現場(chǎng)總線(xiàn)、以太網(wǎng)和兩者合并的真相
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總線(xiàn)技術(shù)家族
正如我們將看到的，現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)互相補充，因此所有的主要總線(xiàn)技術(shù)組織都包括現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)。下面的表格僅選擇了部分現有的組織。大部分情況下現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )使用同一個(gè)應用層，也就是相同的數據類(lèi)型、目標結構和功能。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應用層。
應用層是協(xié)議最重要的部分，在那里設置區別與其它的不同的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。不同的應用層使以太網(wǎng)的解決方案互不兼容。
現場(chǎng)總線(xiàn)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，而且運行得更慢,以允許用低的處理能力進(jìn)行設備之間的通信。在低層設備中限制功率會(huì )帶來(lái)了一些限制。通過(guò)提供一整套的網(wǎng)絡(luò )選擇，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)覆蓋了所有的應用領(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)連接一些外圍設備例如鼠標、本地打印機、儲存盤(pán)、鍵盤(pán)、相機和其他的東西：USB和以太網(wǎng)在辦公室領(lǐng)域中互相補充，正如以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)在工廠(chǎng)中一樣。
以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)的混合
雖然一些組織聲稱(chēng)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(guān)察表明以太網(wǎng)與遠程I/O模塊連接，為了與現場(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(xiàn)和硬件。
相似地，運動(dòng)控制有非常嚴格的時(shí)間要求，這是使用以太網(wǎng)和TCP/IP所不能滿(mǎn)足的。因此，雖然PROFINET具有一個(gè)使用標準IEEE802.3以太網(wǎng)和TCP/IP的開(kāi)放通道，但是它也可以選擇結合不使用TCP/IP的IRT通道。雖然使用標準的電纜和RJ45連接器使它看似具有兼容性，但是增加IRT還需要增加專(zhuān)用的硬件，例如局域網(wǎng)切換器和網(wǎng)絡(luò )芯片。簡(jiǎn)言之，標準的局域網(wǎng)和計算機適配器卡不能工作，協(xié)議也不能提供傳送和接收消息的路由。通過(guò)用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)擴展標準的以太網(wǎng)，象現場(chǎng)總線(xiàn)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(zhuān)有的特性組合。
當涉及速度、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)設備連接起來(lái)的能力時(shí)，以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)就能夠一起使用和互相補充。一種方案并不能滿(mǎn)足所有場(chǎng)合。以太網(wǎng)目前不能滿(mǎn)足低層儀器儀表的特殊要求，但是現場(chǎng)總線(xiàn)往往具有這些特征能夠理想地補充這一點(diǎn)。雖然以下的觀(guān)察更多地來(lái)自過(guò)程控制和儀器儀表的應用，但是它們同樣能夠用于工業(yè)自動(dòng)化中對網(wǎng)絡(luò )要求有所不同的應用中。
現場(chǎng)總線(xiàn)具有中等的速度，但這已經(jīng)足夠，因為現場(chǎng)總線(xiàn)在最低層使用，那里每個(gè)節點(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(guān)察。在稍高的層中，即將來(lái)自傳感器和驅動(dòng)器的數據在控制器或連接設備中集中的層中，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。這就是為什么現場(chǎng)總線(xiàn)速率更慢并使用簡(jiǎn)化的通信堆棧的原因。以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)確實(shí)能夠互相補充。
多支路 在以太網(wǎng)中，每條線(xiàn)都連接了一個(gè)設備并需要激活的局域網(wǎng)開(kāi)關(guān)，當在工廠(chǎng)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，現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)準備好能有效地連接儀器。使用現場(chǎng)總線(xiàn)能夠在同一條電纜上將設備連接起來(lái)而無(wú)需有源的局域網(wǎng)開(kāi)關(guān)。這就減少了布線(xiàn)和對其它一些硬件的需要，為將大量的小節點(diǎn)連接起來(lái)提供了不可比擬的經(jīng)濟上的優(yōu)越性。
距離 由于單個(gè)數據包的傳播時(shí)間有限，在每個(gè)中繼局域網(wǎng)切換器之間的銅線(xiàn)以太網(wǎng)的距離局限在100米之內。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(cháng)的距離（例如從控制室到傳感器和執行器）。但是，現場(chǎng)總線(xiàn)能夠貫穿工廠(chǎng)車(chē)間層直到儀器儀表，覆蓋很長(cháng)的距離：?jiǎn)蝹€(gè)的跨越距離為2公里，使用中繼器則為數倍。很明顯，以太網(wǎng)使用廣播能夠廣播幾公里的范圍，但使用大量的節點(diǎn)則費用昂貴。再次重申，以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)可以互補。
