工業(yè)以太網(wǎng)將切底顛覆自動(dòng)化的未來

　　工業(yè)以太網(wǎng)行業(yè)發(fā)展形勢(shì)

　　以太網(wǎng)(Ethernet)出現(xiàn)于1975年，1982年成為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的第一版本。1990年2月，該標(biāo)準(zhǔn)正式成為ISO/IEC8802.3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在商用數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成為互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)通信技術(shù)，導(dǎo)致了一場(chǎng)全球信息技術(shù)的革命。以太網(wǎng)的成功之處在于實(shí)現(xiàn)了便捷的網(wǎng)絡(luò)互連，通過以太網(wǎng)連接的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備可以是不同類型的網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)備和系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備可以方便地實(shí)現(xiàn)互連、互通與互操作。

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，以太網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是在商用以太網(wǎng)交換機(jī)(IEC8802.3標(biāo)準(zhǔn))的基礎(chǔ)上研制而成的，適應(yīng)不同工業(yè)控制系統(tǒng)的功能和性能需求，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的高可靠性數(shù)據(jù)交換設(shè)備。

　　2007年12月，IEC出版了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線第四版國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，包括EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在內(nèi)的9種類型的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入新版標(biāo)準(zhǔn)。它標(biāo)志著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)成為與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并列的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。由于以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開放性好，應(yīng)用廣泛，使用透明、統(tǒng)一的通訊協(xié)議，以太網(wǎng)將成為工業(yè)控制領(lǐng)域唯一的統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)為機(jī)器與機(jī)器之間的

　　數(shù)據(jù)通信提供了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是未來物聯(lián)網(wǎng)的重要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。工業(yè)以太網(wǎng)與商業(yè)以太網(wǎng)都符合OSI模型，但針對(duì)工業(yè)控制實(shí)時(shí)性、高可靠性的要求，工業(yè)以太網(wǎng)在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層增加了不同的功能模塊，在物理層增加了電磁兼容性設(shè)計(jì)，解決了通信實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)安全性、抗強(qiáng)電磁干擾等技術(shù)問題。目前工業(yè)以太網(wǎng)已逐步應(yīng)用于電力、交通、冶金、煤炭、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域中。作為新興產(chǎn)業(yè)，全球工業(yè)以太網(wǎng)行業(yè)目前正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的導(dǎo)入期，最近十年的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的增長(zhǎng)速度。

　　工業(yè)以太網(wǎng)將成為工控的“寵兒”

　　隨著自動(dòng)化滲入行業(yè)的力度越來越大，實(shí)時(shí)，快速的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信也成為了現(xiàn)代化制造的發(fā)展必經(jīng)之路。在多年以前單一的通信，到現(xiàn)在猛然盛行的工控“寵兒”以太網(wǎng)，無疑讓我們見識(shí)了到了自動(dòng)化力量的強(qiáng)大。

　　以太網(wǎng)現(xiàn)在信息的強(qiáng)大性跟控制的快捷性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的串聯(lián)跟控制，為現(xiàn)代工業(yè)制造實(shí)現(xiàn)真正意義上的“E網(wǎng)到底”奠定了良好的基礎(chǔ)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，也是當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流技術(shù)。

　　關(guān)于評(píng)價(jià)工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)劣的參考點(diǎn)，大概來分應(yīng)該就是以下三點(diǎn)：

　　一是網(wǎng)絡(luò)的確定性和實(shí)時(shí)性

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸要足夠快和信號(hào)的確定性，所以工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)解決方案的重點(diǎn)問題是網(wǎng)絡(luò)的確定性和實(shí)時(shí)性。比如ModicomQuantum以太網(wǎng)IO解決方案，通過支持RSTP(快速樹生成協(xié)議)等協(xié)議，從而保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和整體系統(tǒng)的確定性。

　　二是網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可維護(hù)性

　　由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備良好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性。例如施耐德電氣推出的帶保護(hù)涂層的加固性PLC控制器和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，特別面向惡劣工業(yè)控制環(huán)境對(duì)設(shè)備高可靠性和可維護(hù)性的要求。

