工業(yè)以太網(wǎng)風(fēng)靡一時
在家庭和辦公室環(huán)境蛮粮，人們已經(jīng)熟知并認(rèn)可以太網(wǎng)這項(xiàng)技術(shù)。最近，以太網(wǎng)成為最熱門的焦點(diǎn)赡喻，有轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢。工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境宦噩，無論如何缅科，與家庭和辦公環(huán)境有著巨大的不同。這篇文章概要的說明了工業(yè)和商業(yè)以太網(wǎng)的不同衰拄，比較它們的通信要求耗跛、處理要點(diǎn)、環(huán)境挑戰(zhàn)和硬件特點(diǎn)攒发。
讓我們通信
工業(yè)以太網(wǎng)有著獨(dú)特的雙向通信的要求调塌。為了了解這一點(diǎn)，想像一下啤酒灌裝工廠的應(yīng)用惠猿。假設(shè)這家工廠創(chuàng)造了一種新的釀造工藝羔砾，全自動化地生產(chǎn)。灌裝的操作將采用工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)偶妖。
網(wǎng)絡(luò)工作良好姜凄，因?yàn)槭褂昧恕拔帐帧睓C(jī)制，確保信息傳遞的準(zhǔn)確無誤趾访。為了描述這個屬性态秧，讓我們認(rèn)為：瓶裝設(shè)備的工作從開始到灌滿一瓶啤酒，都是在PLC（可編程控制器）命令的控制下完成的扼鞋。當(dāng)瓶子充滿時申鱼，PLC負(fù)責(zé)發(fā)送“停止灌裝”命令。如果這個信息在網(wǎng)絡(luò)上丟失的話云头，PLC就會意識到捐友，因?yàn)樗貌坏矫畎l(fā)出后的回答（握手的部分）晋粱，所以需要它重新發(fā)送命令。
在辦公室的環(huán)境下埋吊，這樣的數(shù)據(jù)丟失通常是不重要的馁惨。如果一個網(wǎng)頁丟失了傳送的信息，用戶可以簡單的按“更新（refresh）”圖標(biāo)即可愈苛。但在生產(chǎn)的環(huán)境下用噪，我們不能等待到啤酒溢出至地板上，然后再派人手動關(guān)閉噴嘴景顷。這里的握手節(jié)省了啤酒誓籽、金錢和時間。
在工業(yè)以太網(wǎng)中强男，我們也包括了沖突檢測功能洪业。如果兩個報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中發(fā)生了碰撞，控制PLC可以重新對設(shè)備發(fā)送報(bào)文眨仪，直到該報(bào)文被接收峭桅，從設(shè)備返回了收條。這樣啤酒灌裝可以連續(xù)地作業(yè)柑爸，不會有人因?yàn)槠【评速M(fèi)而哭泣吵护。
啤酒灌裝在當(dāng)今的時代里非常常見，所以假設(shè)我們需要一些灌瓶機(jī)表鳍、閥門馅而、傳感器和一臺PLC掛在我們的網(wǎng)絡(luò)上。操作必須在顛峰狀態(tài)下運(yùn)行譬圣，而辦公室的以太網(wǎng)是不能完成這個目標(biāo)的瓮恭。因?yàn)檫@里不需要沖突檢測。
工業(yè)以太網(wǎng)的特殊要求
可靠性
可靠性可以從兩個方面來闡述厘熟。第一屯蹦，網(wǎng)絡(luò)的布線和安裝是否可靠，事實(shí)上在安裝調(diào)試和運(yùn)行操作階段的大多數(shù)問題绳姨，都是來自接線登澜，很多的現(xiàn)場安裝沒有按照用戶手冊的要求進(jìn)行。電纜和接頭質(zhì)量以及不使用專用工具飘庄，會造成很多潛在的風(fēng)險(xiǎn)脑蠕。第二，現(xiàn)場的環(huán)境相對惡劣资担，機(jī)械震動和電磁干擾非常嚴(yán)重旬效，這會造成電纜的物理損壞和通信過程的信號丟失炬费。使得正常通信不能可靠傳遞信息踱孕，而且問題的查找相對比較困難讯匈。
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實(shí)時性
實(shí)時性是指從源設(shè)備發(fā)送的信息達(dá)到目的設(shè)備所使用的時間。在辦公環(huán)境下的信息傳送将窗，對實(shí)時性的要求不是很高策坏，在秒數(shù)量級就可以滿足要求。而在自動化領(lǐng)域泻畏，不同的應(yīng)用對實(shí)時性的要求也不一樣烈肉，有些在秒數(shù)量級，有些在毫秒級委丈，有些則要求小于一個毫秒甩高。下表針對不同的工業(yè)應(yīng)用，試列舉了一些案例供讀者參考什偷。
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功能 |
信息解決方案和 |
分布式自動化 |
運(yùn)動控制 |
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傳輸技術(shù) |
.Net, DCOM, TCP/IP |
標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)+ 實(shí)時性協(xié)議 |
硬件/軟件解決方案 |
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周期 |
