在車間中部署以太網(wǎng)前評估其涵蓋范圍

在一些行業(yè)分析師的觀點(diǎn)中，諸多業(yè)務(wù)需求正推動著企業(yè)內(nèi)部的工業(yè)和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，其間時常提及的優(yōu)勢點(diǎn)包括優(yōu)化運(yùn)行時間和產(chǎn)量、追求產(chǎn)品質(zhì)量、提升工作流程的速度和效率以及滿足客戶服務(wù)需求等?，F(xiàn)實(shí)中，全球競爭態(tài)勢愈演愈烈，利潤率卻不斷下滑，不少制造企業(yè)迫切需要簡化運(yùn)營，提高產(chǎn)能并降低總體成本，于是「網(wǎng)絡(luò)集成」這件事便迅速提上了議事日程。

如今，越來越多的企業(yè)正尋求借助以太網(wǎng)將制造和業(yè)務(wù)這兩個層面聯(lián)系起來，從而贏得競爭優(yōu)勢。這與當(dāng)初通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來控制機(jī)器的技術(shù)如出一轍，該項(xiàng)技術(shù)只花了幾年時間便得到了廣泛應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合，需要集成布線、連接、控制器、交換機(jī)等組件，以及用于在商業(yè)和工業(yè)功能之間傳輸和挖掘數(shù)據(jù)的軟件接口。網(wǎng)絡(luò)融合所帶來的收益在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)配置，以及企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)集成決策背后的特定策略。在設(shè)備級別的網(wǎng)絡(luò)中，工廠車間內(nèi)的控制器需要通過某種開放或?qū)Ｓ袇f(xié)議來和機(jī)器中的設(shè)備通信，而當(dāng)今的趨勢是將以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)為某種舊協(xié)議應(yīng)用的鏈路層協(xié)議，乃至將以太網(wǎng)通信帶到機(jī)器中的設(shè)備這一層級上。

只要采用合適的體系結(jié)構(gòu)和工業(yè)級組件，以太網(wǎng)融合就能夠帶來以下顯著優(yōu)勢：

以太網(wǎng)融合能夠滿足實(shí)時數(shù)據(jù)流量需求，并且高度可靠、安全、易于集成，促成了越來越多的企業(yè)，尤其是大型制造企業(yè)采用遍及整個企業(yè)范圍的技術(shù)平臺來開展運(yùn)營。

技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展真的步調(diào)一致嗎？

過去，設(shè)備性能和生產(chǎn)指標(biāo)只被視為車間的功能，但現(xiàn)在它們已經(jīng)成為廣受認(rèn)可的重要戰(zhàn)略業(yè)務(wù)工具，有助于減少支出、優(yōu)化正常運(yùn)行時間。技術(shù)進(jìn)步讓網(wǎng)絡(luò)工具以更快的步伐發(fā)展，它們憑借出色的可擴(kuò)展性、功能和選項(xiàng)，將機(jī)器加工、控制系統(tǒng)和整個工廠范圍內(nèi)的各種信息有效地和企業(yè)關(guān)聯(lián)起來。

不過，技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展卻少有步調(diào)一致的時候。雖然分析師們往往會打雞血似地預(yù)測整個工業(yè)領(lǐng)域都將全面轉(zhuǎn)向工商業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合，但實(shí)際進(jìn)展卻更多地展現(xiàn)出審慎和戰(zhàn)略的節(jié)奏，這恰恰是更為明智的做法。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩的大背景下，沒有哪一種趨勢能夠一騎絕塵或者鶴立雞群。

雖然如此，但一個不爭的事實(shí)是，工廠環(huán)境確實(shí)正在逐漸從專有協(xié)議轉(zhuǎn)向當(dāng)今的普遍標(biāo)準(zhǔn)，也就是建立在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議 (TCP/IP) 和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的通信協(xié)議。

