發布日期：2022-07-15 點擊率：42
在家庭和辦公室環境，人們已經熟知并認可以太網這項技術。最近，以太網成為最熱門的焦點，有轉向工業應用領域的趨勢。工業現場的環境，無論如何，與家庭和辦公環境有著巨大的不同。這篇文章概要的說明了工業和商業以太網的不同，比較它們的通信要求、處理要點、環境挑戰和硬件特點。
讓我們通信
工業以太網有著獨特的雙向通信的要求。為了了解這一點，想像一下啤酒灌裝工廠的應用。假設這家工廠創造了一種新的釀造工藝，全自動化地生產。灌裝的操作將采用工業以太網來實現。
網絡工作良好，因為使用了“握手”機制，確保信息傳遞的準確無誤。為了描述這個屬性，讓我們認為：瓶裝設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。當瓶子充滿時，PLC負責發送“停止灌裝”命令。如果這個信息在網絡上丟失的話，PLC就會意識到，因為它得不到命令發出后的回答（握手的部分），所以需要它重新發送命令。
在辦公室的環境下，這樣的數據丟失通常是不重要的。如果一個網頁丟失了傳送的信息，用戶可以簡單的按“更新（refresh）”圖標即可。但在生產的環境下，我們不能等待到啤酒溢出至地板上，然后再派人手動關閉噴嘴。這里的握手節省了啤酒、金錢和時間。
在工業以太網中，我們也包括了沖突檢測功能。如果兩個報文在網絡當中發生了碰撞，控制PLC可以重新對設備發送報文，直到該報文被接收，從設備返回了收條。這樣啤酒灌裝可以連續地作業，不會有人因為啤酒浪費而哭泣。
啤酒灌裝在當今的時代里非常常見，所以假設我們需要一些灌瓶機、閥門、傳感器和一臺PLC掛在我們的網絡上。操作必須在顛峰狀態下運行，而辦公室的以太網是不能完成這個目標的。因為這里不需要沖突檢測。
工業以太網的特殊要求
可靠性
可靠性可以從兩個方面來闡述。第一，網絡的布線和安裝是否可靠，事實上在安裝調試和運行操作階段的大多數問題，都是來自接線，很多的現場安裝沒有按照用戶手冊的要求進行。電纜和接頭質量以及不使用專用工具，會造成很多潛在的風險。第二，現場的環境相對惡劣，機械震動和電磁干擾非常嚴重，這會造成電纜的物理損壞和通信過程的信號丟失。使得正常通信不能可靠傳遞信息，而且問題的查找相對比較困難。
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實時性
實時性是指從源設備發送的信息達到目的設備所使用的時間。在辦公環境下的信息傳送，對實時性的要求不是很高，在秒數量級就可以滿足要求。而在自動化領域，不同的應用對實時性的要求也不一樣，有些在秒數量級，有些在毫秒級，有些則要求小于一個毫秒。下表針對不同的工業應用，試列舉了一些案例供讀者參考。
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功能 |
信息解決方案和 |
分布式自動化 |
運動控制 |
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傳輸技術 |
.Net, DCOM, TCP/IP |
標準以太網+ 實時性協議 |
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 |
石油、天然氣、化學制品 、能量、水處理 |
汽車、食物和飲料、電子裝配、半導體、金屬、制藥 |
分布式自動化控制分支 |
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應用 |
泵、壓縮機、攪拌器， 壓力、流量的監控 |
物料輸送、供應、貼標簽、用貨盤裝運、包裝、焊接、沖壓、切割、金屬定型、分揀 |
多軸同步：印刷機、 玻璃、輪胎、裝訂 |
安全性
安全性也有以下三個方面。第一，設備到設備之間的信息傳送是否安全，這里的安全指的是數據傳送的完整性，尤其在功能安全的系統中，這種數據的安全是非常重要的。第二，系統內數據流之間是否很好分離，比如有些數據只在管理網絡和監視網絡之間傳送，不需要達到現場。第三，外網對工廠網絡的訪問是否安全。企業通常使用防火墻和虛擬私有網對企圖訪問內網的信息進行隔離。增加了如：MAC地址、IP地址綁定，口令密碼和授權驗證等方法，保護控制系統不受侵犯。
要考慮的其他因素
操作員：關心自己操作區域的宕機成本。當你的辦公室網絡癱瘓時，你會感覺不方便，不舒服，只有一些工作是不可能發生的。當這樣的情況發生時，也就是將這個雇員從一個崗位換到另一個位置，或者用不許上因特網來處理此類問題。
