在家庭和辦公室環(huán)境，人們已經(jīng)熟知并認(rèn)可以太網(wǎng)這項(xiàng)技術(shù)。最近，以太網(wǎng)成為最熱門的焦點(diǎn)，有轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢(shì)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，無(wú)論如何，與家庭和辦公環(huán)境有著巨大的不同。這篇文章概要的說明了工業(yè)和商業(yè)以太網(wǎng)的不同，比較它們的通信要求、處理要點(diǎn)、環(huán)境挑戰(zhàn)和硬件特點(diǎn)。
讓我們通信
工業(yè)以太網(wǎng)有著獨(dú)特的雙向通信的要求。為了了解這一點(diǎn)，想像一下啤酒灌裝工廠的應(yīng)用。假設(shè)這家工廠創(chuàng)造了一種新的釀造工藝，全自動(dòng)化地生產(chǎn)。灌裝的操作將采用工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
網(wǎng)絡(luò)工作良好，因?yàn)槭褂昧恕拔帐帧睓C(jī)制，確保信息傳遞的準(zhǔn)確無(wú)誤。為了描述這個(gè)屬性，讓我們認(rèn)為：瓶裝設(shè)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(dāng)瓶子充滿時(shí)，PLC負(fù)責(zé)發(fā)送“停止灌裝”命令。如果這個(gè)信息在網(wǎng)絡(luò)上丟失的話，PLC就會(huì)意識(shí)到，因?yàn)樗貌坏矫畎l(fā)出后的回答（握手的部分），所以需要它重新發(fā)送命令。
在辦公室的環(huán)境下，這樣的數(shù)據(jù)丟失通常是不重要的。如果一個(gè)網(wǎng)頁(yè)丟失了傳送的信息，用戶可以簡(jiǎn)單的按“更新（refresh）”圖標(biāo)即可。但在生產(chǎn)的環(huán)境下，我們不能等待到啤酒溢出至地板上，然后再派人手動(dòng)關(guān)閉噴嘴。這里的握手節(jié)省了啤酒、金錢和時(shí)間。
在工業(yè)以太網(wǎng)中，我們也包括了沖突檢測(cè)功能。如果兩個(gè)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中發(fā)生了碰撞，控制PLC可以重新對(duì)設(shè)備發(fā)送報(bào)文，直到該報(bào)文被接收，從設(shè)備返回了收條。這樣啤酒灌裝可以連續(xù)地作業(yè)，不會(huì)有人因?yàn)槠【评速M(fèi)而哭泣。
啤酒灌裝在當(dāng)今的時(shí)代里非常常見，所以假設(shè)我們需要一些灌瓶機(jī)、閥門、傳感器和一臺(tái)PLC掛在我們的網(wǎng)絡(luò)上。操作必須在顛峰狀態(tài)下運(yùn)行，而辦公室的以太網(wǎng)是不能完成這個(gè)目標(biāo)的。因?yàn)檫@里不需要沖突檢測(cè)。
工業(yè)以太網(wǎng)的特殊要求
可靠性
可靠性可以從兩個(gè)方面來(lái)闡述。第一，網(wǎng)絡(luò)的布線和安裝是否可靠，事實(shí)上在安裝調(diào)試和運(yùn)行操作階段的大多數(shù)問題，都是來(lái)自接線，很多的現(xiàn)場(chǎng)安裝沒有按照用戶手冊(cè)的要求進(jìn)行。電纜和接頭質(zhì)量以及不使用專用工具，會(huì)造成很多潛在的風(fēng)險(xiǎn)。第二，現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境相對(duì)惡劣，機(jī)械震動(dòng)和電磁干擾非常嚴(yán)重，這會(huì)造成電纜的物理?yè)p壞和通信過程的信號(hào)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(duì)比較困難。
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實(shí)時(shí)性
實(shí)時(shí)性是指從源設(shè)備發(fā)送的信息達(dá)到目的設(shè)備所使用的時(shí)間。在辦公環(huán)境下的信息傳送，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不是很高，在秒數(shù)量級(jí)就可以滿足要求。而在自動(dòng)化領(lǐng)域，不同的應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也不一樣，有些在秒數(shù)量級(jí)，有些在毫秒級(jí)，有些則要求小于一個(gè)毫秒。下表針對(duì)不同的工業(yè)應(yīng)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(dòng)化 |
運(yùn)動(dòng)控制 |
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傳輸技術(shù) |
.Net, DCOM, TCP/IP |
標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)+ 實(shí)時(shí)性協(xié)議 |
