在本系列第一部分中，我們考察了以太網(wǎng)在工業(yè)自動化和控制領域相比現(xiàn)場總線的各種優(yōu)勢。以太網(wǎng)解決方案具有卓越的帶寬優(yōu)勢和設備成本優(yōu)勢，還能輕松延伸到整個工廠，用單個網(wǎng)絡就能連通車間系統(tǒng)和企業(yè)IT系統(tǒng)。以第三個特性為基礎，我們還在第二部分開始探討了融合型全廠以太網(wǎng)架構(CPwE)，這是羅克韋爾自動化有限公司與思科公司聯(lián)合開發(fā)的一種參考架構，其目的是鼓勵通過結合使用標準以太網(wǎng)和IP套件實現(xiàn)IAC系統(tǒng)的現(xiàn)代化。1

CPwE概述與總結

從本質上來講，CPwE是為了幫助制造商越過不同傳統(tǒng)串行網(wǎng)絡的復雜性并實現(xiàn)必要的服務整合、簡便維護和高可用性，幫助他們?yōu)楣�業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應用案例做好準備。通過把IT和控制工程師以及他們各自負責的系統(tǒng)整合起來，CPwE能夠地最大限度地優(yōu)化工業(yè)作業(yè)，大幅提高原材料的利用率，確保產品和服務的及時交付。

EtherNet/IP®已經(jīng)成為CPwE的主要載體，因為它是連通思科的以太網(wǎng)到廠框架(包括安全和網(wǎng)絡架構)和羅克韋爾自動化有限公司的Logix控制平臺及FactoryTalk平臺一體化架構之間的橋梁。CPwE實施方案中的工業(yè)以太網(wǎng)交換機通過對EtherNet/IP的原生支持，集成了通用型工業(yè)協(xié)議。

EtherNet/IP運用未經(jīng)修改的標準以太網(wǎng)技術來實現(xiàn)這種綜合性的端到端網(wǎng)絡集成，這是定制型現(xiàn)場總線所無法實現(xiàn)的。思科和羅克韋爾攜手合作后，實現(xiàn)了對基于IEEE 802.11 Wi-Fi的WLAN的支持，優(yōu)化了CPwE實施方案。這些WLAN擁有細顆粒度的服務質量和流量優(yōu)先級設定特性，有助于克服工業(yè)無線網(wǎng)絡中通常存在的干擾問題和覆蓋范圍下降問題。2

EtherNet/IP、Modbus® TCP和部分形式的PROFINET®采用標準化設計，可通過CPwE實現(xiàn)交互。

這次我們將把目光投向EtherNet/IP以外，看看為標準網(wǎng)絡提供一定支持的其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。畢竟，CPwE的部分價值主張是能幫助主要在第二層LAN模型中進行通信的IAC網(wǎng)絡之間實現(xiàn)互連和互操作。EtherNet/IP、Modbus TCP和部分形式的PROFINET采用標準化設計，可通過CPwE實現(xiàn)這種交互水平。以太網(wǎng)、IP和TCP/UDP可分別用在第2層、第3層和第4層，在運行標準協(xié)議的網(wǎng)絡設備之間進行通信。

面向互操作型互連網(wǎng)絡的Modbus TCP和PROFINET

我們來看看基于以太網(wǎng)的兩款解決方案，即Modbus TCP和幾個版本的PROFINET，這些解決方案可以與EtherNet/IP和其他協(xié)議(如HTTP、FTP、Telnet等)交互，無需采用非標準的網(wǎng)絡接口卡和/或交換基礎設施。這兩種標準都非常流行，其中，截至2015年1月，PROFINET占所有工業(yè)網(wǎng)絡的8%，Modbus TCP在同一市場上的占有率為3%。

Modbus TCP

Modbus TCP是廣泛使用的不依賴具體供應商的Modbus協(xié)議的一個變體，最初由施耐德電氣公司于1979年提出。Modbus采用串行連接，而Modbus TCP則以以太網(wǎng)為其物理網(wǎng)絡，支持以TCP/IP堆棧的形式通過IP網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換。Modbus TCP于1999年列入標準，目前可以集成在采用TCP/IP插座的任何設備中。3

Modbus TCP采用開放式的標準化設計，這使其成為互操作環(huán)境下的最佳選擇。它可以基于常規(guī)型的PC以太網(wǎng)卡運行，并且由于專門為其分配了以太網(wǎng)端口502，所以具有良好的未來適應能力。Modbus是一個開放項目，最初由施耐德開發(fā)，現(xiàn)由Modbus組織負責管理(2004年起)，有廣泛的供應商群體在為開發(fā)具有成本優(yōu)勢的解決方案而努力。

采用TCP/IP而非UDP，可在Modbus TCP中實現(xiàn)大量并發(fā)連接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)事務的低維護控制。這樣，Modbus TCP與Modbus系列中的前輩采用的無狀態(tài)事務不同，模擬的是萬維網(wǎng)的簡約原則。

一份關于Modbus TCP的實時自動化指南解釋稱，“[在Modbus TCP中采用TCP/IP]的主要原因是通過將事務封裝在無需客戶端和服務器應用執(zhí)行任何特定操作即可識別、監(jiān)督和取消的連接中，實現(xiàn)對各‘事務’的持續(xù)控制。”4 “這使得該機制可以容忍網(wǎng)絡性能的大幅變化，還能輕松添加防火墻和代理等安全特性。”

PROFINET

我們在多個其他條目里談到了PROFINET，5 所以，這里我們不會深入探討該協(xié)議的所有特性。但值得注意的是，其設計——對標準TCP/IP的支持，以及可以繞過TCP/IP并以PROFINET I/O和IRT傳輸實時數(shù)據(jù)的特殊堆棧——特別適合平衡辦公以太網(wǎng)的便利性與工業(yè)網(wǎng)絡的需求。

與Modbus TCP一樣，PROFINET主要用于工業(yè)自動化流程控制。它支持優(yōu)化布線(例如通過西門子的FastConnect系統(tǒng))，能通過WLAN實現(xiàn)確定性性能，并且兼容星形、樹形和環(huán)形拓撲結構(在現(xiàn)場總線的線性布局以外)，這些特性使其成為簡化現(xiàn)代IAC系統(tǒng)的布局、提升其性能的常用選擇。6 另外，PROFINET還能從目前應用最為廣泛的現(xiàn)場總線和工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議PROFIBUS輕松轉換，所以，對許多制造商來說，決定集成PROFINET并非難事。

PROFINET、Modbus TCP和EtherNet/IP都是絕佳的例子，很好地展現(xiàn)了如何以以太網(wǎng)等無處不在的技術為基礎，實現(xiàn)要求苛刻、可擴展的工業(yè)自動化網(wǎng)絡。在工廠里，以太網(wǎng)的優(yōu)勢始終都是其熟悉度和靈活性——它可以把工業(yè)和辦公網(wǎng)絡統(tǒng)一起來，并且在帶寬等關鍵領域超過現(xiàn)場總線，還直接支持TCP/IP。將來，諸如CPwE一樣的架構以及時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)一類的項目的持續(xù)發(fā)展不但會擴大以太網(wǎng)在自動化行業(yè)的運用范圍，同時還能進一步提高工廠的效率。