近幾年，隨著智能制造戰(zhàn)略的持續(xù)推進，中國制造企業(yè)開始重視對底層工業(yè)自動化系統(tǒng)的改造與升級，由此引發(fā)了是否有必要采用工業(yè)以太網替代現(xiàn)場總線技術的問題討論。目前較為普遍的觀點認為，隨著智能工廠的應用實踐的深入以及IT與OT的逐漸融合，打通上層業(yè)務管理系統(tǒng)與下層生產控制系統(tǒng)之間的數據交互是大勢所趨，這種內在的驅動力正在推動控制層和管理層構建統(tǒng)一的網絡通信標準，使得工業(yè)以太網正在成為現(xiàn)場總線技術的重要替代者。

IT與OT融合推動工業(yè)以太網快速發(fā)展

工業(yè)以太網是以太網技術和通用工業(yè)協(xié)議的結合，是標準以太網在工業(yè)領域的應用延伸。近年來，為滿足高實時性的工業(yè)應用需求，各大工業(yè)自動化公司和標準化組織紛紛提出了各種工業(yè)以太網實時性的技術標準，這些方案建立在IEEE802.3標準基礎上，通過對相關標準的擴展以提高實時性，并做到與標準以太網的無縫對接。

目前，被廣泛應用的工業(yè)以太網標準主要包括以下6個類型：

(1)MODBUSTCP/IP

施耐德電氣將以工業(yè)以太網為基礎的協(xié)同自動化解決方案作為發(fā)展戰(zhàn)略。MODBUS的系統(tǒng)可以很容易地升級到MODBUSTCP/IP。而用戶并不需要對原有系統(tǒng)重新投資。在使

用MODBUS的串行連接方式，如RS485的情況下，可以提供相應的產品，非常容易地從現(xiàn)有的MODBUS系統(tǒng)更新或升級到MODBUSTCP/IP上。如果是使用了其他的網絡，也可以應用相應的gateway(網關)使其集成或升級到以太網系統(tǒng)里。

(2)Ethernet/IP

Ethernet/IP是一個面向工業(yè)自動化應用的工業(yè)應用層協(xié)議，是主推ControlNet現(xiàn)場總線的羅克韋爾自動化公司為以太網進入自動化領域所研究創(chuàng)造的以太網工業(yè)協(xié)議。它建立在標準UDP/IP與TCP/IP協(xié)議之上，利用固定的以太網硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業(yè)自動化設備定義了一個應用層協(xié)議。Ethernet/IP協(xié)議由IEEE802.3物理層、數據鏈路層標準協(xié)議和控制與信息協(xié)議CIP等3個部分組成。

(3)EthernetPOWERlink

EthernetPOWERlink是一項在標準以太網介質上解決工業(yè)控制及數據采集領域數據傳輸實時性的技術。EthernetPOWERlink擁有Ethernet的高速、開放性接口，以及CANopen在工業(yè)領域良好的SDO和PDO數據定義，在某種意義上說POWERlink就是Ethernet上的CANopen，物理層、數據鏈路層使用了Ethernet介質，而應用層則保留了原有的SDO和PDO對象字典的結構。

(4)PROFInet

PROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業(yè)以太網技術的自動化總線標準。PROFINET囊括了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并作為跨供應商的技術完全兼容工業(yè)以太網和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術，保護現(xiàn)有投資。

(5)SERCOSIII

Sercos(SerialRealTimeCommunicationSystem，串行實時通信系統(tǒng))已在工廠自動化應用（適合機械工程和建筑）領域風靡了25年。SercosIII是第三代協(xié)議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協(xié)議可將Sercos接口的實時數據交換與以太網相融合。SERCOSIII是SERCOS成熟的通信機制和工業(yè)以太網相結合的產物，它既具有SERCOS的實時特性，又具有以太網的特性。

(6)EtherCAT

EtherCAT最初由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。

根據從站設備的實現(xiàn)方式，可將工業(yè)以太網分為三個類型：

第一類：

采用通用硬件和標準TCP/IP協(xié)議。Modbus/TCP、PROFInet/CbA、Ethernet/IP均采用這種方式。使用標準TCP/IP協(xié)議和通用以太網控制器，所有的實時數據（如過程數據）和非實時數據（如參數配置數據）均通過TCP/IP協(xié)議傳輸。其優(yōu)點是成本低廉，實現(xiàn)方便，完全兼容標準以太網。在具體實現(xiàn)中某些產品可能通過更改或優(yōu)化TCP/IP協(xié)議以獲得更好的性能，但實時性始終受到底層結構的限制。

