工业以太网协议的发展

　　用户对更广泛的实际应用领域和更强的环境适应能力的要求促进了工业以太网协议的发展。
　　数字时代来临了！仅仅过了那么几十年，控制工程师们就开始用数字协议来代替传统的4-20mA模拟控制系统协议了。数字信号控制的优点是毋庸置疑的——确定性、接线简化、速度更快、以及可以对设备进行远程调试或故障检查的能力，等等。这些优点让数字控制的起步一帆风顺，控制工程师们也开始着手尽快将其标准化。而应其需要，工业以太网协议也随之进化成符合数字控制要求的工具，并已适用于多种应用环境。
　　根据5年前Reed Corporate Research的一项控制产品研究调查，使用4-20mA标准的产品当时仍然占主导地位。但现在情况已发生了变化。在最近的一次调查中，有295个人回答了关于工业以太网协议的在线提问。由于以太网能有效地促进公司内部联系，因此无怪乎53%的受访者表示工程项目最需要工业以太网相关的专业人员，之后依次为IT信息技术人员（34%）、现场工程师（23%）、生产管理者（22%）以及处于第三梯队的用户/技术支持（8%）和测试工程师（8%）等。
　　网络的使用
　　控制工程师们将以太网运用于现场的各个领域（请见左图）。图上的数据显示与2006年进行的一次调查基本吻合，只有一个明显的区别：用于商业管理的以太网最近几年来已经快速普及开来，日常生产的各级管理层间的信息互享已成为全球经济中跨国运作的基础条件和标志之一。
　　以太网协议用户主要分布在以下应用领域：监控或数据采集（78%）、控制（68%）、制造层的运营或执行（63%）、企业层的运营（58%），以及较低端的I/O（48%）、传动机构（37%）和传感器（24%）。在控制系统领域，工业以太网络的使用主要集中于逻辑控制方面（PC 89%、PLC 79%、可编程自动化控制器 66%），此外还有传感器方面（视觉系统 37%、温度传感器/转换器 18%、流量传感器/转换器 17%）以及传动装置（例如开关阀 18%和控制阀 14%）。
　　根据回复的统计来看，监控和数据采集系统（SCADA）显然是以太网现场应用中
　　最常用和重要的一项，比排名第二的诊断、测试和维护多出接近一半的选票。
　　最常用的协议
　　根据调查反馈，最常用的十大工业以太网协议依次是：
　　■  TCP/IP (本国内)—95%
　　■  EtherNet/IP—88%
　　■  Modbus TCP—81%
　　■  UDP (本国内)—79%
　　■  Fieldbus Foundation High Speed Internet (HSE)—43%
　　■  EtherCAT—41%
　　■  SERCOS III—38%
　　■  Profibus Profinet—36%
　　■  CC-Link IE (Gigabit Ethernet)—31%
　　■  Ethernet Powerlink—27%
　　其他的协议包括VARAN（通用自动化随机接入网络）、Japan Electrical Manufacturers Association的FL-net (OPCN-2)、synqNet、Mechatrolink III，以及SafetyNet。请参阅本文后的包括十大协议在内的产品目录。
　　所有这些协议都是符合标准的，大部分出自于各大公司之手。这一点在下图所示的理想的工业以太网协议所应具有的特征清单中表现得相当明显。
　　在被问及的34个特征选项中，高速能力（66%）被列为最为重要的特征。紧随其后的依次是设备的可用性（65%）、可升级性（60%）、可使用商业以太网现货的能力（60%），以及用于自动化控制应用的能力（60%）。
　　受访者选择的“非常重要”的特征中，前七项的数量非常接近，第七项仅比第一项少7个百分点。
　　这前五项的排名情况与2006年的调查结果基本一致，只有一项例外：采用10/100 base的T/TX以太网介质的重要性由第五降到了第十；而取代它位置的则是数据传输到更高级系统的简便性。这一变化说明以太网协议正在向更广泛也更复杂的企业级系统中渗透。
　　调查结果显示，92%的受访人已经在工厂级系统上开始使用以太网。而剩余的8%虽然还没开始，但也已经在计划中了。在这一部分的受访者中，有59%表示将在来年启动计划，其余的41%也都表示将在13-24个月内正式开始动作。
　　而使用以太网的控制系统对我们来说已经不能算稀罕玩意了。在控制行业的受访者中有17%表示已经使用这类系统10年甚至更长时间了，其中很多可能不是独立的系统，而是其使用的DCS为主的控制系统的一部分。DCS，众所周知，在使用以太网方面，已经有了很长一段历史了。而使用了6-10年的受访者占总数的29%；2-5年的占34%；两年的占12%；而一年的为8%。
　　尽管以太网控制协议的可选种类还很有限，现场安装调试也较为复杂，但控制业内人士仍旧表示，比起其他任何常用的工业网络，他们更青睐于以太网架构。63%的人选择了非常满意，36%选择了一定程度上的满意，而只有1%的人对其感到失望。
　　当被询问到对安装以太网控制系统的经验建议时，控制工程师们都不约而同地提到了自己学习接受培训的努力经历。文字建议例如“先好好做好功课”、“先自己好好了解下实时以太网”，以及“花点时间彻底弄懂所有的适用选择”之类不胜枚举。但是对于拥有99%满意度的工业以太网控制协议来说，所有花费在介绍、推荐、购买和安装这个系统上的时间都是值得的。
　　EtherNet/IP：制造业
　　EtherNet/IP是采用Common Industrial Protocol (CIP)作为其上层通信协议的网络家族的一员。CIP将一组消息和服务用于制造业的自动化应用，包括控制、安全性、同步、动作、配置和信息。它采用介质独立接口，由数百家供应商支持着，并统一了整个制造业的通信方式。其生产者-消费者服务模式让用户可以同时进行控制、配置和采集智能在线设备上的数据，或者将一个网络作为分布各处的CIP网络的主线进行工作。同时，它也能与标准互联网协议和标准工业协议兼容，例如用于数据传输的OPC等。
　　TCP/IP：迷失了目标？
　　最早的以太网协议TCP/IP是由Internet Engineering Task Force (IETF)提出并推广的，最初是为商业用途的数据网络设计的，目前已经成为最普遍的用于工业以太网的传输协议之一。以太网TCP/IP是一个通信协议包，主要用于连接互联网上的主机，并已经成为了网络间数据传输实质上的标准协议。 Internet Engineering Task Force
　　Modbus TCP：建立在标准以上
　　Modbus TCP协议是一个1979年就已进入市场的消息结构协议，主要用于建立主-从/客户-服务器系统与智能设备之间的通信。作为一种简单的消息结构，Modbus独立于基础的物理层。它将一个通用的、可扩展的、普遍使用的物理网络（以太网）与一个通用的网络标准（TCP/IP），以及一个供应商中立的数据表现方式结合起来。以太网接口502是Modbus TCP协议的制定接口。Modbus TCP能工作在以太网、光纤或其他主流无线网络如Wi/Fi、无线电、GPRS，以及蓝牙的环境下，其协议包含了TCP/IP本身。

