自動(dòng)化行業(yè)中的以太網(wǎng)第3部分：Modbus TCP和PROFINET

在本系列第一部分中，我們考察了以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化和控制領(lǐng)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(shè)備成本優(yōu)勢，還能輕松延伸到整個(gè)工廠，用單個(gè)網(wǎng)絡(luò)就能連通車間系統(tǒng)和企業(yè)IT系統(tǒng)。以第三個(gè)特性為基礎(chǔ)，我們還在第二部分開始探討了融合型全廠以太網(wǎng)架構(gòu)(CPwE)，這是羅克韋爾自動(dòng)化有限公司與思科公司聯(lián)合開發(fā)的一種參考架構(gòu)，其目的是鼓勵(lì)通過結(jié)合使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和IP套件實(shí)現(xiàn)IAC系統(tǒng)的現(xiàn)代化。1

CPwE概述與總結(jié)

從本質(zhì)上來講，CPwE是為了幫助制造商越過不同傳統(tǒng)串行網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性并實(shí)現(xiàn)必要的服務(wù)整合、簡便維護(hù)和高可用性，幫助他們?yōu)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用案例做好準(zhǔn)備。通過把IT和控制工程師以及他們各自負(fù)責(zé)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(chǎn)品和服務(wù)的及時(shí)交付。

EtherNet/IP®已經(jīng)成為CPwE的主要載體，因?yàn)樗沁B通思科的以太網(wǎng)到廠框架(包括安全和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu))和羅克韋爾自動(dòng)化有限公司的Logix控制平臺及FactoryTalk平臺一體化架構(gòu)之間的橋梁。CPwE實(shí)施方案中的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(yùn)用未經(jīng)修改的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這種綜合性的端到端網(wǎng)絡(luò)集成，這是定制型現(xiàn)場總線所無法實(shí)現(xiàn)的。思科和羅克韋爾攜手合作后，實(shí)現(xiàn)了對基于IEEE 802.11 Wi-Fi的WLAN的支持，優(yōu)化了CPwE實(shí)施方案。這些WLAN擁有細(xì)顆粒度的服務(wù)質(zhì)量和流量優(yōu)先級設(shè)定特性，有助于克服工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可通過CPwE實(shí)現(xiàn)交互。

這次我們將把目光投向EtherNet/IP以外，看看為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)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(jià)值主張是能幫助主要在第二層LAN模型中進(jìn)行通信的IAC網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)互連和互操作。EtherNet/IP、Modbus TCP和部分形式的PROFINET采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可通過CPwE實(shí)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(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行通信。

面向互操作型互連網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口卡和/或交換基礎(chǔ)設(shè)施。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都非常流行，其中，截至2015年1月，PROFINET占所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)商的Modbus協(xié)議的一個(gè)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(luò)，支持以TCP/IP堆棧的形式通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Modbus TCP于1999年列入標(biāo)準(zhǔn)，目前可以集成在采用TCP/IP插座的任何設(shè)備中。3

Modbus TCP采用開放式的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，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(yùn)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(yīng)能力。Modbus是一個(gè)開放項(xiàng)目，最初由施耐德開發(fā)，現(xiàn)由Modbus組織負(fù)責(zé)管理(2004年起)，有廣泛的供應(yīng)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(shí)現(xiàn)大量并發(fā)連接，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)事務(wù)的低維護(hù)控制。這樣，Modbus TCP與Modbus系列中的前輩采用的無狀態(tài)事務(wù)不同，模擬的是萬維網(wǎng)的簡約原則。

一份關(guān)于Modbus TCP的實(shí)時(shí)自動(dòng)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(wù)封裝在無需客戶端和服務(wù)器應(yīng)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(shí)現(xiàn)對各‘事務(wù)’的持續(xù)控制。”4 “這使得該機(jī)制可以容忍網(wǎng)絡(luò)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(gè)其他條目里談到了PROFINET，5 所以，這里我們不會(huì)深入探討該協(xié)議的所有特性。但值得注意的是，其設(shè)計(jì)——對標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP的支持，以及可以繞過TCP/IP并以PROFINET I/O和IRT傳輸實(shí)時(shí)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(luò)的需求。

與Modbus TCP一樣，PROFINET主要用于工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)確定性性能，并且兼容星形、樹形和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(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(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議PROFIBUS輕松轉(zhuǎn)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(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)要求苛刻、可擴(kuò)展的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。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(luò)統(tǒng)一起來，并且在帶寬等關(guān)鍵領(lǐng)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(gòu)以及時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)一類的項(xiàng)目的持續(xù)發(fā)展不但會(huì)擴(kuò)大以太網(wǎng)在自動(dòng)化行業(yè)的運(yùn)用范圍，同時(shí)還能進(jìn)一步提高工廠的效率。