基于CPwE的工業以太網解決方案的優勢和作用

目前，世界各地的制造工廠都依賴以太網解決方案來滿足工業應用對實時性能和耐用性的要求。與傳統現場總線相比，以太網能提供更快的速率，能更好地處理大批量數據，最終還能通過卓越的能效比和更加高效的設備節省更多開支。以太網還能單挑重任，作為唯一的組網技術，把車間的自動化系統連接到用于控制車間的企業IT系統——在提升性能的同時簡化網絡的整體設計。

以太網為何能在制造業發揮重大作用，如何發揮作用？以太網的崛起有多種原因，但有幾個原因是需要注意的：

• 為避免沖突，目前的多數工業以太網都采用全雙工工作模式。雖然在半雙工模式下有可能發生沖突，但是，只要沖突幀之比不超過特定閾值，可能就不會構成問題。全雙工則可以完全避免沖突。

• 就如其他常見的工業以太網環境（如風電場、石油天然氣冶煉廠）一樣，工廠的環境和運行條件通常都非常惡劣。運營方需要考慮振動、顆粒物和極端溫度，在自動化和控制系統中部署工業以太網電纜和連接器即可實現這一目標。

• 工業以太網在拓撲結構和協議方面提供了多種選擇。工廠可以打破主導著商用以太網的星形拓撲結構的限制，比如，采用環形拓撲結構，以實現冗余和快速恢復。另外，EtherNet/IP?、EtherCAT?等協議可以支持多種應用場景和系統設計。

——標準化和性能造就不同

以太網起步于數十年前，該技術培育出了一個強大的制造商群體，催生了一個快速發展的產品生態系統。隨著以太網性能的提升，速度與成熟度的結合使以太網越來越有可能取代為串行接口開發的協議。

以用于支持基于以太網的自動化系統的控制器和交換機的發展為例。如今的芯片都可以通過實時操作系統進行修改，以支持確定性處理，而它們的I/O控制器也采用特殊配置，能支持從EtherNet/IP到Modbus/TCP的任何工業自動化協議。

通過這些產品可以管窺工業以太網在現代制造工廠里的作用?？梢詢灮h響應時間，同時還能防止不必要的斷開故障。作為一項額外優勢，以太網領域的供應商和標準機構為通過自動化解決方案解決各種挑戰提供持續性的支持。

以太網和無線網絡的帶寬都超過多數專用自動化網絡，其持續發展在很大程度上取決于現有的標準化組織和巨大的供應商群體。具體地，以太網已經展現出強大的能力，它能在正確的時間，可靠地把正確的數據傳輸到正確的地點，而制造商則廣泛運用無線儀器儀表以解決各種業務挑戰，如提升流程性能、可靠性和效率，達到政府指令的要求等。——ARC Advisory Group副總裁Chantal Polsonetti在2013年為《自動化世界》(Automation World)撰寫。

以太網獨特的性能特點使其也可以作為與物聯網集成的自動化系統的基礎。物聯網的前景在很大程度上取決于利用實時數據和活動而非歷史信息來支持決策。正如Polsonetti在其文章中指出的那樣，可以通過改進系統層來克服機器設備層次的不足。

對于初創企業來說，以太網解決方案具有卓越的優勢、能效比和設備選擇自由性，這些優勢全部來自其底層技術的靈活性、數十年的發展以及供應商群體的成熟度。

在本部分，我們將看看EtherNet/IP?，并考察如何在全廠自動化和控制系統中實施EtherNet/IP?。該標準以以太網為基礎，基本兼容現有基礎設施，這使其成為提升工廠性能、優化成本控制的絕佳選擇。

在競爭激烈的制造環境中，要實現必要的靈活性、可見性和效率，采用開放式行業標準網絡技術的單一系統架構顯得至關重要?！伎婆c羅克韋爾自動化有限公司(Rockwell Automation)在2011年聯合發布的一份出版物中的解釋。

—— 一種同時面向車間和企業網絡的應用層協議

在2013年11月開展"移動性、以太網和無線網絡調查"時，Control Engineering（控制工程）雜志調查了200名受訪者，結果發現EtherNet/IP是同類中運用最廣泛的行業協議，遠遠領先于同領域的其他協議。超過70%的受訪者稱其設施中采用的是EtherNet/IP。

A converged plantwide EtherNet/IP architecture enables the convergence of multiple control and information disciplines

EtherNet/IP的受歡迎程度因行業而異，就如礦業和汽車制造業一樣。具體地，以全廠自動化為例，EtherNet/IP可以支持多種應用的融合，同時還能確保實時性能。在整個工廠全面部署以太網，EtherNet/IP可以連通工業和辦公通信。

EtherNet/IP可以依據思科與羅克韋爾自動化有限公司的融合型全廠以太網(CPwE)架構實施，后者是一種面向工業網絡設計的參考架構。其目標是通過面向設備的標準網絡服務，把工業自動化和控制系統應用與范圍更廣的企業網絡整合起來。EtherNet/IP為這一目標創造了條件。

在全廠實施EtherNet/IP時，需要對網絡的結構進行特殊設計，以各設備的功能及設備可能存在的性能和可用性要求為基礎設計第2層和第3層多路開關層級結構以及區域分割方案。最低層次有執行器、機器人等，驅動、批量控制等應用處于上一層次，企業網絡則位于最上層。