　　UDP：事务优先
　　用户数据报协议（UDP）能在一个交互连接的计算机网络里使用带有自寻址数据包的封包交换计算机通信模式。UDP的基础是互联网协议（IP），它为应用程序软件通过最简单的协议途径将信息传送到其他程序提供了支持。该协议是面向事务的协议，无法保证发送和复制的安全性。

　　HSE：全厂控制
　　高速以太网（HSE）被称作是一项关键性的企业整合技术，尤其是在任务关键型应用上。它是FF现场总线基金会的高性能网络，采用以太网架构和TCP/IP协议，最适合用于工厂的控制主网。HSE采用了100 Mbit/s的传输速率，同样适用于设备和子系统的集成，和数据服务器技术例如OPC的集成，支持现场总线的所有功能，包括标准功能块、电子设备表述语言EDDL，以及为高级过程和分布式/混合式/批控制使用的高度专业化的灵活的功能块。
　　EtherCAT：快速，经济
　　EtherCAT是一种开放式的实时以太网络，它可以通过双绞线或者光缆在30ms内上传1000个分布式数字I/O点，或在100ms内上传100个创建轴对象的低层指令。EtherCAT不需要交换机或集线器，开放的以太网和互联网技术帮助它拥有几乎无限的网络扩展能力和垂直整合的优化能力，并因此获得了快速而又经济的实际效果。EtherCAT是一种符合IEC、ISO、SEMI的标准。
　　SERCOS III：动作，I/O
　　SERCOS III是一种开放式的实时工业以太网协议——属于IEC 61784-2 和IEC 61158标准的一部分。它能在较短的循环时间和较低的网络抖动的情况下实现高精确度的控制，是早期SERCOS的升级版本，并可以不需要交换机或集线器独立工作。新的功能包括同步、多动作控制间的通信，以及一款强大的分散式I/O模块管理软件。
　　Profinet：兼容性
　　Profinet据称能够实现自动化工程中任何所需要的功能：离散控制、过程控制、动作控制、点对点整合、垂直整合、安全保障，等等。它采用标准的IEEE 802.3以太网协议，并同样能工作在IEEE 802.11的无线网络环境中。它能在1ms内完成对150个动作指令的控制，同时只有1ms的抖动。它被认为是唯一适用于工厂资产管理和其他生产执行系统相关信息的通信的工业以太网标准。
　　CC-Link：全新的千兆以太网络
　　CC-Link Partner Association (CPLA)开发了一种千兆工业以太网协议，CC-Link IE，可以将网络通信的速度提高到接近底板传输的速度。它是全球第一个开放标准、1gb/s的工业网络，采用双环拓扑结构的标准以太网IEEE 802.3z多模光缆构建。CC-Link仅使用网络自备内存就能正常工作，不需要交换机或集线器的支持。　　Ethernet-Powerlink：更高的价值，更高的速度
　　Ethernet-Powerlink Standardization Group (EPSG)宣称他们的协议对机器操作者和工厂运作者来说，具有极高的使用价值，包括以下功能：安全性（T哣 Rheinland标准，特别适用于要求SIL 3保护的系统）、冗余能力、与CANopen的兼容、用户可对网络拓扑自由进行选择、支持热插拔、抗背景流量干扰的能力，以及方便的系统诊断能力。
　　FL-Net：连接工厂层
　　FL-net (OPCN-2)协议，是一款由日本Japan Electrical Manufacturers’ Association (JEMA)开发的用于PLC与其他控制单元互相交换控制数据的高速以太网协议。它支持包括UDP/IP与FA link在内众多协议，作用于UDP/IP的上层网络。

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