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工业以太网的应用的五个要点

www.cechina.cn2013.02.24阅读 6943

        虽然相比于家用以太网和商用以太网,工业以太网需要一些特殊的知识,但是选择包括工业以太网在内的工业网络协议必定能够通过提升企业连通性从而提高生产效率和质量。如果准备安装或者使用工业以太网网络,那么关于布线、信号质量、接地回路、交换机和通讯这5点内容必须要了解。

        通过研究案例可以了解工业以太网的具体应用情况。Saugatuck Brewing公司使用工业以太网在两年之中将其产能提高了4倍。VC999包装系统的新型包装设备使用了千兆以太网。
        对于很多TCP/IP网络应用来说,铜质以太网电缆100米的传输极限确实是一个问题,有五种方法可以扩展以太网的传输距离,某些方法甚至可以将传输距离提升至14公里。
        工业网络提升系统整体性
        为了帮助生产厂商满足网络需求,例如离散控制、集成诊断功能、简化维护、集成网络协议的工业设备和用来传输关键状态更新和生产数据的控制系统,需要使用一种强大的工业工具www.cechina.cn,这种工具必须是可靠的,在企业内部具有广泛的连通性,能够提供最高等级的可视化,控制和使用灵活性,从而帮助提升产量,降低作业成本。
        点对点互联的时代早已渐行渐远,先进的网络架构能够确保连通性、兼容性,并能够在设备层面到企业级商务系统全面实现整合。通过最大化生产控制,企业连通性能够改进产品质量、用户满意度并提升企业盈利能力。
        在选择网络解决方案的时候,用户必须清楚每一种通讯的具体要求,以及每一种具体应用所面临的环境挑战。对工业协议的性能、属性和特点进行评价能够帮助生产厂商针对关键的通讯需求选择理想的网络解决方案。


网络协议能够将办公区域与工厂车间连接在一起,在企业生产网络之间实现安全流畅的协同工作能力,进而提供稳定的网络访问和企业连通性。图片来源:Turck公司。

        以太网物理层开发的最主要目的就是传输大量信息,它最初应用于办公室网络,多客户端同时使用网络共享信息,随后以太网突破了传统的使用局限,其应用扩展至工厂车间内,特别是在工业以太网协议出现以后。以太网通讯能够用于工业数据的搜集、传输和监控。
        工业以太网的五个要点
        与早已被人们熟识的办公和家用以太网不同,工业类的以太网需要更多专业的知识和实践经验。如果你正在安装或者使用一种工业以太网,那么关于布线、信号质量、接地回路、交换机和通讯这五点内容必须要了解。
        布线问题
        和所有网络一样,电缆的优劣直接影响工业以太网的优劣。而且除了高电磁干扰(EMI),工业环境中还经常有某种等级的温度、粉尘、湿度以及其他在家庭和办公环境中不常见的影响因素。
        所以,如何选择电缆?在办公室内,商业等级的电缆,例如5类电缆,比较适合于10MB的网络,而5e类电缆适合于100MB网络。根据ANSI/TIA-1005标准所述,6类电缆或者更好的电缆可以用于工业环境中的主机或者设备连接。6类电缆能够在100米的范围内实现1GB网络,55米范围内实现10GB网络。6e类电缆可以在100米范围内实现10GB网络。
        相比于5类电缆和5e类电缆,6类电缆不易受串扰和外部EMI噪声影响。工业以太网电缆的设计能够抵御更加严酷的工业环境对电缆的物理侵蚀。在安装6类电缆时,确保RJ45接口和插座也能够达到6类等级。最好的使用方法是,短距离布线时,使用预先做好的接插电缆,并在工厂内安装连接器。长距离布线时使用插座。
        电缆、屏蔽、接地回路
        一些应用场合需要做屏蔽,但是如果屏蔽电缆安装不当,那么会适得其反。
        当超出保护套管时,屏蔽以太网电缆在EMI环境中的性能更好。良好的接地是使用屏蔽电缆的关键。一个接地参考点是关键中的关键。多个接地连接会形成接地回路,不同接地连接处电势的不同会在电缆中引入噪声。
        接地回路会给你的网络带来巨大的破坏,为了解决这个问题,只在电缆的一端使用接地RJ45接口,另一端使用绝缘的RJ45接口以消除接地回路的可能性。
        如果以太网电缆与电源电缆交叉布线,那么交叉角度颇有讲究。将并列的以太网电缆和电源电缆相隔至少8到12英寸,如果电压较高或者并列距离较长,那么这个间隔距离应该更大。如果以太网电缆在金属沟槽或者套管内走线,那么相邻的沟槽或者套管必须连接在一起以实现电气连续性。


