繼以太網(wǎng)和基于IP的協(xié)議成功地取代了用于自動化的RS485和專用同軸電纜解決方案之后，經(jīng)常出現(xiàn)這種推測，即以太網(wǎng)將取代現(xiàn)場總線。同樣，自從所有類型的以太網(wǎng)設(shè)備都能與同一個網(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)場總線不能實現(xiàn)的單一協(xié)議問題的解決方案。使用現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)的相互關(guān)聯(lián)被極大地曲解了。本文進一步探討了自動化系統(tǒng)集成的真實性、每種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所扮演的角色以及用戶處理許多運行在以太網(wǎng)上專用協(xié)議的方法。
多年以來“現(xiàn)場總線”這個術(shù)語在許多方面經(jīng)常使用，很難說出人們在使用這個詞時它的真正含義。例如，HART是現(xiàn)場總線嗎？Profibus和Modus也是現(xiàn)場總線嗎？使用這個詞時僅僅是指定義在IEC61158中的總線嗎？它僅僅和用于過程自動化或機器自動化和運動控制的總線有關(guān)嗎？一種總線必須提供本征安全的能力才稱得上是現(xiàn)場總線嗎？
在過去的幾年中，市場上有一種更加寬泛的定義解決了對現(xiàn)場總線的疑惑：現(xiàn)場總線可以指貫穿工廠層的在過程中將傳感器/發(fā)送器和執(zhí)行器/閥門連接起來的任何自動化總線。
這還是很難理解當人們說傳感器層的網(wǎng)絡(luò)連接時他們的真正含義。這可以指它確實和傳感器和發(fā)送器連接，但是它通常是指與按順序連接到實際傳感器的遠程I/O塊相連接。
大多數(shù)現(xiàn)場總線協(xié)議不是專用的。許多是基于IEC或其他行業(yè)標準，例如用于以太網(wǎng)的IEEE標準。然而，由于容量低于以太網(wǎng)，因此它們看起來相對特殊。
什么是以太網(wǎng)和IP？
以太網(wǎng)這個名字也被廣泛地誤解了。許多時候當問人們他們工廠中使用什么工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時，今天他們會回答是“以太網(wǎng)”或“TCP/IP”，正如過去他們回答“RS485”或“RS232”一樣。這些實際上都是錯誤的，因為以太網(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)類型和針對工業(yè)自動化或其它任務(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限的陣列。
以太網(wǎng)和IP的實際能力一般與在這個平臺上能同時運行的數(shù)以千計的不同應(yīng)用層協(xié)議有關(guān)。這就使網(wǎng)絡(luò)能同時通過所有不同類型的設(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)以千計的以太網(wǎng)協(xié)議之間并不一定會產(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，因此當尋求互相作用的解決方案時，仔細地檢查應(yīng)用層就變的非常重要。
在數(shù)以千計的使用以太網(wǎng)和IP的應(yīng)用層協(xié)議當中，僅僅有少數(shù)是開放的并特別用于工業(yè)自動化的；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心就是為不同工業(yè)應(yīng)用層 設(shè)計的以太網(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，而是選擇一個開放的工業(yè)應(yīng)用層并貫穿整個工廠地使用。每個應(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控制方案或能夠偵測控制器的故障。雖然SNMP能夠很好地進行網(wǎng)絡(luò)管理，但是它除此以外別無其它功能。這樣SNMP只是工業(yè)協(xié)議的補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)場總線和以太網(wǎng)互相補充，因此所有的主要總線技術(shù)組織都包括現(xiàn)場總線和以太網(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)場總線和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使用同一個應(yīng)用層，也就是相同的數(shù)據(jù)類型、目標結(jié)構(gòu)和功能。PROFINET是個明顯的例外：它不是一個建立在以太網(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)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是簡化的技術(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行設(shè)備之間的通信。在低層設(shè)備中限制功率會帶來了一些限制。通過提供一整套的網(wǎng)絡(luò)選擇，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)覆蓋了所有的應(yīng)用領(lǐng)域。
自動化領(lǐng)域簡單地模仿了辦公室領(lǐng)域，在那里以太網(wǎng)不是用來連接一些外圍設(shè)備例如鼠標、本地打印機、儲存盤、鍵盤、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(xiàn)場總線在工廠中一樣。
以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的混合
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,但是進一步的觀察表明以太網(wǎng)與遠程I/O模塊連接，為了與現(xiàn)場實際的傳感器連接，這些模塊按順序支持模擬和離散的輸入和輸出。例如，IDA沒有用于最低層的解決方案。其它的僅有幾個端口與I/O模塊進行數(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，運動控制有非常嚴格的時間要求，這是使用以太網(wǎng)和TCP/IP所不能滿足的。因此，雖然PROFINET具有一個使用標準IEEE802.3以太網(wǎng)和TCP/IP的開放通道，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還需要增加專用的硬件，例如局域網(wǎng)切換器和網(wǎng)絡(luò)芯片。簡言之，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。通過用現(xiàn)場總線技術(shù)擴展標準的以太網(wǎng)，象現(xiàn)場總線一樣沒有協(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可以工作的專有的特性組合。
當涉及速度、距離、本征安全以及無需有源切換器就能通過同根電纜將多個設(shè)備連接起來的能力時，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線就能夠一起使用和互相補充。一種方案并不能滿足所有場合。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)場總線往往具有這些特征能夠理想地補充這一點。雖然以下的觀察更多地來自過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)自動化中對網(wǎng)絡(luò)要求有所不同的應(yīng)用中。
