在網(wǎng)絡的各個層上，隨著自動化和控制工程師需要與網(wǎng)絡打交道的機會越來越多，聯(lián)網(wǎng)的愿望和需要也正在逐漸高漲。而且，以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)正在尋找自己的方式，以適用于工廠應用，并且隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和改進，原始設(shè)備生產(chǎn)商（oem）提供了具有更高頻率的產(chǎn)品。以太網(wǎng)有可能簡化到一個層（線路和連接器），正如很多以太網(wǎng)協(xié)議一樣，雖然服務于各種各樣的工業(yè)需要，但使用的卻是同一個網(wǎng)絡。
在監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集應用中，大多數(shù)工程師已經(jīng)將以太網(wǎng)協(xié)議應用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（scada）和工廠診斷、測試以及維護，當使用以太網(wǎng)或工業(yè)以太網(wǎng)時，他們經(jīng)常選擇tcp/ip和ethernet/ip協(xié)議。工程師和其他部門的人員（包括it部門）合作，共同完成一個系統(tǒng)。這些結(jié)論來自于近期controlengineering和reedresearchgroup對controlengineering訂閱者進行的調(diào)查，調(diào)查涉及工廠和原始設(shè)備生產(chǎn)商（oem）對以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的當前使用情況以及未來使用計劃。
圖1：工廠中以太網(wǎng)協(xié)議的用途各種各樣，主要的應用是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制
（scada）、診斷、檢測和維護
patternsofuse
對263名定購、推薦和/或購買以太網(wǎng)協(xié)議和以太網(wǎng)產(chǎn)品的客戶進行郵件和網(wǎng)絡調(diào)查，19%以上的人既將其應用于工廠又用來滿足oem要求，51%的人只用于工廠內(nèi)，30%以上的人只用來滿足oem要求。
三分之一的被調(diào)查者還沒有組建或使用網(wǎng)絡跨職能團隊。然而，對于那些具有跨職能團隊的，通常60%的人員是工程師。包含在跨職能團隊中的其他部門的有30%來自于it部門，28%來自于工廠工程維護部門，20%來自于生產(chǎn)和工廠管理部門。
受調(diào)查者被訊問了他們是如何使用或者計劃如何使用工業(yè)以太網(wǎng)。比較普遍的回答是用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（scada）（63%）和診斷、測試和維護（49%）。同樣在應用領(lǐng)域列表前列的還有連續(xù)處理和批量加工（37%），其中連續(xù)處理獨自占（32%），運動控制和自動設(shè)備占（32%），機器控制cnc設(shè)備占（31%），物流設(shè)備占（31%）。見所有以太網(wǎng)協(xié)議使用情況附圖。
圖2：以太網(wǎng)協(xié)議應用最普遍的場合是監(jiān)控或者數(shù)據(jù)采集，和控制層面上
當問及用戶將如何或計劃如何使用以太網(wǎng)協(xié)議的時候，大多數(shù)人（88%）回答說用于監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，84%的人用于控制領(lǐng)域，63%的人用于i/o數(shù)據(jù)傳輸，60%的人用于生產(chǎn)運營。同時提及的是企業(yè)級應用和傳感器應用。（詳細資料見附圖）
已經(jīng)投運的和計劃中的以太網(wǎng)連接包括：網(wǎng)絡硬件設(shè)備（79%）、plc硬件設(shè)備（78%）和pc機（77%）。對于那79%的網(wǎng)絡硬件設(shè)備，有84%現(xiàn)在已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，16%計劃在12個月內(nèi)聯(lián)網(wǎng)；對于plc硬件設(shè)備，有80%現(xiàn)在已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，20%計劃在12個月內(nèi)聯(lián)網(wǎng)；對于pc機，有88%現(xiàn)在已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，12%準備聯(lián)網(wǎng)。其他的應用還包括i/o產(chǎn)品和系統(tǒng)（67%）、可編程自動化控制器（pacs56%）、變頻器（49%）和分布/混合式控制系統(tǒng)（39%）。
選擇一個協(xié)議
