工业以太网风靡一时

国际金属加工网

在家庭和办公室环境，人们已经熟知并认可以太网这项技术。最近，以太网成为最热门的焦点，有转向工业应用领域的趋势。工业现场的环境，无论如何，与家庭和办公环境有着巨大的不同。这篇文章概要的说明了工业和商业以太网的不同，比较它们的通信要求、处理要点、环境挑战和硬件特点。

让我们通信
        工业以太网有着独特的双向通信的要求。为了了解这一点，想像一下啤酒灌装工厂的应用。假设这家工厂创造了一种新的酿造工艺，全自动化地生产。灌装的操作将采用工业以太网来实现。
        网络工作良好，因为使用了“握手”机制，确保信息传递的准确无误。为了描述这个属性，让我们认为：瓶装设备的工作从开始到灌满一瓶啤酒，都是在PLC（可编程控制器）命令的控制下完成的。当瓶子充满时，PLC负责发送“停止灌装”命令。如果这个信息在网络上丢失的话，PLC就会意识到，因为它得不到命令发出后的回答（握手的部分），所以需要它重新发送命令。
        在办公室的环境下，这样的数据丢失通常是不重要的。如果一个网页丢失了传送的信息，用户可以简单的按“更新（refresh）”图标即可。但在生产的环境下，我们不能等待到啤酒溢出至地板上，然后再派人手动关闭喷嘴。这里的握手节省了啤酒、金钱和时间。
        在工业以太网中，我们也包括了冲突检测功能。如果两个报文在网络当中发生了碰撞，控制PLC可以重新对设备发送报文，直到该报文被接收，从设备返回了收条。这样啤酒灌装可以连续地作业，不会有人因为啤酒浪费而哭泣。

啤酒灌装在当今的时代里非常常见，所以假设我们需要一些灌瓶机、阀门、传感器和一台PLC挂在我们的网络上。操作必须在颠峰状态下运行，而办公室的以太网是不能完成这个目标的。因为这里不需要冲突检测。
工业以太网的特殊要求
可靠性
可靠性可以从两个方面来阐述。第一，网络的布线和安装是否可靠，事实上在安装调试和运行操作阶段的大多数问题，都是来自接线，很多的现场安装没有按照用户手册的要求进行。电缆和接头质量以及不使用专用工具，会造成很多潜在的风险。第二，现场的环境相对恶劣，机械震动和电磁干扰非常严重，这会造成电缆的物理损坏和通信过程的信号丢失。使得正常通信不能可靠传递信息，而且问题的查找相对比较困难。

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实时性
实时性是指从源设备发送的信息达到目的设备所使用的时间。在办公环境下的信息传送，对实时性的要求不是很高，在秒数量级就可以满足要求。而在自动化领域，不同的应用对实时性的要求也不一样，有些在秒数量级，有些在毫秒级，有些则要求小于一个毫秒。下表针对不同的工业应用，试列举了一些案例供读者参考。

功能	信息解决方案和较慢的过程自动化	分布式自动化	运动控制
传输技术	.Net, DCOM, TCP/IP	标准以太网+ 实时性协议	硬件/软件解决方案
周期	1s 或更长	10 ms 到 100 ms	< 1 ms
工业	石油、天然气、化学制品、能量、水处理	汽车、食物和饮料、电子装配、半导体、金属、制药	分布式自动化控制分支
应用	泵、压缩机、搅拌器，压力、流量的监控	物料输送、供应、贴标签、用货盘装运、包装、焊接、冲压、切割、金属定型、分拣	多轴同步：印刷机、玻璃、轮胎、装订

