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不了解工业以太网又何谈工业4.0

2018年12月05日 09:43:55来源:电子人物联网作者:电子人物联网关键词:工业以太网
  与传统现场总线相比,工业以太网能提供更快的速率,能更好地处理大批量数据,最终还能通过卓越的能效比和更加高效的设备节省更多开支。工业以太网还能单挑重任,作为唯一的组网技术,把车间的自动化系统连接到用于控制车间的企业IT系统——在提升性能的同时简化网络的整体设计。
 
  用好工业以太网,是走入工业4.0的入门步骤。
 
  工业以太网解决方案的优势和作用到底有哪些
 
  工业以太网为何能在制造业发挥重大作用?如何发挥作用?
 
  工业以太网的崛起有多种原因,但有几个原因是需要注意的:
 
  为避免冲突,目前的多数工业以太网都采用全双工工作模式。虽然在半双工模式下有可能发生冲突,但是,只要冲突帧之比不超过特定阈值,可能就不会构成问题。全双工则可以完全避免冲突。
 
  就如其他常见的工业以太网环境(如风电场、石油天然气冶炼厂)一样,工厂的环境和运行条件通常都非常恶劣。运营方需要考虑振动、颗粒物和极端温度,在自动化和控制系统中部署工业以太网电缆和连接器即可实现这一目标。
 
  工业以太网在拓扑结构和协议方面提供了多种选择。工厂可以打破主导着商用工业以太网的星形拓扑结构的限制,比如,采用环形拓扑结构,以实现冗余和快速恢复。另外,EtherNet/IP®、EtherCAT®等协议可以支持多种应用场景和系统设计。
 
  工业以太网在自动化领域的过去和未来你知多少
 
  工业以太网起步于数十年前,该技术培育出了一个强大的制造商群体,催生了一个快速发展的产品生态系统。随着工业以太网性能的提升,速度与成熟度的结合使工业以太网越来越有可能取代为串行接口开发的协议。
 
  以用于支持基于工业以太网的自动化系统的控制器和交换机的发展为例。如今的芯片都可以通过实时操作系统进行修改,以支持确定性处理,而它们的I/O控制器也采用特殊配置,能支持从EtherNet/IP到Modbus/TCP的任何工业自动化协议。
 
  通过这些产品可以管窥工业以太网在现代制造工厂里的作用。可以优化循环响应时间,同时还能防止不必要的断开故障。作为一项额外优势,工业以太网领域的供应商和标准机构为通过自动化解决方案解决各种挑战提供持续性的支持。
 
  ARC Advisory Group副总裁Chantal Polsonetti在2013年为《自动化世界》(Automation World)撰写的一篇文章中解释道,"工业以太网和无线网络的带宽都超过多数专用自动化网络,其持续发展在很大程度上取决于现有的标准化组织和巨大的供应商群体。具体地,工业以太网已经展现出强大的能力,它能在正确的时间,可靠地把正确的数据传输到正确的地点,而制造商则广泛运用无线仪器仪表以解决各种业务挑战,如提升流程性能、可靠性和效率,达到政府指令的要求等。"
 
  工业以太网独特的性能特点使其也可以作为与物联网集成的自动化系统的基础。物联网的前景在很大程度上取决于利用实时数据和活动而非历史信息来支持决策。正如Polsonetti在其文章中指出的那样,可以通过改进系统层来克服机器设备层次的不足。
 
  全厂自动化和控制系统中如何实施EtherNet/IP
 
  思科与罗克韦尔自动化有限公司(RockwellAutomation)在2011年联合发布的一份出版物中解释道,"在竞争激烈的制造环境中,要实现必要的灵活性、可见性和效率,采用开放式行业标准网络技术的单一系统架构显得至关重要。"
 
  在2013年11月开展"移动性、工业以太网和无线网络调查"时,Control Engineering(控制工程)杂志调查了200名受访者,结果发现EtherNet/IP是同类中运用最广泛的行业协议,远远领先于同领域的其他协议。超过70%的受访者称其设施中采用的是EtherNet/IP。
 
  EtherNet/IP的受欢迎程度因行业而异,就如矿业和汽车制造业一样。具体地,以全厂自动化为例,EtherNet/IP可以支持多种应用的融合,同时还能确保实时性能。在整个工厂全面部署工业以太网,EtherNet/IP可以连通工业和办公通信。
 