圖1采用通用硬件和標準TCP/IP協(xié)議

第二類：

采用通用硬件和定義實時數據傳輸協(xié)議。EthernetPowerlink、PROFInet/RT采用這種方式。采用通用以太網控制器但不使用TCP/IP協(xié)議來傳輸實時數據，而是定義了一種專用的包含實時層的實時數據傳輸協(xié)議，用來傳輸對實時性要求很高的數據，TCP/IP協(xié)議棧可能依然存在，用來傳輸非實時數據，但是其對以太網的讀取受到實時層的限制，以提高實時性能。這種結構的優(yōu)點是實時性較強，硬件與通用以太網兼容。

圖2采用通用硬件和定義實時數據傳輸協(xié)議

第三類：

采用專用硬件和自定義實時數據傳輸協(xié)議。EtherCAT、PROFInet/IRT、SERCOS-III采用這種方式。這種方式在第二類的基礎上使用專有以太網控制器以進一步優(yōu)化性能。其優(yōu)點是實時性強，缺點是成本較高，需使用專有協(xié)議芯片、交換機等。

圖3采用專用硬件和自定義實時數據傳輸協(xié)議

工業(yè)以太網替代現(xiàn)場總線的驅動力

隨著智能工廠的推進與實施，企業(yè)對構建統(tǒng)一的工業(yè)通信網絡有著十分迫切的應用需求。但由于目前工業(yè)現(xiàn)場總線標準種類繁多且互不兼容，不同標準的控制器之間不能實現(xiàn)數據傳輸，網絡通信協(xié)議的不一致使得自動化信息孤島廣泛存在，這對企業(yè)構建互聯(lián)互通、虛實融合的智能工廠造成了不可逾越的障礙。同時這成為推動工業(yè)以太網替代現(xiàn)場總線的主要驅動力。筆者認為，隨著工業(yè)以太網技術的逐漸成熟，工業(yè)以太網將會部分替代現(xiàn)場總線成為工業(yè)控制網絡通信的主流，

第一，推動業(yè)務管理系統(tǒng)與工業(yè)自動化系統(tǒng)之間的數據對接已經成為智能工廠實施的關鍵一步。工業(yè)以太網作為一種效率更高、通用性更強的網絡通信標準，為推動構建互連互通，以及具有更好互操作性的透明一體化工業(yè)控制網絡提供動力。

第二，現(xiàn)場總線由于缺乏對諸如語音、圖像等新數據類型的支撐能力，使得現(xiàn)場總線技術無法滿足日益智能化的工業(yè)應用需求。工業(yè)以太網本身就是基于TCP/IP協(xié)議，在帶寬、數據類型支持以及非機構化數據的通信方面有著現(xiàn)場總線無法匹敵的優(yōu)勢。

第三，普遍認為，由于以太網的數據傳輸采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網絡負荷較大時不能滿足工業(yè)數據傳輸的實時性要求。但是隨著更快的光纖正在逐步替代線纜，網絡帶寬的大幅提升能提高數據傳輸的實時性。同時，工業(yè)廠商也通過在以太網中加入實時數據傳輸協(xié)議來提升以太網對工業(yè)數據的實時傳輸能力。

第四，為保證工業(yè)以太網在震動、灰塵、潮濕等惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠穩(wěn)定運行，工業(yè)設備廠商正在為此專門開發(fā)和生產工業(yè)以太網交換機等產品，安裝在標準din導軌上并有冗余電源供電。為提高網絡抗干擾能力，主干網可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可以采用冗余網絡技術。

總結

盡管目前工業(yè)以太網已經呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，在工業(yè)控制網絡中已經部分實現(xiàn)對現(xiàn)場總線的替代，但筆者認為，現(xiàn)在談工業(yè)以太網全面替代現(xiàn)場總線的為時尚早。工業(yè)以太網在實時性、可靠性和抵抗惡劣環(huán)境等方面有所進展，但對工業(yè)現(xiàn)場的數據采集，以及更為底層的傳感器、嵌入式設備的互通互聯(lián)還存在一定的困難，有待進一步研究和解決。在未來一段時間內工業(yè)控制網絡領域仍然將是工業(yè)以太網和現(xiàn)場總線并存發(fā)展。但從最終目標看，工業(yè)以太網替代現(xiàn)場總線的進程將無可避免。