N-Tron公司的工业交换机使用千兆以太网电缆。图片来源:TriCore 公司。

        大体来讲,以太网电缆尽量远离能够产生EMI的设备,例如电机、电机控制设备、照明设备、带电导体等。在面板上,以太网电缆与连接器间隔至少2英寸。当电缆远离EMI干扰源时,遵循推荐的电缆弯曲半径。
        交换机 VS.集线器
        简单地说,工业以太网环境中不要使用集线器。集线器只不过是一个多端口的中继器。如果集线器被排除在外的话,剩下的选择就只有管理型交换机和非管理型交换机了。管理型的交换机更好,当然它的价格也比非管理型的交换机要贵。
        网络上的每一台设备都有一个独一无二的标识符,就是我们所说的MAC地址,这是交换机比集线器具有更优秀的识别能力的关键。当交换机刚刚上电的时候,它最初的表现和集线器没有区别,将所有的通讯内容都广播出去,但随着网络上的设备将信息在交换机的不同端口上传输,交换机开始监控通讯内容,识别出哪一个MAC地址与哪一个端口相关,然后在MAC地址表中做出标识。一旦交换机发现设备的MAC地址与某个特定的端口相连接,它就会监控指向那个MAC地址的信息,然后将这些信息仅仅发送给那个特定的地址。
        工业以太网网络有三种通讯类型。点对点的单播通讯、一对多的组播通讯和一点到所有节点的广播通讯。
        当交换机的MAC地址表建立完成之后,管理型交换机和非管理型交换机对单播通讯和广播通讯的处理方式没有什么不同。一般来说,在100MB的带宽下,将广播频度控制在每秒钟100个广播。对于任何网络来说,都会或多或少地存在广播通讯。一个例子就是打印服务器会周期性地在网络上给出广播通知。
        窥探:不仅仅是监听
        管理型交换机和非管理型交换机的一个主要的区别就在于它们对待组播通讯的处理方式。组播通讯通常来自于搭载在工厂过程网络上的智能设备CONTROL ENGINEERING China版权所有,采用面向连接的基于生产厂商/用户模型的技术。这种情况下的连接仅仅是网络上两个或者多个节点之间的关系。
        要想能够接收组内信息,设备必须加入组播通讯小组,组内所有的成员都能够接收到数据。如果仅仅是向小组发送数据,那么你无需成为小组成员。在生产厂商/用户模型中,组播通讯的主要问题就是随着小组成员数量的增加,通讯信息呈指数地增长。此时,就需要使用管理型的交换机了。
        管理型交换机能够打开互联网组管理协议(IGMP)窥探功能。它是这样工作的,当IGMP窥探功能打开后,它会发出广播通讯以判断任何组播小组内的成员。使用这些信息,加上已经建好的MAC地址表,管理型交换机就能够将组播通讯仅仅发送给组播小组内的成员。非管理型的交换机对组播数据和广播数据的处理方式一样,都是将数据发送给每一个节点。
        如果网络使用了生产厂商/用户技术或者使用了组播通讯,那么管理型交换机是物有所值的不二之选。
        镜像端口、故障排查
        考虑使用管理型交换机还有很多其他原因,这种等级的交换机通常都提供故障日志功能,能够控制每个端口的速度,具有冗余设置以及端口镜像功能。这些额外能力能够保证对网络行为进行更加精确的控制控制工程网版权所有,而且在故障排查的时候能起到非常宝贵的作用。我们知道,对于网络上的某些节点,故障是无法避免的。
        当网络性能出现问题时,首先就要检查交换机,虽然对于大多数网络性能问题来说,交换机很少是问题的核心。交换机是系统中最可能发生问题的节点,它的工作速率通常是其他网络部件工作速率的10到50倍。
        虽然总有一种很好的软件能够帮助你对网络故障问题进行排查,但是大多数这种软件仅仅能看到广播通讯和组播通讯。这实际上很合理,因为很多性能问题通常都源自不受限的组播通讯或者过多的广播通讯。如果你出于某种原因需要检查单播通讯,那么端口镜像是唯一的途径。
        如果网络上没有组播通讯的话,那么使用非管理型的交换机也没什么问题。在只搭载了很少设备的小型简单网络上,很多人使用非管理型的交换机。有时候也可以将这两种类型的交换机结合使用,将一些远程设备搭载在非管理型的交换机上,统一向管理型的交换机反馈。对于那些节点数量很多的网络,如果成本不是一个关键因素CONTROL ENGINEERING China版权所有,那么还是选择管理型的交换机吧,事后想来这确实是一个明智的选择。
        酿造业越来越多地采用
        工业以太网
        Saugatuck Brewing公司生产过很多经典品牌的啤酒,并拥有成熟的现代酿造技术。位于美国密歇根州道格拉斯市的啤酒酿造厂在2011年到2012年间进行扩张,增加了其发酵罐和清酒罐(啤酒最终处理桶)设备。Saugatuck公司在2009年的产能低于500桶,2010年的产能翻倍控制工程网版权所有,达到了1000桶,2011年超过2000桶。2012年实现连续三年产量翻倍的目标,达到4200桶。


