以太网是领先的机器自动化协议

现场总线技术在20世纪最后几十年出现时，是点对点布线的一个受欢迎的进步，从那时起，它在工业上运行良好。许多现场总线协议来来去去，但都将传感器、输入/输出(I/O)设备和其他现场设备连接到自动化系统。

对于今天的工业网络，以太网可能是一个比竞争协议更有吸引力的选择，因为性能可以匹配并超过现场总线技术。设置以太网网络通常也比使用其他协议更便宜，更容易配置。

现场总线简史

在早期，有基本的开放通信串行标准，如RS232和RS422/485。其中，这些是定义更好的标准的基础，如Modbus，它使用串行通信标准作为后来领先的工业协议的基础。

以太网还不成熟，现场总线协议在许多应用中提供了足够的性能和可靠性。然而，现场总线技术通常昂贵且难以安装，而且不同的协议在硬件和软件层面上都不兼容。

许多最初的现场总线实现是为连接远程I/O到可编程逻辑控制器(plc)而设计的。这些通信标准中有许多是基于RS422/485标准的，但在转移到独立基金会并开放之前，大多数都是专有的。

例如，DeviceNet、Modbus和Profibus DP最初分别是Rockwell Automation、Modicon和Siemens的私有协议。每一个最终都成为由一个独立基金会管理的开放标准。

今天，有几种现场总线选项用于将plc连接到远程I/O和其他简单设备，如电机启动器、传感器歧管和气动阀歧管。

当前的现场总线协议选项

虽然工业以太网的增长超过了现场总线访问设备的增长，并预计将在未来15年成为更主要的技术，但其他现场总线网络有非常大的安装基础，因为它们是以太网技术成熟之前的唯一选择。许多应用程序仍然受益于现场总线网络(如DeviceNet和Profibus DP)提供的高度确定性架构。使用这些和其他类似的协议，可以非常方便地将更多使用现场安装的I/O块的设备添加到仍然满足应用程序需求的现有网络中。

另一种流行的现场总线协议是IO-Link，这是一种点对点(P2P)网络，用于将现场设备连接到控制器，通常通过转换器(见图2)。一些较新的设备可以提供过程数据、配置数据、识别、运行参数和诊断。传输诊断数据的能力可以通过智能诊断准确的故障项来减少机器停机时间，或者在某些情况下，通过提供故障即将发生的信息来防止停机时间。

尽管IO-Link和低级现场总线协议可以很好地将简单设备连接到控制器，但更复杂的连接可以受益于以太网提供的功能、速度和灵活性。

以太网的案例

在许多需要高度信息交换的新机器自动化应用中，例如将视觉系统连接到PLC，可以考虑使用工业以太网协议来代替现场总线通信。随着硬件成本的下降，对于远程I/O和现场总线设备连接等简单应用来说，成本效益也越来越高。

许多人仍然认为工业以太网与现场总线不同，但如果考虑到现场总线技术在过去传统上所完成的工作与以太网今天所能完成的工作，它们实际上是一样的。现场总线技术传统上具有高度确定性的数据传递，以太网可以通过其提高的速度和低水平的时间同步方法实现同样的目的。电力可以通过许多现场总线电缆传输到设备，通过以太网供电也是如此。很少有工业网络应用程序不能正确指定工业以太网协议。

在早期的以太网网络中，确定性很差，抖动很严重，这导致处理速度较慢。不那么智能的网络设备，如简单的以太网集线器是常态。结果，数据冲突和重试非常频繁。随着具有成本效益的工业以太网、非托管交换机以及最终的托管交换机的出现，碰撞已经成为一个不成问题的问题。处理能力提高了，在大多数应用程序中，它将数据传输的天数减少到微不足道的水平。

即使使用标准的、现成的以太网芯片，抖动对于大多数应用程序来说也足够低，因为这些应用程序可以利用Ethernet /IP中的1类I/O消息等调度机制。对于时间要求更严格的应用程序，EtherCAT等协议使用精确时间协议同步(IEEE 1588)。

虽然大多数以太网网络利用星型拓扑结构，其中以太网交换机或交换机形成中心，设备从那里分支出去，但许多设备包括具有多个RJ-45接口的交换机端口，以使菊花链更具成本效益。

流行的以太网协议

与其他通信技术不同，以太网允许多个协议在同一个网络上运行。常用的工业以太网协议包括:

