自動化行業(yè)中的以太網第3部分：Modbus TCP和PROFINET
在本系列第一部分中，我們考察了以太網在工業(yè)自動化和控制領域相比現場總線的各種優(yōu)勢。以太網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架構(CPwE)，這是羅克韋爾自動化有限公司與思科公司聯合開發(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和IP套件實現IAC系統(tǒng)的現代化。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?yōu)楣I(yè)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(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(yè)以太網交換機通過對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(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(yè)以太網協(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(xié)議的網絡設備之間進行通信。
面向互操作型互連網絡的Modbus TCP和PROFINET
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(xié)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(yè)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(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。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(fā)，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(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中實現大量并發(fā)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(tài)事務不同，模擬的是萬維網的簡約原則。
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，實現對各‘事務’的持續(xù)控制。”4 “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。”
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傳輸實時數據的特殊堆棧——特別適合平衡辦公以太網的便利性與工業(yè)網絡的需求。
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實現確定性性能，并且兼容星形、樹形和環(huán)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(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場總線和工業(yè)網絡協(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(yè)自動化網絡。在工廠里，以太網的優(yōu)勢始終都是其熟悉度和靈活性——它可以把工業(yè)和辦公網絡統(tǒng)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(xù)發(fā)展不但會擴大以太網在自動化行業(yè)的運用范圍，同時還能進一步提高工廠的效率。
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