代工業(yè)協(xié)議。
總線技術(shù)家族
正如我們將看到的，現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)互相補(bǔ)充，因此所有的主要總線技術(shù)組織都包括現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)。下面的表格僅選擇了部分現(xiàn)有的組織。大部分情況下現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使用同一個(gè)應(yīng)用層，也就是相同的數(shù)據(jù)類型、目標(biāo)結(jié)構(gòu)和功能。PROFINET是個(gè)明顯的例外：它不是一個(gè)建立在以太網(wǎng)和IP上的Profibus應(yīng)用層。
應(yīng)用層是協(xié)議最重要的部分，在那里設(shè)置區(qū)別與其它的不同的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。不同的應(yīng)用層使以太網(wǎng)的解決方案互不兼容。
現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是簡(jiǎn)化的技術(shù)，它們消除了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，而且運(yùn)行得更慢,以允許用低的處理能力進(jìn)行設(shè)備之間的通信。在低層設(shè)備中限制功率會(huì)帶來(lái)了一些限制。通過(guò)提供一整套的網(wǎng)絡(luò)選擇，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)覆蓋了所有的應(yīng)用領(lǐng)域。
自動(dòng)化領(lǐng)域簡(jiǎn)單地模仿了辦公室領(lǐng)域，在那里以太網(wǎng)不是用來(lái)連接一些外圍設(shè)備例如鼠標(biāo)、本地打印機(jī)、儲(chǔ)存盤(pán)、鍵盤(pán)、相機(jī)和其他的東西：USB和以太網(wǎng)在辦公室領(lǐng)域中互相補(bǔ)充，正如以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線在工廠中一樣。
以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的混合
雖然一些組織聲稱基于以太網(wǎng)的通信可向下直到傳感器層,但是進(jìn)一步的觀察表明以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程I/O模塊連接，為了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的傳感器連接，這些模塊按順序支持模擬和離散的輸入和輸出。例如，IDA沒(méi)有用于最低層的解決方案。其它的僅有幾個(gè)端口與I/O模塊進(jìn)行數(shù)字通信，但是在這一層它不是以太網(wǎng)介質(zhì)而且它們沒(méi)有IP地址。例如，EtherCAT不是IEEE802.3以太網(wǎng)在最低層的示例；因此它使用不同的布線和硬件。
相似地，運(yùn)動(dòng)控制有非常嚴(yán)格的時(shí)間要求，這是使用以太網(wǎng)和TCP/IP所不能滿足的。因此，雖然PROFINET具有一個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3以太網(wǎng)和TCP/IP的開(kāi)放通道，但是它也可以選擇結(jié)合不使用TCP/IP的IRT通道。雖然使用標(biāo)準(zhǔn)的電纜和RJ45連接器使它看似具有兼容性，但是增加IRT還需要增加專用的硬件，例如局域網(wǎng)切換器和網(wǎng)絡(luò)芯片。簡(jiǎn)言之，標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)和計(jì)算機(jī)適配器卡不能工作，協(xié)議也不能提供傳送和接收消息的路由。通過(guò)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，象現(xiàn)場(chǎng)總線一樣沒(méi)有協(xié)議堆棧中的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，混合的解決方案具有一個(gè)可以工作的專有的特性組合。
當(dāng)涉及速度、距離、本征安全以及無(wú)需有源切換器就能通過(guò)同根電纜將多個(gè)設(shè)備連接起來(lái)的能力時(shí)，以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線就能夠一起使用和互相補(bǔ)充。一種方案并不能滿足所有場(chǎng)合。以太網(wǎng)目前不能滿足低層儀器儀表的特殊要求，但是現(xiàn)場(chǎng)總線往往具有這些特征能夠理想地補(bǔ)充這一點(diǎn)。雖然以下的觀察更多地來(lái)自過(guò)程控制和儀器儀表的應(yīng)用，但是它們同樣能夠用于工業(yè)自動(dòng)化中對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求有所不同的應(yīng)用中。
現(xiàn)場(chǎng)總線具有中等的速度，但這已經(jīng)足夠，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線在最低層使用，那里每個(gè)節(jié)點(diǎn)只包含一個(gè)或兩個(gè)變量不停地被更新的，而其它的信息只是觀察。在稍高的層中，即將來(lái)自傳感器和驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)在控制器或連接設(shè)備中集中的層中，以太網(wǎng)以它高帶寬提供了很好的選擇。
