什么是工业网络？工业以太网基础与主要标准

随着工厂与设备自动化的不断发展，设备之间通信环境的设计已成为直接影响生产效率和运行稳定性的关键因素。
通信延迟和通信故障可能导致设备停机以及产品质量下降，因此网络设计与选型的重要性正不断提高。然而在实际应用中，现场总线（Fieldbus）、工业以太网（Industrial Ethernet）以及各种通信标准等术语和选项种类繁多，往往难以判断应选择哪种架构或标准。
本文将说明工业网络的基础知识、关键要求、常见连接架构以及主要标准之间的区别，并为初学者提供一份能够根据不同应用选择合适方案的清晰指南。

目录

• 什么是工业网络？
• 工业网络的关键要求（实时性、可靠性和冗余性）
• 什么是网络拓扑结构（星型、总线型和环型）
• 制造现场中的网络层级
• 现场总线与工业以太网的区别
• 主要工业以太网标准
• 如何根据应用选择工业以太网标准
• 康泰克 面向工业网络应用的产品
• 工业网络数据应用的典型模型
• 结论

什么是工业网络？

工业网络是连接生产环境中的现场设备和控制设备的通信基础设施，用于实现控制、监控和数据采集。在工厂及工业设施中，许多设备需要协同运行。因此，网络设计和网络架构会直接影响系统的稳定运行以及设备发生故障的风险。
实际上，该术语所涵盖的内容并不仅限于设备之间的数据交换，还包括设备状态监控以及与上位系统的集成。
典型例子包括长期用于现场设备与控制器之间通信的现场总线，以及由以太网技术发展而来的工业以太网。
近年来，接入网络的设备数量及其产生的数据量均不断增加。与此同时，将工厂设备及其数据接入网络的IIoT，以及利用信息与通信技术推进制造业发展的工业4.0等理念也日益普及。
与IT系统及云平台的集成在生产环境中的重要性也正在不断提高。因此，工业网络越来越需要提供更高速、更低延迟的通信基础设施。

工厂与工业设备中网络的作用

在工厂和工业设备中，从现场设备采集的信息会由工业PC和PLC等控制器进行处理。处理结果随后用于设备控制和设施监控。
这一切都依赖于设备之间能够正确地交换数据。通信延迟或中断可能导致设备故障或停机。因此，网络发挥着至关重要的作用。
工业网络为这种数据交换提供通信基础设施。
其主要作用如下

• 设备之间的数据交换
• 传感器数据采集
• PLC及控制器的设备控制
• 设备监控与状态可视化
• 与上位系统的集成

工业网络得以广泛普及的原因

随着现场总线技术在生产环境的控制通信领域得到广泛应用，工厂开始越来越多地通过网络连接多个现场设备，并对控制信息和设备状态进行集中管理。
与基于单独布线的系统相比，基于网络的配置使设备架构更易于组织，同时提高了可视化和诊断能力，从而推动了其普及。
与此同时，随着工业设备不断发展，接入网络的设备数量及其产生的数据量不断增加，对更高速、更灵活的数据处理的需求也日益增长。此外，随着IIoT和工业4.0的普及，IT系统及云平台在生产环境中的集成变得越来越重要。
为了满足这些需求，市场对既能可靠处理更大规模数据，又能支持实时性能的通信基础设施的需求不断增长。因此，工业以太网得到了更广泛的应用。

工业网络的关键要求（实时性、可靠性和冗余性）

与一般办公局域网不同，工业网络必须以确保设备和系统的稳定运行为前提进行设计。在工厂和生产基础设施中，通信延迟和通信错误可能导致生产停工和设备故障。因此，必须认真评估通信需求。
最重要的三个要求如下

1. 实时性（Real-time Performance）
2. 可靠性（Reliability）
3. 冗余性（Redundancy）

1.实时性（Real-time Performance）

实时性是指系统能够在规定时间内完成所需数据的传输，并将其及时应用于控制过程的能力。
在控制应用中，通信不仅需要速度快，还必须能够在固定时间周期内可靠地作出响应。例如，在I/O控制、运动控制和安全控制应用中，通信延迟可能会影响设备运行和控制精度。因此，通信性能必须能够满足在预先定义的周期内可靠地完成任务的要求。

2.可靠性（Reliability）

可靠性也是一项关键要求，因为必须尽量减少通信错误和通信延迟，以确保所需的数据传输能够持续稳定地进行。即使是在生产环境中发生短暂的通信故障，也可能导致设备停机或产品质量下降。
因此，在进行网络设计时，必须综合考虑通信路径、网络架构以及相关通信标准的特性，以确保所需的通信质量。