硬件/軟件解決方案 |
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周期 |
1s 或更長(zhǎng) |
10 ms 到 100 ms |
< 1 ms |
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工業(yè) |
石油、天然氣、化學(xué)制品 、能量、水處理 |
汽車、食物和飲料、電子裝配、半導(dǎo)體、金屬、制藥 |
分布式自動(dòng)化控制分支 |
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應(yīng)用 |
泵、壓縮機(jī)、攪拌器， 壓力、流量的監(jiān)控 |
物料輸送、供應(yīng)、貼標(biāo)簽、用貨盤裝運(yùn)、包裝、焊接、沖壓、切割、金屬定型、分揀 |
多軸同步：印刷機(jī)、 玻璃、輪胎、裝訂 |
安全性
安全性也有以下三個(gè)方面。第一，設(shè)備到設(shè)備之間的信息傳送是否安全，這里的安全指的是數(shù)據(jù)傳送的完整性，尤其在功能安全的系統(tǒng)中，這種數(shù)據(jù)的安全是非常重要的。第二，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流之間是否很好分離，比如有些數(shù)據(jù)只在管理網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)之間傳送，不需要達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)。第三，外網(wǎng)對(duì)工廠網(wǎng)絡(luò)的訪問是否安全。企業(yè)通常使用防火墻和虛擬私有網(wǎng)對(duì)企圖訪問內(nèi)網(wǎng)的信息進(jìn)行隔離。增加了如：MAC地址、IP地址綁定，口令密碼和授權(quán)驗(yàn)證等方法，保護(hù)控制系統(tǒng)不受侵犯。
要考慮的其他因素
操作員：關(guān)心自己操作區(qū)域的宕機(jī)成本。當(dāng)你的辦公室網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，你會(huì)感覺不方便，不舒服，只有一些工作是不可能發(fā)生的。當(dāng)這樣的情況發(fā)生時(shí)，也就是將這個(gè)雇員從一個(gè)崗位換到另一個(gè)位置，或者用不許上因特網(wǎng)來(lái)處理此類問題。
在生產(chǎn)的情況下，這種宕機(jī)是要發(fā)生費(fèi)用的。連續(xù)過程的裝配線操作因網(wǎng)絡(luò)故障可能產(chǎn)生功能失效。關(guān)鍵性過程的失效可能產(chǎn)生毀滅性災(zāi)難，導(dǎo)致人員、材料、設(shè)備的巨大傷害，使企業(yè)遭受經(jīng)濟(jì)損失。
想象一下生產(chǎn)窗戶玻璃的工廠一分鐘的生產(chǎn)。玻璃液體材料從傾注、到切割、到冷卻連續(xù)移動(dòng)，生產(chǎn)線的距離超過了一公里。玻璃流的前進(jìn)通過了特定的加溫、冷卻和適當(dāng)?shù)幕鼗饋?lái)滿足生產(chǎn)的要求。如果生產(chǎn)線停止，工廠留下一公里長(zhǎng)的廢玻璃。大多數(shù)的廢玻璃需要通過人工進(jìn)行回收，因?yàn)樯a(chǎn)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(jìn)行處理。
當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)，你必須考慮使網(wǎng)絡(luò)更加可靠的選項(xiàng)。當(dāng)然，這可能會(huì)增加建造網(wǎng)絡(luò)的成本，但這有時(shí)是必要的。
安保問題：在辦公室的環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)的信息可能是保密和重要的，因此辦公室以太網(wǎng)必須有保護(hù)機(jī)制防止非授權(quán)的訪問。同樣，在工業(yè)應(yīng)用中也是如此。在工業(yè)環(huán)境的另一個(gè)安全隱患是工作人員操作失誤造成的系統(tǒng)意外斷開，使設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)在這種環(huán)境下完全停機(jī)。
辦公環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境的不同：你不能期望看到一些人在工廠的環(huán)境下穿著皮爾卡丹套裝或者意大利皮鞋，因?yàn)檫@個(gè)環(huán)境更適合人們穿著牛仔裝和勞動(dòng)靴。這種選擇可以使人可以在工廠的環(huán)境中受到更好的保護(hù)。同樣的概念需要運(yùn)用到工業(yè)以太網(wǎng)上。工業(yè)以太網(wǎng)的電纜、交換機(jī)和連接器需要經(jīng)受得住惡劣和嘈雜工業(yè)環(huán)境的考驗(yàn)。
環(huán)境考慮