以太網(wǎng)的速度很快，但是象小型設(shè)備(如接近開(kāi)關(guān)和變送器)不能夠以100Mbps的速率處理TCP/IP堆棧。這就是為什么現(xiàn)場(chǎng)總線速率更慢并使用簡(jiǎn)化的通信堆棧的原因。以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線確實(shí)能夠互相補(bǔ)充。
多支路 在以太網(wǎng)中，每條線都連接了一個(gè)設(shè)備并需要激活的局域網(wǎng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)在工廠連接了成百上千個(gè)傳感器或傳輸器時(shí)，這就非常昂貴而且不是切實(shí)可行的。但是，在底層，現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)準(zhǔn)備好能有效地連接儀器。使用現(xiàn)場(chǎng)總線能夠在同一條電纜上將設(shè)備連接起來(lái)而無(wú)需有源的局域網(wǎng)開(kāi)關(guān)。這就減少了布線和對(duì)其它一些硬件的需要，為將大量的小節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)提供了不可比擬的經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性。
距離 由于單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳播時(shí)間有限，在每個(gè)中繼局域網(wǎng)切換器之間的銅線以太網(wǎng)的距離局限在100米之內(nèi)。這就排除了以太網(wǎng)可以象一個(gè)不會(huì)中斷的連接一樣覆蓋很長(zhǎng)的距離（例如從控制室到傳感器和執(zhí)行器）。但是，現(xiàn)場(chǎng)總線能夠貫穿工廠車(chē)間層直到儀器儀表，覆蓋很長(zhǎng)的距離：?jiǎn)蝹€(gè)的跨越距離為2公里，使用中繼器則為數(shù)倍。很明顯，以太網(wǎng)使用廣播能夠廣播幾公里的范圍，但使用大量的節(jié)點(diǎn)則費(fèi)用昂貴。再次重申，以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線可以互補(bǔ)。
供電 雖然在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的Power over Ethernet中規(guī)定了一些實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)供電（PoE）的方式，但是常規(guī)的以太網(wǎng)是不能供電的，特別是在自動(dòng)化產(chǎn)品中。然而，這無(wú)傷大雅，因?yàn)橐恍┑凸牡脑O(shè)備可以從總線得到供電，而且現(xiàn)場(chǎng)總線能夠提供這個(gè)能力。現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)在這點(diǎn)上也能互相補(bǔ)充。
本征安全 常規(guī)的以太網(wǎng)和PoE并不是本征安全的，因此不適合1區(qū)中的危險(xiǎn)區(qū)域，因?yàn)榉阑痣娐泛驮O(shè)備要求正確的安裝。此外，設(shè)備需要以100Mbps的速率執(zhí)行TCP/IP堆棧，這需要大功率的供電，比Exia IIC允許的電功率還要大。但是，這不是個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線就能提供這個(gè)能力。
多協(xié)議 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)僅僅能處理單個(gè)協(xié)議，但是為了與不同的子系統(tǒng)相連接，有必要支持多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。這是能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)支持多協(xié)議，使它符合標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和IP，正如Foundation Fieldbus HSE和Modbus/TCP等一樣。這也是另一個(gè)證明以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的功能是如何互補(bǔ)的例子。不基于IEEE802.3或IP的混合工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不具有這種多協(xié)議的功能。
互操作性
