時(shí)間:2018-07-11 16:14:00來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
第一部
工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的優(yōu)勢(shì)和作用
目前,世界各地的制造工廠都依賴以太網(wǎng)解決方案來(lái)滿足工業(yè)應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性能和耐用性的要求。與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線相比,以太網(wǎng)能提供更快的速率,能更好地處理大批量數(shù)據(jù),最終還能通過(guò)卓越的能效比和更加高效的設(shè)備節(jié)省更多開(kāi)支。以太網(wǎng)還能單挑重任,作為唯一的組網(wǎng)技術(shù),把車(chē)間的自動(dòng)化系統(tǒng)連接到用于控制車(chē)間的企業(yè)IT系統(tǒng)——在提升性能的同時(shí)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計(jì)。
以太網(wǎng)為何能在制造業(yè)發(fā)揮重大作用,如何發(fā)揮作用?以太網(wǎng)的崛起有多種原因,但有幾個(gè)原因是需要注意的:
為避免沖突,目前的多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)都采用全雙工工作模式。雖然在半雙工模式下有可能發(fā)生沖突,但是,只要沖突幀之比不超過(guò)特定閾值,可能就不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。全雙工則可以完全避免沖突。
就如其他常見(jiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境(如風(fēng)電場(chǎng)、石油天然氣冶煉廠)一樣,工廠的環(huán)境和運(yùn)行條件通常都非常惡劣。運(yùn)營(yíng)方需要考慮振動(dòng)、顆粒物和極端溫度,在自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中部署工業(yè)以太網(wǎng)電纜和連接器即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
工業(yè)以太網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議方面提供了多種選擇。工廠可以打破主導(dǎo)著商用以太網(wǎng)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制,比如,采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)冗余和快速恢復(fù)。另外,EtherNet/IP?、EtherCAT?等協(xié)議可以支持多種應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
以太網(wǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域的過(guò)去和未來(lái)
——標(biāo)準(zhǔn)化和性能造就不同
以太網(wǎng)起步于數(shù)十年前,該技術(shù)培育出了一個(gè)強(qiáng)大的制造商群體,催生了一個(gè)快速發(fā)展的產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)。隨著以太網(wǎng)性能的提升,速度與成熟度的結(jié)合使以太網(wǎng)越來(lái)越有可能取代為串行接口開(kāi)發(fā)的協(xié)議。
以用于支持基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)的控制器和交換機(jī)的發(fā)展為例。如今的芯片都可以通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行修改,以支持確定性處理,而它們的I/O控制器也采用特殊配置,能支持從EtherNet/IP到Modbus/TCP的任何工業(yè)自動(dòng)化協(xié)議。
通過(guò)這些產(chǎn)品可以管窺工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)代制造工廠里的作用??梢詢?yōu)化循環(huán)響應(yīng)時(shí)間,同時(shí)還能防止不必要的斷開(kāi)故障。作為一項(xiàng)額外優(yōu)勢(shì),以太網(wǎng)領(lǐng)域的供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)為通過(guò)自動(dòng)化解決方案解決各種挑戰(zhàn)提供持續(xù)性的支持。
以太網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬都超過(guò)多數(shù)專用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò),其持續(xù)發(fā)展在很大程度上取決于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化組織和巨大的供應(yīng)商群體。具體地,以太網(wǎng)已經(jīng)展現(xiàn)出強(qiáng)大的能力,它能在正確的時(shí)間,可靠地把正確的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸_的地點(diǎn),而制造商則廣泛運(yùn)用無(wú)線儀器儀表以解決各種業(yè)務(wù)挑戰(zhàn),如提升流程性能、可靠性和效率,達(dá)到政府指令的要求等。——ARCAdvisoryGroup副總裁ChantalPolsonetti在2013年為《自動(dòng)化世界》(AutomationWorld)撰寫(xiě)。
