2024年1月15日

浅谈工业以太网的特点发展趋势

作者 admin

随着时间的推移,工业以太网逐渐发展成为全球工业控制自动化的标准通信技术。 尽管 Profibus、Modbus 和 ControlNet 等现场总线仍然无处不在,但随着工业以太网的普及,它们的重要性正在迅速下降。 工业以太网给用户带来的优势是显而易见的:更高的效率、更多的功能和更高的适应性。 这实现了从管理级别到现场级别的数据通信的统一方法,反之亦然。 在没有不兼容接口问题的情况下,可以在整个公司网络中使用基于 Web 标准的工具。

目前,工业以太网主要应用于管理层和控制层。 并配合特殊的实时以太网技术,在运动控制应用中,可以满足响应时间小于1ms的应用要求。 如CIPsync、ProfiNetIRT和ETHERNETPowerlink已经实现了这种应用,所以实时性问题可以认为已经解决了。 安全问题的现状也类似。 基本问题是基于以太网传输的合适的安全协议,如基于Profinet的Profisafe和基于EtherNet/IP的CIPSafety即将投入实际应用。

微信截图_20201021160257.png

1 工业以太网网络的防爆

工业以太网在工业控制自动化中得到了广泛的应用,而在过程控制领域,防爆保护是亟待解决的问题。 现在有支持 Ex-Zone2 的交换机。 而Ex-Zone1需求的实现是以太网深入现场层的关键。 昂贵的机柜不再受用户青睐。

用户需要的是所谓的本质安全开关。 在保证以太网高速的同时,具备本安特性是该技术面临的挑战。 可能还需要一段时间才能出现第一个通过双绞线连接的本质安全开关。 然而,一旦这项技术得以实现,工业以太网将在过程自动化领域发挥更加举足轻重的作用。

2 未来网络拓扑

在总线系统中,用户习惯于以菊花链的形式连接现场设备。 因此,自动化厂商生产的以太网设备都兼容支持菊花链技术,即在现场设备上安装2个交换端口。 但与使用独立的工业以太网交换机相比,交换成本随着设备数量的增加而增加。 另一个缺点是菊花链式交换机在流量突发期间的吞吐量和带宽有限,因为所有用户都必须通过公用电缆进行通信。 环形连接的重要优点在于,一方面降低了布线成本,另一方面可以提高链路的可靠性。 例如,当一个部分无法正常工作时,不会影响通信。 因此,有必要根据应用和需要来决定哪种方法是合适的。

3 让交换机学习自动化语言

4 安全成长的重要性

由于工业以太网可以实现从管理层到现场层的一致数据传输,用户只需要掌握一种网络技术,同时也提高了工作效率。

但由于网络整体透明,统一的网络结构也存在一定的风险。 例如:生产线上机器人的IP地址可以被任何工作站操作。 因此,必须有一套明确的规则来定义何时以及与谁进行沟通。 当然,仅仅在公司出口安装防火墙来抵御外部攻击是远远不够的。 往往是内部误操作导致致命错误甚至停机事故,因此分布式安全系统在自动化领域非常关键。 正因为如此,整个系统或系统组件可以划分为独立的安全单元,每个安全单元通过定义的规则进行通信。

5 无线网络提供新的应用可能性

如今无线网络技术(WirelessLAN(WirelessLocalAreaNetworks))被广泛应用于办公环境。 移动性、灵活性、非常容易安装、成本低,无线通信的这些优点使得这项技术逐渐应用于工业环境。 现在WLAN越来越成为传统有线网络的补充。 典型应用是在生产物流、操作和监控生产线或提供在线数据快速交换的移动终端上。 例如,可以将预定的数据从监控中心直接发送到仓库中的叉车。

现在市场上有很多工业级WLAN设备,都是基于IEEE802.11b/g/a/h协议,可以提供100Mbit/s左右的数据传输速度。 在传输距离方面,如果在5GHz频段使用合适的天线,可以达到20公里。 Hirschmann 的无线网络解决方案可以满足这样的需求。 未来,扩展协议IEEE802.11n将进一步规范工业环境中的WLAN标准。 新标准可能会在明年实施,即使在无线电通信条件较差的环境中,数据通信也将更加可靠,速率更高,最高可达 640Mbit/s。

工业环境中的无线电网络也根据 WLAN 应用程序进行区分。 例如,WiMAX(IEEE802.16)用于70公里的数据传输或蓝牙(IEEE802.15.1)和Zigbee(IEEE802.15.4)用于短距离传输。 Zigbee很有意思,因为它的低功耗,非常适合传感器之间的无线通信。 然而,这项技术在工业环境中的广泛采用可能还需要几年时间。

6 更高网络带宽的趋势

有线和无线网络都需要越来越高的网络带宽。 在工业环境中,尤其是在控制层面,快速以太网(100Mbit/s)几乎是当今的主流。 然而,千兆以太网(GigabitEthernet)在自动化和办公环境中越来越受欢迎。 究其原因,可以归结为以下三点:

首先,越来越多的现场设备通过以太网连接,带宽需求随着设备数量的增加而增加。

其次,控制数据、IP电话或IP视频等多种业务也在快速增长,并在同一条电缆上传输。

第三,千兆以太网拥有十倍于快速以太网的交换能力,许多实时应用可以在标准的千兆以太网环境中实现。

2007年初,赫思曼推出10G工业级交换机。 与无线解决方案一样,更高的传输速度意味着更高的功耗和更高的芯片成本。 然而,随着芯片成本的降低,千兆以太网将在工业环境中越来越受欢迎。