受訪者選擇不同的以太網(wǎng)協(xié)議進行工業(yè)應用，本次調(diào)查也對受訪者進行了相關(guān)調(diào)查。在10個以太網(wǎng)協(xié)議中，tcp/ip協(xié)議和ethernet/ip協(xié)議高踞排行榜前列，73%的受訪者表示會在這兩種協(xié)議中選擇使用，選擇modbustcp協(xié)議的受訪者也很多，幾乎達到了半數(shù)（47%）。
在其余的協(xié)議中，23.6%的受訪者選擇udp協(xié)議，profinet協(xié)議、高速以太網(wǎng)協(xié)議（hse）分別達到20%。使用率在10%附近或低于10%的協(xié)議有：達到11.4%的sercosⅲ、達到10.6%的ethercat、達到8%的ethernetpowerlink和達到4%的fl-net（opcn-2），其他的選擇稍高于7%。（在文章結(jié)尾處有各種協(xié)議的百分比圖）
很多的受訪者（88%）已經(jīng)在工廠中采用了工業(yè)以太網(wǎng)，而且?guī)缀跛械娜耍?9%）對它感到滿意或非常滿意。大約1/3的受訪者在2-5年前開始使用工業(yè)以太網(wǎng)，大約1/4的受訪者在6-10年前就開始使用工業(yè)以太網(wǎng)了。14%的受訪者已經(jīng)使用工業(yè)以太網(wǎng)超過10年。12%的受訪者準備在工廠中采用工業(yè)以太網(wǎng)，并且都將在2年內(nèi)付諸實踐。
需求最高的特性
在工業(yè)應用領(lǐng)域，速度是工業(yè)以太網(wǎng)或者以太網(wǎng)協(xié)議的眾多特性中需求最高的。94%的受訪者陳述道他們需要高速的特性，其中95%認為高速重要、61%認為高速很重要。
其他呼聲較高的特性包括：能與現(xiàn)有以太網(wǎng)設(shè)備接口的能力（86%）；具有10/100baset/tx以太網(wǎng)物理介質(zhì)（86%）；可購得使用該協(xié)議的設(shè)備（85%）。在這些特性中，幾乎所有（分別是99%、94%、98%）的受訪者都認可了這些特性的重要性。
還有一些其他的特性，超過3/4的受訪者提及了他們的重要性，包括可升級性（79%）、是否可用于控制類應用（79%）、安全性（79%）、協(xié)議是否可以容納大量設(shè)備同時使用（78%）、將數(shù)據(jù)傳送至上級系統(tǒng)的便捷性（77%）、是否具有在線培訓（77%）、分布的體系結(jié)構(gòu)（76%）、具有無線傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)（76%）、是否可以用于監(jiān)控類應用（76%）。
受訪者也對以太網(wǎng)協(xié)議的特性需求上反映了一些其他的重要信息。60%的受訪者說他們熟知哪一種協(xié)議需要搭配哪一種特性，超過1/4（27%）的受訪者說他們對此知識豐富或者說他們是此方面的專家。超過半數(shù)（58%）的工業(yè)以太網(wǎng)的安裝都是由控制工程師、工廠工程師或操作工程師完成的，有21%的工作是由第三方集成商完成的，7%的安裝工作由顧問完成。
tcp/ip：不是專業(yè)工業(yè)網(wǎng)絡，卻在工業(yè)應用中占了主導地位
tcp協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)應用中占據(jù)了主導地位，有73%的受訪者正在使用或準備使用tcp協(xié)議。它是最古老的協(xié)議，用最基本的webopedia形式定義為“用來連接internet上主機的通訊協(xié)議簇”和“網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸實質(zhì)上的標準”。wikipedia描述說這個協(xié)議簇是“層的集合。通過使用下層提供的服務，每一層都可以解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)問題并為上層協(xié)議提供明確的服務”。
互聯(lián)網(wǎng)工程工作小組（ietf）認為tcp/ip協(xié)議同樣是一個占主導地位的協(xié)議?；ヂ?lián)網(wǎng)工程工作小組是一個由網(wǎng)絡設(shè)計者、操作者、供應商和研究人員組成的團體，他們?yōu)榱薸nternet體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和internet的正常運行而努力?；ヂ?lián)網(wǎng)工程工作小組定期更新協(xié)議和網(wǎng)絡擁塞控制算法，他們可以使互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行。ietf的tcp維護和輔助擴展工作組（tcpmwg）繼續(xù)進行維護（漏洞修補）、用來保證tcp功能的協(xié)議和算法的適當改動、發(fā)布標準版本、建立tcp路標。這個小組還說將著手解決偽裝代碼段所帶來的連接中斷、數(shù)據(jù)沖突或性能上的問題。ietf中與tcp有關(guān)的小組正在對很多論題廣泛征求意見，其中還包括tcp的強壯性。
ietf
圖3：ethernet/ip的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，和其他cip網(wǎng)絡一樣，遵循開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（osi）
