面对以太网在工业网络中日益增长的应用，现场总线和4-20mA网络通信的命运将是什么?随着工业以太网迅速取代曾经主导工业网络的传统技术，许多人都在问这个问题。
例如，在离散制造业中，从现场总线到工业以太网的过渡正在顺利进行。“在过去的十年里，这种情况一直在迅速发生，而且似乎没有放缓的迹象，”PI北美执行董事迈克尔·鲍恩(Michael Bowne)说Profibus和Profinet）.
Bowne注意到PI每年为工厂自动化中使用的Profinet和Profibus设备进行的节点计数，这是他关于以太网使用越来越多的观点的证据。他说:“2021年安装了850万台Profinet(工业以太网)设备——这是迄今为止最大的年度数字。”相比之下，安装了150万台Profibus(现场总线)设备。这相当于每安装一台Profibus设备，就安装近6台Profinet设备。
就在不久之前，情况正好相反。Bowne指出:“2016年是Profinet设备安装数量首次超过Profibus的一年。2007年，每卖出15台Profibus设备，就会卖出一台Profinet设备。”
尽管离散制造业取得了这样的进步，但在过程工业中向以太网的过渡却进展缓慢得多。Bowne报告说，从现场总线和4-20mA到工业以太网的过渡才刚刚开始。
启动速度慢的一个主要原因是安全性，最近开发的以太网- apl(高级物理层)缓解了这种担忧，这是为危险环境设计的以太网版本。Bowne解释说:“通过以太网- apl，现在有了一个本质安全的以太网物理层，可以直接连接到潜在爆炸区域的仪器。”“以太网- apl已准备好成为过程自动化网络能力的重要一步变化——这一变化早就应该出现了。”
以太网- apl是基于10BASET-1L的单对以太网(SPE)规范的扩展。它不仅支持所有基于以太网的协议，还通过可长达1000米的IEC 61158-2型A电缆提供电源和通信。对于本质点火保护，以太网- apl设备遵循IEC TS 60079- 47(双线本质安全以太网(2-WISE)技术规范)中定义的电气参数。
因此，离散工业和过程工业的用户都能够从工业以太网提供的更高的速度和带宽中受益。这种更高的速度和容量可以简化连接和越来越多的诊断和预后数据流。ODVA(支持EtherNet/IP、DeviceNet和通用工业协议的组织)的市场总监Steve Fales指出:“如果适当利用，这些额外的信息可以在吞吐量、质量和成本降低方面获得显著的收益。”
基于这些原因，Fales和其他人认为现场总线和4-20mA通信在大多数新安装中被工业以太网取代。Fales说:“对于新的离散生产线或过程设施中的自动化孤岛来说，工业以太网的发展趋势通常会有所倾斜。”
作为回应，现场总线标准组织已经转移到以太网。at的自动化基础设施战略营销经理Arnold Offner观察到:“来自许多组织的串行拓扑已经成为基于以太网的。菲尼克斯．他指出，FieldComm集团增加了HART-IP、PI和Profinet(如上所述)，ODVA增加了对EtherNet/IP的关注。
Phoenix Contact FL ComServer UNI 232/422/485转换传统串行232/422/485接口到以太网。
来源:菲尼克斯
这是否意味着以太网设备最终将取代现场总线和4-20mA网络?CC-Link合作伙伴协会美洲分会(CC-Link Partner Association Americas)全球标准主管汤姆•伯克(Tom Burke)预测说:“是的，但供应商和最终用户需要一段时间才能同步更换现有技术，因为安装基数太大了。”“(对这些遗留技术)已经进行了大量投资，因此必须有可观的投资回报，才能证明替换技术的合理性。”
“尽管传统技术和新技术之间的成本差异是象征性的，但很难证明拆除和替换现有的工业自动化设备是合理的，”菲尔斯补充说。购买新设备取代现有设备，然后关闭生产足够长的时间来进行更换，这在经济上没有多大意义，尤其是在资本预算有限的情况下。
在过程工业中，另一个限制因素是以太网- apl的新特性。在足够多的设备制造商将新的以太网- apl物理层纳入其产品之前，还需要一段时间。Bowne解释说:“大量供应商必须这样做，以创建一个产品生态系统，允许终端用户建立工厂和网络。”
现场总线和4-20mA通信的另一个生命线是能够将数据发送到以太网网络的网关和转换器的开发。这些设备允许从遗留网络中提取数据，同时允许将这些数据发送到边缘或云端进行监视和分析。法尔斯说:“它们有助于使现有的装置与更广泛的控制网络相结合，因此只要供应商愿意为这些设备提供备用设备，这些遗留网络就能保持服务。”
Phoenix Contact的Offner认为，自动化供应商将在相当长一段时间内继续支持现场总线和4-20mA技术，并提供备件和服务。他指出:“我们仍然有使用气动的应用，被4-20mA的晶体管环路所取代。”
