工業(yè)以太網(wǎng)具備怎樣的優(yōu)勢(shì)
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隨著時(shí)間的推移,工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)漸漸發(fā)展進(jìn)入全球工控自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)之列。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線類似Profibus、Modbus和ControlNet仍然隨處可見,但他們的重要性隨著工業(yè)以太網(wǎng)的普及正在快速地降低。工業(yè)以太網(wǎng)為用戶提供的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的:更高的效率、更多的功能和更高的適應(yīng)性。這可以使得從管理級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)通信采用統(tǒng)一的方式,反之亦然。沒有了接口互不兼容的問題,就可以在整個(gè)公司網(wǎng)絡(luò)中使用基于web標(biāo)準(zhǔn)的工具。
目前工業(yè)以太網(wǎng)最主要的使用在管理層和控制層。并且藉由特殊的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù),在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中,可以滿足響應(yīng)時(shí)間少于1ms的應(yīng)用要求。例如CIPsync,ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink都已實(shí)現(xiàn)了此類應(yīng)用,因此實(shí)時(shí)性的問題可以被認(rèn)為已經(jīng)解決了。安全問題的狀況也是相似的,基本問題是一個(gè)基于以太網(wǎng)傳輸?shù)倪m當(dāng)?shù)陌踩珔f(xié)議,像是基于Profinet的Profisafe、基于EtherNet/IP的CIPSafety都即將投入實(shí)際應(yīng)用。
1、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的防爆保護(hù)
工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工控自動(dòng)化中,而在過程控制領(lǐng)域,目前亟待解決的問題就是防爆保護(hù)?,F(xiàn)在已經(jīng)有支持Ex-Zone2的交換機(jī)。然而,實(shí)現(xiàn)Ex-Zone1的要求才是以太網(wǎng)深入進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)層的關(guān)鍵。昂貴的機(jī)柜已經(jīng)不被用戶看好,
用戶需要的是所謂本質(zhì)安全的交換機(jī)。在保證以太網(wǎng)高速的同時(shí),兼具本質(zhì)安全的特性是這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)所在。或許,第一臺(tái)用雙絞線連接的本質(zhì)安全的交換機(jī)面世,還需要一段時(shí)間。但是,一旦這個(gè)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn),工業(yè)以太網(wǎng)在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中將扮演更加舉足輕重的角色。
2、未來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在總線系統(tǒng)中,用戶習(xí)慣把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用菊花鏈連接。因此,自動(dòng)化廠商現(xiàn)在生產(chǎn)的以太網(wǎng)設(shè)備都兼容地支持菊花鏈技術(shù),或者說,在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上安裝2個(gè)交換端口。但對(duì)比使用獨(dú)立的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),其交換成本卻隨著設(shè)備數(shù)量的增加而增加。另一個(gè)劣勢(shì)是碰到流量突發(fā)時(shí),以菊花鏈?zhǔn)竭B接的交換機(jī)吞吐量和帶寬會(huì)受到限制,因?yàn)樗械挠脩舨坏貌煌ㄟ^一條共同的線纜通信。環(huán)形連接的重要優(yōu)勢(shì)在于一方面減低了布線成本,另一方面能夠提高鏈路可靠性,舉例來說,當(dāng)一處不能正常工作時(shí),通信不受影響。因此必須根據(jù)應(yīng)用和需求來決定到底哪種方式才是合適的。
3、讓交換機(jī)學(xué)習(xí)自動(dòng)化語言
大型的自動(dòng)化廠商使用它們自己的基于以太網(wǎng)的應(yīng)用協(xié)議,類似于EtherNet/IP,Profinet或Modbus/TCP。這些協(xié)議都支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP,所以這類應(yīng)用中,標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)也可以使用。SNMP協(xié)議已被廣泛使用于商用環(huán)境中,用于交換機(jī)的配置和診斷。然而,自動(dòng)化中使用的配置工具不支持SNMP協(xié)議,因此很難用來配置相應(yīng)的交換機(jī)。所以赫思曼公司開始讓交換機(jī)學(xué)習(xí)自動(dòng)化的語言,將來使用PLC、驅(qū)動(dòng)設(shè)備或I/O來配置交換機(jī)都會(huì)成為可能。對(duì)用戶來說最大的益處是可以用熟悉的自動(dòng)化工具配置網(wǎng)絡(luò)了,并且一張完整的材料單也可以被輕松地創(chuàng)建。