ethernet/ip和devicenet同屬于cip家族
73%的受訪者表示他們正在使用或者計劃使用ethernet/ip協(xié)議。ethernet/ip協(xié)議是網(wǎng)絡協(xié)議家族的一員，它的上層運行著通用工業(yè)協(xié)議。cip協(xié)議是生產(chǎn)自動化領(lǐng)域內(nèi)信息和服務的一簇復雜集合，它包括控制、安全、同步、動作、設(shè)置和信息。據(jù)稱它是介質(zhì)無關(guān)的，全世界上百家供應商都提供了對此協(xié)議的支持。cip協(xié)議統(tǒng)一了制造性企業(yè)的通訊體系結(jié)構(gòu)，并為生產(chǎn)自動化提供了諸多優(yōu)勢：通過一個網(wǎng)絡或者使用一個網(wǎng)絡作為多重分布式cip網(wǎng)絡的中樞，生產(chǎn)者-消費者服務模式使用戶能夠?qū)崟r控制、設(shè)置并從智能設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。它和標準的internet協(xié)議兼容，和如同opc的用于數(shù)據(jù)獲取和交換的標準工業(yè)協(xié)議也兼容。與ieeeethernet標準的兼容，滿足了ethernet網(wǎng)搭建經(jīng)濟上的考慮，為網(wǎng)絡接口速度和靈活的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)提供了多樣的選擇，包括銅、光纖、環(huán)狀光纖和無線。它也對工業(yè)級儀表提供了多樣的選擇，使其能夠?qū)p67等級的連接器（m12達到rj45）與模組、網(wǎng)絡狀態(tài)顯示燈合并，加之設(shè)備本身的標示，方便了用戶的使用。
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圖4：modbus是通用的、可升級的、普及的網(wǎng)絡物理媒介（ethernet）
與通用網(wǎng)絡標準（tcp/ip）和廠商中立的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的結(jié)合
modbus/tcp廣泛應用
48.5%的受訪者正在使用或計劃使用modbus/tcp協(xié)議。modbus在1979年時被引入，它是通用的、可升級的、普及的網(wǎng)絡物理媒介（ethernet）與通用網(wǎng)絡標準（tcp/ip）和廠商中立的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的結(jié)合。ethernet502端口被分配給modbustcp/ip協(xié)議。modbus是介質(zhì)無關(guān)的，在ethernet上通常使用光纖和主流的無線技術(shù)（wi/fi、無線電、gprs和藍牙）。它為數(shù)據(jù)的交換提供了一個開放的可存取的網(wǎng)絡平臺，只要是支持tcp/ip套接字的設(shè)備都可以使用。從技術(shù)上講，modbustcp/ip使用了modbus指令集，并在外圍使用了tcp/ip協(xié)議進行封裝。只要有modbus驅(qū)動，并對ethernet和tcp/ip套接字有所理解，用戶就可以在幾個小時內(nèi)使用最少的硬件將一臺設(shè)備連線并于pc進行通訊。使用modbus或者modbustcp/ip協(xié)議是無需付費的，說明書也可以免費從modbus-ida的網(wǎng)站下載www.modbus.org，安裝指導也可以從此網(wǎng)站上下載，網(wǎng)站還為使用者和開發(fā)人員提供了一個可以自由討論的動態(tài)板塊。使用者可以向多個供應商尋求支持。
modbus-ida
udp：事務導向的協(xié)議
接近四分之一（23.6%）的受訪者正在使用或者計劃使用udp?；ヂ?lián)網(wǎng)工程工作小組（ietf）說udp（用戶數(shù)據(jù)報表協(xié)議）使互聯(lián)的分組交換式計算機可以以報表的模式進行通訊。udp將internet協(xié)議（ip）作為最基本的協(xié)議，為應用程序之間的信息交換提供一個方法，這個方法使用了最少的協(xié)議機制。此協(xié)議是事務導向的，因此并不保證傳輸和復制的安全性。如果應用案例要求進行數(shù)據(jù)流的有序、可靠的傳輸，那么應該使用傳輸控制協(xié)議（tcp）。udp模塊必須能夠從網(wǎng)絡地址中得到源地址和目標地址，并能從internet報頭中得到協(xié)議域。一個udp/ip接口應該能夠根據(jù)指示，返回完整的internet數(shù)據(jù)報，其中包括internet報頭。這個接口同樣可以將一個帶有報頭的完整的internet數(shù)據(jù)報發(fā)送到目的ip地址。此ip會對某些域進行一致性校驗，并計算internet報頭的校驗和。數(shù)據(jù)報擁塞控制協(xié)議（dccp）是一個由ietf秘書處維護的官方章節(jié)。
ietf
圖5：hse適合作為控制中樞，可以支持現(xiàn)場總線的很多特性，
包括復雜邏輯功能和數(shù)據(jù)密集型過程設(shè)備