溫度：炎熱和寒冷是兩個(gè)影響網(wǎng)絡(luò)的主要因素。特別是寒冷會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備損壞。在比較冷的水平，接近冰凍，電纜會(huì)受到影響，可能引起電纜本身斷裂，使保護(hù)套破壞，或者增加信號(hào)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(huì)脆碎和破裂。
炎熱也會(huì)帶來(lái)?yè)p壞。保護(hù)層可能會(huì)融化，導(dǎo)致短路和弱點(diǎn)。長(zhǎng)時(shí)間的過熱也會(huì)引起信號(hào)衰減。
化學(xué)物質(zhì)：化學(xué)物質(zhì)可能引起保護(hù)層融化或者變形，導(dǎo)致縮短壽命和性能降低。一些溶劑也能直接影響內(nèi)部電纜而不影響保護(hù)層。輻射，特別是來(lái)自太陽(yáng)光的UV（紫外線）輻射，可能引起保護(hù)層的變色和退化。濕度也能使電纜老化。
工業(yè)以太網(wǎng)的環(huán)境是惡劣的，辦公環(huán)境的以太網(wǎng)應(yīng)用不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。經(jīng)常對(duì)保護(hù)電纜和連接器進(jìn)行物理測(cè)量，可以最大程度減輕或者消除工業(yè)環(huán)境的影響。
工廠噪音：由大電機(jī)和高壓設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲會(huì)扭曲網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中傳送的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)發(fā)生丟失、改變、錯(cuò)誤。
震動(dòng)：有些過程可能產(chǎn)生震動(dòng)，如果使用的連接器質(zhì)量不好，它會(huì)引起保護(hù)層的退化和斷開。當(dāng)機(jī)械設(shè)備打開運(yùn)行時(shí)，你要考慮它所產(chǎn)生的震動(dòng)可能會(huì)帶來(lái)哪些情況，產(chǎn)生什么樣的后果。
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其他值得注意的不同
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：商用以太網(wǎng)幾乎總是配置成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)具有很多不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇，用于滿足不同的工業(yè)應(yīng)用。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星形、樹形、線形和環(huán)形拓?fù)洹?在一些關(guān)鍵性工業(yè)場(chǎng)合，還要求以太網(wǎng)提供高可用性和高安全性功能，這要求網(wǎng)絡(luò)提供冗余和診斷，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜。
重型和輕型：辦公室以太網(wǎng)組件設(shè)計(jì)成基層和室內(nèi)使用。工業(yè)以太網(wǎng)組件要考慮多層和室外使用。因此，工業(yè)以太網(wǎng)組件可以分成重型和輕型兩類。甚至有些應(yīng)用場(chǎng)合，還要求以太網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)電纜比辦公室以太網(wǎng)的電纜具有較好質(zhì)量的保護(hù)層。如果環(huán)境比較好，不需要特別地保護(hù)，工業(yè)以太網(wǎng)甚至也可以使用辦公環(huán)境的以太網(wǎng)電纜。如果環(huán)境比較惡劣，比如在有些車間或者室外，就要升級(jí)到鎧裝型電纜，保護(hù)層通常由金屬絲等增強(qiáng)保護(hù)。在某些地方，你可以看到結(jié)實(shí)和加粗高質(zhì)量電纜。 鎧裝電纜比一般電纜的價(jià)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(gè)從辦公室到輕載電纜再到鎧裝電纜。通常，工業(yè)以太網(wǎng)連接器不依靠與辦公室以太網(wǎng)相同水平的基本壓扣式鎖住機(jī)構(gòu)。而是使用重載鎖住機(jī)構(gòu)。在重載應(yīng)用中，經(jīng)常使用密封的連接器。
比起商用的以太網(wǎng)部件，工業(yè)輕型和重型部件攜帶著較高的價(jià)格標(biāo)簽。
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以太網(wǎng)正在快速地成為著名和應(yīng)用的技術(shù)。對(duì)比前任現(xiàn)場(chǎng)總線，它為工業(yè)應(yīng)用提供了更有價(jià)值、更大數(shù)據(jù)量和傳送速度的進(jìn)步。工業(yè)以太網(wǎng)能夠在環(huán)境惡劣、數(shù)據(jù)沖突、現(xiàn)場(chǎng)噪音的條件下高效地處理數(shù)據(jù)，滿足工廠自動(dòng)化的需求。它仍然是以太網(wǎng)，是完成工業(yè)應(yīng)用的、獨(dú)一無(wú)二的以太網(wǎng)。
