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自動化行業(yè)中的以太網第1部分：工業(yè)以太網解決方案的優(yōu)勢和作用

時間：2018-09-03 10:25 來源：Analog Devices 作者：

目前，世界各地的制造工廠都依賴以太網解決方案來滿足工業(yè)應用對實時性能和耐用性的要求。與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線相比，以太網能提供更快的速率，能更好地處理大批量數(shù)據，最終還能通過卓越的能效比和更加高效的設備節(jié)省更多開支。以太網還能單挑重任，作為唯一的組網技術，把車間的自動化系統(tǒng)連接到用于控制車間的企業(yè)IT系統(tǒng)——在提升性能的同時簡化網絡的整體設計。

以太網為何能在制造業(yè)發(fā)揮重大作用，如何發(fā)揮作用?以太網的崛起有多種原因，但有幾個原因是需要注意的：

• 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特定閾值，可能就不會構成問題。全雙工則可以完全避免沖突。1

• 就如其他常見的工業(yè)以太網環(huán)境(如風電場、石油天然氣冶煉廠)一樣，工廠的環(huán)境和運行條件通常都非常惡劣。運營方需要考慮振動、顆粒物和極端溫度，在自動化和控制系統(tǒng)中部署工業(yè)以太網電纜和連接器即可實現(xiàn)這一目標。

• 工業(yè)以太網在拓撲結構和協(xié)議方面提供了多種選擇。工廠可以打破主導著商用以太網的星形拓撲結構的限制，比如，采用環(huán)形拓撲結構，以實現(xiàn)冗余和快速恢復。另外，EtherNet/IP®、EtherCAT®等協(xié)議可以支持多種應用場景和系統(tǒng)設計。

• 本系列文章以工業(yè)以太網對制造業(yè)的優(yōu)勢為主題，將首先考察以太網成為廠內自動化可行選項的原因。在此基礎上，我們將探討以太網和Wi-Fi如何能幫助工廠走向物聯(lián)網，然后再討論如何在整個工廠范圍內實現(xiàn)基于EtherNet/IP一類協(xié)議的網絡。

以太網在自動化領域的過去和未來：標準化和性能造就不同

以太網起步于數(shù)十年前，該技術培育出了一個強大的制造商群體，催生了一個快速發(fā)展的產品生態(tài)系統(tǒng)。隨著以太網性能的提升，速度與成熟度的結合使以太網越來越有可能取代為串行接口開發(fā)的協(xié)議。

以用于支持基于以太網的自動化系統(tǒng)的控制器和交換機的發(fā)展為例。如今的芯片都可以通過實時操作系統(tǒng)進行修改，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)自動化協(xié)議。2

通過這些產品可以管窺工業(yè)以太網在現(xiàn)代制造工廠里的作用�？梢詢�(yōu)化循環(huán)響應時間，同時還能防止不必要的斷開故障。作為一項額外優(yōu)勢，以太網領域的供應商和標準機構為通過自動化解決方案解決各種挑戰(zhàn)提供持續(xù)性的支持。

ARC Advisory Group副總裁Chantal Polsonetti在2013年為《自動化世界》(Automation World)撰寫的一篇文章中解釋道，“以太網和無線網絡的帶寬都超過多數(shù)專用自動化網絡，其持續(xù)發(fā)展在很大程度上取決于現(xiàn)有的標準化組織和巨大的供應商群體。具體地，以太網已經展現(xiàn)出強大的能力，它能在正確的時間，可靠地把正確的數(shù)據傳輸?shù)秸_的地點，而制造商則廣泛運用無線儀器儀表以解決各種業(yè)務挑戰(zhàn)，如提升流程性能、可靠性和效率，達到政府指令的要求等。”

以太網獨特的性能特點使其也可以作為與物聯(lián)網集成的自動化系統(tǒng)的基礎。物聯(lián)網的前景在很大程度上取決于利用實時數(shù)據和活動而非歷史信息來支持決策。正如Polsonetti在其文章中指出的那樣，可以通過改進系統(tǒng)層來克服機器設備層次的不足。

在本系列的下一部分，我們將回到曾在這里討論過多次的一個主題——即EtherNet/IP、PROFINET®等工業(yè)以太網協(xié)議。不過，我們不會回顧這些協(xié)議的基本特點，而是要探討如何在工廠里實施這些協(xié)議，尤其是在實現(xiàn)全廠自動化和建設可以滿足工程師和IT部門關鍵訴求的融合型網絡方面。