3. 冗余性（Redundancy）

冗余性是指一种系统架构，当部分设备或通信路径发生故障时，能够限制其对整个系统造成的影响。
例如，系统可以设计为当一条通信路径发生故障时，仍能够通过另一条通信路径继续进行通信。
环形网络架构是实现网络冗余的一种常见方式。通过在发生故障时保障持续通信，有助于降低生产停机风险。

什么是网络拓扑结构（星型、总线型和环型）

网络拓扑结构是指通信网络中设备的连接方式。在工业网络中，所选择的拓扑结构会影响故障发生时的影响范围、实现冗余的难易程度，以及布线、扩展和维护的便利性。
在选择拓扑结构时，需要考虑以下几点

• 设备或电缆发生故障时的影响范围
• 实现备用路径和冗余的难易程度
• 布线、扩展和维护的便利性

在生产环境中，应根据设备架构以及优先考虑的需求来选择合适的拓扑结构。本节将介绍三种最常见的网络拓扑结构。

星型拓扑结构

星型拓扑结构是一种网络架构，其中每台设备都单独连接到中央交换机或类似的汇聚设备。
由于即使某台设备或某条电缆发生故障，其影响也不容易扩散到其他已连接设备，因此这种拓扑结构被广泛应用于标准局域网架构中。
但是，如果中央交换机或汇聚设备发生故障，则整个网络都可能受到影响。

总线型拓扑结构

总线型拓扑结构是一种网络架构，其中多个设备连接到同一条主干电缆。
这种拓扑结构有助于保持系统架构的简单性，但如果主干电缆发生故障，多个已连接设备都可能受到影响。此外，在增加设备或修改布线时，还需要考虑对现有通信路径的影响。
基于这些原因，总线型拓扑结构已不再是新建网络架构的主要选择。然而，在学习传统工业网络时，了解这种拓扑结构仍然十分重要。

环型拓扑结构

环型拓扑结构是一种网络架构，其中各设备以环状方式连接。
由于通信路径形成一个闭环，因此某一点发生故障时，可能会影响整个网络。
为了解决这一问题，工业网络通常采用冗余机制，以便在发生故障时也能够更容易地维持通信。

制造现场中的网络层级

制造现场中的网络通常会根据所连接的设备及其承担的功能，被划分为多个层级。
例如，这些层级可能包括用于业务和生产管理的上层IT系统、用于设备控制和监控的控制器层，以及连接传感器和机器人手臂等设备的现场网络。
网络拓扑描述设备之间的连接关系，而网络层级则用于划分承担不同功能的设备或系统。
具体架构会因制造环境而异，但通常可按如下方式进行划分。

层级	主要作用
上层IT系统	与ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）、MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）、云平台等系统协同运行，管理与业务运营和生产管理相关的信息
控制器层	由工业PC、PLC和HMI（Human-Machine Interface，人机界面）等控制设备构成，负责设备的控制与监控。
现场设备／现场网络	连接传感器、机器人手臂、驱动电机等现场设备，并交换控制信号和状态信息

现场总线与工业以太网的区别

现场总线是工业通信网络的统称，用于连接传感器、执行器等现场设备与PLC等控制设备。它作为一种减少单独布线并提高现场设备控制和状态监控效率的方式而得到广泛应用。
相比之下，工业以太网是一种基于以太网技术并针对工业应用进行适配的网络。工业以太网不仅能够承担传统现场总线的现场通信功能，也适用于大容量数据传输以及与上位系统的集成。
两者的主要区别在于可处理的数据量以及所支持的系统集成范围。近年来，随着工业设备不断发展以及数据利用范围不断扩大，工业以太网作为一种更灵活且更具可扩展性的通信基础设施得到了更广泛的应用。
本节将介绍现场总线与工业以太网之间的区别。

现场总线为何得到广泛应用

在传统的系统架构中，点对点（Point-to-Point）方式被广泛用于通过独立布线连接工厂中的设备。在这种方式下，传感器、执行器等每台设备都使用专用布线，并分别连接到控制设备。
然而，随着连接设备数量的增加，布线变得更加复杂，设备变更和维护也需要投入更多的时间和精力。现场总线作为解决这些问题的一种方式而得到广泛应用。
通过将现场设备接入网络，不仅能够简化布线，还能够高效地集中管理控制数据及设备状态信息。
因此，现场总线作为提高生产现场控制通信效率、统一管理多台设备的基础技术，得到了广泛应用。

工业以太网为何得到广泛应用

尽管现场总线非常适用于现场设备的控制通信，但随着生产设备的发展，需要处理的数据量不断增加，同时对更高级实时控制的需求也不断增长。
此外，随着与IT系统、云平台以及核心业务系统集成需求的不断增加，市场对具备更高带宽和更强灵活性的网络提出了需求。在这样的背景下，基于以太网技术的工业以太网逐渐得到广泛应用。