  EtherNet/IP可以依据思科与罗克韦尔自动化有限公司的融合型全厂工业以太网(CPwE)架构实施,后者是一种面向工业网络设计的参考架构。4其目标是通过面向设备的标准网络服务,把工业自动化和控制系统应用与范围更广的企业网络整合起来。EtherNet/IP为这一目标创造了条件。
 
  在全厂实施EtherNet/IP时,需要对网络的结构进行特殊设计,以各设备的功能及设备可能存在的性能和可用性要求为基础设计第2层和第3层多路开关层级结构以及区域分割方案。最低层次有执行器、机器人等,驱动、批量控制等应用处于上一层次,企业网络则位于最上层。
 
  深入挖掘这种EtherNet/IP配置的细微特性,就能发现,可以用VLAN来分离工业流量和非工业流量,通过防火墙来隔离生产区域和企业区域。另外,托管型工业以太网交换机可为网络带来必要的弹性、环路预防、多播管理、诊断和其他服务。千兆光纤上行链路和冗余路径以及基于工厂物理布局的逻辑拓扑结构则为弹性网络提供了强力支撑。
 
  基于EtherNet/IP的融合型全厂工业以太网的优势有哪些
 
  经验丰富的工厂运营方拥有充足的EtherNet/IP配置资源。另外,EtherNet/IP采用的是未经修改的标准工业以太网技术,为这一过程提供了便利。基于CPwE的EtherNet/IP实施指南能为企业带来哪些好处?
 
  采用EtherNet/IP一类基于工业以太网的协议的基础优势源于工业以太网和IP技术的成本优势、灵活性和发展成熟度。通过现有技术来实现分布式自动化的模块化标准也存在类似的优势。这些优势有助于解决诸如下列问题:
 
  系统维护:工业以太网是传统型自动化和控制系统的良好替代方案,因为其与企业系统的集成更加容易,维护成本也较低。另外,工业以太网和IP技术领域的人才和专业知识也更加容易获取。
 
  数据管理:采用基于工业以太网的协议可以提升可用性、性能和实时特性。采用单一网络可以简化横跨多个应用和系统的数据管理工作。
 
  与业务流程的集成:连通车间和企业系统有助于加快决策过程。因厂制宜的设计和广泛的验证机制可以确保可靠性和可持续性。
 
  最后,将EtherNet/IP一类的工业以太网协议用于全厂自动化可以满足对确定性性能的要求,同时还能采用易于维护的工业以太网和IP标准。工业以太网集强大的实力和便利性于一身,不断超越传统现场总线,因而成为自动化行业的可行选择。
 
  工业以太网相比现场总线有哪些优势?
 
  工业以太网解决方案具有卓越的带宽优势和设备成本优势,还能轻松延伸到整个工厂,用单个网络就能连通车间系统和企业IT系统。前面探讨了融合型全厂工业以太网架构(CPwE),这是罗克韦尔自动化有限公司与思科公司联合开发的一种参考架构,其目的是鼓励通过结合使用标准工业以太网和IP套件实现IAC系统的现代化。
 
  从本质上来讲,CPwE是为了帮助制造商越过不同传统串行网络的复杂性并实现必要的服务整合、简便维护和高可用性,帮助他们为工业物联网等应用案例做好准备。通过把IT和控制工程师以及他们各自负责的系统整合起来,CPwE能够地最大限度地优化工业作业,大幅提高原材料的利用率,确保产品和服务的及时交付。
 
  EtherNet/IP®已经成为CPwE的主要载体,因为它是连通思科的工业以太网到厂框架(包括安全和网络架构)和罗克韦尔自动化有限公司的Logix控制平台及FactoryTalk平台一体化架构之间的桥梁。CPwE实施方案中的工业以太网交换机通过对EtherNet/IP的原生支持,集成了通用型工业协议。
 
  EtherNet/IP运用未经修改的标准工业以太网技术来实现这种综合性的端到端网络集成,这是定制型现场总线所无法实现的。思科和罗克韦尔携手合作后,实现了对基于IEEE 802.11 Wi-Fi的WLAN的支持,优化了CPwE实施方案。这些WLAN拥有细颗粒度的服务质量和流量优先级设定特性,有助于克服工业无线网络中通常存在的干扰问题和覆盖范围下降问题。
 
