过程自动化采用以太网/IP代替现场总线
EtherNet/IP利用以太网商业技术来超越其他解决方案。
自1973年发明以来，以太网已经改变了世界。它将继续提供最快的数据吞吐量，改进交付的架构，演变成不同的机电频谱以满足下一个行业趋势，并渗透到最小的微处理器中。我们的流程和工厂自动化世界也不例外，这一网络的技术进步不断扩大。
大约20年前，流程自动化市场有专有的方法来满足远程I/O点对点通信的需求。这些方法是成功的和可支持的，但是用户开始要求他们的自动化系统通过以太网与他们的前台系统自动接口和共享更多的数据。
自动化供应商开始通过以太网连接他们的控制系统，但是没有可行的方法在像以太网这样的不确定的网络基础设施上部署设备控制需求。随着过程用户开始从传统的4-20 mA模拟设备过渡到对数字设备通信的需求，现场总线网络出现了，以满足以太网不能满足的需求。
今天，以太网通信已经克服了前几年的许多缺点，并在现场设备通信中确立了自己的地位。
在工厂自动化中，基于以太网的网络被用于将机器人、变速驱动器和执行器连接到自动化控制器。在过程控制领域，EtherNet/IP现在将流量计、压力仪表和类似的现场设备连接到分布式控制系统、可编程控制器和混合可编程自动化控制器(见图1)。
虽然没有网络灵丹妙药，但EtherNet/IP具有一些现场总线架构无法提供的优点。以太网/ IP:
- 是否更容易连接到各种主机系统
- 能否同时与多台主机通信
- 对任何有以太网经验的人来说都很熟悉
- 是否可以使用所有可用的以太网工具和技术
- 能否使用服务质量(QoS)对网络流量进行优先级排序
- 能否使用简单网络管理协议(SNMP)对网络进行监控和管理
- 部署交换机时，网络拓扑选择是否更多
- 提供更好的无线数据传输支持
- 通过使用标准以太网工具提供更好的安全性
- 提供规模经济，承诺未来的收益超过现场总线。
本文将探讨这些好处。
工业以太网协议
在以太网框架中，几乎可以放置任何应用程序协议。没有一种特定的协议可以满足工业的所有需求。相反，应用程序协议就像一个工具箱，用户可以选择支持其特定自动化应用程序需求的协议，以提供所需的性能、安全性和安全性。
本文的重点是EtherNet/IP，该工业以太网协议由开放设备供应商协会(ODVA)．EtherNet/IP使用定义的标准以太网帧IEEE 802.3并使用ODVA和ControlNet International的通用工业协议(CIP)对象应用协议库。
图2显示了CIP应用程序库如何部署在几个不同的物理网络体系结构上。这对用户来说是一个独特的好处，因为层与层之间没有物理应用程序接口。这使得CIP库可以在不同的物理网络(包括基于以太网的网络和其他网络，如基于can的网络)之间实现几乎无缝的桥接和路由。
以太网和以太网/IP
以太网/IP在过程工业中绝对是一项发展中的技术，不像现场总线，它已经经历了20年的改进。然而，最近的发展和技术突破使EtherNet/IP成为现场总线的可行替代方案。
以太网IEEE 802.3目前支持高达10 Gbit/sec的数据传输。尽管部署在802.3标准上的EtherNet/ ip设备目前只支持在铜线和光纤上的10/ 100mbit /sec传输速率，但如果网络架构支持，网络中的流量仍然可以使用更高的传输速率。EtherNet/IP的未来变体将与以太网一起发展，以支持更高的传输速率。
EtherNet/IP的一个优点是它可以通过使用工业标准设备来支持无线传输。当通过无线部署EtherNet/IP时，用户必须考虑无线系统部署如何在EtherNet/IP消息定时中创建延迟。请注意，无线现场总线也存在同样的延迟问题，但没有以太网无线世界最新技术发展的优势。
布线距离取决于802.3标准;例如，通过铜线部署时，设备到设备的距离为100米，使用光纤部署时为2000米。以太网供电(PoE)是可用的，因此在现场可能不需要电源。然而，产品的可用性因供应商而异。
以太网交换机也可用于危险场所。一些交换机使用本质安全PoE连接区域1和2的现场仪器。与现场总线不同，现场总线可以在危险区域处理多个设备，一个交换机供应商建议只在一根电缆上安装一个设备，随着以太网交换机价格的迅速下降，这种方法的成本越来越小。同样，产品的可用性因供应商而异。
典型的以太网网络拓扑结构是trunk-star。然而，设备制造商开始将微型以太网交换机嵌入到他们的设备中——允许线性和环形拓扑——这减少了创建星形网络拓扑的需要。冗余可以通过适当的交换机架构来实现，在某些情况下，还可以通过添加通信接口来允许单个光纤或铜端口成为冗余环形基础设施上的节点。换句话说，可以将多个仪器和设备放在同一根电缆上，并在需要时提供冗余(参见图3)。