　　第三，工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全

　　工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快，實(shí)時(shí)性更高，并可與Internet無縫集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運(yùn)作效率。但同時(shí)也引入了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全問題，如工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到包括病毒感染、非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。一般情況下，可以采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。

　　工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)本身的特性決定了它能給客戶帶來更多的收益，以太網(wǎng)的可持續(xù)性和可擴(kuò)展性，為設(shè)備未來升級(jí)改造提供了極大的便利性;以太網(wǎng)的透明性，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互訪和交換，總而言之，工業(yè)以太網(wǎng)作為未來工業(yè)控制的主流技術(shù)已是大勢(shì)所趨。

　　2015年P(guān)ROFINET將占中國(guó)工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)28%

　　2012年4月6日，中國(guó)PROFIBUS&PROFINET協(xié)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱PI-China)第一屆第三次會(huì)員代表大會(huì)在北京召開，PI-China理事會(huì)及48家會(huì)員單位均派代表出席了會(huì)議。全體PI-China理事會(huì)成員——西門子(中國(guó))有限公司、ABB(中國(guó))有限公司、南京菲尼克斯電氣有限公司、通用電氣智能設(shè)備(上海)有限公司和機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所都參加或派代表出席了本次會(huì)員大會(huì)，其他會(huì)員單位包括瑞典HMS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有限公司北京代表處、蘇州美名軟件有限公司、北京疊文科技有限公司，萬(wàn)可電子(天津)有限公司，博太科電氣(上海)有限公司、赫優(yōu)信(上海)自動(dòng)化系統(tǒng)貿(mào)易有限公司、上海自動(dòng)化儀表股份有限公司、重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司等。值得一提的是，新加入的PI-China用戶會(huì)員包括汽車工程學(xué)會(huì)蔡云生女士、冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院王麗娜女士、中國(guó)石化工程建設(shè)公司林融先生，華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司馬欣欣女士從用戶角度就PI-China如何更好地提供服務(wù)及開展PROFIBUS和PROFINET技術(shù)推廣活動(dòng)等問題與廣大會(huì)員進(jìn)行了積極溝通，在肯定PI-China服務(wù)和作用的同時(shí)，紛紛表示將充分利用PI-China提供的交流平臺(tái)，加強(qiáng)與制造商會(huì)員間的相互合作，并積極參與協(xié)會(huì)的各項(xiàng)活動(dòng)。

　　通過PI-China理事會(huì)、秘書處及各工作組的匯報(bào)發(fā)言，體現(xiàn)了PI-China組織由松散到具有凝聚團(tuán)結(jié)集體的發(fā)展過程，在發(fā)展壯大的同時(shí)，不斷地注入新的力量，離不開廣大會(huì)員單位的努力和各方力量的支持和幫助。會(huì)議還為會(huì)員單位提供了一個(gè)良好的溝通交流的機(jī)會(huì)，與會(huì)的會(huì)員代表紛紛表示繼續(xù)積極參與和配合PI-China的各項(xiàng)工作，有信心，有決心發(fā)揮社團(tuán)組織與用戶溝通的橋梁紐帶作用，促進(jìn)PROFIBUS和PROFINET技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)及存在問題

　　(1)優(yōu)勢(shì)

　　基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)開放式的網(wǎng)絡(luò),由其組成的系統(tǒng)兼容性和互操作性好,資源共享能力強(qiáng),可以很容易的實(shí)現(xiàn)將控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享;數(shù)據(jù)的傳輸距離長(zhǎng)、傳輸速率高;易與Internet連接,低成本、易組網(wǎng),與計(jì)算機(jī)、服務(wù)器的接口十分方便,受到了廣泛的技術(shù)支持。