安全性
        安全性也有以下三个方面。第一，设备到设备之间的信息传送是否安全，这里的安全指的是数据传送的完整性，尤其在功能安全的系统中，这种数据的安全是非常重要的。第二，系统内数据流之间是否很好分离，比如有些数据只在管理网络和监视网络之间传送，不需要达到现场。第三，外网对工厂网络的访问是否安全。企业通常使用防火墙和虚拟私有网对企图访问内网的信息进行隔离。增加了如：MAC地址、IP地址绑定，口令密码和授权验证等方法，保护控制系统不受侵犯。
要考虑的其他因素
        操作员：关心自己操作区域的宕机成本。当你的办公室网络瘫痪时，你会感觉不方便，不舒服，只有一些工作是不可能发生的。当这样的情况发生时，也就是将这个雇员从一个岗位换到另一个位置，或者用不许上因特网来处理此类问题。
        在生产的情况下，这种宕机是要发生费用的。连续过程的装配线操作因网络故障可能产生功能失效。关键性过程的失效可能产生毁灭性灾难，导致人员、材料、设备的巨大伤害，使企业遭受经济损失。
        想象一下生产窗户玻璃的工厂一分钟的生产。玻璃液体材料从倾注、到切割、到冷却连续移动，生产线的距离超过了一公里。玻璃流的前进通过了特定的加温、冷却和适当的回火来满足生产的要求。如果生产线停止，工厂留下一公里长的废玻璃。大多数的废玻璃需要通过人工进行回收，因为生产线的一部分冷却使玻璃过硬，这意味着必须把这些废玻璃重新回炉加热后，才能进行处理。
        当设计一个工业以太网时，你必须考虑使网络更加可靠的选项。当然，这可能会增加建造网络的成本，但这有时是必要的。
        安保问题：在办公室的环境，通过网络的信息可能是保密和重要的，因此办公室以太网必须有保护机制防止非授权的访问。同样，在工业应用中也是如此。在工业环境的另一个安全隐患是工作人员操作失误造成的系统意外断开，使设备或者网络在这种环境下完全停机。
        办公环境和生产环境的不同：你不能期望看到一些人在工厂的环境下穿着皮尔卡丹套装或者意大利皮鞋，因为这个环境更适合人们穿着牛仔装和劳动靴。这种选择可以使人可以在工厂的环境中受到更好的保护。同样的概念需要运用到工业以太网上。工业以太网的电缆、交换机和连接器需要经受得住恶劣和嘈杂工业环境的考验。
环境考虑
        温度：炎热和寒冷是两个影响网络的主要因素。特别是寒冷会造成网络设备损坏。在比较冷的水平，接近冰冻，电缆会受到影响，可能引起电缆本身断裂，使保护套破坏，或者增加信号衰减。在更冷的温度下，电缆在弯曲的情况下，在不大的力下会脆碎和破裂。
        炎热也会带来损坏。保护层可能会融化，导致短路和弱点。长时间的过热也会引起信号衰减。
        化学物质：化学物质可能引起保护层融化或者变形，导致缩短寿命和性能降低。一些溶剂也能直接影响内部电缆而不影响保护层。辐射，特别是来自太阳光的UV（紫外线）辐射，可能引起保护层的变色和退化。湿度也能使电缆老化。
        工业以太网的环境是恶劣的，办公环境的以太网应用不会出现这样的情况。经常对保护电缆和连接器进行物理测量，可以最大程度减轻或者消除工业环境的影响。
        工厂噪音：由大电机和高压设备产生的电磁噪声会扭曲网络当中传送的数据，使得数据发生丢失、改变、错误。
        震动：有些过程可能产生震动，如果使用的连接器质量不好，它会引起保护层的退化和断开。当机械设备打开运行时，你要考虑它所产生的震动可能会带来哪些情况，产生什么样的后果。

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其他值得注意的不同
        拓扑结构：商用以太网几乎总是配置成星形拓扑结构。工业以太网具有很多不同的拓扑结构可供选择，用于满足不同的工业应用。这些拓扑结构包括星形、树形、线形和环形拓扑。在一些关键性工业场合，还要求以太网提供高可用性和高安全性功能，这要求网络提供冗余和诊断，使网络拓扑更为复杂。
        重型和轻型：办公室以太网组件设计成基层和室内使用。工业以太网组件要考虑多层和室外使用。因此，工业以太网组件可以分成重型和轻型两类。甚至有些应用场合，还要求以太网组件提供防水功能。
        电缆：电缆可以分成铠装和普通两种类型。普通类型的工业以太网电缆比办公室以太网的电缆具有较好质量的保护层。如果环境比较好，不需要特别地保护，工业以太网甚至也可以使用办公环境的以太网电缆。如果环境比较恶劣，比如在有些车间或者室外，就要升级到铠装型电缆，保护层通常由金属丝等增强保护。在某些地方，你可以看到结实和加粗高质量电缆。铠装电缆比一般电缆的价格要贵得多，只有在比较特殊的情况使用。

        连接器：连接器可以覆盖整个从办公室到轻载电缆再到铠装电缆。通常，工业以太网连接器不依靠与办公室以太网相同水平的基本压扣式锁住机构。而是使用重载锁住机构。在重载应用中，经常使用密封的连接器。
        比起商用的以太网部件，工业轻型和重型部件携带着较高的价格标签。
        在工业现场，以太网正在快速地成为著名和应用的技术。对比前任现场总线，它为工业应用提供了更有价值、更大数据量和传送速度的进步。工业以太网能够在环境恶劣、数据冲突、现场噪音的条件下高效地处理数据，满足工厂自动化的需求。它仍然是以太网，是完成工业应用的、独一无二的以太网。

（罗克韦尔自动化华镕）

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