主要工业以太网标准

工业以太网包含多种标准，具体采用哪种标准取决于应用场景以及所需性能。
以下各节将介绍这些主要标准的特点，以及它们最适合的应用类型。

CC-Link IE

CC-Link IE是一种基于以太网技术并由CC-Link Partner Association（CLPA）推广的开放式工业网络。
它被设计为一种集成网络，用于连接信息系统、控制器以及现场层设备。CC-Link IE Control的规格于2008年发布，随后CC-Link IE Field于2009年发布。CC-Link IE的主要网络类型如下。

标准	概述
CC-Link IE Control	连接PLC和控制器的主干网络，支持大规模分布式控制
CC-Link IE Field	连接控制器与传感器、I/O设备及驱动器等现场设备的现场网络
CC-Link IE Field Basic	面向小规模系统的现场网络，采用通用以太网技术，易于与标准以太网通信共存

CC-Link IE Control和CC-Link IE Field是为实现1 Gbps高速、大容量通信而设计的网络。
CC-Link IE Field Basic采用通用以太网技术，其特点是在同一网络线路上能够与标准以太网通信共存。此外，它也非常适用于不需要高速控制的小规模系统，有助于降低导入和实施的门槛。
因此，当需要高实时性和大容量通信时，CC-Link IE Field是一种合适的选择；而对于优先考虑与标准以太网共存以及易于实施的小规模系统，CC-Link IE Field Basic则是一种实用的选择。

EtherCAT

EtherCAT是一种由Beckhoff Automation开发的开放式工业以太网标准，尤其在实时控制方面具有优势。
目前，EtherCAT Technology Group（ETG）负责该技术的推广、规范维护以及一致性管理。EtherCAT的一项主要特点是采用即时处理（on-the-fly processing）技术，即在数据帧经过各节点时读取和写入所需数据。更具体地说，当数据帧经过各节点时，各节点会读取数据帧中发送到当前节点的输出数据（例如图中的3和6），并直接将其输入数据写入数据帧中（例如图中的4和7）。
每个节点在读取发送给自身的数据的同时，也会将自身的发送数据写入数据帧中。这提高了通信效率，并使支持较短的传输周期变得更加容易。
EtherCAT还通过分布式时钟（Distributed Clocks）实现高精度时间同步，因此适用于需要多个设备精确协同运行的应用。
由于这些特点，EtherCAT被广泛应用于运动控制等需要高速和精确同步的系统。
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EtherNet/IP

EtherNet/IP是一种开放式工业以太网标准，由负责维护EtherNet/IP和CIP规范的国际组织ODVA进行管理。它基于标准以太网技术，为工业自动化应用提供通信功能。
其主要特点之一是采用CIP（Common Industrial Protocol，通用工业协议）这一面向工业应用的通用通信协议。CIP是一种框架，可支持工业应用所需的广泛通信服务，包括控制、安全功能、同步以及信息集成。
EtherNet/IP同时支持隐式通信（Implicit Communication）和显式通信（Explicit Communication）。其中，隐式通信用于周期性I/O数据交换，显式通信用于设备配置和诊断数据访问。
这使得实时控制流量以及配置、监控等信息流量能够在同一网络上得到高效处理。
该标准不仅适用于设备控制，也非常适用于设备状态监控和配置管理。

PROFINET

PROFINET是一种由PI（PROFIBUS & PROFINET International）制定的开放式工业以太网标准。它基于标准以太网技术，其特点是在同一网络中能够方便地与通用TCP/IP通信共存。
在PROFINET中，会根据所需的实时性能采用以下三种通信方式。

通信方式	主要用途/特点
NRT（Non Real-time）	用于配置数据交换和诊断等不要求严格实时性的通信
RT（Real-time）	以固定周期传输标准控制数据的实时通信；支持比NRT更低延迟的通信
IRT（Isochronous Real-time）	用于需要高精度同步控制的应用；适用于运动控制等对低抖动要求较高的应用

由于能够根据应用需求采用不同的通信方式，PROFINET既可满足标准控制通信的需求，也可满足高精度同步控制的需求，因此能够应对广泛的应用场景。

Modbus-TCP

Modbus-TCP是一种工业通信协议，可使由Modicon开发的Modbus协议运行于TCP/IP之上。它工作在以太网环境中，并采用客户端-服务器（Client-Server）模型，即服务器响应客户端发出的请求。
Modbus采用一种相对简单的通信方式，通过读取和写入设备内部用于存储数据的寄存器来实现数据交换。
Modbus-TCP的另一项特点是能够方便地使用LAN电缆和交换机等标准以太网设备，因此易于集成到现有网络架构中。
基于这些特点，Modbus-TCP被广泛应用于需要以相对简单的方式实现设备监控、数据采集以及与上位系统集成的场景。
相关文章：Modbus全面解析基础知识与关键实现要点