現(xiàn)場總線具有中等的速度，但這已經(jīng)足夠，因為現(xiàn)場總線在最低層使用，那里每個節(jié)點只包含一個或兩個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，即將來自傳感器和驅(qū)動器的數(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)場總線速率更慢并使用簡化的通信堆棧的原因。以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線確實能夠互相補充。
多支路 在以太網(wǎng)中，每條線都連接了一個設(shè)備并需要激活的局域網(wǎng)開關(guān)，當在工廠連接了成百上千個傳感器或傳輸器時，這就非常昂貴而且不是切實可行的。但是，在底層，現(xiàn)場總線已經(jīng)準備好能有效地連接儀器。使用現(xiàn)場總線能夠在同一條電纜上將設(shè)備連接起來而無需有源的局域網(wǎng)開關(guān)。這就減少了布線和對其它一些硬件的需要，為將大量的小節(jié)點連接起來提供了不可比擬的經(jīng)濟上的優(yōu)越性。
距離 由于單個數(shù)據(jù)包的傳播時間有限，在每個中繼局域網(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)可以象一個不會中斷的連接一樣覆蓋很長的距離（例如從控制室到傳感器和執(zhí)行器）。但是，現(xiàn)場總線能夠貫穿工廠車間層直到儀器儀表，覆蓋很長的距離：單個的跨越距離為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)點則費用昂貴。再次重申，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線可以互補。
供電 雖然在IEEE802.3af標準的Power over Ethernet中規(guī)定了一些實現(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，特別是在自動化產(chǎn)品中。然而，這無傷大雅，因為一些低功耗的設(shè)備可以從總線得到供電，而且現(xiàn)場總線能夠提供這個能力。現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)在這點上也能互相補充。
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)中的危險區(qū)域，因為防火電路和設(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，這不是個大問題，因為現(xiàn)場總線就能提供這個能力。
多協(xié)議 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)僅僅能處理單個協(xié)議，但是為了與不同的子系統(tǒng)相連接，有必要支持多個工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。這是能實現(xiàn)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。這也是另一個證明以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線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就被誤導(dǎo)，相信只要簡單地部署以太網(wǎng)就能實現(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，通過在通信堆棧的頂端部署一個現(xiàn)場總線協(xié)議應(yīng)用層，就能實現(xiàn)互操作性。這些標準的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議已經(jīng)按各自的現(xiàn)場總線技術(shù)各就各位了。為了使相互之間能合作，傳動裝置必須使用同樣的應(yīng)用層協(xié)議；許多人忽視了這個重點。以太網(wǎng)除了需要TCP或UDP/IP之外，還需要適當?shù)膽?yīng)用層、對象結(jié)構(gòu)和用戶層。否則，所有標定（微調(diào)和范圍）、診斷、間接測量、遠程監(jiān)控、傳感器類型和連接選擇的實現(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。要進行替代也是很困難的。因此，用戶必須非常謹慎，保證他們所購買的設(shè)備已經(jīng)過測試和注冊，能夠和一個公認的現(xiàn)場總線協(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)用層混合起來的一種方式就是使用OPC。為每個應(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Windows機制。
以太網(wǎng)具有現(xiàn)場總線所沒有的特性。現(xiàn)場總線又具有以太網(wǎng)所缺乏的特性。OPC提供的特性是這兩者都不具備的。現(xiàn)場總線用于現(xiàn)場層的儀器儀表。以太網(wǎng)不僅作為自動化系統(tǒng)的控制主干，而且還應(yīng)用于企業(yè)的更高層。OPC是軟件對軟件的通信，而現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)是硬件對硬件的通信。
現(xiàn)場總線存在于設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，其特點是總線供電、本征安全以及能覆蓋一定的距離，它僅使用兩根線，無需特殊的數(shù)據(jù)通信電纜并允許多點連接等等。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)場儀器儀表（例如變送器和閥門）。但是現(xiàn)場總線對于控制器之間的連接或與大型遠程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局域網(wǎng)提供冗余。過多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的出現(xiàn)很快將會是個令人頭疼的問題，因為用戶想要在這些設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。因此，將單一的應(yīng)用層協(xié)議標準用于自動化非常重要。
結(jié)論
很明顯，以太網(wǎng)在主機層中正在取代RS485和專用的同軸網(wǎng)絡(luò)。常規(guī)的以太網(wǎng)甚至非標準的現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)的混合并不能滿足現(xiàn)場層的所有要求，因此，現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)在不遠的將來將共存。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)并貫穿整個工廠。很有可能的是，以太網(wǎng)的派生物將在取代現(xiàn)場總線之前取代USB。
USB和以太網(wǎng)在辦公室領(lǐng)域中是共存的，因為其中各自的一種協(xié)議都不能解決所有的問題。現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)在解決儀器儀表和自動化問題時能夠互相補充、共同工作，這是它們單獨所不能解決的。
參考
[1]用于過程控制的現(xiàn)場總線—工程、運行和維護，Jonas Berge，儀器儀表、系統(tǒng)和自動化學會（ISA） ISBN1-55617-760-7
Jonas Berge是德國SMAR公司的工程師
晏波譯自“The Industrial Ethernet Book”2004年23期
楊昌琨校對