1s 或更長 |
10 ms 到 100 ms |
< 1 ms |
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工業(yè) |
石油霸督、天然氣、化學(xué)制品 衅疙、能量莲趣、水處理 |
汽車、食物和飲料饱溢、電子裝配喧伞、半導(dǎo)體、金屬绩郎、制藥 |
分布式自動化控制分支 |
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應(yīng)用 |
泵潘鲫、壓縮機(jī)、攪拌器肋杖， 壓力次舌、流量的監(jiān)控 |
物料輸送、供應(yīng)兽愤、貼標(biāo)簽彼念、用貨盤裝運(yùn)、包裝浅萧、焊接逐沙、沖壓、切割版挣、金屬定型蔓酣、分揀 |
多軸同步：印刷機(jī)、 玻璃婆裹、輪胎载甸、裝訂 |
安全性
安全性也有以下三個方面。第一乱险，設(shè)備到設(shè)備之間的信息傳送是否安全齐犀，這里的安全指的是數(shù)據(jù)傳送的完整性托习，尤其在功能安全的系統(tǒng)中，這種數(shù)據(jù)的安全是非常重要的滥捣。第二虏淋，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流之間是否很好分離，比如有些數(shù)據(jù)只在管理網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)之間傳送沦昆，不需要達(dá)到現(xiàn)場尸查。第三，外網(wǎng)對工廠網(wǎng)絡(luò)的訪問是否安全愿凶。企業(yè)通常使用防火墻和虛擬私有網(wǎng)對企圖訪問內(nèi)網(wǎng)的信息進(jìn)行隔離竖伯。增加了如：MAC地址、IP地址綁定因宇，口令密碼和授權(quán)驗(yàn)證等方法黔夭，保護(hù)控制系統(tǒng)不受侵犯。
要考慮的其他因素
操作員：關(guān)心自己操作區(qū)域的宕機(jī)成本羽嫡。當(dāng)你的辦公室網(wǎng)絡(luò)癱瘓時本姥，你會感覺不方便，不舒服杭棵，只有一些工作是不可能發(fā)生的婚惫。當(dāng)這樣的情況發(fā)生時，也就是將這個雇員從一個崗位換到另一個位置魂爪，或者用不許上因特網(wǎng)來處理此類問題先舷。
在生產(chǎn)的情況下，這種宕機(jī)是要發(fā)生費(fèi)用的滓侍。連續(xù)過程的裝配線操作因網(wǎng)絡(luò)故障可能產(chǎn)生功能失效蒋川。關(guān)鍵性過程的失效可能產(chǎn)生毀滅性災(zāi)難，導(dǎo)致人員撩笆、材料倡挚、設(shè)備的巨大傷害，使企業(yè)遭受經(jīng)濟(jì)損失筷疹。
想象一下生產(chǎn)窗戶玻璃的工廠一分鐘的生產(chǎn)蒸拦。玻璃液體材料從傾注、到切割瞳竖、到冷卻連續(xù)移動蜘把，生產(chǎn)線的距離超過了一公里。玻璃流的前進(jìn)通過了特定的加溫乡捧、冷卻和適當(dāng)?shù)幕鼗饋頋M足生產(chǎn)的要求衅滞。如果生產(chǎn)線停止，工廠留下一公里長的廢玻璃牵观。大多數(shù)的廢玻璃需要通過人工進(jìn)行回收抓惫，因?yàn)樯a(chǎn)線的一部分冷卻使玻璃過硬水惑，這意味著必須把這些廢玻璃重新回爐加熱后，才能進(jìn)行處理氛赞。
當(dāng)設(shè)計(jì)一個工業(yè)以太網(wǎng)時，你必須考慮使網(wǎng)絡(luò)更加可靠的選項(xiàng)塘丝。當(dāng)然赔癌，這可能會增加建造網(wǎng)絡(luò)的成本，但這有時是必要的澜沟。
安保問題：在辦公室的環(huán)境灾票，通過網(wǎng)絡(luò)的信息可能是保密和重要的，因此辦公室以太網(wǎng)必須有保護(hù)機(jī)制防止非授權(quán)的訪問茫虽。同樣刊苍，在工業(yè)應(yīng)用中也是如此。在工業(yè)環(huán)境的另一個安全隱患是工作人員操作失誤造成的系統(tǒng)意外斷開濒析，使設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)在這種環(huán)境下完全停機(jī)正什。
辦公環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境的不同：你不能期望看到一些人在工廠的環(huán)境下穿著皮爾卡丹套裝或者意大利皮鞋，因?yàn)檫@個環(huán)境更適合人們穿著牛仔裝和勞動靴号杏。這種選擇可以使人可以在工廠的環(huán)境中受到更好的保護(hù)婴氮。同樣的概念需要運(yùn)用到工業(yè)以太網(wǎng)上。工業(yè)以太網(wǎng)的電纜盾致、交換機(jī)和連接器需要經(jīng)受得住惡劣和嘈雜工業(yè)環(huán)境的考驗(yàn)主经。
環(huán)境考慮
溫度：炎熱和寒冷是兩個影響網(wǎng)絡(luò)的主要因素。特別是寒冷會造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備損壞庭惜。在比較冷的水平仇钞，接近冰凍，電纜會受到影響籽钝，可能引起電纜本身斷裂毯甘，使保護(hù)套破壞，或者增加信號衰減航赦。在更冷的溫度下撇熬，電纜在彎曲的情況下，在不大的力下會脆碎和破裂仓煌。