表:工业以太网协议示例和治理组织
EtherCAT (www.ethercat.org）
以太网/ IP (www.odva.org）
Modbus TCP (www.modbus.org）
Powerlink (www.ethernet-powerlink.org）
Profinet (www.profibus.com）
serco (www.sercos.com）

自动化供应商通常为应用程序选择合适的以太网协议，因为不同的供应商偏爱不同的协议。

由ODVA维护的EtherNet/IP诞生于罗克韦尔自动化公司开发的DeviceNet和ControlNet协议。EtherNet/IP已经扩展到工业应用中的许多不同用途(参见图3)。

Modbus TCP是最早出现的工业以太网协议之一。Modbus TCP标准由Modbus组织维护和更新。由于其简单而有效的设计，它被频繁地使用。

Profinet是Profibus DP和PA的以太网演进。它由Profibus组织维护，是西门子设备的首选以太网协议。它有多种可用的硬件架构，包括无线，使其适用于各种应用。

EtherCAT是倍福自动化公司设计的以太网标准，基于IEC 61158。它采用分布式时钟机制，专为高速和同步运动应用而设计。

SERCOS是最早用于运动控制的以太网标准之一。最早的版本使用光纤作为通信介质。但是，最新的版本已经采用它在标准以太网上运行。

Powerlink是由B&R Automation开发的以太网协议，与EtherCAT一样，它也通过使用低级时间同步方法以非常低的抖动执行。

虽然上面列出的每个协议都有自己的支持者，EtherNet/IP和Modbus TCP正在北美成为领导者。

EtherNet/IP和Modbus TCP引领潮流

EtherNet/IP和Modbus TCP是业界最流行的以太网协议，许多plc和其他控制器支持其中一种或两种协议。两者都可以运行在标准的、现成的以太网硬件上，选择使用哪一种取决于所使用的硬件和应用程序的类型。

大多数供应商倾向于使用特定的以太网协议，但他们通常不局限于一种协议。使用供应商青睐的协议通常是有利的，因为这将产生最好的支持和最广泛的兼容产品。

如果应用程序需要混合供应商，并且控制器和现场设备都可以使用这两种协议，那么时间和速度要求通常是决定因素。EtherNet/IP使用一种称为请求包间隔(RPI)的调度机制，它可以使它更适合于高速应用程序。如果涉及到许多不同的供应商，低成本是一个主要因素，Modbus TCP可能是一个更好的选择，因为它已经在许多设备上实现，因为它相对较小的内存占用和简单性。

选择正确的协议

该应用程序将帮助定义使用哪种现场总线技术。在许多应用程序中，使用几个协议是有意义的，每个协议应用于最合适的级别。混合协议和通信架构以使现场设备连接到控制器，控制器连接到人机界面(hmi)， hmi连接到更高级别的计算系统通常是正确的选择。要做到这一点，有必要选择一个支持多种协议的控制器。

IO-Link或类似的协议通常用于将多个现场设备连接到控制器，因为它比将每个现场设备硬连接到控制器输入点更具成本效益。通过IO-Link, IO-Link到以太网/IP网关通常直接连接到现场设备，然后通过以太网/IP连接回控制器。

网关作为一个多路复用器，直接连接到多个IO-Link现场设备，并通过一根以太网/IP电缆将来自这些设备的信息提供给控制器。尽管IO-Link支持传感器和IO-Link主设备之间相对较短的距离，但它可以连接到各种网关和相关协议，以扩展到控制器。

例如，在大型制造和仓库输送机应用中，可以通过使用位于以太网/IP网络上的网关来实现控制器和设备之间的更长的距离。使用易于使用的托管和非托管交换机还有助于分布以太网连接。

对于控制器之间的连接，或控制器到hmi的连接，以太网的某些变体是首选选项，具体协议的选择取决于硬件所支持的协议。尽管以太网主导了这些高级连接，但从控制器到远程I/O和现场设备的低级连接仍然通过各种通信技术进行，如IO-Link、DeviceNet、Profibus DP或以太网的一些变体。

随着以太网硬件成本的下降和功能的不断扩展，特别是在更高的速度和更强的确定性方面，工程师们应该期望它在工业通信中得到更广泛的应用。

克里斯•哈里斯是AutomationDirect的团队领导技术援助组。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 以太网的性能通常可以匹配和超过今天的现场总线技术水平。
• 以太网/ IPModbus TCP正在成为北美制造商的领导者。
• 更多的用户随着成本的下降和性能的扩展，将采用以太网硬件。

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