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

目前，世界各地的制造工廠都依賴以太網(wǎng)解決方案來滿足工業(yè)應(yīng)用對實(shí)時(shí)性能和耐用性的要求。與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線相比，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)，最終還能通過卓越的能效比和更加高效的設(shè)備節(jié)省更多開支。以太網(wǎng)還能單挑重任，作為唯一的組網(wǎng)技術(shù)，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(shí)簡化網(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特定閾值，可能就不會構(gòu)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(wǎng)環(huán)境(如風(fēng)電場、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(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)用場景和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

• 本系列文章以工業(yè)以太網(wǎng)對制造業(yè)的優(yōu)勢為主題，將首先考察以太網(wǎng)成為廠內(nèi)自動化可行選項(xiàng)的原因。在此基礎(chǔ)上，我們將探討以太網(wǎng)和Wi-Fi如何能幫助工廠走向物聯(lián)網(wǎng)，然后再討論如何在整個(gè)工廠范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于EtherNet/IP一類協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。

以太網(wǎng)在自動化領(lǐng)域的過去和未來：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(wǎng)的自動化系統(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)自動化協(xié)議。2

通過這些產(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故障。作為一項(xiàng)額外優(yōu)勢，以太網(wǎng)領(lǐng)域的供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)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(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬都超過多數(shù)專用自動化網(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。”

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(jìn)系統(tǒng)層來克服機(jī)器設(shè)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(gè)主題——即EtherNet/IP、PROFINET®等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。不過，我們不會回顧這些協(xié)議的基本特點(diǎn)，而是要探討如何在工廠里實(shí)施這些協(xié)議，尤其是在實(shí)現(xiàn)全廠自動化和建設(shè)可以滿足工程師和IT部門關(guān)鍵訴求的融合型網(wǎng)絡(luò)方面。