一些淺見(jiàn)的人一直相信以太網(wǎng)能夠輕易地提供IEC61158標(biāo)準(zhǔn)所不能達(dá)到的互操作性。許多對(duì)這種看法毫不懷疑的用戶就被誤導(dǎo)，相信只要簡(jiǎn)單地部署以太網(wǎng)就能實(shí)現(xiàn)互操作性。但是，由于以太網(wǎng)只是一條將比特包從一端傳到另一端的線，它單獨(dú)并不能提供解決方案。TCP、UDP和IP也不能提供解決方案。幸運(yùn)的是，通過(guò)在通信堆棧的頂端部署一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議應(yīng)用層，就能實(shí)現(xiàn)互操作性。這些標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議已經(jīng)按各自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)各就各位了。為了使相互之間能合作，傳動(dòng)裝置必須使用同樣的應(yīng)用層協(xié)議；許多人忽視了這個(gè)重點(diǎn)。以太網(wǎng)除了需要TCP或UDP/IP之外，還需要適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層、對(duì)象結(jié)構(gòu)和用戶層。否則，所有標(biāo)定（微調(diào)和范圍）、診斷、間接測(cè)量、遠(yuǎn)程監(jiān)控、傳感器類型和連接選擇的實(shí)現(xiàn)都是完全特定的，因此要花很大的精力將儀器儀表集成起來(lái)。要進(jìn)行替代也是很困難的。因此，用戶必須非常謹(jǐn)慎，保證他們所購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備已經(jīng)過(guò)測(cè)試和注冊(cè)，能夠和一個(gè)公認(rèn)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議兼容，而不是在許多控制系統(tǒng)和產(chǎn)品中存在于以太網(wǎng)頂端的專用應(yīng)用協(xié)議。
用戶將不同的以太網(wǎng)應(yīng)用層混合起來(lái)的一種方式就是使用OPC。為每個(gè)應(yīng)用層和OPC橋軟件使用OPC服務(wù)器，就可能協(xié)調(diào)不同的以太網(wǎng)協(xié)議，雖然通過(guò)Windows機(jī)制。
以太網(wǎng)具有現(xiàn)場(chǎng)總線所沒(méi)有的特性。現(xiàn)場(chǎng)總線又具有以太網(wǎng)所缺乏的特性。OPC提供的特性是這兩者都不具備的。現(xiàn)場(chǎng)總線用于現(xiàn)場(chǎng)層的儀器儀表。以太網(wǎng)不僅作為自動(dòng)化系統(tǒng)的控制主干，而且還應(yīng)用于企業(yè)的更高層。OPC是軟件對(duì)軟件的通信，而現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)是硬件對(duì)硬件的通信。
現(xiàn)場(chǎng)總線存在于設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是總線供電、本征安全以及能覆蓋一定的距離，它僅使用兩根線，無(wú)需特殊的數(shù)據(jù)通信電纜并允許多點(diǎn)連接等等。這些特征使它非常理想地適用于位于企業(yè)最低層的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表（例如變送器和閥門(mén)）。但是現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)于控制器之間的連接或與大型遠(yuǎn)程I/O子系統(tǒng)之間的連接速率非常慢。它只適用于儀器儀表。
以太網(wǎng)是控制系統(tǒng)的主干。它的特性是高速、能攜帶多協(xié)議，還能經(jīng)由多條路徑，在一些情況下能為整個(gè)局域網(wǎng)提供冗余。過(guò)多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的出現(xiàn)很快將會(huì)是個(gè)令人頭疼的問(wèn)題，因?yàn)橛脩粝胍谶@些設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。因此，將單一的應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)用于自動(dòng)化非常重要。
結(jié)論
很明顯，以太網(wǎng)在主機(jī)層中正在取代RS485和專用的同軸網(wǎng)絡(luò)。常規(guī)的以太網(wǎng)甚至非標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)的混合并不能滿足現(xiàn)場(chǎng)層的所有要求，因此，現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)在不遠(yuǎn)的將來(lái)將共存。用戶必須避免使用多種專用的以太網(wǎng)解決方案，選擇單一開(kāi)放的工業(yè)應(yīng)用層用于他們的工業(yè)以太網(wǎng)局域網(wǎng)并貫穿整個(gè)工廠。很有可能的是，以太網(wǎng)的派生物將在取代現(xiàn)場(chǎng)總線之前取代USB。
USB和以太網(wǎng)在辦公室領(lǐng)域中是共存的，因?yàn)槠渲懈髯缘囊环N協(xié)議都不能解決所有的問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)在解決儀器儀表和自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)能夠互相補(bǔ)充、共同工作，這是它們單獨(dú)所不能解決的。
參考
[1]用于過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線—工程、運(yùn)行和維護(hù)，Jonas Berge，儀器儀表、系統(tǒng)和自動(dòng)化學(xué)會(huì)（ISA） ISBN1-55617-760-7
Jonas Berge是德國(guó)SMAR公司的工程師
晏波譯自“The Industrial Ethernet Book”2004年23期
楊昌琨校對(duì)