深入挖掘這種EtherNet/IP配置的細微特性，就能發現，可以用VLAN來分離工業流量和非工業流量，通過防火墻來隔離生產區域和企業區域。另外，托管型工業以太網交換機可為網絡帶來必要的彈性、環路預防、多播管理、診斷和其他服務。千兆光纖上行鏈路和冗余路徑以及基于工廠物理布局的邏輯拓撲結構則為彈性網絡提供了強力支撐。

經驗豐富的工廠運營方擁有充足的EtherNet/IP配置資源。另外，EtherNet/IP采用的是未經修改的標準以太網技術，為這一過程提供了便利。

采用EtherNet/IP一類基于以太網的協議的基礎優勢源于以太網和IP技術的成本優勢、靈活性和發展成熟度。通過現有技術來實現分布式自動化的模塊化標準也存在類似的優勢。這些優勢有助于解決諸如下列問題：

• 系統維護：以太網是傳統型自動化和控制系統的良好替代方案，因為其與企業系統的集成更加容易，維護成本也較低。另外，以太網和IP技術領域的人才和專業知識也更加容易獲取。

• 數據管理：采用基于以太網的協議可以提升可用性、性能和實時特性。采用單一網絡可以簡化橫跨多個應用和系統的數據管理工作。

• 與業務流程的集成：連通車間和企業系統有助于加快決策過程。因廠制宜的設計和廣泛的驗證機制可以確?？煽啃院涂沙掷m性。

最后，將EtherNet/IP一類的以太網協議用于全廠自動化可以滿足對確定性性能的要求，同時還能采用易于維護的以太網和IP標準。工業以太網集強大的實力和便利性于一身，不斷超越傳統現場總線，因而成為自動化行業的可行選擇。

從本質上來講，CPwE是為了幫助制造商越過不同傳統串行網絡的復雜性并實現必要的服務整合、簡便維護和高可用性，幫助他們為工業物聯網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整合起來，CPwE能夠地最大限度地優化工業作業，大幅提高原材料的利用率，確保產品和服務的及時交付。

CPwE Architecture

EtherNet/IP?已經成為CPwE的主要載體，因為它是連通思科的以太網到廠框架（包括安全和網絡架構）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實施方案中的工業以太網交換機通過對EtherNet/IP的原生支持，集成了通用型工業協議。

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

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

這次我們將把目光投向EtherNet/IP以外，看看為標準網絡提供一定支持的其他工業以太網協議。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網絡之間實現互連和互操作。EtherNet/IP、Modbus TCP和部分形式的PROFINET采用標準化設計，可通過CPwE實現這種交互水平。以太網、IP和TCP/UDP可分別用在第2層、第3層和第4層，在運行標準協議的網絡設備之間進行通信。

我們來看看基于以太網的兩款解決方案，即Modbus TCP和幾個版本的PROFINET，這些解決方案可以與EtherNet/IP和其他協議（如HTTP、FTP、Telnet等）交互，無需采用非標準的網絡接口卡和/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占所有工業網絡的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則以以太網為其物理網絡，支持以TCP/IP堆棧的形式通過IP網絡進行數據交換。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。

Modbus TCP采用開放式的標準化設計，這使其成為互操作環境下的最佳選擇。它可以基于常規型的PC以太網卡運行，并且由于專門為其分配了以太網端口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，現由Modbus組織負責管理（2004年起），有廣泛的供應商群體在為開發具有成本優勢的解決方案而努力。

采用TCP/IP而非UDP，可在Modbus TCP中實現大量并發連接，并實現數據事務的低維護控制。這樣，Modbus TCP與Modbus系列中的前輩采用的無狀態事務不同，模擬的是萬維網的簡約原則。

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行任何特定操作即可識別、監督和取消的連接中，實現對各'事務'的持續控制。這使得該機制可以容忍網絡性能的大幅變化，還能輕松添加防火墻和代理等安全特性?！?span style="">一份關于Modbus TCP的實時自動化指南解釋。

PROFINET

我們在多個其他條目里談到了PROFINET，所以，這里我們不會深入探討該協議的所有特性。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傳輸實時數據的特殊堆?！貏e適合平衡辦公以太網的便利性與工業網絡的需求。

與Modbus TCP一樣，PROFINET主要用于工業自動化流程控制。它支持優化布線（例如通過西門子的FastConnect系統），能通過WLAN實現確定性性能，并且兼容星形、樹形和環形拓撲結構（在現場總線的線性布局以外），這些特性使其成為簡化現代IAC系統的布局、提升其性能的常用選擇。另外，PROFINET還能從目前應用最為廣泛的現場總線和工業網絡協議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，很好地展現了如何以以太網等無處不在的技術為基礎，實現要求苛刻、可擴展的工業自動化網絡。在工廠里，以太網的優勢始終都是其熟悉度和靈活性——它可以把工業和辦公網絡統一起來，并且在帶寬等關鍵領域超過現場總線，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絡(TSN)一類的項目的持續發展不但會擴大以太網在自動化行業的運用范圍，同時還能進一步提高工廠的效率。