工業(yè)以太網(wǎng)采用的傳輸介質(zhì)有雙絞線、光纖、無線網(wǎng)絡(luò)，以及未來將會投入應(yīng)用的電力線載波 (通過電力線傳輸以太網(wǎng)信號)；常用的通信協(xié)議包括EtherNet/IP、Profinet和其他各種兼容的開放系統(tǒng)。這些協(xié)議均已經(jīng)過實(shí)際測試，即便有大量自動化場景需要同一個網(wǎng)絡(luò)同時提供實(shí)時性能和多個通信信道，它們也能夠管理得過來。

TCP/IP是一套用于在不同計算機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)共享資源的協(xié)議，也是商業(yè)辦公室廣泛用于實(shí)現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)。多臺計算機(jī)可以在同一個局域網(wǎng)中使用TCP/IP和其他協(xié)議，其中IP用于實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)到Internet的路由訪問。這套協(xié)議有助于在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的文件傳輸和用戶通信。如果將工廠的數(shù)據(jù)傳輸通過以太網(wǎng)和TCP/IP來實(shí)現(xiàn)，就可以將它們集成到常見的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)和辦公應(yīng)用中。

工廠和企業(yè)對信息的需求不一樣

在大多數(shù)情況下，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與辦公套件的網(wǎng)絡(luò)是有顯著區(qū)別的。在工廠中，加工控制和自動化操作往往會對網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸速率提出更嚴(yán)格的要求，而以太網(wǎng)所能做到的不只有更快的速度；它還可以讓數(shù)據(jù)傳輸更遠(yuǎn)的距離，并且可以接受更多聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，而不會像過去的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)那樣導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低。

未來，以太網(wǎng)有望成為主流的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，因而這項(xiàng)技術(shù)將會繼續(xù)得到增強(qiáng)和完善，現(xiàn)今部署以太網(wǎng)的企業(yè)也會受益于過去學(xué)到的重要經(jīng)驗(yàn)。只有精心規(guī)劃過體系結(jié)構(gòu)、安全措施和數(shù)據(jù)管理方案的網(wǎng)絡(luò)，才可以在當(dāng)今的環(huán)境下高效工作，并且盡可能減少將來擴(kuò)展時進(jìn)行集成工作所需的工作量。此外，不少人還會以為「開放」總是等同于無縫的互操作性，可事實(shí)果真如此嗎？雖然100Mbps以太網(wǎng)芯片是完全通用的，但如果具體到所選的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，它們之間又確實(shí)互不兼容；也就是說，「以太網(wǎng)I/O」的標(biāo)簽并不意味著所有產(chǎn)品都在同一協(xié)議棧內(nèi)兼容。因此，是否具有互操作性是一項(xiàng)需要仔細(xì)評估的重要因素。

獲取信息要講求「合適」

PLC、PAC和PC等工廠車間控制器控制著機(jī)器和設(shè)備的運(yùn)行并從中收集數(shù)據(jù)。如果選用了合適的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，就可以高效地將業(yè)務(wù)管理關(guān)聯(lián)到車間的PLC和設(shè)備這一層級。

但是，無處不在的數(shù)據(jù)透明性就如同江河湖海里的水，既可載舟亦可覆舟，因而如何篩選和選擇數(shù)據(jù)就成了網(wǎng)絡(luò)融合成功與否的關(guān)鍵所在。為此，各種諸如管理看板等商業(yè)智能和分析軟件大量涌現(xiàn)出來，它們專注于呈現(xiàn)出高層決策所需的關(guān)鍵指標(biāo)、關(guān)鍵績效衡量標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)。

信息處理真的「唯快不破」嗎？

與瀏覽網(wǎng)頁或者將文檔發(fā)送到身邊的打印機(jī)時通常遇到的延遲不同，機(jī)器間的即時通信對帶寬的要求更高。但速度的快慢終究是相對而言的。隨著技術(shù)飛速發(fā)展，業(yè)界最終可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)每秒千兆位的網(wǎng)絡(luò)速度，也就意味著可以更快地傳輸更多數(shù)據(jù)。

