工業(yè)以太網(wǎng)的特點及未來趨勢
2019.03.08隨著時間的推移，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)漸漸發(fā)展進入全球工控自動化的標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)之列。雖然現(xiàn)場總線類似Profibus、Modbus和ControlNet仍然隨處可見，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)為用戶提供的優(yōu)勢是顯而易見的：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到現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)通信采用統(tǒng)一的方式，反之亦然。沒有了接口互不兼容的問題，就可以在整個公司網(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。并且藉由特殊的實時以太網(wǎng)技術(shù)，在運動控制應(yīng)用中，可以滿足響應(yīng)時間少于1ms的應(yīng)用要求。例如CIPsync，ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink都已實現(xiàn)了此類應(yīng)用，因此實時性的問題可以被認(rèn)為已經(jīng)解決了。安全問題的狀況也是相似的，基本問題是一個基于以太網(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都即將投入實際應(yīng)用。
1、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的防爆保護
工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工控自動化中，而在過程控制領(lǐng)域，目前亟待解決的問題就是防爆保護?，F(xiàn)在已經(jīng)有支持Ex-Zone2的交換機。然而，實現(xiàn)Ex-Zone1的要求才是以太網(wǎng)深入進現(xiàn)場層的關(guān)鍵。昂貴的機柜已經(jīng)不被用戶看好，
用戶需要的是所謂本質(zhì)安全的交換機。在保證以太網(wǎng)高速的同時，兼具本質(zhì)安全的特性是這項技術(shù)的挑戰(zhàn)所在。或許，第一臺用雙絞線連接的本質(zhì)安全的交換機面世，還需要一段時間。但是，一旦這個技術(shù)得以實現(xiàn)，工業(yè)以太網(wǎng)在過程自動化領(lǐng)域中將扮演更加舉足輕重的角色。
2、未來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在總線系統(tǒng)中，用戶習(xí)慣把現(xiàn)場設(shè)備使用菊花鏈連接。因此，自動化廠商現(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，在現(xiàn)場設(shè)備上安裝2個交換端口。但對比使用獨立的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，其交換成本卻隨著設(shè)備數(shù)量的增加而增加。另一個劣勢是碰到流量突發(fā)時，以菊花鏈?zhǔn)竭B接的交換機吞吐量和帶寬會受到限制，因為所有的用戶不得不通過一條共同的線纜通信。環(huán)形連接的重要優(yōu)勢在于一方面減低了布線成本，另一方面能夠提高鏈路可靠性，舉例來說，當(dāng)一處不能正常工作時，通信不受影響。因此必須根據(jù)應(yīng)用和需求來決定到底哪種方式才是合適的。
3、讓交換機學(xué)習(xí)自動化語言
大型的自動化廠商使用它們自己的基于以太網(wǎng)的應(yīng)用協(xié)議，類似于EtherNet/IP，Profinet或Modbus/TCP。這些協(xié)議都支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP，所以這類應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機也可以使用。SNMP協(xié)議已被廣泛使用于商用環(huán)境中，用于交換機的配置和診斷。然而，自動化中使用的配置工具不支持SNMP協(xié)議，因此很難用來配置相應(yīng)的交換機。所以赫思曼公司開始讓交換機學(xué)習(xí)自動化的語言，將來使用PLC、驅(qū)動設(shè)備或I/O來配置交換機都會成為可能。對用戶來說最大的益處是可以用熟悉的自動化工具配置網(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、安全增長的重要性
自從工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)從管理級到現(xiàn)場級一致的數(shù)據(jù)傳輸，用戶只需要掌握一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即可，同時，也提高了工作效率。
可是，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也因為整體的網(wǎng)絡(luò)透明度承擔(dān)了一定的風(fēng)險。例如：生產(chǎn)線中的機器人的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)則來定義通訊的時間和對象。當(dāng)然僅在公司的出口端安置一臺防火墻來抵制外部的攻擊是遠遠不夠的。導(dǎo)致一個致命的錯誤甚至停機事故的往往是來自內(nèi)部的誤操作，所以分布式安全體系在自動化領(lǐng)域是非常關(guān)鍵的。因為這樣，整個系統(tǒng)或系統(tǒng)部件可以被分割為獨立的安全單元，各個安全的單元之間通過定義的規(guī)則來通信。
5、無線網(wǎng)絡(luò)提供新的應(yīng)用可能
如今無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WirelessLAN(WirelessLocalAreaNetworks))被廣泛應(yīng)用在辦公環(huán)境中。移動性、靈活性、非常易于安裝、低成本，無線通信的這些優(yōu)點，使得這項技術(shù)漸漸被應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中?，F(xiàn)在WLAN越來越多的成為傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的一種補充。典型的應(yīng)用是在生產(chǎn)物流的移動終端上，操作和監(jiān)控生產(chǎn)線或提供在線數(shù)據(jù)的快速交換。例如預(yù)定數(shù)據(jù)可以從監(jiān)控中心直接送到倉庫的鏟車上。
現(xiàn)在已有不少工業(yè)級的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，可以達到20公里。赫思曼的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案就能滿足這樣的需求。將來，擴展的協(xié)議IEEE802.11n將進一步規(guī)范WLAN在工業(yè)環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)。新的標(biāo)準(zhǔn)可能在明年開始實行，屆時數(shù)據(jù)通信將更可靠，速率也更高，可達640Mbit/s，甚至在無線電通信條件很差的環(huán)境中。
工業(yè)環(huán)境下的無線電網(wǎng)絡(luò)也會根據(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線通訊。但是，這項技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的廣泛應(yīng)用可能還需要幾年時間。
6、更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬的趨勢
有線和無線的網(wǎng)絡(luò)都需要越來越高的網(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，在自動化和辦公環(huán)境中都越來越趨向于千兆以太網(wǎng)(GigabitEthernet)。原因可以歸結(jié)為以下三點：
首先，越來越多的現(xiàn)場設(shè)備通過以太網(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電話或IP視頻也快速增長，并在同一根的線纜上傳輸。
第三，千兆以太網(wǎng)有十倍于快速以太網(wǎng)的交換能力，許多實時的應(yīng)用可以在標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)環(huán)境中實現(xiàn)。
赫思曼早在2007年初推出了萬兆的工業(yè)級交換機。同無線解決方案面臨的問題一樣，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。
