工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)及未來(lái)趨勢(shì)
2019.03.08隨著時(shí)間的推移，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)漸漸發(fā)展進(jìn)入全球工控自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)之列。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)似Profibus、Modbus和ControlNet仍然隨處可見(jiàn)，但他們的重要性隨著工業(yè)以太網(wǎng)的普及正在快速地降低。工業(yè)以太網(wǎng)為用戶(hù)提供的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的：更高的效率、更多的功能和更高的適應(yīng)性。這可以使得從管理級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)通信采用統(tǒng)一的方式，反之亦然。沒(méi)有了接口互不兼容的問(wèn)題，就可以在整個(gè)公司網(wǎng)絡(luò)中使用基于web標(biāo)準(zhǔn)的工具。
目前工業(yè)以太網(wǎng)最主要的使用在管理層和控制層。并且藉由特殊的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，可以滿(mǎn)足響應(yīng)時(shí)間少于1ms的應(yīng)用要求。例如CIPsync，ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink都已實(shí)現(xiàn)了此類(lèi)應(yīng)用，因此實(shí)時(shí)性的問(wèn)題可以被認(rèn)為已經(jīng)解決了。安全問(wèn)題的狀況也是相似的，基本問(wèn)題是一個(gè)基于以太網(wǎng)傳輸?shù)倪m當(dāng)?shù)陌踩珔f(xié)議，像是基于Profinet的Profisafe、基于EtherNet/IP的CIPSafety都即將投入實(shí)際應(yīng)用。
1、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的防爆保護(hù)
工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工控自動(dòng)化中，而在過(guò)程控制領(lǐng)域，目前亟待解決的問(wèn)題就是防爆保護(hù)?，F(xiàn)在已經(jīng)有支持Ex-Zone2的交換機(jī)。然而，實(shí)現(xiàn)Ex-Zone1的要求才是以太網(wǎng)深入進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)層的關(guān)鍵。昂貴的機(jī)柜已經(jīng)不被用戶(hù)看好，
用戶(hù)需要的是所謂本質(zhì)安全的交換機(jī)。在保證以太網(wǎng)高速的同時(shí)，兼具本質(zhì)安全的特性是這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)所在?；蛟S，第一臺(tái)用雙絞線(xiàn)連接的本質(zhì)安全的交換機(jī)面世，還需要一段時(shí)間。但是，一旦這個(gè)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，工業(yè)以太網(wǎng)在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中將扮演更加舉足輕重的角色。
2、未來(lái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在總線(xiàn)系統(tǒng)中，用戶(hù)習(xí)慣把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用菊花鏈連接。因此，自動(dòng)化廠(chǎng)商現(xiàn)在生產(chǎn)的以太網(wǎng)設(shè)備都兼容地支持菊花鏈技術(shù)，或者說(shuō)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上安裝2個(gè)交換端口。但對(duì)比使用獨(dú)立的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，其交換成本卻隨著設(shè)備數(shù)量的增加而增加。另一個(gè)劣勢(shì)是碰到流量突發(fā)時(shí)，以菊花鏈?zhǔn)竭B接的交換機(jī)吞吐量和帶寬會(huì)受到限制，因?yàn)樗械挠脩?hù)不得不通過(guò)一條共同的線(xiàn)纜通信。環(huán)形連接的重要優(yōu)勢(shì)在于一方面減低了布線(xiàn)成本，另一方面能夠提高鏈路可靠性，舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)一處不能正常工作時(shí)，通信不受影響。因此必須根據(jù)應(yīng)用和需求來(lái)決定到底哪種方式才是合適的。
3、讓交換機(jī)學(xué)習(xí)自動(dòng)化語(yǔ)言
大型的自動(dòng)化廠(chǎng)商使用它們自己的基于以太網(wǎng)的應(yīng)用協(xié)議，類(lèi)似于EtherNet/IP，Profinet或Modbus/TCP。這些協(xié)議都支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP，所以這類(lèi)應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)也可以使用。SNMP協(xié)議已被廣泛使用于商用環(huán)境中，用于交換機(jī)的配置和診斷。然而，自動(dòng)化中使用的配置工具不支持SNMP協(xié)議，因此很難用來(lái)配置相應(yīng)的交換機(jī)。所以赫思曼公司開(kāi)始讓交換機(jī)學(xué)習(xí)自動(dòng)化的語(yǔ)言，將來(lái)使用PLC、驅(qū)動(dòng)設(shè)備或I/O來(lái)配置交換機(jī)都會(huì)成為可能。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)最大的益處是可以用熟悉的自動(dòng)化工具配置網(wǎng)絡(luò)了，并且一張完整的材料單也可以被輕松地創(chuàng)建。
