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在工業(yè)4.0時(shí)代，各種通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展為企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化帶來(lái)了諸多可能。尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)架中，需要通過(guò)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)通訊方式接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集并上傳海量數(shù)據(jù)。目前，在工控領(lǐng)域，車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，為工廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化帶來(lái)有力推動(dòng)。本文將介紹工業(yè)底層設(shè)備的兩種通訊方式：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)。

一、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

1.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的概念

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，連接最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備以及自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號(hào)及普通開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸，并遵循ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議。開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型（Open System Interconnect 簡(jiǎn)稱(chēng)OSI）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電報(bào)電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì)（CCITT）聯(lián)合制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型，為開(kāi)放式互連信息系統(tǒng)提供了一種功能結(jié)構(gòu)的框架。它從低到高分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話(huà)層、表示層和應(yīng)用層。

我們可以這樣理解現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)：

第一，根據(jù)工廠(chǎng)自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)（工廠(chǎng)管理級(jí)、車(chē)間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)），可知現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)底層，是工廠(chǎng)底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。工廠(chǎng)底層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的好處，在于可以實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動(dòng)化底層的數(shù)據(jù)存取。

第二，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是基于ISO/OSI的七層模型，并且可以少于七層。需要指出的是，實(shí)際應(yīng)用中，ISO模型只是一個(gè)參考，不同種類(lèi)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議棧有較大區(qū)別，通常會(huì)將ISO/OSI的七層模型簡(jiǎn)化，以實(shí)現(xiàn)更低的通信延遲、更快的速度、更有利于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的實(shí)時(shí)特性。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)大致出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)80年代末到90年代初期，當(dāng)時(shí)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，工廠(chǎng)的設(shè)備有了互聯(lián)的需求（此階段的互聯(lián)需求主要定位于遠(yuǎn)程的I/O數(shù)據(jù)傳輸，以及產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)部不同設(shè)備的數(shù)據(jù)交換）。企業(yè)希望通過(guò)綜合掌握多點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信息的操作控制。但受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在系統(tǒng)封閉的缺陷，各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品都是自成體系，不同廠(chǎng)商之間的設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，想實(shí)現(xiàn)更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還存在很多困難。

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，并結(jié)合各種應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求，涌現(xiàn)出了許多有代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，例如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)FF、LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、HAPT現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、Devicenet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、CC－Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)各具特點(diǎn)，并擁有各自特定的應(yīng)用范圍。但由于種類(lèi)繁多，通訊協(xié)議也千差萬(wàn)別，所以至今現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)也未能統(tǒng)一，最終形成了一個(gè)多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的IEC61158的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

二、工業(yè)以太網(wǎng)

1.工業(yè)以太網(wǎng)的概念

由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化制定存在一定的難度，人們開(kāi)始尋求新的工業(yè)通訊出路，這時(shí)候以太網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)在人們的視野。以太網(wǎng)最早出現(xiàn)于1970年代，之后按照IEEE 802.3實(shí)施了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在是指符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)(LAN)產(chǎn)品組。以太網(wǎng)技術(shù)因其技術(shù)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在辦公和商務(wù)上的市場(chǎng)占有率非常高。

以太網(wǎng)最初是為辦公自動(dòng)化的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面不能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，故在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用的是與商用以太網(wǎng)不同的工業(yè)以太網(wǎng)。一些廠(chǎng)商（例如施耐德提出了適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的基于以太網(wǎng)+TCP/IP的解決方案）提出了將以太網(wǎng)技術(shù)引入工廠(chǎng)設(shè)備底層，工業(yè)以太網(wǎng)也就隨之產(chǎn)生了。

工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化控制及過(guò)程控制中應(yīng)用以太網(wǎng)的相關(guān)組件及技術(shù)，并采用TCP/IP協(xié)議，和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，在應(yīng)用層會(huì)加入各自特有協(xié)議的通信技術(shù)。

2.工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)最大的優(yōu)勢(shì)在于：可以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，使得企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一，網(wǎng)絡(luò)集成相對(duì)容易，速度快，開(kāi)發(fā)技術(shù)廣泛，硬件升級(jí)范圍廣，價(jià)格低廉，容易獲得眾多廠(chǎng)商的支持。具體表現(xiàn)在：

（1）Ethernet是全開(kāi)放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠(chǎng)商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

（2）以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)。

（3）軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠(chǎng)商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶(hù)選擇。

（4）通信速率高，隨著企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化，10M、100M的快速以太網(wǎng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)快很多。

近年，工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)份額已經(jīng)超過(guò)了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，后者通常需要多個(gè)獨(dú)立和專(zhuān)有的布線(xiàn)設(shè)施。正如以太網(wǎng)適合于信息管理、信息處理系統(tǒng)一樣，工業(yè)以太網(wǎng)在工廠(chǎng)管理、車(chē)間監(jiān)控等信息集成領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。

?圖2.工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

目前比較有影響力的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)有：西門(mén)子的PROFINET、橫河Yokogawa的VNET/IP、倍福的EtherCAT、東芝Toshiba的TCnet、施耐德的Modbus-IDA、貝加萊的Powerlink、浙大中控的EPA等。

來(lái)源：控制工程網(wǎng)