如何根据应用选择工业以太网标准

工业以太网包含多种标准，最适合的选择取决于所需的控制性能、与现有网络的共存能力以及系统架构的灵活性。
因此，在选择标准时，不应仅依据性能进行判断，而应根据设备需求以及未来的可扩展性进行选择。如果所选标准不合适，系统可能无法满足通信要求，或者导致系统结构变得不必要地复杂。
本节将围绕三个主要评估要点，介绍如何根据应用选择工业以太网标准。

1. 实时性与应用场景

首先需要确认的是设备所需的实时性能水平。
根据应用是主要侧重于I/O控制，还是还需要对多个设备进行高精度同步的运动控制，所需性能会有所不同。例如，如果主要需求是设备状态监控或要求相对适中的控制，则不一定需要超短响应周期。相反，对于需要协调伺服电机和机器人机构的应用，则需要较短的通信周期以及高精度同步。
因此，明确控制对象、所需响应速度以及同步精度非常重要，然后再选择符合这些要求的标准。

2. 与标准以太网环境的共存性

在设计过程中，决定是与现有的标准以太网通信共存，还是构建专用于控制应用的网络，是一个重要步骤。
如果与信息系统及现有设备的集成非常重要，那么易于与标准以太网共存的标准能够使网络架构更容易组织。另一方面，某些标准被设计为主要专注于控制通信的专用网络。
因此，应根据所需的通信性能以及与现有设备集成的需求程度，判断哪种方式更为合适。

与标准以太网通信共存性的一般参考

类别	主要标准
易于与现有设备集成	CC-Link IE Field Basic EtherNet/IP PROFINET Modbus-TCP
通常设计为专用网络	CC-Link IE Control CC-Link IE Field EtherCAT

• *
  实际兼容性取决于所使用的设备和网络架构。在实施系统时，必须确认各标准及产品的规格。

3.网络设计的便利性与可扩展性

网络架构设计的便利性以及对未来设备扩展的支持能力，也是重要的选型要点。
在工业以太网中，最容易采用的拓扑结构（如星型、线型和环型）会因标准和所支持的设备而有所不同。例如，合适的网络设计取决于实际需求，是优先根据设备布局简化布线，还是优先构建具备冗余能力、能够在故障发生时持续保持通信的网络架构。
此外，还需要确认连接设备数量、布线距离、设备扩展的便利性，以及与上位系统集成的规划方式。
在选型时，不仅要考虑初始导入阶段的需求，还应结合未来的扩展、布局变更以及维护需求进行综合判断。

康泰克 面向工业网络应用的产品

康泰克提供支持本文所介绍的工业以太网标准的产品。最适合的产品不仅取决于其支持的标准，还取决于其通信角色以及整体系统架构。因此，应根据预期用途进行产品选型。主要兼容产品示例如下。

工业网络标准	主要兼容产品示例	产品角色
CC-Link IE Field Basic	CPSL-08P1EN	支持多种工业以太网标准的IO-Link主站
EtherCAT	CPS-PC341EC-1-9201 CPS-PCS341EC-DS1-1201 CPSL-08P1EN CPSN-EOB471EC-41 CPSN-EOB471EC-81	支持EtherCAT连接的主站控制器、从站远程I/O产品以及IO-Link主站
EtherNet/IP	CPSN-EOB471EI-41 CPSN-EOB471EI-81 CPSL-08P1EN	提供可配置为EtherNet/IP适配器的CPU单元，以及支持多协议的IO-Link主站
PROFINET	CPSL-08P1EN	支持PROFINET连接的IO-Link主站
Modbus-TCP	CPS-PC341MB-ADSC1-9201 CPS-PCS341MB-DS1-1201 CPSN-MCB271-S1-041 CPSN-MCB271-1-041 CPSL-08P1EN CONPROSYS® M2M Gatewayシリーズ	支持Modbus客户端/服务器通信的控制器和远程I/O产品，以及用于数据集成的相关产品

工业网络数据应用的典型模型

下面将介绍支持主要标准的代表性产品，以及利用工业网络进行数据集成的相关产品。

CPSN-EOB471EI-41／CPSN-EOB471EI-81

CPSN-EOB471EI-81

CPSL-08P1EN

CPSN-MCB271-S1-041

CONPROSYS® M2M gatewayシリーズ

CONPROSYS® M2M controllerシリーズ

结论

工业网络是支撑工厂和工业设备稳定运行的重要通信基础设施。 除了长期用于现场设备控制和状态监控的现场总线之外，随着设备不断发展以及数据利用范围不断扩大，工业以太网也正在得到更广泛的应用。 然而，最适合的网络标准和网络架构会因所需的实时性、可靠性、冗余性以及与上位系统集成的范围而有所不同。 在规划导入时，首先应明确设备所需的通信性能和系统要求。 然后，结合各标准的特点以及系统架构之间的差异，选择最适合自身应用的工业网络。

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