Saugatuck公司在2012年实现了4200桶的产量,这是其连续三年实现产量翻翻。图片来源:Beckhoff Automation公司。

        美国小啤酒厂的现状是扩张速度很快,但是需要按阶断来实现。这就要求使用模块化的自动化系统,在不同阶段灵活地进行扩张。对于Saugatuck公司来说,这种能够维持理想的碳化程度,而又能够同时实现酿造厂扩张的方法就是采用基于PC的控制系统和工业以太网通讯系统。
        今天,Saugatuck公司在啤酒发酵工艺中使用EtherCAT作为其网络系统,工厂现场使用机柜安装的具有IP20外壳防护等级的I/O端子和安装在机柜外侧的具有IP67外壳防护等级的I/O箱体组件。对于过程控制器,Saugatuck公司使用紧凑型的控制面板,面板上配有5.7英寸的触摸屏,还配有以太网接口,与发酵厂的已经升级过的碳化系统相连接。控制面板上配有使用了XScale技术和533MHz时钟频率的Intel IXP420处理器。
        控制面板上还有Saugatuck公司的HMI,发酵厂的员工可以使用HMI对碳化参数进行调整,还能够对其他设定值进行调整。Saugatuck公司针对控制器和HMI使用了同一种集成编程软件平台,而不是使用独立的HMI软件包。


Saugatuck公司采用的控制面板能够实现EtherCAT工业以太网协议的连通性。Beckhoff Automation公司的基于PC的CP6607控制面板(作为已经升级的碳酸化系统的接口)能够实现快速扩展,无需在每次扩展时采购额外的控制器。初始安装成本能够降低50%,随着扩展的持续,这一数值将持续增加。图片来源:Beckhoff Automation公司。

        使用基于PC和EtherCAT的技术之后,Saugatuck公司提升了产品质量的稳定性,极大地降低了生产设备成本。
        “与Saugatuch公司之前考虑的另外一种控制器架构备选方案相比,平摊到每个罐的控制系统成本减少了50%。”Saugatuck公司的酿造工艺总监Ron Conklin说道,“当得知每一次我们需要扩张的时候我们都得购置新的硬件控制器,这种备选方案立即就被否决了。基于PC的系统具有更高的标准化程度,用这种系统控制对所有发酵罐统一控制能够使工厂的作业、维护和未来的升级更加简单。”
        包装机中使用的千兆以太网
        VC999包装机系统中的i系列热成型机是新一代包装技术,它使用了千兆工业以太网网络用于通讯。模块化的设计能够简便快速地实现设备成型长度、宽度和其他选项的变更;可以根据客户的需要对已经安装的设备进行扩展,并降低组装、运输和安装成本。