工艺仪表视角
从过程仪器的角度看EtherNet/IP协议，仪器必须向谁报告，向什么报告?主要的责任是自动化或主机系统。从历史上看，这涉及到主要的过程变量。其次是仪器诊断，最后是仪器配置数据。
仪器产生的数据的每个用户或消费者都有不同的工具和机制来获取数据。对于数据的使用，每一种都有自己独特的要求。考虑这些领域中的每一个——以及EtherNet/IP如何不仅满足其独特的需求，而且在过程中如何创造共性和收敛性——将帮助我们理解EtherNet/IP如何不仅是一个非常强大的现场总线类型的网络，而且还提供了超越当前和未来典型级别现场总线所提供的好处。
流程变量:EtherNet/IP以请求的数据包间隔速率(RPI)将进程变量或I/O数据传送回主机系统。这个RPI由用户定义。通常，RPI是根据应用程序需求设置的。支持以太网/ ip的设备的RPI速率将根据设备的制造商和它们所服务的应用程序而有所不同。
过程仪表，如科里奥利和电磁流量计，在以太网/IP网络上的典型RPI时间从5毫秒到10秒。该设备将I/O数据以系统中配置该设备时建立的RPI速率与自动化系统通信。RPI数据速率选择的可变性使用户能够优化整个流程中的I/O数据流，并通过数据链中的微处理器优化数据处理，而不依赖于实际的网络总线速率或帧大小规格。
I/O数据还可以同时提供给架构中的多个使用者(处理器、设备等)。除了主要的过程变量，多变量设备，如质量流量计，可以同时传输多个变量，如流量、体积和温度，类似于传统的现场总线架构。
在I/O数据结构中传输哪些变量的配置通常由设备制造商决定。一些制造商允许用户配置I/O数据结构。设备供应商部署与自动化系统接口的设备概要文件，并定义这些变量。
如果配置文件定义良好，那么过程控制工程师在使设备在线和在整个系统中通信数据方面只需做很少的工作。通常，只需验证实际设备、设备的修订、RPI和设备的以太网地址，就可以使设备启动并运行。
有关诊断和其他图形的更多信息，请参阅下一页
诊断数据:诊断数据可以是一个非常通用的术语，由需要它的技术人员或操作人员所执行的任务来定义。从设备角度看，设备可以为自动化系统、操作人员、维护人员、可靠性人员、IT人员等提供诊断数据。
其中一些诊断数据可以包含在I/O数据结构中。例如，科里奥利流量计的诊断数据包括空管检测、传感器漂移、传感器误差、电子误差、不均匀混合物误差、环境和工艺温度误差以及其他信息。在配置期间，任何被认为是关键的数据都可以包含在I/O数据中。
设备还需要向在控制区域外操作的技术人员和自动化系统的操作界面工具提供诊断数据。例如，电气和仪器仪表技术人员使用设备组态软件来参考电磁流量计中测量电极之间的电压增量。使用适当的软件，技术人员可以在不干扰过程控制操作的情况下访问必要的数据。
状态监控系统还可以轮询EtherNet/IP上的设备，以确定是否有任何诊断消息需要作为警报发送给维护人员。配备了资产管理、维护、状态监控或HMI/SCADA软件的工业PC可以通过以太网接口直接从设备访问所需的所有I/O和诊断信息(见图4)。使用现场总线，相同的软件必须从dcs中的过程历史记录或数据库访问信息，这需要相当大的额外成本。
大多数以太网/ ip设备都支持SNMP。这使得IT技术人员能够使用标准的网络管理工具监控、故障排除和管理网络设备。例如，假设IT部门正在使用启用snmp的工具监控网络流量。该软件工具报告以太网/IP设备已经超过其标准化的数据包传输速率，并创建电子邮件警报并发送给技术人员。然后，技术人员可以使用设备的内部Web服务器进行故障排除。
这充分利用了公司在IT支持基础设施方面的投资，并最大限度地减少了过程控制工程师同时兼任IT支持工程师的负担。
另一方面，现场总线需要现场总线架构的详细知识，不能利用公司的IT基础设施;过程控制工程师仍有成为网络专家的负担。现场总线需要专门的培训和知识，而EtherNet/IP对于过程自动化和其他使用过以太网的专业人员来说是非常熟悉的。
EtherNet/IP有两个主要的消息传递连接:I/O数据和显式连接(参见图5)。显式连接是不像I/O数据那样安排的消息，而是按需传递的消息。当设备处理I/O数据请求时，它可以同时处理按需请求。图5说明了这种机制——以太网的TCP/IP套件中的udp /TCP——同时为CIP库部署I/O数据和消息传递数据。