以太網(wǎng)獨(dú)特的性能特點(diǎn)使其也可以作為與物聯(lián)網(wǎng)集成的自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)的前景在很大程度上取決于利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和活動(dòng)而非歷史信息來(lái)支持決策。正如Polsonetti在其文章中指出的那樣,可以通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)層來(lái)克服機(jī)器設(shè)備層次的不足。
第二部分
全廠自動(dòng)化中的以太網(wǎng)/IP
對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)來(lái)說(shuō),以太網(wǎng)解決方案具有卓越的優(yōu)勢(shì)、能效比和設(shè)備選擇自由性,這些優(yōu)勢(shì)全部來(lái)自其底層技術(shù)的靈活性、數(shù)十年的發(fā)展以及供應(yīng)商群體的成熟度。
在本部分,我們將看看EtherNet/IP?,并考察如何在全廠自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中實(shí)施EtherNet/IP?。該標(biāo)準(zhǔn)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ),基本兼容現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施,這使其成為提升工廠性能、優(yōu)化成本控制的絕佳選擇。
在競(jìng)爭(zhēng)激烈的制造環(huán)境中,要實(shí)現(xiàn)必要的靈活性、可見(jiàn)性和效率,采用開(kāi)放式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的單一系統(tǒng)架構(gòu)顯得至關(guān)重要?!伎婆c羅克韋爾自動(dòng)化有限公司(RockwellAutomation)在2011年聯(lián)合發(fā)布的一份出版物中的解釋。
EtherNet/IP是自動(dòng)化的基礎(chǔ)
——一種同時(shí)面向車(chē)間和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議
在2013年11月開(kāi)展"移動(dòng)性、以太網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)調(diào)查"時(shí),ControlEngineering(控制工程)雜志調(diào)查了200名受訪者,結(jié)果發(fā)現(xiàn)EtherNet/IP是同類(lèi)中運(yùn)用最廣泛的行業(yè)協(xié)議,遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同領(lǐng)域的其他協(xié)議。超過(guò)70%的受訪者稱其設(shè)施中采用的是EtherNet/IP。
EtherNet/IP的受歡迎程度因行業(yè)而異,就如礦業(yè)和汽車(chē)制造業(yè)一樣。具體地,以全廠自動(dòng)化為例,EtherNet/IP可以支持多種應(yīng)用的融合,同時(shí)還能確保實(shí)時(shí)性能。在整個(gè)工廠全面部署以太網(wǎng),EtherNet/IP可以連通工業(yè)和辦公通信。
EtherNet/IP可以依據(jù)思科與羅克韋爾自動(dòng)化有限公司的融合型全廠以太網(wǎng)(CPwE)架構(gòu)實(shí)施,后者是一種面向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的參考架構(gòu)。其目標(biāo)是通過(guò)面向設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù),把工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)應(yīng)用與范圍更廣的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)整合起來(lái)。EtherNet/IP為這一目標(biāo)創(chuàng)造了條件。
在全廠實(shí)施EtherNet/IP時(shí),需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),以各設(shè)備的功能及設(shè)備可能存在的性能和可用性要求為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第2層和第3層多路開(kāi)關(guān)層級(jí)結(jié)構(gòu)以及區(qū)域分割方案。最低層次有執(zhí)行器、機(jī)器人等,驅(qū)動(dòng)、批量控制等應(yīng)用處于上一層次,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)則位于最上層。
深入挖掘這種EtherNet/IP配置的細(xì)微特性,就能發(fā)現(xiàn),可以用VLAN來(lái)分離工業(yè)流量和非工業(yè)流量,通過(guò)防火墻來(lái)隔離生產(chǎn)區(qū)域和企業(yè)區(qū)域。另外,托管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可為網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)必要的彈性、環(huán)路預(yù)防、多播管理、診斷和其他服務(wù)。千兆光纖上行鏈路和冗余路徑以及基于工廠物理布局的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則為彈性網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)力支撐。
基于EtherNet/IP的融合型全廠以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)
經(jīng)驗(yàn)豐富的工廠運(yùn)營(yíng)方擁有充足的EtherNet/IP配置資源。另外,EtherNet/IP采用的是未經(jīng)修改的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù),為這一過(guò)程提供了便利。
基于CPwE的EtherNet/IP實(shí)施指南能為企業(yè)帶來(lái)哪些好處?
