工业以太网大潮下的现场总线还在坚守

电子发烧友网报道（文/周凯扬）在全球制造企业加快智能制造转型的当口下，工业互联网席卷了全球，促成了各式各样的工业通信方式。但无论是行业调研报告，还是自动化企业或工业通信方案商的统计，都能看出一个事实，那就是工业以太网开始统治全球工业网络市场，取代几十年来占据主导地位的现场总线网络。
 
工业通信风向的转变
 
现场总线作为将自动化底层的现场控制器和智能仪表设备互联的实时控制网络，可以说终结了4-20mA的模拟信号的时代，让工业网络正式跨入了数字时代。现场总线的出现，带来了减少布线、加快诊断和附加信息等诸多好处，但在实际发展过程中，出现了太多的现场总线技术。这些标准不仅种类不同，通讯协议也不同，所以始终未能统一标准，只有一个多标准的妥协标准。这些标准中，占据主导地位的还是1989年诞生的PROFIBUS。
 
PI North America作为一个非盈利贸易组织，在1994年成立之初名字还是PROFIBUS贸易组织。从名字就能显而易见地看出，他们推广的是PROFIBUS这类现场总线技术，更名之后，他们成了PI这一伞状组织下负责北美推广的一员，而这时他们推广的不只是PROFIBUS了，还有PROFINET这一诞生自本世纪初的工业以太网技术。根据PI North America的说法，当下每卖出一个PROFIBUS节点，就有4个PROFINET节点被卖出，可见两者之间的庞大差距了。
 
差距的来由
 
形成这样的差距不是没有道理，这点从性能上就可以看出，由于物理层的限制，使用RS-485的PROFIBUS只能做到12Mbit/s的速度，而反观基于以太网的PROFINET却可以实现100Mbit/s乃至1Gbit/s的速度。
 
此外，PROFIBUS的报文大小最高只244字节，地址空间也限制在了126个设备，PROFINET的报文大小最高可达1440字节，而且毫无地址空间的限制。所以我们看到的现场总线向工业以太网技术转变，其实就是工业通信朝现代技术的迁移而已。

AC500系列PLC / ABB

 
现场设备制造商们也都是明眼人，现场总线技术限制了控制系统的性能发展，如今他们推出的产品都开始提供工业以太网支持，而且是支持多种工业以太网协议。工程师和开发人员也都了解该技术，相关的运维经验也都已经极其丰富。
 
不过根据HMS的统计，虽然市场份额有小幅下跌，但现场总线依然占据了27%的市场。这是因为现有的现场总线设备基数庞大，早在PROFINET这样的以太网技术面世之前，PROFIBUS这样的现场总线就已经耕耘十数年，拥有千万级别的节点数量了。
 
虽然建设新项目还是更倾向于使用工业以太网，但已经投入现场总线的厂商仍可以继续添加PROFIBUS节点。我们说工业以太网的建设性价比在不断提高，然而要想搭建一定规模的工业以太网络，还是不比直接利用已有的现场总线实惠。所以要想看到现场总线的退休，那还得等上好长一段时间。
 
结合两家之长
 
同样诞生于本世纪初的EtherCAT常被称作是“以太网现场总线”，EtherCAT具备工业以太网的灵活网络拓扑结构，又拥有现场总线系统一样直观简便的操作。与此同时，EtherCAT的报文大小最大可达60KB，意味着可以将大量数据从节点移动到主节点，

H5U系列PLC / 汇川

 
EtherCAT的另一大优势就是主站完成通讯功能不会给主机CPU带来任何负担，因此主站无需专用的通讯处理器，只需要NIC卡或者集成的以太网MAC设备保证一个以太网端口即可，但在从站上仍需要专用的控制器芯片，好在不少厂商都提供这些芯片，比如ADI、TI、瑞萨、Microchip、英飞凌等，价格也足够低廉，所需成本可以做到等同甚至低于现场总线系统。更何况EtherCAT由于不是基于TCP/IP，所以也用不到MAC地址或IP地址，免去了配置交换机和路由器的麻烦，进一步降低了部署成本。

EtherCAT耦合器 / 倍福

 
2018年，倍福推出了EtherCAT协议的两大新版本，EtherCAT G和EtherCAT G10，分别将速度提升至1Gbit/s和10Gbit/s。这对于需要传输大量数据的机器视觉、高端测量或复杂运动控制来说至关重要，而且即便是现有的百兆EtherCAT设备，也能无缝兼容到EtherCAT G/G10系统中。
 
结语
 
如果仅从现状来看，现场总线在工业通信网络的部署中确实露出了颓势，实时工业以太网已经开始大肆攻城略地，而工业无线网又开始虎视眈眈，但该技术的市场并没有就此消失，甚至可以说下滑停滞了。想想看，这些工厂在工业以太网的浪潮冲击下，都选择了坚守现场总线技术，尚未完全成熟的工业无线技术又怎么能撼动呢？不仅如此，一些I/O现场总线，ASI和CANbus，由于提供了一致的响应时间加上便宜的数字I/O总线，在楼宇维护和传送带系统等场景上仍然保持着优势。