这些示例演示了设备诊断数据的一些不同需求以及这些数据发送到的不同位置。以太网允许同时从设备收集数据的能力是一个关键的优点。
与传统的现场总线相比，EtherNet/IP很少需要在主机系统中创建额外的配置代码。这减少了进程配置在主机上的占用。不需要为网络提供额外的软件配置包或添加额外的网络接口，从而降低硬件和软件成本。
其中一些好处仅仅来自以太网的使用，而不能完全归功于Ethernet /IP协议。然而，植入这些功能通常会使现场总线安装变得昂贵、繁琐、难以支持，有时甚至没有吸引力。因此，部署基于以太网的协议有助于克服现场总线的困难和异议。
配置数据:在自动化系统中配置和记录流程设备可能是一项非常耗时的任务。EtherNet/IP通过为这些设备的用户提供不同的接入点，并允许他们使用不同的工具来配置和维护设备配置，为这些设备的用户提供了几个配置和文档的选项。
以太网802.3提供了一个大的数据包(高达1500字节)，在一个帧中打开了一个大的数据块，使设备供应商能够提供比通过典型现场总线协议可以通信的更多的设备属性。处理设备的配置数据在I/O数据级上与自动化系统通信。
这使得自动化系统可以访问工艺设备的配置参数，允许用户确定哪些配置参数(如果有的话)可以被系统程序员或操作人员在操作工作站访问。这在启动和调试过程中为人员提供了灵活性，可以在系统配置程序中监控或更改参数。
使用EtherNet/IP并不要求所有用户使用同一组工具。以太网上的大多数设备都有一个内置的Web服务器，允许用户访问设备参数。这对于可能没有访问或培训过程控制软件或设备配置软件工具的IT技术人员是有用的。
由于以太网/IP协议使用标准的OSI模型，因此其他工具集也可用，并且可以在整个体系结构中共存并同步工作。
维护人员还拥有自己的工具，例如资产配置软件和资产管理软件，用于文档化和变更管理需求。所有这些软件都可以通过以太网/IP网络到达设备。
网络优化
EtherNet/IP提供了超出局域网(LAN)到广域网的网络访问。I/O数据现在可以通过标准IT硬件从一个网络遍历到另一个网络。这使得支持人员几乎可以从世界任何地方访问，允许制造商和供应商远程支持他们的客户。
它还使用It公司通常提供给市场的工具对网络进行分割和优化。传统的现场总线实现将数据限制在物理网络中;这些数据必须通过主机或第三方通信接口访问。
随着用户开始将其业务/财务网络与工厂自动化系统网络合并，网络上的数据量正在增加。这就产生了对隔离、约束和保护流量的日益增长的需求，以便它不会影响自动化网络的数据吞吐量。IT供应商一直在提供硬件和工具来支持这些需求，该技术现在已应用于基于以太网的工业加固设备。
一些IT供应商也在CIP库中提供交换机诊断数据作为I/O数据。这种商业上可用的技术允许工程师在通用硬件设备内部隔离网络流量，从而允许在网络拓扑中更快地传播关键数据。
在某些应用程序中，用户可能无法将数据完全隔离或限制到虚拟局域网或本地子网。现在的问题变成了能否在整个网络的交换机中竞争要处理的数据包。EtherNet/IP在CIP库中有标识符，以允许配置QoS的交换机在网络上的语音、数据和媒体数据包之上优先考虑这些数据包。能够在网络中执行这些QoS任务为自动化网络数据提供了最佳的网络优化。
安全性是一个广泛而深入的主题，本文不讨论它，只是指出EtherNet/IP能够利用当前IT市场上为基于以太网的网络提供的所有商业可用的安全特性。有一些关于保护融合网络的公开文档，ODVA网站上有一个讨论保护以太网网络的出版物。
展望未来
在过去的40年里，以太网一直是占主导地位的商业网络，在未来也将继续如此。随着车间与前台办公室的融合不断取得进展，利用自动化设备的未来将是至关重要的。处理设备将变得更加智能——过去和现在都证明了这一点。一个处理设备将有很多信息要共享，并且将需要更多的网络容量和能力。
EtherNet/IP将通过利用以太网的进步，利用以太网巨大的规模经济来满足这些需求。更多的以太网节点将在这个月或任何其他月被连接，比在整个现场总线历史上被连接的还要多。这种规模经济和伴随而来的巨大技术进步使得EtherNet/IP比现场总线网络更有能力，现在，特别是在未来。
迈克尔·罗宾逊是美国Endress+Hauser销售中心的解决方案总监。他在工厂和过程自动化领域有18年的经验，担任过项目工程师、产品经理和业务发展经理。罗宾逊拥有加州州立理工大学(San Luis Obispo)农业工程技术学士学位。
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