采用EtherNet/IP一類(lèi)基于以太網(wǎng)的協(xié)議的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)源于以太網(wǎng)和IP技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)、靈活性和發(fā)展成熟度。通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式自動(dòng)化的模塊化標(biāo)準(zhǔn)也存在類(lèi)似的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)有助于解決諸如下列問(wèn)題:
系統(tǒng)維護(hù):以太網(wǎng)是傳統(tǒng)型自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的良好替代方案,因?yàn)槠渑c企業(yè)系統(tǒng)的集成更加容易,維護(hù)成本也較低。另外,以太網(wǎng)和IP技術(shù)領(lǐng)域的人才和專業(yè)知識(shí)也更加容易獲取。
數(shù)據(jù)管理:采用基于以太網(wǎng)的協(xié)議可以提升可用性、性能和實(shí)時(shí)特性。采用單一網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化橫跨多個(gè)應(yīng)用和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理工作。
與業(yè)務(wù)流程的集成:連通車(chē)間和企業(yè)系統(tǒng)有助于加快決策過(guò)程。因廠制宜的設(shè)計(jì)和廣泛的驗(yàn)證機(jī)制可以確保可靠性和可持續(xù)性。
最后,將EtherNet/IP一類(lèi)的以太網(wǎng)協(xié)議用于全廠自動(dòng)化可以滿足對(duì)確定性性能的要求,同時(shí)還能采用易于維護(hù)的以太網(wǎng)和IP標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)集強(qiáng)大的實(shí)力和便利性于一身,不斷超越傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線,因而成為自動(dòng)化行業(yè)的可行選擇。
第三部
ModbusTCP和PROFINET
從本質(zhì)上來(lái)講,CPwE是為了幫助制造商越過(guò)不同傳統(tǒng)串行網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性并實(shí)現(xiàn)必要的服務(wù)整合、簡(jiǎn)便維護(hù)和高可用性,幫助他們?yōu)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用案例做好準(zhǔn)備。通過(guò)把IT和控制工程師以及他們各自負(fù)責(zé)的系統(tǒng)整合起來(lái),CPwE能夠地最大限度地優(yōu)化工業(yè)作業(yè),大幅提高原材料的利用率,確保產(chǎn)品和服務(wù)的及時(shí)交付。
EtherNet/IP?已經(jīng)成為CPwE的主要載體,因?yàn)樗沁B通思科的以太網(wǎng)到廠框架(包括安全和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu))和羅克韋爾自動(dòng)化有限公司的Logix控制平臺(tái)及FactoryTalk平臺(tái)一體化架構(gòu)之間的橋梁。CPwE實(shí)施方案中的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)對(duì)EtherNet/IP的原生支持,集成了通用型工業(yè)協(xié)議。
EtherNet/IP運(yùn)用未經(jīng)修改的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種綜合性的端到端網(wǎng)絡(luò)集成,這是定制型現(xiàn)場(chǎng)總線所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。思科和羅克韋爾攜手合作后,實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于IEEE802.11Wi-Fi的WLAN的支持,優(yōu)化了CPwE實(shí)施方案。這些WLAN擁有細(xì)顆粒度的服務(wù)質(zhì)量和流量?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)定特性,有助于克服工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中通常存在的干擾問(wèn)題和覆蓋范圍下降問(wèn)題。
EtherNet/IP、Modbus?TCP和部分形式的PROFINET?采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可通過(guò)CPwE實(shí)現(xiàn)交互。
這次我們將把目光投向EtherNet/IP以外,看看為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)提供一定支持的其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。畢竟,CPwE的部分價(jià)值主張是能幫助主要在第二層LAN模型中進(jìn)行通信的IAC網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)互連和互操作。EtherNet/IP、ModbusTCP和部分形式的PROFINET采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可通過(guò)CPwE實(shí)現(xiàn)這種交互水平。以太網(wǎng)、IP和TCP/UDP可分別用在第2層、第3層和第4層,在運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行通信。