炎熱也會帶來損壞烧已。保護(hù)層可能會融化，導(dǎo)致短路和弱點(diǎn)熔徊。長時間的過熱也會引起信號衰減烘牌。
化學(xué)物質(zhì)：化學(xué)物質(zhì)可能引起保護(hù)層融化或者變形，導(dǎo)致縮短壽命和性能降低朽晓。一些溶劑也能直接影響內(nèi)部電纜而不影響保護(hù)層撮点。輻射令聂，特別是來自太陽光的UV（紫外線）輻射，可能引起保護(hù)層的變色和退化固棚。濕度也能使電纜老化统翩。
工業(yè)以太網(wǎng)的環(huán)境是惡劣的，辦公環(huán)境的以太網(wǎng)應(yīng)用不會出現(xiàn)這樣的情況此洲。經(jīng)常對保護(hù)電纜和連接器進(jìn)行物理測量厂汗，可以最大程度減輕或者消除工業(yè)環(huán)境的影響。
工廠噪音：由大電機(jī)和高壓設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲會扭曲網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中傳送的數(shù)據(jù)呜师，使得數(shù)據(jù)發(fā)生丟失娶桦、改變、錯誤汁汗。
震動：有些過程可能產(chǎn)生震動衷畦，如果使用的連接器質(zhì)量不好，它會引起保護(hù)層的退化和斷開知牌。當(dāng)機(jī)械設(shè)備打開運(yùn)行時祈争，你要考慮它所產(chǎn)生的震動可能會帶來哪些情況，產(chǎn)生什么樣的后果角寸。
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其他值得注意的不同
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：商用以太網(wǎng)幾乎總是配置成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)铛嘱。工業(yè)以太網(wǎng)具有很多不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇，用于滿足不同的工業(yè)應(yīng)用窗蠕。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星形波烘、樹形、線形和環(huán)形拓?fù)洹?在一些關(guān)鍵性工業(yè)場合骏疆，還要求以太網(wǎng)提供高可用性和高安全性功能亥矿，這要求網(wǎng)絡(luò)提供冗余和診斷，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜潜佑。
重型和輕型：辦公室以太網(wǎng)組件設(shè)計(jì)成基層和室內(nèi)使用锨飞。工業(yè)以太網(wǎng)組件要考慮多層和室外使用。因此镐准，工業(yè)以太網(wǎng)組件可以分成重型和輕型兩類徘敦。甚至有些應(yīng)用場合，還要求以太網(wǎng)組件提供防水功能诈金。
電纜：電纜可以分成鎧裝和普通兩種類型虾钾。普通類型的工業(yè)以太網(wǎng)電纜比辦公室以太網(wǎng)的電纜具有較好質(zhì)量的保護(hù)層。如果環(huán)境比較好拐棺，不需要特別地保護(hù)透嫩，工業(yè)以太網(wǎng)甚至也可以使用辦公環(huán)境的以太網(wǎng)電纜。如果環(huán)境比較惡劣，比如在有些車間或者室外干签，就要升級到鎧裝型電纜津辩，保護(hù)層通常由金屬絲等增強(qiáng)保護(hù)。在某些地方容劳，你可以看到結(jié)實(shí)和加粗高質(zhì)量電纜喘沿。 鎧裝電纜比一般電纜的價(jià)格要貴得多，只有在比較特殊的情況使用竭贩。
連接器：連接器可以覆蓋整個從辦公室到輕載電纜再到鎧裝電纜蚜印。通常，工業(yè)以太網(wǎng)連接器不依靠與辦公室以太網(wǎng)相同水平的基本壓扣式鎖住機(jī)構(gòu)娶视。而是使用重載鎖住機(jī)構(gòu)晒哄。在重載應(yīng)用中睁宰，經(jīng)常使用密封的連接器肪获。
比起商用的以太網(wǎng)部件，工業(yè)輕型和重型部件攜帶著較高的價(jià)格標(biāo)簽柒傻。
在工業(yè)現(xiàn)場孝赫，以太網(wǎng)正在快速地成為著名和應(yīng)用的技術(shù)。對比前任現(xiàn)場總線藻清，它為工業(yè)應(yīng)用提供了更有價(jià)值岗制、更大數(shù)據(jù)量和傳送速度的進(jìn)步。工業(yè)以太網(wǎng)能夠在環(huán)境惡劣诗差、數(shù)據(jù)沖突刷男、現(xiàn)場噪音的條件下高效地處理數(shù)據(jù)，滿足工廠自動化的需求搪狈。它仍然是以太網(wǎng)剪碱，是完成工業(yè)應(yīng)用的、獨(dú)一無二的以太網(wǎng)延幻。
（羅克韋爾自動化 華镕）
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