一文讀懂現場總線和工業以太網

　　隨著傳統制造企業正在加快智能制造轉型的進程，工業互聯網迅速在全世界范圍內興起。在工業互聯網的技術構架中，通過各類通訊方式接入不同設備、系統和產品，來采集海量數據是其重要的一環。本文將介紹工業底層設備的兩種通訊方式：現場總線和工業以太網。

　　認識現場總線

　　回顧現場總線的發展史可知，現場總線大致出現在上個世紀80年代末到90年代初期，這個時期隨著生產規模的日益擴大，工廠的設備有了互聯的需求（此階段的互聯需求主要定位于遠程的I／O數據傳輸，以及產線內部不同設備的數據交換），人們希望通過綜合掌握多點的運行參數與信息，進而實現多點信息的操作控制。但是這個時候的計算機系統存在系統封閉的缺陷，各個廠家的產品都是自成體系，不同廠商之間的設備不能實現互聯互通，想實現更大范圍信息共享的網絡系統由于當時技術的局限性，存在很多困難。

　　在實際發展過程中，涌現出了許多著名的現場總線技術，例如基金會現場總線FF、HAPT現場總線、CAN現場總線、LONWORKS現場總線、Devicenet現場總線、INTERBUS現場總線、PROFIBUS現場總線、WorldFIP現場總線、CC－Link現場總線等。這些現場總線具有各自的特點，并形成了特定的應用范圍。但是現場總線種類實在是太多了，采用的通訊協議也完全不同，所以至今現場總線的標準也未能統一，最終形成了一個多種現場總線的IEC61158的現場總線標準，網上有挺多這方面的資料，在此不再展開。

　　關于現場總線我搜索了好多種版本的定義，但無論是百度百科，還是國際電工委員會IEC標準給出的現場總線定義，對于初學者依然是晦澀難懂。直到最近看到一種有關現場總線的通俗解讀，才感覺豁然開朗。拿來與大家分享：現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通信網絡，它遵循ISO／OSI開放系統互聯參考模型的全部或部分通信協議。

　　初學者可以從兩方面來認識現場總線：第一，根據工廠自動化信息網絡分層結構（工廠管理級、車間監控級、現場設備級），可知現場總線位于生產控制和網絡機構底層，是工廠底層設備之間的通信網絡。工廠底層應用現場總線技術的好處，在于可以實現工廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動化底層的數據存取。

典型的車間自動化架構（圖片來源網絡）

　　第二，現場總線是基于ISO／OSI的七層模型，并且可以少于七層。需要指出的是，實際應用中，ISO模型只是一個參考，不同種類的現場總線協議棧有較大區別，通常會將ISO／OSI的七層模型簡化，以實現更低的通信延遲、更快的速度、更有利于實現現場總線的實時特性。

ISO／OSI開放系統互聯參考模型（圖片來源網絡）

　　備注：開放系統互連參考模型 （Open System Interconnect 簡稱OSI）是國際標準化組織（ISO）和國際電報電話咨詢委員會（CCITT）聯合制定的開放系統互連參考模型，為開放式互連信息系統提供了一種功能結構的框架。它從低到高分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

　　走進工業以太網

　　鑒于現場總線的標準還是基于多種現場總線標準的妥協，而多標準某種意義上講，就是無標準。人們開始尋求新的工業通訊出路，這時候以太網技術映入人們的眼簾。以太網技術因其技術簡單、開放性好、價格低廉等特點，在辦公和商務上的市場占有率非常高。一些廠商（例如施耐德提出了基于以太網＋TCP／IP的解決方案）提出了將以太網技術引入工廠設備底層，工業以太網也就隨之產生了。

　　但是以太網是計算機局域網中最常見的通信協議標準，最初是為辦公自動化的應用而設計，并沒有考慮到工業現場環境的需求，例如高溫、低溫、防塵燈問題，所以以太網不能直接用于工業現場。智庫百科認為，工業以太網是指在工業環境的自動化控制及過程控制中應用以太網的相關組件及技術?工業以太網采用TCP／IP協議，和IEEE 802．3標準兼容，但在應用層會加入各自特有的協議。從定義角度而言，工業以太網也是現場總線中的一種，就如同現場總線的各種協議一樣。

　　正如以太網適合于信息管理、信息處理系統一樣，工業以太網在工廠管理、車間監控等信息集成領域也應用的很多。工業以太網最大的優勢在于：可以滿足控制系統各個層次的要求，使得企業的信息網絡和控制網絡能夠實現統一；以太網容易實現網絡集成，速度快，開發技術廣泛，硬件升級范圍廣，價格低廉，容易獲得眾多廠商的支持。

工業以太網結構圖（圖片來源網絡）

　　但是以太網是一種隨機網絡，具有通信不確定性的特點，這使得工業以太網一度被打上“難以勝任高速實時性數據通信”的標簽。為此，世界上的各大公司紛紛轉向研究基于以太網的通信確定性和實時性的問題，并取得了一些成就。目前比較有影響力的實時工業以太網有：西門子的PROFINET、倍福的EtherCAT、貝加萊的Powerlink、橫河Yokogawa的VNET／IP、東芝Toshiba的TCnet、施耐德的Modbus－IDA、浙大中控的EPA等。

　　總得來講，工業現場的網絡通信經歷了從現場總線到工業以太網，再到實時工業以太網的發展過程。根據瑞典網絡專家HMS公司的最新調查數據顯示，在2016年間，現場總線的安全節點數量占整個市場的48％，相比2015年的58％市場占比有較大的下降，而工業以太網的市場占比則從38％上升為46％。行業分析人士稱，工業互聯網、工業4.0等戰略的發展推動了越來越多的工業設備實現互聯互通，不過工業網絡通信市場依舊呈現碎片化。