4、安全增長的重要性
自從工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)從管理級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)一致的數(shù)據(jù)傳輸,用戶只需要掌握一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即可,同時(shí),也提高了工作效率。
可是,統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也因?yàn)檎w的網(wǎng)絡(luò)透明度承擔(dān)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。例如:生產(chǎn)線中的機(jī)器人的IP地址能被任何工作站操作。因此就必須有一套明確的規(guī)則來定義通訊的時(shí)間和對(duì)象。當(dāng)然僅在公司的出口端安置一臺(tái)防火墻來抵制外部的攻擊是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。導(dǎo)致一個(gè)致命的錯(cuò)誤甚至停機(jī)事故的往往是來自內(nèi)部的誤操作,所以分布式安全體系在自動(dòng)化領(lǐng)域是非常關(guān)鍵的。因?yàn)檫@樣,整個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)部件可以被分割為獨(dú)立的安全單元,各個(gè)安全的單元之間通過定義的規(guī)則來通信。
5、無線網(wǎng)絡(luò)提供新的應(yīng)用可能
如今無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WirelessLAN(WirelessLocalAreaNetworks))被廣泛應(yīng)用在辦公環(huán)境中。移動(dòng)性、靈活性、非常易于安裝、低成本,無線通信的這些優(yōu)點(diǎn),使得這項(xiàng)技術(shù)漸漸被應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中?,F(xiàn)在WLAN越來越多的成為傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充。典型的應(yīng)用是在生產(chǎn)物流的移動(dòng)終端上,操作和監(jiān)控生產(chǎn)線或提供在線數(shù)據(jù)的快速交換。例如預(yù)定數(shù)據(jù)可以從監(jiān)控中心直接送到倉庫的鏟車上。
現(xiàn)在已有不少工業(yè)級(jí)的WLAN設(shè)備面市,它們都基于IEEE802.11b/g/a/h協(xié)議,可以提供約100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度。傳輸距離方面,如果在5GHz頻率下使用合適的天線,可以達(dá)到20公里。赫思曼的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案就能滿足這樣的需求。將來,擴(kuò)展的協(xié)議IEEE802.11n將進(jìn)一步規(guī)范WLAN在工業(yè)環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)。新的標(biāo)準(zhǔn)可能在明年開始實(shí)行,屆時(shí)數(shù)據(jù)通信將更可靠,速率也更高,可達(dá)640Mbit/s,甚至在無線電通信條件很差的環(huán)境中。
工業(yè)環(huán)境下的無線電網(wǎng)絡(luò)也會(huì)根據(jù)WLAN的應(yīng)用有具體的區(qū)分。例如應(yīng)用在距離70公里之上的數(shù)據(jù)傳輸WiMAX(IEEE802.16)或應(yīng)用于近距離傳輸?shù)腂luetooth(IEEE802.15.1)和Zigbee(IEEE802.15.4)。Zigbee非常有意思,由于其低功率的消耗,所以非常適合傳感器間的無線通訊。但是,這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的廣泛應(yīng)用可能還需要幾年時(shí)間。
6、更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬的趨勢(shì)
有線和無線的網(wǎng)絡(luò)都需要越來越高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。在工業(yè)環(huán)境中,特別是在控制層,快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)差不多被默認(rèn)為當(dāng)今的主流。但是,在自動(dòng)化和辦公環(huán)境中都越來越趨向于千兆以太網(wǎng)(GigabitEthernet)。原因可以歸結(jié)為以下三點(diǎn):
首先,越來越多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過以太網(wǎng)連接,隨著設(shè)備數(shù)量的增加帶寬需求也增加了。
第二,多種服務(wù),例如控制數(shù)據(jù),IP電話或IP視頻也快速增長,并在同一根的線纜上傳輸。
第三,千兆以太網(wǎng)有十倍于快速以太網(wǎng)的交換能力,許多實(shí)時(shí)的應(yīng)用可以在標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。
同無線解決方案面臨的問題一樣,更高的傳輸速度意味著高功率的消耗和高成本的芯片。但是,隨著芯片成本的降低,千兆以太網(wǎng)已在工業(yè)環(huán)境中日益普及。