高速ethernet是一條中樞
20%的受訪者正在使用或者準備使用高速以太網(wǎng)（hse）?，F(xiàn)場總線基金會描述說，高速以太網(wǎng)（hse）是關(guān)鍵任務應用場合的核心企業(yè)級集成技術(shù)。hse是現(xiàn)場總線基金會的高性能網(wǎng)絡，其上運行著ethernet和tcp/ip協(xié)議，是工廠控制中樞的理想選擇。以100mbit/s的速率運行，這個技術(shù)是為了設(shè)備和系統(tǒng)集成而設(shè)計的，具有數(shù)據(jù)服務器集成技術(shù)，例如opc基金會。它支持現(xiàn)場總線的各種特性，包括標準功能模塊、電子設(shè)備描述語言（eddl）以及用于先進過程和離散/混合/批量特定應用的柔性功能塊（ffbs）。hse支持數(shù)據(jù)密集型過程設(shè)備的復雜邏輯功能，并且能夠達到企業(yè)優(yōu)化的無縫信息整合。hse是一個國際標準（iec61158），它使來自不同供應商的控制器和網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠協(xié)同工作。hse設(shè)備中的柔性功能塊（ffbs）可以用例如iec61131-3中的編程語言進行描述。hse技術(shù)的設(shè)計從底層開始，一直到用于關(guān)鍵任務監(jiān)控和控制的容錯網(wǎng)絡以及容錯設(shè)備。這個小組說道，hse網(wǎng)絡和設(shè)備的全部或者一部分可以作為備援，以達到特定應用場合所要求的容錯等級。hse是標準的以太網(wǎng)設(shè)備和配線協(xié)議。
fieldbusfoundation
圖6：profinet的特點之一是吸收了其他的現(xiàn)場總線，例如devicenet、基金
會現(xiàn)場總線和modbus。
全能的profinet協(xié)議
profinet的特點之一是吸收了其他的現(xiàn)場總線，例如devicenet、基金會現(xiàn)場總線和modbus。
大約20%的受訪者正在使用或者計劃使用profinet。profinet據(jù)profibus行業(yè)組織（pto）稱是“全能的工業(yè)以太網(wǎng)”，因為它幾乎可以用于所有的自動化應用：離散的、流程、動作、對等網(wǎng)絡集成、垂直整合、安全和其他應用。因為profinet使用標準ieee802.3以太網(wǎng)，它工作于ieee802.11無線以太網(wǎng)，支持對無系留設(shè)備的控制，例如自動導航車輛?，F(xiàn)有的帶有profisafe的無線設(shè)備據(jù)稱能為兩種技術(shù)提供動力。在動作控制應用中，profinet可以在1ms內(nèi)完成對150個軸的運動控制，而時間誤差只有1ms，這使其可以用于要求苛刻的領(lǐng)域，如印刷行業(yè)。profinet據(jù)稱是唯一一種工業(yè)以太網(wǎng)——定義了工廠資產(chǎn)管理和制造執(zhí)行系統(tǒng)要求的其他信息之間的通訊。據(jù)稱，它通過將現(xiàn)有的profibus和其他現(xiàn)場總線無縫整合，來保護用戶在現(xiàn)有工廠中設(shè)備和網(wǎng)絡上的投資。除了能和ethernet、tcp/ip、xml和opc等工業(yè)標準接口，profinet還是一個受pi組織支持的開放工業(yè)標準。profibusinternational組織（pi）是最老的也是最大的現(xiàn)場總線組織。pi同樣支持現(xiàn)場總線節(jié)點安裝的基礎(chǔ)——profibus。
profibustradeorganization
圖7：使用sercosiii的基于fpga的控制器
sercosiii精于動作控制
略多于11%的受訪者正在使用或者計劃使用sercosiii協(xié)議。sercos（串行實時通訊系）iii工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議雖然減弱了之前版本對伺服、運動路徑、循環(huán)和非循環(huán)通訊和同步機制的中樞能力，但卻給原始的數(shù)字動作控制工業(yè)網(wǎng)絡增加了新的特性。新版本支持現(xiàn)有軟件驅(qū)動的便捷移植。與早期版本相比，sercosiii通過使用以太網(wǎng)物理層而不是交換機或者集線器、使用低成本的fpga通訊控制器、使用cat5e光纜等方法來減少成本。他支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（100mbit/sec，sercosii只有16mbit/sec），減少最小周期（31.25ms，sercosii只有61.5ms），支持標準以太網(wǎng)框架。新特性包括多重運動控制的同步和通訊；環(huán)和線上伺服設(shè)備的交叉通訊；具有用于容錯的硬件備援，以防通訊環(huán)的中斷；正在運行的連接和節(jié)點的熱移除；用于驅(qū)動集成安全功能的安全通訊；縮短了的周期時間。非實時標準以太網(wǎng)框架可以并行轉(zhuǎn)換到實時通道。控制器對控制器（c2c）同步和通訊協(xié)議用來連接使用sercosiii的動作控制器。