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如何看待工业总线和通用以太网之间的差别

来源:麥總 智造商2018.07.07阅读 4265

  通讯网络和地铁、高速公路是一样的,都是为了实现物理节点之间的相互连接和交互而构建起来的公共基础设施,它本身是一种共享服务。所不同的是,交通路网上运送的是人和物品,而通讯网络上传输的是数据信息


  使用公共网络背后的驱动力其实非常简单,就是为了能够用更为经济的手段在更多节点之间建立连接,承载更多的交互内容,帮助优化因节点数量、载荷容量的增加而带来的时间、空间和人力、资金...等方面的成本投入。


  PicSource:DHL


  为了能够向节点用户提供“包裹”递送服务,需要为网络系统中各个“职能部门”定义极为清晰的功能职责,并明确它们在“包裹”的交接和递送过程中相互协调与配合的动作机制,也就是所谓的网络通讯协议组。


  PicSource:Rockwell Automation


  网络通讯协议一定是面向应用场景的。节点用户群的应用需求在很大程度上影响着通讯协议的内容构成;反过来,网络通讯协议的特征属性也基本上决定了其所适用的应用场合。而我们常说的工业总线与通用以太网协议之间的不同之处,也正是由于各自所服务的用户群体在应用需求上的巨大差异而造成的。


  通用以太网需要解决的是数量众多且位置极为分散的节点之间连接和交互的问题。与公路运输体系类似,它从一开始就把端到端包裹递送的灵活性和易用性作为其系统运行机制(也就是协议)的核心与重点之一。同时由于在通用以太网上传输的大部分都仅仅是用于展示、呈现或记录的数据信息,其并没有在协议机制中对“包裹”的送达时间做严格的约定。尽管网络中任意两个节点之间都随时能够进行数据交互,但信息抵达的时间却很可能因为潜在的“拥堵”风险而无法得到保证。


  PicSource:Siemens


  而工业通讯网络所需要连接的应用节点,是产线设备上各种不同类型的功能部件,其首要任务是帮助设备完成正常的生产运行操作,因此数字通讯技术能够在工业现场应用的一个重要前提CONTROL ENGINEERING China版权所有,就是能够让数据“包裹”的递送达到足够的可靠性级别。


  PicSource:Underground | London


  这就需要在其通讯协议中对数据“包裹”的递送约定一个时间机制,类似于轨道交通系统,为其设定一个各职能部门(如:网络交换机...)都必须严格遵守的时刻表,以确保它能够在规定的时间内抵达目标节点。
  可以说,有无时间敏感机制,是工业总线与通用以太网协议之间一个非常重要的差别。


  PicSource:Fedex


  在网络通讯协议组中,还需要有一套用于表述和识别“包裹”应用信息的参数编译和解析机制。这不仅是为了方便系统中的各个“职能部门”协调、规划和辨识“包裹”的配送路径,并将其在规定时间内送达目的地,同时也是要让“包裹”内容与应用指令在收发两端都做到语意的快速转换。这个过程非常类似我们在收发邮件时按照特定格式读写运单标签和文本内容的过程。


  PicSource:ABB Freelance 800F


  由于工业通讯网络和通用以太网二者所面对的设备对象和应用场景的巨大差异,使得它们不得不在其通讯协议中采用完全不同的应用端口和数据模型。例如,通用以太网一般处理的都是各类商用 IT 设备之间的数据通讯,而工业通讯网络则需要帮助实现产线和设备层面的人机交互,并参与其动作指令的操作和执行。通用以太网协议中对于应用参数的解析模型根本无法帮助各类工业设备实现在网络系统中的相互辨识。


  PicSource:CIP Object Model


  同时,由于工业系统中所涉及到的设备元件类型非常之多,并且在操作使用的过程中经常需要对其数据进行反复调用,因此,为了提升系统应用设计、集成和实施的总体效率,一般的工业网络都会在其协议中为各类不同的设备和应用对象约定其数据模型的结构样式和解析方法。这其实就是工业总线和通用以太网之间的另一项重要差异。其中一个比较典型的例子就是 EtherNet/IP 中的 CIP 模型。


  所以,总的来说,传统工业总线与通用以太网在通讯协议上的区别,主要体现在这样两个层面:
  ●“包裹”的递送机制
  ●内容的表达和解析
  而造成这种局面其背后的原因www.cechina.cn,归根结底还是在于它们在设备对象和应用场景这两个方面本身所存在的需求差异。


  长期以来,面向商用/民用领域的通用以太网技术,一直都很难在工业制造环境中帮助设备实现可靠的应用连接,这促使工业领域的技术厂商们不得不基于自身技术实力和特定的场景、需求,设计和规划属于自己的网络通讯协议。从单机小范围连接,到产线级大型网络;从早期的专属现场总线,到后来基于以太网物理介质;从三层网络的架构布局,到一网贯穿的无缝集成。我们不仅见证了各类工业通讯技术在功能、载荷、连接数量...等各种性能需求推动下,始终不断迭代进化的发展进程www.cechina.cn,同时也目睹了多种总线协议长期并存、江湖割据的市场局面。


  PicSource:LeanBI


  不过,工业总线和以太网技术发展到今天,不论是从节点连接数量还是交互内容的承载能力(速度、带宽)来看,都已经远远超出了其早期的设计构想。不同协议的网络系统之间,也已经因为各自体量的迅速扩张CONTROL ENGINEERING China版权所有,而开始在其边界处相互产生了各种接触、交互,甚至跨越和融合。


  PicSource:Siemens.com/press | TSN


  在这种情况下,各种工业总线之间以及它们与通用以太网之间长期存在的这些协议层面的技术差异控制工程网版权所有,就立刻成为了制造系统在整合与升级过程中一个巨大的障碍和瓶颈。例如:不利于系统之间的互操作、较高的跨网桥接成本、延缓运营系统的信息化进程...等等。
  当然,这就是后话了...

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