  EtherNet/IP、Modbus® TCP和部分形式的PROFINET®采用标准化设 计,可通过CPwE实现交互。
 
  这次我们将把目光投向EtherNet/IP以外,看看为标准网络提供一定支持的其他工业以太网协议。毕竟,CPwE的部分价值主张是能帮助主要在第二层LAN模型中进行通信的IAC网络之间实现互连和互操作。EtherNet/IP、Modbus TCP和部分形式的PROFINET采用标准化设计,可通过CPwE实现这种交互水平。工业以太网、IP和TCP/UDP可分别用在第2层、第3层和第4层,在运行标准协议的网络设备之间进行通信。
 
  面向互操作型互连网络的Modbus TCP和PROFINET了解下
 
  我们来看看基于工业以太网的两款解决方案,即Modbus TCP和几个版本的PROFINET,这些解决方案可以与EtherNet/IP和其他协议(如HTTP、FTP、Telnet等)交互,无需采用非标准的网络接口卡和/或交换基础设施。这两种标准都非常流行,其中,截至2015年1月,PROFINET占所有工业网络的8%,Modbus TCP在同一市场上的占有率为3%。
 
  Modbus TCP
 
  Modbus TCP是广泛使用的不依赖具体供应商的Modbus协议的一个变体,最初由施耐德电气公司于1979年提出。Modbus采用串行连接,而Modbus TCP则以工业以太网为其物理网络,支持以TCP/IP堆栈的形式通过IP网络进行数据交换。Modbus TCP于1999年列入标准,目前可以集成在采用TCP/IP插座的任何设备中。
 
  Modbus TCP采用开放式的标准化设计,这使其成为互操作环境下的最佳选择。它可以基于常规型的PC工业以太网卡运行,并且由于专门为其分配了工业以太网端口502,所以具有良好的未来适应能力。Modbus是一个开放项目,最初由施耐德开发,现由Modbus组织负责管理(2004年起),有广泛的供应商群体在为开发具有成本优势的解决方案而努力。
 
  采用TCP/IP而非UDP,可在Modbus TCP中实现大量并发连接,并实现数据事务的低维护控制。这样,Modbus TCP与Modbus系列中的前辈采用的无状态事务不同,模拟的是万维网的简约原则。
 
  一份关于Modbus TCP的实时自动化指南解释称,"[在Modbus TCP中采用TCP/IP]的主要原因是通过将事务封装在无需客户端和服务器应用执行任何特定操作即可识别、监督和取消的连接中,实现对各'事务'的持续控制。"4 "这使得该机制可以容忍网络性能的大幅变化,还能轻松添加防火墙和代理等安全特性。"
 
  PROFINET
 
  我们在多个其他条目里谈到了PROFINET,5所以,这里我们不会深入探讨该协议的所有特性。但值得注意的是,其设计——对标准TCP/IP的支持,以及可以绕过TCP/IP并以PROFINET I/O和IRT传输实时数据的特殊堆栈——特别适合平衡办公工业以太网的便利性与工业网络的需求。
 
  与Modbus TCP一样,PROFINET主要用于工业自动化流程控制。它支持优化布线(例如通过西门子的FastConnect系统),能通过WLAN实现确定性性能,并且兼容星形、树形和环形拓扑结构(在现场总线的线性布局以外),这些特性使其成为简化现代IAC系统的布局、提升其性能的常用选择。6另外,PROFINET还能从目前应用最为广泛的现场总线和工业网络协议PROFIBUS轻松转换,所以,对许多制造商来说,决定集成PROFINET并非难事。
 
  PROFINET、Modbus TCP和EtherNet/IP都是绝佳的例子,很好地展现了如何以工业以太网等无处不在的技术为基础,实现要求苛刻、可扩展的工业自动化网络。在工厂里,工业以太网的优势始终都是其熟悉度和灵活性——它可以把工业和办公网络统一起来,并且在带宽等关键领域超过现场总线,还直接支持TCP/IP。将来,诸如CPwE一样的架构以及时间敏感型网络(TSN)一类的项目的持续发展不但会扩大工业以太网在自动化行业的运用范围,同时还能进一步提高工厂的效率。
 
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