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工業以太網的特點及發展趨勢

信息來源:本站 日期:2019-03-13 

隨著時間的推移,工業以太網已經漸漸發展進入全球工控自動化的標準通信技術之列。雖然現場總線類似Profibus、Modbus和ControlNet仍然隨處可見,但他們的重要性隨著工業以太網的普及正在快速地降低。工業以太網為用戶提供的優勢是顯而易見的:更高的效率、更多的功能和更高的適應性。這可以使得從管理級到現場級的數據通信采用統一的方式,反之亦然。沒有了接口互不兼容的問題,就可以在整個公司網絡中使用基于web標準的工具。

目前工業以太網最主要的使用在管理層和控制層。并且藉由特殊的實時以太網技術,在運動控制應用中,可以滿足響應時間少于1ms的應用要求。例如CIPsync,ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink都已實現了此類應用,因此實時性的問題可以被認為已經解決了。安全問題的狀況也是相似的,基本問題是一個基于以太網傳輸的適當的安全協議,像是基于Profinet的Profisafe、基于EtherNet/IP的CIPSafety都即將投入實際應用。

工業以太網

1、工業以太網絡的防爆保護

工業以太網已經被廣泛地應用在工控自動化中,而在過程控制領域,目前亟待解決的問題就是防爆保護。現在已經有支持Ex-Zone2的交換機。然而,實現Ex-Zone1的要求才是以太網深入進現場層的關鍵。昂貴的機柜已經不被用戶看好,

用戶需要的是所謂本質安全的交換機。在保證以太網高速的同時,兼具本質安全的特性是這項技術的挑戰所在。或許,第一臺用雙絞線連接的本質安全的交換機面世,還需要一段時間。但是,一旦這個技術得以實現,工業以太網在過程自動化領域中將扮演更加舉足輕重的角色。

2、未來網絡拓撲結構

在總線系統中,用戶習慣把現場設備使用菊花鏈連接。因此,自動化廠商現在生產的以太網設備都兼容地支持菊花鏈技術,或者說,在現場設備上安裝2個交換端口。但對比使用獨立的工業以太網交換機,其交換成本卻隨著設備數量的增加而增加。另一個劣勢是碰到流量突發時,以菊花鏈式連接的交換機吞吐量和帶寬會受到限制,因為所有的用戶不得不通過一條共同的線纜通信。環形連接的重要優勢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,當一處不能正常工作時,通信不受影響。因此必須根據應用和需求來決定到底哪種方式才是合適的。

3、讓交換機學習自動化語言

大型的自動化廠商使用它們自己的基于以太網的應用協議,類似于EtherNet/IP,Profinet或Modbus/TCP。這些協議都支持標準的TCP/IP,所以這類應用中,標準的工業以太網交換機也可以使用。SNMP協議已被廣泛使用于商用環境中,用于交換機的配置和診斷。然而,自動化中使用的配置工具不支持SNMP協議,因此很難用來配置相應的交換機。所以赫思曼公司開始讓交換機學習自動化的語言,將來使用PLC、驅動設備或I/O來配置交換機都會成為可能。對用戶來說最大的益處是可以用熟悉的自動化工具配置網絡了,并且一張完整的材料單也可以被輕松地創建。

4、安全增長的重要性

自從工業以太網能夠實現從管理級到現場級一致的數據傳輸,用戶只需要掌握一種網絡技術即可,同時,也提高了工作效率。

可是,統一的網絡結構也因為整體的網絡透明度承擔了一定的風險。例如:生產線中的機器人的IP地址能被任何工作站操作。因此就必須有一套明確的規則來定義通訊的時間和對象。當然僅在公司的出口端安置一臺防火墻來抵制外部的攻擊是遠遠不夠的。導致一個致命的錯誤甚至停機事故的往往是來自內部的誤操作,所以分布式安全體系在自動化領域是非常關鍵的。因為這樣,整個系統或系統部件可以被分割為獨立的安全單元,各個安全的單元之間通過定義的規則來通信。

5、無線網絡提供新的應用可能

如今無線網絡技術(WirelessLAN(WirelessLocalAreaNetworks))被廣泛應用在辦公環境中。移動性、靈活性、非常易于安裝、低成本,無線通信的這些優點,使得這項技術漸漸被應用于工業環境中。現在WLAN越來越多的成為傳統有線網絡的一種補充。典型的應用是在生產物流的移動終端上,操作和監控生產線或提供在線數據的快速交換。例如預定數據可以從監控中心直接送到倉庫的鏟車上。

現在已有不少工業級的WLAN設備面市,它們都基于IEEE802.11b/g/a/h協議,可以提供約100Mbit/s的數據傳輸速度。傳輸距離方面,如果在5GHz頻率下使用合適的天線,可以達到20公里。赫思曼的無線網絡解決方案就能滿足這樣的需求。將來,擴展的協議IEEE802.11n將進一步規范WLAN在工業環境中的標準。新的標準可能在明年開始實行,屆時數據通信將更可靠,速率也更高,可達640Mbit/s,甚至在無線電通信條件很差的環境中。

工業環境下的無線電網絡也會根據WLAN的應用有具體的區分。例如應用在距離70公里之上的數據傳輸WiMAX(IEEE802.16)或應用于近距離傳輸的Bluetooth(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,這項技術在工業環境中的廣泛應用可能還需要幾年時間。

6、更高的網絡帶寬的趨勢

有線和無線的網絡都需要越來越高的網絡帶寬。在工業環境中,特別是在控制層,快速以太網(100Mbit/s)差不多被默認為當今的主流。但是,在自動化和辦公環境中都越來越趨向于千兆以太網(GigabitEthernet)。原因可以歸結為以下三點:

首先,越來越多的現場設備通過以太網連接,隨著設備數量的增加帶寬需求也增加了。

第二,多種服務,例如控制數據,IP電話或IP視頻也快速增長,并在同一根的線纜上傳輸。

第三,千兆以太網有十倍于快速以太網的交換能力,許多實時的應用可以在標準的千兆以太網環境中實現。

赫思曼早在2007年初推出了萬兆的工業級交換機。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,千兆以太網已在工業環境中日益普及。

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