面向互操作型互連網(wǎng)絡(luò)的ModbusTCP和PROFINET
我們來(lái)看看基于以太網(wǎng)的兩款解決方案,即ModbusTCP和幾個(gè)版本的PROFINET,這些解決方案可以與EtherNet/IP和其他協(xié)議(如HTTP、FTP、Telnet等)交互,無(wú)需采用非標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口卡和/或交換基礎(chǔ)設(shè)施。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都非常流行,其中,截至2015年1月,PROFINET占所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的8%,ModbusTCP在同一市場(chǎng)上的占有率為3%。
ModbusTCP
ModbusTCP是廣泛使用的不依賴具體供應(yīng)商的Modbus協(xié)議的一個(gè)變體,最初由施耐德電氣公司于1979年提出。Modbus采用串行連接,而ModbusTCP則以以太網(wǎng)為其物理網(wǎng)絡(luò),支持以TCP/IP堆棧的形式通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ModbusTCP于1999年列入標(biāo)準(zhǔn),目前可以集成在采用TCP/IP插座的任何設(shè)備中。
ModbusTCP采用開(kāi)放式的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),這使其成為互操作環(huán)境下的最佳選擇。它可以基于常規(guī)型的PC以太網(wǎng)卡運(yùn)行,并且由于專門(mén)為其分配了以太網(wǎng)端口502,所以具有良好的未來(lái)適應(yīng)能力。Modbus是一個(gè)開(kāi)放項(xiàng)目,最初由施耐德開(kāi)發(fā),現(xiàn)由Modbus組織負(fù)責(zé)管理(2004年起),有廣泛的供應(yīng)商群體在為開(kāi)發(fā)具有成本優(yōu)勢(shì)的解決方案而努力。
采用TCP/IP而非UDP,可在ModbusTCP中實(shí)現(xiàn)大量并發(fā)連接,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)事務(wù)的低維護(hù)控制。這樣,ModbusTCP與Modbus系列中的前輩采用的無(wú)狀態(tài)事務(wù)不同,模擬的是萬(wàn)維網(wǎng)的簡(jiǎn)約原則。
在ModbusTCP中采用TCP/IP]的主要原因是通過(guò)將事務(wù)封裝在無(wú)需客戶端和服務(wù)器應(yīng)用執(zhí)行任何特定操作即可識(shí)別、監(jiān)督和取消的連接中,實(shí)現(xiàn)對(duì)各'事務(wù)'的持續(xù)控制。這使得該機(jī)制可以容忍網(wǎng)絡(luò)性能的大幅變化,還能輕松添加防火墻和代理等安全特性?!环蓐P(guān)于ModbusTCP的實(shí)時(shí)自動(dòng)化指南解釋。
PROFINET
我們?cè)诙鄠€(gè)其他條目里談到了PROFINET,所以,這里我們不會(huì)深入探討該協(xié)議的所有特性。但值得注意的是,其設(shè)計(jì)——對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP的支持,以及可以繞過(guò)TCP/IP并以PROFINETI/O和IRT傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特殊堆?!貏e適合平衡辦公以太網(wǎng)的便利性與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需求。
與ModbusTCP一樣,PROFINET主要用于工業(yè)自動(dòng)化流程控制。它支持優(yōu)化布線(例如通過(guò)西門(mén)子的FastConnect系統(tǒng)),能通過(guò)WLAN實(shí)現(xiàn)確定性性能,并且兼容星形、樹(shù)形和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(在現(xiàn)場(chǎng)總線的線性布局以外),這些特性使其成為簡(jiǎn)化現(xiàn)代IAC系統(tǒng)的布局、提升其性能的常用選擇。另外,PROFINET還能從目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議PROFIBUS輕松轉(zhuǎn)換,所以,對(duì)許多制造商來(lái)說(shuō),決定集成PROFINET并非難事。
PROFINET、ModbusTCP和EtherNet/IP都是絕佳的例子,很好地展現(xiàn)了如何以以太網(wǎng)等無(wú)處不在的技術(shù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)要求苛刻、可擴(kuò)展的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。在工廠里,以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)始終都是其熟悉度和靈活性——它可以把工業(yè)和辦公網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一起來(lái),并且在帶寬等關(guān)鍵領(lǐng)域超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線,還直接支持TCP/IP。將來(lái),諸如CPwE一樣的架構(gòu)以及時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)一類(lèi)的項(xiàng)目的持續(xù)發(fā)展不但會(huì)擴(kuò)大以太網(wǎng)在自動(dòng)化行業(yè)的運(yùn)用范圍,同時(shí)還能進(jìn)一步提高工廠的效率。
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