如何应对工业环境中的互操作性

典型的工业架构

大型工业自动化系统的典型架构由三层组成：传感器和简单设备层（例如电机启动器或电子过载继电器）、带有PLC、操作员面板或智能电机驱动器的控制层，以及信息系统层。

每一层对交换数据量、速度和确定性有不同的要求。以往的方法会通过专用网络来满足这些不同的需求，尤其是在底部两层。

此外，每个大型技术供应商都会根据自身偏好推荐一种集成方法。因此，在现有工业应用中，我们会遇到许多不同的数据网络和协议。由此设计和实施的系统的互操作性和可扩展性，对于所有系统集成商和这些解决方案的所有者来说，长期以来都是一大难题。

即使在Industry 4.0和IIoT出现之前，这种情况也是不可持续的。如何应对这一问题？

理想情况下，我们希望拥有类似于信息和办公系统多年来一直采用的解决方案——以太网。以太网本身被视为一种标准（实际上是一系列标准，如下所述），但由于其特性（本质上非确定性、不支持实时数据传输、价格较高等），长期以来并不适用于工业环境。

然而，随着新技术的引入（尤其是智能交换机）、网络拓扑的变化（从树形拓扑到星形拓扑）、全双工通信、更高的传输速率以及以太网技术整体价格的下降，这些因素使以太网也成为工业自动化系统底部两层通信的一个有吸引力的解决方案。

工业环境中的以太网、未修改的以太网、EtherNet/IP 和互操作性

在讨论以太网在工业应用中的使用之前，我们应该先解释一下什么是以太网。

严格来说，以太网由 IEEE 802.3 标准定义，代表了开放式互连系统（OSI）模型的两个底层（物理层和数据链路层）的实现。在工业实践中，金属双绞线或光纤链路通常用作物理介质。

广义上的以太网通常被理解为允许连接到互联网的技术，包括网络层和传输层的所有协议，尤其是 IP、TCP 和 UDP 协议。

上文已经指出了以太网在工业环境中越来越受重视的原因。然而，以太网在工业自动化应用中的关键缺点，即缺乏对实时数据传输的支持和非确定性，尚未得到完全解决。

三种解决方案

因此，我们寻求满足工业应用需求的解决方案。一般来说，我们目前有三种这样的解决方案。由于篇幅有限，我们无法详细展开，但可以先说明，只有一种解决方案，在文献中称为“未修改的以太网”，是在不对以太网标准及更高层的 TCP/IP 和 UDP 协议进行任何修改的情况下使用的。

另外两种解决方案则需要对标准协议甚至硬件进行修改和扩展。

只有基于未修改以太网的工业环境数据交换标准无需进行任何基础设施更改（即特殊交换机、路由器等），能够与其他现有协议简单共存，更重要的是，在 IIoT 方面，可以实现平滑集成和互操作性。

完全基于未修改以太网原理的少数标准之一是 EtherNet/IPTM。EtherNet/IPTM 是由 ODVA 管理的开放标准。

我们是该协会的创始成员，并长期受益于 EtherNet/IPTM 技术。这项技术也是我们实现工业自动化全面数字化的解决方案——Connected Enterprise®——的基石。也正是由于 EtherNet/IPTM 的优势，它成为了理想的 IIoT 解决方案。