雖然接近實(shí)時的數(shù)據(jù)流可以促進(jìn)更好的協(xié)作和更高效的工作流程，但僅靠數(shù)據(jù)傳輸速度并不一定能夠提高處理速度。只有在相應(yīng)的流程和網(wǎng)絡(luò)組件實(shí)現(xiàn)步調(diào)一致時，才能真正實(shí)現(xiàn)高速信息處理。

通常，只有涉及運(yùn)動控制和精確自動化，并且需要以極快速度來完成的制造操作才需要使用高帶寬來滿足高清影像、復(fù)雜運(yùn)動和算法等需求；對于大多數(shù)制造和加工應(yīng)用而言，最簡單形式的以太網(wǎng) (10Mbps–100Mbps) 往往已經(jīng)足夠快。誠然，在當(dāng)今世界，工廠的「效率」一定是越高越好，但在影響工業(yè)網(wǎng)絡(luò)效率的因素中，「吞吐量」顯然比「速度」更值得重視。對于任何一家給定的制造商，只有讓合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以期望的速度正常運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的吞吐量。

這些問題也要考慮到

工廠中產(chǎn)生的實(shí)時原始數(shù)據(jù)通常不會讓管理層看到，大多數(shù)情況下也確實(shí)沒有必要。在過去的企業(yè)文化中，往往會將制造和管理分別定位成獨(dú)立的實(shí)體，認(rèn)為它們有各自的環(huán)境和目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)企業(yè)層級的整合后，便可通過實(shí)時數(shù)據(jù)快照或看板來實(shí)現(xiàn)智能診斷、智能質(zhì)量控制、智能客戶服務(wù)，并且高效地完成生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度和加急生產(chǎn)等操作。

一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中可以傳輸一定量的數(shù)據(jù)，這也使以太網(wǎng)非常適合用于診斷監(jiān)視和故障排除。隨著高級監(jiān)控和工廠診斷的需求不斷增長，每個周期的數(shù)據(jù)傳輸將會得到加速，進(jìn)一步提升傳輸速度。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)普遍被視為一種非專有并且成本相對更低的技術(shù)，理論上也確實(shí)如此，但用于工廠加工區(qū)域的工業(yè)以太網(wǎng)組件卻有一定的特殊性：它們需要在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，承受遠(yuǎn)超受控安裝環(huán)境的極端溫度、濕度和振動。

正因?yàn)楣I(yè)級組件更加「皮實(shí)」，它們在最初階段可能會產(chǎn)生更高的成本；但它們在制造之初就以可靠性為重，使用壽命大大超過非工業(yè)級產(chǎn)品，因而其總擁有成本完全可能比后者更低。

要將以太網(wǎng)應(yīng)用涵蓋范圍從辦公室延展到工廠中，就必須使用帶增強(qiáng)保護(hù)級別的RJ-45連接器，并且其性能至少需達(dá)到Category 5e規(guī)格 (100Mbit/s快速以太網(wǎng))。新型M12圓形連接器在市場上也越來越常見，這類連接器采用特定于EtherNet/IP、Profinet和EtherCAT的D Code配置。此外，無線網(wǎng)絡(luò)也是一種可行方案，可以解決傳輸距離較遠(yuǎn)或布線困難的問題。在石化工廠中，無線通信正得到越來越普遍的運(yùn)用。一些較新的設(shè)計還通過小型太陽能電池板來提供網(wǎng)絡(luò)所需的電力?？傊?，無線新技術(shù)的出現(xiàn)終將使以太網(wǎng)從中受益。

對于惡劣環(huán)境下的工業(yè)應(yīng)用，不少企業(yè)選擇了部署光纖技術(shù)。和銅纜相比，光纜的速度更快、帶寬更大、傳輸距離更遠(yuǎn)、抗噪性能更優(yōu)秀。雖然大多數(shù)情況下光纖系統(tǒng)的成本更高，并且與傳統(tǒng)系統(tǒng)之間存在比較大的兼容性問題，但隨著更多企業(yè)向全企業(yè)范圍內(nèi)的融合遷移，工業(yè)光纖布線方案有望成為將來實(shí)現(xiàn)工廠車間數(shù)據(jù)完整性的關(guān)鍵技術(shù)。

審核編輯：郭婷