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是什么推动了工业总线向以太网的演进

木马童年 2019-5-1 11:15 80 0

过去的几十年,以太网技术一直在各个领域改变着行业的游戏规则,从早期的局域网,到后来的宽带网络,再到如今的互联网。而现在,以太网技术的关键组件正在被用于工业控制现场总线,推动着整个制造业生态系统的演变和 ...

过去的几十年,以太网技术一直在各个领域改变着行业的游戏规则,从早期的局域网,到后来的宽带网络,再到如今的互联网。而现在,以太网技术的关键组件正在被用于工业控制现场总线,推动着整个制造业生态系统的演变和进化。

是什么推动了工业总线向以太网的演进

事实上,多年以来,传统的以太网技术和 TCP/IP 协议早就已经在制造业领域被广泛应用于企业和车间的网络信息系统和生产运营的管理系统中了,但却极少被用于实际机器设备和产线内部控制数据和信息的交互和通讯。

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机器控制器本身(如 PLC、IPC...等)及其与执行机构(如驱动器、电机...)和传感器之间的通信,总是需要使用确定性的现场控制总线。而使用传统的 TCP/IP 协议,是无法实现和满足从机器控制到传感器和执行器通讯的实时确定性要求的,因此它并不适用于作为工业设备的控制层总线。

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然而,在设备制造行业,机器制造商们(例如那些制造数控机床、半导体设备...的企业)却看到了重复使用基于 TCP/IP 网络设置的硬件组件的价值。因为,互联网的爆炸性增长,为以太网通讯组件(如:通讯卡、电缆、接插件...)创造了一个广泛通用的技术标准,使得这些网络接口卡(NIC)和 TCP 电缆的成本大大降低,仅仅是传统工业现场总线电缆和数据采集卡(DAQ 卡)的几分之一甚至几十分之一。因此,与工业领域传统的专用现场总线的配置相比,重复使用此类以太网硬件将可以帮助企业节省大量经济成本。

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采用以太网作为现场总线的经济效应是毋庸置疑的,因为以太网组件能够帮助带来显著的系统成本的降低,同时又具有很好的通用性。

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例如,如果采用专有的现场总线,机器人制造商必须从单个供应商处购买整套运控系统组件:专用的 I/O 卡件,伺服驱动器、电机,和昂贵的线缆、接插件...等等。

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而使用基于以太网的标准通讯协议,I/O 卡件可以使用通用的以太网接口替代,专用的总线通讯电缆可以由通用的 CAT5 (5 类双绞线)电缆替代,而如果网络标准能够支持多个供应商,伺服驱动系统的成本也将显著降低。

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与此同时,使用以太网连接设备系统组件也将变得更加简单。例如,相比在设备控制器以及电气元件上使用复杂的专用总线通讯电缆,采用类似家用 / 办公电脑在联网时使用的通用 CAT5 电缆将更加易于设备的管理和维护。 而这些仅仅是以太网技术带来的经济效益中的一部分。

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业界很快意识到,尽管 TCP/UDP/IP 协议无法提供工业控制系统所要求的实时确定性响应,但是,无处不在且低成本的以太网硬件,包括:网络接口卡(NIC)和 CAT5 以太网电缆...等,却可以被应用于为工业设备系统中,帮助提供控制应用所需的实时响应。

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而我们所需要的,只不过是一种新的实时通讯协议,它能够使用以太网的硬件物理层,但同时也可以让设备控制器与设备中所有传感器和执行器的连接和通讯做到具备实时确定性。

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自本世纪初以来,各大知名的工业自动化厂商已经相继推出了至少不下五种不同的实时工业以太网通讯协议,例如:EtherNet/IP、EtherCAT、PowerLink、ProfiNet 和 SERCOS III ... 等等。它们都被作为“标准”进行推广,号称可以重用以太网协议或以太网硬件,并且都承诺能够降低设备实时控制系统的构建成本。

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而之所以会有如此多的“潜在标准”的出现,一个很主要原因,就是因为各家都有着明显不同的技术方法可以做到重复使用以太网硬件组件(如:网络接口卡和 CAT5 电缆),不仅大幅降低设备成本并提高机器的性能,同时使信息数据的传输和交互方式能够支持实时确定性的应用程序。

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多个潜在的“标准”以太网协议的同时存在,或许还有另外一个原因,就是这些领先的工业自动化厂商正在试图利用以太网技术节约其系统方案的总体成本。通过将自己的产品“标准”扩展延伸到以太网,客户的确可以从以太网技术中获得一定的优势和价值,但从长期来看,他们却仍然被牢牢的锁定在厂家的专有网络中。

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另外,新协议的出现,的确能够帮助用户利用以太网技术突破设备现有的性能和成本。同时,与任何其他传统工业现场总线相比,采用正确的实时以太网现场总线标准的机器制造商,也将能够在性价比方面获得非常明显的竞争优势。

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然而,这些对机器制造商和设备用户们来说,或许已经不那么重要了,因为经过这些年工业以太网技术和产品的推广和普及,用户们现在面临的挑战已经不再是在传统工业控制总线和工业以太网之间的选择,而是在复杂且拥挤的市场中,面对太多的工业以太网协议“标准”之间激烈的竞争和它们各自体现出的不同的价值和优势,很难知道应该选择哪个“标准”才是正确的。如果采用错误(不恰当)的协议作为标准,就可能意味着不必要的成本消耗,并且由于性能的降低而牺牲竞争优势。

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而在关于工业实时以太网的各种讨论中,有些看似非常朴素的事实却经常会被人们忽略。网络协议标准的选择,其实不仅仅在于技术方面的硬性规格和属性,如性能和传输速率...等;还应该包括一些应用体验方面的软性指标和参数,如:易用性,开放性,独立性,风险规避,一致性,互通性,长期可用性和系统分布特性...等等,这些因素综合在一起,将决定协议和“标准”能否被用户认可或在市场中普及。

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在后面的节目中,我们将和大家一起探讨当下各种实时工业以太网协议的一些主要特征,以及其作为实时以太网的现场总线,为设备系统的集成和应用可能带来的效果和影响。

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