4、安全增長(zhǎng)的重要性
自從工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)從管理級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)一致的數(shù)據(jù)傳輸，用戶(hù)只需要掌握一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即可，同時(shí)，也提高了工作效率。
可是，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也因?yàn)檎w的網(wǎng)絡(luò)透明度承擔(dān)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。例如：生產(chǎn)線(xiàn)中的機(jī)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(guī)則來(lái)定義通訊的時(shí)間和對(duì)象。當(dāng)然僅在公司的出口端安置一臺(tái)防火墻來(lái)抵制外部的攻擊是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。導(dǎo)致一個(gè)致命的錯(cuò)誤甚至停機(jī)事故的往往是來(lái)自?xún)?nèi)部的誤操作，所以分布式安全體系在自動(dòng)化領(lǐng)域是非常關(guān)鍵的。因?yàn)檫@樣，整個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)部件可以被分割為獨(dú)立的安全單元，各個(gè)安全的單元之間通過(guò)定義的規(guī)則來(lái)通信。
5、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)提供新的應(yīng)用可能
如今無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WirelessLAN(WirelessLocalAreaNetworks))被廣泛應(yīng)用在辦公環(huán)境中。移動(dòng)性、靈活性、非常易于安裝、低成本，無(wú)線(xiàn)通信的這些優(yōu)點(diǎn)，使得這項(xiàng)技術(shù)漸漸被應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中?，F(xiàn)在WLAN越來(lái)越多的成為傳統(tǒng)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充。典型的應(yīng)用是在生產(chǎn)物流的移動(dòng)終端上，操作和監(jiān)控生產(chǎn)線(xiàn)或提供在線(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交換。例如預(yù)定數(shù)據(jù)可以從監(jiān)控中心直接送到倉(cāng)庫(kù)的鏟車(chē)上。
現(xiàn)在已有不少工業(yè)級(jí)的WLAN設(shè)備面市，它們都基于IEEE802.11b/g/a/h協(xié)議，可以提供約100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度。傳輸距離方面，如果在5GHz頻率下使用合適的天線(xiàn)，可以達(dá)到20公里。赫思曼的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)解決方案就能滿(mǎn)足這樣的需求。將來(lái)，擴(kuò)展的協(xié)議IEEE802.11n將進(jìn)一步規(guī)范WLAN在工業(yè)環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)。新的標(biāo)準(zhǔn)可能在明年開(kāi)始實(shí)行，屆時(shí)數(shù)據(jù)通信將更可靠，速率也更高，可達(dá)640Mbit/s，甚至在無(wú)線(xiàn)電通信條件很差的環(huán)境中。
工業(yè)環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)也會(huì)根據(jù)WLAN的應(yīng)用有具體的區(qū)分。例如應(yīng)用在距離70公里之上的數(shù)據(jù)傳輸WiMAX(IEEE802.16)或應(yīng)用于近距離傳輸?shù)腂luetooth(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(wú)線(xiàn)通訊。但是，這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的廣泛應(yīng)用可能還需要幾年時(shí)間。
6、更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬的趨勢(shì)
有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)都需要越來(lái)越高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。在工業(yè)環(huán)境中，特別是在控制層，快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)差不多被默認(rèn)為當(dāng)今的主流。但是，在自動(dòng)化和辦公環(huán)境中都越來(lái)越趨向于千兆以太網(wǎng)(GigabitEthernet)。原因可以歸結(jié)為以下三點(diǎn)：
首先，越來(lái)越多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)連接，隨著設(shè)備數(shù)量的增加帶寬需求也增加了。
第二，多種服務(wù)，例如控制數(shù)據(jù)，IP電話(huà)或IP視頻也快速增長(zhǎng)，并在同一根的線(xiàn)纜上傳輸。
第三，千兆以太網(wǎng)有十倍于快速以太網(wǎng)的交換能力，許多實(shí)時(shí)的應(yīng)用可以在標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。
赫思曼早在2007年初推出了萬(wàn)兆的工業(yè)級(jí)交換機(jī)。同無(wú)線(xiàn)解決方案面臨的問(wèn)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(wǎng)已在工業(yè)環(huán)境中日益普及。