在生產的情況下，這種宕機是要發生費用的。連續過程的裝配線操作因網絡故障可能產生功能失效。關鍵性過程的失效可能產生毀滅性災難，導致人員、材料、設備的巨大傷害，使企業遭受經濟損失。
想象一下生產窗戶玻璃的工廠一分鐘的生產。玻璃液體材料從傾注、到切割、到冷卻連續移動，生產線的距離超過了一公里。玻璃流的前進通過了特定的加溫、冷卻和適當的回火來滿足生產的要求。如果生產線停止，工廠留下一公里長的廢玻璃。大多數的廢玻璃需要通過人工進行回收，因為生產線的一部分冷卻使玻璃過硬，這意味著必須把這些廢玻璃重新回爐加熱后，才能進行處理。
當設計一個工業以太網時，你必須考慮使網絡更加可靠的選項。當然，這可能會增加建造網絡的成本，但這有時是必要的。
安保問題：在辦公室的環境，通過網絡的信息可能是保密和重要的，因此辦公室以太網必須有保護機制防止非授權的訪問。同樣，在工業應用中也是如此。在工業環境的另一個安全隱患是工作人員操作失誤造成的系統意外斷開，使設備或者網絡在這種環境下完全停機。
辦公環境和生產環境的不同：你不能期望看到一些人在工廠的環境下穿著皮爾卡丹套裝或者意大利皮鞋，因為這個環境更適合人們穿著牛仔裝和勞動靴。這種選擇可以使人可以在工廠的環境中受到更好的保護。同樣的概念需要運用到工業以太網上。工業以太網的電纜、交換機和連接器需要經受得住惡劣和嘈雜工業環境的考驗。
環境考慮
溫度：炎熱和寒冷是兩個影響網絡的主要因素。特別是寒冷會造成網絡設備損壞。在比較冷的水平，接近冰凍，電纜會受到影響，可能引起電纜本身斷裂，使保護套破壞，或者增加信號衰減。在更冷的溫度下，電纜在彎曲的情況下，在不大的力下會脆碎和破裂。
炎熱也會帶來損壞。保護層可能會融化，導致短路和弱點。長時間的過熱也會引起信號衰減。
化學物質：化學物質可能引起保護層融化或者變形，導致縮短壽命和性能降低。一些溶劑也能直接影響內部電纜而不影響保護層。輻射，特別是來自太陽光的UV（紫外線）輻射，可能引起保護層的變色和退化。濕度也能使電纜老化。
工業以太網的環境是惡劣的，辦公環境的以太網應用不會出現這樣的情況。經常對保護電纜和連接器進行物理測量，可以最大程度減輕或者消除工業環境的影響。
工廠噪音：由大電機和高壓設備產生的電磁噪聲會扭曲網絡當中傳送的數據，使得數據發生丟失、改變、錯誤。
震動：有些過程可能產生震動，如果使用的連接器質量不好，它會引起保護層的退化和斷開。當機械設備打開運行時，你要考慮它所產生的震動可能會帶來哪些情況，產生什么樣的后果。
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其他值得注意的不同
拓撲結構：商用以太網幾乎總是配置成星形拓撲結構。工業以太網具有很多不同的拓撲結構可供選擇，用于滿足不同的工業應用。這些拓撲結構包括星形、樹形、線形和環形拓撲。 在一些關鍵性工業場合，還要求以太網提供高可用性和高安全性功能，這要求網絡提供冗余和診斷，使網絡拓撲更為復雜。
重型和輕型：辦公室以太網組件設計成基層和室內使用。工業以太網組件要考慮多層和室外使用。因此，工業以太網組件可以分成重型和輕型兩類。甚至有些應用場合，還要求以太網組件提供防水功能。
電纜：電纜可以分成鎧裝和普通兩種類型。普通類型的工業以太網電纜比辦公室以太網的電纜具有較好質量的保護層。如果環境比較好，不需要特別地保護，工業以太網甚至也可以使用辦公環境的以太網電纜。如果環境比較惡劣，比如在有些車間或者室外，就要升級到鎧裝型電纜，保護層通常由金屬絲等增強保護。在某些地方，你可以看到結實和加粗高質量電纜。 鎧裝電纜比一般電纜的價格要貴得多，只有在比較特殊的情況使用。
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。通常，工業以太網連接器不依靠與辦公室以太網相同水平的基本壓扣式鎖住機構。而是使用重載鎖住機構。在重載應用中，經常使用密封的連接器。
比起商用的以太網部件，工業輕型和重型部件攜帶著較高的價格標簽。
在工業現場，以太網正在快速地成為著名和應用的技術。對比前任現場總線，它為工業應用提供了更有價值、更大數據量和傳送速度的進步。工業以太網能夠在環境惡劣、數據沖突、現場噪音的條件下高效地處理數據，滿足工廠自動化的需求。它仍然是以太網，是完成工業應用的、獨一無二的以太網。
（羅克韋爾自動化 華镕）