VC999包装系统的i系列热成型包装机使用了CC-Link IE现场网络通讯,将可编程逻辑控制器和密封站点外壳内的其他自动化设备与成型和输出站点相连接。图片来源:Mitsubishi Electric和CC-Link协会美国。

        VC999明确新设计要尽可能采用最前沿、最高等级的技术,以期达到卓越并实现最佳成本收益率。为了满足VC999的要求,Power Motion公司帮助其开发了一种控制解决方案,满足了设计目的,使用了PLC、伺服电机和变频器以及CC-Link IE现场网络协议。
        设备设计,模块
        i系列设备的建造、运输和安装都是基于这三种模块(成型、密封和输出);每一个模块都有其自己的与以太网络相连接的控制外壳。伺服电机通过模拟信号或者每个轴专用的运动控制总线网络进行控制,变频器通过模拟信号进行控制。未来的设计可能会采用全CCLink IE现场网络通讯。VC999明确控制系统总线网络必须是基于以太网的网络,并且主电气外壳(密封站)必须与成型站和输出站的电气外壳相连接,以简化布线管理、降低布线成本和人力,简化在运输过程中对设备的拆解,简化在用户现场进行设备安装的过程。
        而且,对于新型设备设计来说,以太网总线网络更加合适。CCLink IE现场网络是用于自动化控制的第一种速率达到1 Gbps的超高速以太网网络。其他网络的作业速率为10/100Mbps。(1千兆等于1000Mbps)


VC999 i系列热成型机的后视图从左到右显示了相邻的成型外壳、密封外壳和输出外壳;CC-Link 千兆以太网将这三种外壳连接在一起。图片来源:Mitsubishi Electric和CC-Link协会美国。

        扩展以太网的最佳
        当TCP/IP网络从家庭环境和办公室环境扩展至现实世界时,铜质以太网电缆的100米传输极限就成为了一个切实的问题。例如,沿着输油管道布置的远程传感器显然需要更长的传输距离。经过变化和扩展之后,网络能够覆盖的区域能以公里计算而不是米。
        以太网扩展的一个简单的方案就是使用以太网扩展器。以太网扩展器使用DSL技术,将传输极限扩展至1900米。而且它能够与所有种类的铜导线搭配使用,这使得这种设备非常具有性价比。网络安装中所需的人工和电缆成本通常是总花费当中一项重要的支出,但是以太网扩展器可以使用任何已经安装好的电缆,例如Cat5电缆甚至老式的电话线。这样算来成本降低是非常巨大的。
        以太网扩展器成对使用
        第一个以太网扩展器将以太网数据进行转换,使其能够在DSL上传输,第二个扩展器再将其转换回来。根据不同的传输距离,传输速率可以高达50Mbps。当然,数据信号会在铜导线中传输的过程发生衰减,但即使在1900米的距离上,以太网扩展器还是能够提供1Mbps的传输速率。一些以太网扩展器也能够实现以太网供电功能(PoE),直接通过以太网端口为设备供电,克服了为那些距离电源较远的设备供电的挑战。


以太网扩展器使用DSL技术将传输距离扩展至1900米。
图片来源:B&B Electronics公司。

        光纤:单模、多模
        如果1900米的传输距离仍旧不够,或者需要更高的带宽,那么大型网络通常都会选择使用光缆。光缆有两种,更便宜的一种是多模光缆,它使用LED光源,能够将数据传输几公里远。光缆通常作为办公楼宇和工厂网络的骨干网络基础设施。
        电信电缆公司需要更长的传输距离,它们更愿意使用单模光缆。单模光缆使用激光光源而不是LED光源,它使电信公司能够跨各大洲的远距离数据传输。和多模光纤类似,单模光纤的相关设备比铜导线的相关设备昂贵很多,单模光纤的安装成本比多模光纤的安装成本也更高。但是很多网络设计人员仍旧义无反顾地选择更加昂贵的单模光纤,原因就是在任何情况下,人力成本都占据了安装成本中的大部分,而更高的带宽和传输距离使单模光纤在可以想见的未来不会变成无用之物。
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