供電 雖然在IEEE802.3af標準的Power over Ethernet中規定了一些實(shí)現以太網(wǎng)供電（PoE）的方式，但是常規的以太網(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，因為一些低功耗的設備可以從總線(xiàn)得到供電，而且現場(chǎng)總線(xiàn)能夠提供這個(gè)能力?，F場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)在這點(diǎn)上也能互相補充。
本征安全 常規的以太網(wǎng)和PoE并不是本征安全的，因此不適合1區中的危險區域，因為防火電路和設備要求正確的安裝。此外，設備需要以100Mbps的速率執行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，因為現場(chǎng)總線(xiàn)就能提供這個(gè)能力。
多協(xié)議 現場(chǎng)總線(xiàn)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)現的，因為工業(yè)以太網(wǎng)支持多協(xié)議，使它符合標準以太網(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)和現場(chǎng)總線(xiàn)的功能是如何互補的例子。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標準所不能達到的互操作性。許多對這種看法毫不懷疑的用戶(hù)就被誤導，相信只要簡(jiǎn)單地部署以太網(wǎng)就能實(shí)現互操作性。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(xiàn)，它單獨并不能提供解決方案。TCP、UDP和IP也不能提供解決方案。幸運的是，通過(guò)在通信堆棧的頂端部署一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議應用層，就能實(shí)現互操作性。這些標準的工業(yè)應用層協(xié)議已經(jīng)按各自的現場(chǎng)總線(xiàn)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，還需要適當的應用層、對象結構和用戶(hù)層。否則，所有標定（微調和范圍）、診斷、間接測量、遠程監控、傳感器類(lèi)型和連接選擇的實(shí)現都是完全特定的，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(hù)必須非常謹慎，保證他們所購買(mǎi)的設備已經(jīng)過(guò)測試和注冊，能夠和一個(gè)公認的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議兼容，而不是在許多控制系統和產(chǎn)品中存在于以太網(wǎng)頂端的專(zhuān)用應用協(xié)議。
用戶(hù)將不同的以太網(wǎng)應用層混合起來(lái)的一種方式就是使用OPC。為每個(gè)應用層和OPC橋軟件使用OPC服務(wù)器，就可能協(xié)調不同的以太網(wǎng)協(xié)議，雖然通過(guò)Windows機制。
以太網(wǎng)具有現場(chǎng)總線(xiàn)所沒(méi)有的特性?，F場(chǎng)總線(xiàn)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?，F場(chǎng)總線(xiàn)用于現場(chǎng)層的儀器儀表。以太網(wǎng)不僅作為自動(dòng)化系統的控制主干，而且還應用于企業(yè)的更高層。OPC是軟件對軟件的通信，而現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)是硬件對硬件的通信。
現場(chǎng)總線(xiàn)存在于設備層網(wǎng)絡(luò )，其特點(diǎn)是總線(xiàn)供電、本征安全以及能覆蓋一定的距離，它僅使用兩根線(xiàn)，無(wú)需特殊的數據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)最低層的現場(chǎng)儀器儀表（例如變送器和閥門(mén)）。但是現場(chǎng)總線(xiàn)對于控制器之間的連接或與大型遠程I/O子系統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)議的出現很快將會(huì )是個(gè)令人頭疼的問(wèn)題，因為用戶(hù)想要在這些設備之間交換數據。因此，將單一的應用層協(xié)議標準用于自動(dòng)化非常重要。
結論
很明顯，以太網(wǎng)在主機層中正在取代RS485和專(zhuān)用的同軸網(wǎng)絡(luò )。常規的以太網(wǎng)甚至非標準的現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)的混合并不能滿(mǎn)足現場(chǎng)層的所有要求，因此，現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)在不遠的將來(lái)將共存。用戶(hù)必須避免使用多種專(zhuān)用的以太網(wǎng)解決方案，選擇單一開(kāi)放的工業(yè)應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(chǎng)。很有可能的是，以太網(wǎng)的派生物將在取代現場(chǎng)總線(xiàn)之前取代USB。
USB和以太網(wǎng)在辦公室領(lǐng)域中是共存的，因為其中各自的一種協(xié)議都不能解決所有的問(wèn)題?，F場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)在解決儀器儀表和自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)能夠互相補充、共同工作，這是它們單獨所不能解決的。
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