释放被困的数据
具有讽刺意味的是，自动化技术的发展可能有助于延长现场总线和4-20mA技术的寿命。奥夫纳预测:“随着使用以太网的新数字设备具备它们的功能，它们(传统网络)仍将得到使用。”
基于这些原因，FieldComm Group的总裁兼首席执行官Ted Masters认为，传统现场总线和4-20mA将在工业网络中永远占有一席之地。“即使在这个数字化的时代，终端用户也不会拆除现场设备，”他说。“相反，他们正在想方设法释放滞留在这些设备中的宝贵数据，以保护自己的投资。”
对马斯特斯来说，挑战在于如何以支持数字化的方式做到这一点。除了使用网关和转换器，另一种方法涉及使用HART协议升级4-20mA信号。马斯特斯说:“使用HART-IP和WirelessHART等技术可以更快地获取4-20mA数据。”
因为HART协议可以叠加在现有的4-20mA布线上，所以不需要更改连接基础设施。此外，许多仪器和主机系统本身已经支持HART，那些不支持的可以通过适配器和其他设备添加HART功能。马斯特斯指出:“这使得将数据连接到本地或云端应用程序以创造价值变得更容易、更划算。”
另一种帮助现场总线和4-20mA技术支持数字化的方法是简化现场设备的集成。由于工业网络继续包括各种物理层寻址以太网、现场总线和4-20mA布线，FieldComm组正在与FDT组、PI和OPC基金会开发新的现场设备集成(FDI)技术。
FDI提供了一种通用的方法，将智能现场设备的信息集成到更高级别的资产管理和自动化/控制系统中，用于配置、调试、诊断、校准和其他任务。为了跨不同协议和网络类型开放使用，它还包括NAMUR开放架构模型的一部分，并支持新的和现有的自动化协议。“FDI技术是一个重要的里程碑，它以标准的方式简化了对现场设备数据的访问，无论通信协议如何，”Masters指出。
Wago 750-366 EtherNet/IP现场总线耦合器检测所有连接的I/O模块，并创建一个本地进程映像。两个以太网接口和一个集成交换机允许现场总线以线路拓扑连接，消除了对附加网络设备的需要，如交换机或集线器。来源:Wago最适合这份工作
现场总线和4-20mA通信在未来很长一段时间内仍将继续重要的另一个原因是，它们对某些工作仍然足够。一个例子是一个简单的称重秤，只通过现场总线报告重量。在这种情况下，以太网在一条线路上容纳来自多个设备的通信的能力是不必要的。伯克指出:“简单的点对点连接就足够了。”“它们为设备工作提供了足够的带宽。”
通常情况下，用户希望从工厂地面设备中提取更多信息，将数据发送到PLC并存储在内存中。通过这种方式，“PLC充当了一种数据联盟，因为它聚合了来自所有这些不同设备的数据，”伯克说。
开放标准还有助于将现场总线数据传输到网络中的更高级别应用程序。伯克解释说:“1995年，OPC基本上解决了从所有这些不同设备获取数据并将其发送到客户端应用程序的问题，例如典型的小规模HMI系统甚至Microsoft Excel。”用户公司和行业协会已经开发了数据模型和命名约定，以访问来自网络上不同设备的数据。
这种点到点架构为许多制造设备提供了它们所需的连接性。伯克说:“因此，只要他们能够聚合数据，并插入一些东西来获取数据，他们就不认为更换现有网络有任何重大价值。”
事实上，许多这样的机构，尤其是那些规模较小的机构，在追求推动数字化转型的技术时都很谨慎。一个原因是，他们不知道如何评估将数据转化为可操作的信息的价值，以证明重新配置现有设备是合理的。另一个原因是，他们通常不具备内部的技术专长和理解能力。伯克说:“不过，随着时间的推移，人们将开始理解使用(更高水平的)信息的好处，并在许多小型制造装置中利用历史学家。”
除了这些原因，至少有两种用例将继续支持现场总线和4-20mA通信。第一种情况是，当工作需要特定的设备，而该设备还没有提供工业以太网接口时。Bowne观察到:“虽然在2022年，几乎所有设备供应商都提供现场总线和工业以太网接口选项的设备，但有些仍然只有现场总线或模拟通信。”在这里，想要将这些设备连接到以太网网络的用户需要部署网关来转换数据。
PI通过代理的概念将这一点更进一步。“代理就像连接不同网络的网关，”Bowne解释道。但与网关不同的是，数据映射是在规范中定义的。”因为数据是根据代理规范翻译的，所以数据看起来总是一样的，即使它们是从Profibus或其他一些遗留现场总线进入Profinet的。这个概念既允许以零碎的方式迁移到Profinet，又允许安装新的Profinet网络而不丢失对遗留系统数据的访问。
第二个继续安装现场总线或4-20mA的用例发生在流程自动化市场中，当应用程序需要本质安全性时。在这里，现场总线通常仍然是首选的解决方案。然而，随着以太网- apl变得越来越广泛，Bowne预计它会在这种情况下慢慢取代现场总线。