　　(2)存在問題

　　工業(yè)以太網(wǎng)采用的是帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問協(xié)議(CSMA/CD),無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求,是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);安全可靠性問題,以太網(wǎng)采用超時(shí)重發(fā)機(jī)制,單點(diǎn)的故障容易擴(kuò)散,造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓;對(duì)工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力問題,目前工業(yè)以太網(wǎng)的魯棒性和抗干擾能力等都是值得關(guān)注的問題,很難適應(yīng)環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng);本質(zhì)安全問題,在存在易燃、易爆、有毒等環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)必須要采用安全防爆技術(shù);總線供電問題。在環(huán)境惡劣危險(xiǎn)場(chǎng)合,總線供電具有十分重要的意義。

　　新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議助力工業(yè)以太網(wǎng)

　　傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，往往采用主控CPU連接物理層接口芯片，在主控器內(nèi)編寫以太網(wǎng)通訊協(xié)議。

　　傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，往往采用主控CPU連接物理層接口芯片，在主控器內(nèi)編寫以太網(wǎng)通訊協(xié)議。這種方法需要編寫繁瑣的程序并且耗費(fèi)大量的時(shí)間調(diào)試，由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一般都比較大，寫入軟件后穩(wěn)定性欠佳，不利于系統(tǒng)的快速開發(fā)與穩(wěn)定運(yùn)行。而且客戶時(shí)常會(huì)有新的需求，這種用軟件實(shí)現(xiàn)的方式就很難滿足頻繁更新升級(jí)的要求。因此，一種方式就是將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理獨(dú)立于系統(tǒng)處理器之外，讓應(yīng)用程序與資料的輸入/輸出分別執(zhí)行于不同的硬件，來適應(yīng)多方面的條件。它將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理分成一個(gè)由特定處理器執(zhí)行的控制部分和一個(gè)硬件線路部分，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是具有較短的開發(fā)周期與較高的彈性，而且能夠增加穩(wěn)定性與有效降低主CPU負(fù)擔(dān)，模塊化的設(shè)計(jì)也便于以后系統(tǒng)的升級(jí)。

　　工業(yè)以太網(wǎng)將走向融合時(shí)代

　　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平，改變現(xiàn)有控制系統(tǒng)相對(duì)封閉的企業(yè)信息管理結(jié)構(gòu)。將現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)融合到控制網(wǎng)絡(luò)中，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性和互操作性，從而有助于企業(yè)加快新品開發(fā)、降低生產(chǎn)成本、完善信息服務(wù)。

　　無線技術(shù)進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域的趨勢(shì)是毋庸置疑的，特別是在有線無法使用的場(chǎng)合，無線技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。目前各供應(yīng)商正在提供一系列軟硬件技術(shù)，協(xié)助在產(chǎn)品中增加通信功能。然而，在增加無線連網(wǎng)功能時(shí)，芯片及相關(guān)軟件的選擇極具挑戰(zhàn)性。同時(shí)，無線技術(shù)的可靠性、實(shí)時(shí)性、兼容性等性能還有待加強(qiáng)。

　　從“管理、控制、智能”的角度來看，工業(yè)自動(dòng)化包含采集、傳輸、計(jì)算等環(huán)節(jié)，而物聯(lián)網(wǎng)是全面感知、可靠傳遞、智慧處理，兩者一脈相承。

　　從物聯(lián)網(wǎng)需要的產(chǎn)業(yè)鏈角度看，物聯(lián)網(wǎng)所需要的自動(dòng)控制、信息傳感、射頻識(shí)別等屬于其上游技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，而下游則是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用問題。有專家認(rèn)為，“傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域其實(shí)是物聯(lián)網(wǎng)的一部分。”工控廠商應(yīng)成為物聯(lián)網(wǎng)真正落地的推手

　　協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化意味著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的控制系統(tǒng)具有更好的開放性、互操作性。在控制網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的DCS自成體系;FCS盡管已經(jīng)達(dá)成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線種類仍有10多種;工業(yè)基礎(chǔ)以太網(wǎng)也出現(xiàn)了多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

　　由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展，開放、透明的通訊協(xié)議是必然要求。如今，工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步融合必然是發(fā)展方向。因此，通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)漸近化將是一個(gè)漫長(zhǎng)過程。