時(shí)間：2012年3月5日 來(lái)源：控制中文網(wǎng) 關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng) 傳感器 工業(yè)安全

　　生產(chǎn)廠(chǎng)商正在越來(lái)越多地采用工業(yè)以太網(wǎng)將人機(jī)界面(HMI)、控制器、分布式I/O、儀表和傳感器連接并整合到一臺(tái)設(shè)備或者機(jī)器人內(nèi)，或者與用戶(hù)通訊系統(tǒng)相連，并從用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)返回至辦公室。較之其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以太網(wǎng)的普遍性和固有優(yōu)勢(shì)使其在競(jìng)爭(zhēng)中逐漸脫穎而出。因此，以太網(wǎng)迅速成為設(shè)備搭建OEM廠(chǎng)商及其用戶(hù)的不二之選。OEM廠(chǎng)商及其用戶(hù)對(duì)連通性和信息流提出了更高的要求，這種需求促進(jìn)了工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，預(yù)計(jì)在未來(lái)5年，每年將獲得5%左右的增長(zhǎng)。對(duì)于大多數(shù)工業(yè)OEM廠(chǎng)商控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，采用以太網(wǎng)確實(shí)是明智之選。
　　　　雖然以太網(wǎng)在工廠(chǎng)車(chē)間獲得了更多應(yīng)用，但是不可否認(rèn)，從以太網(wǎng)與設(shè)備和機(jī)器人的連通性角度來(lái)說(shuō)，仍舊存在不小的阻力。本文將深入探討所面臨的挑戰(zhàn)和解決方案，并力求為是否采用以太網(wǎng)的決策提供更多的依據(jù)。　　為什么選擇以太網(wǎng)　　在商業(yè)和辦公環(huán)境中，計(jì)算機(jī)和設(shè)備上的串口被具有IP地址的以太網(wǎng)端口所取代。在工業(yè)領(lǐng)域中這種趨勢(shì)也很明顯。PC、控制器、I/O、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、儀表、傳感器和其他自動(dòng)化器件越來(lái)越多地配有一個(gè)或者多個(gè)以太網(wǎng)端口。在TCP/IP和OSI模型的描述中，IP地址位于OSI模型的第三層。雖然以太網(wǎng)是在OSI模型的第1層和第2層明確定義的，但是實(shí)際上，大多數(shù)人所說(shuō)的以太網(wǎng)包括了第1層到第4層，即包括了IP和TCP/UDP，這也是本文所使用的以太網(wǎng)所代表的含義。　　OSI模型的優(yōu)勢(shì)在于它創(chuàng)造了第5到第7層，使得所有的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理組件都存在于這些層上。當(dāng)從串行網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到以太網(wǎng)時(shí)，這些協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理組件都可以被復(fù)用。因此，僅僅使用最少的努力，就可以實(shí)現(xiàn)從串行協(xié)議(例如Modbus)到以太網(wǎng)協(xié)議(例如Modbus TCP)的快速遷移，尤為重要的是，可能僅僅需要少量或者根本無(wú)需額外的最終用戶(hù)支持或者培訓(xùn)。值得一提的是，如果Modbus通過(guò)串行鏈路實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，那么大部分的通訊代碼和程序都可以繼續(xù)在新Modbus TCP以太網(wǎng)環(huán)境下使用。主要的區(qū)別在于在較高速度下的數(shù)據(jù)傳輸能力。其他好處還包括相比于Modbus端口，它支持更多具有以太網(wǎng)接口的新型自動(dòng)化器件，而且將這些新型器件集成到整個(gè)控制和通訊網(wǎng)絡(luò)中也更加容易。
TCP/IP及OSI模型。圖片來(lái)源：Belden公司 　　　這種整合的便捷性之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，其基礎(chǔ)就是被OSI模型所有層級(jí)廣泛使用并承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)支持來(lái)自于不同供應(yīng)商的器件在一個(gè)通用的環(huán)境下進(jìn)行整合，僅需很少或者根本不需要?jiǎng)?chuàng)建用戶(hù)軟件通訊代碼就可以有效地使這些器件工作。即使今天最簡(jiǎn)單的生產(chǎn)線(xiàn)也包括多種不同的機(jī)械設(shè)備和機(jī)器人，大多數(shù)都來(lái)自于不同的OEM廠(chǎng)商，而大多數(shù)機(jī)械設(shè)備和機(jī)器人都包含一定數(shù)量的自動(dòng)化元件，例如HMI、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、儀表和傳感器控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，這進(jìn)一步增加了整體的復(fù)雜性。如果沒(méi)有合適的設(shè)計(jì)和管理，實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)高的集成度將會(huì)帶來(lái)更高的安全風(fēng)險(xiǎn)和易受攻擊的可能。但是能夠通過(guò)合理的策略、程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來(lái)管理這種風(fēng)險(xiǎn)，這樣一來(lái)系統(tǒng)就不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)快速的可靠網(wǎng)絡(luò)，還能夠滿(mǎn)足安全性的需要，并確保無(wú)時(shí)無(wú)刻都能夠維持系統(tǒng)的完整性?！　∵B通帶來(lái)效率　　OEM廠(chǎng)商在企業(yè)內(nèi)部，或在其供應(yīng)商和用戶(hù)中，通過(guò)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)整合信息的能力從多個(gè)方面帶來(lái)了可觀的優(yōu)勢(shì)?！　　?生產(chǎn)企業(yè)得以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫(kù)存管理，能夠獲取供應(yīng)鏈、客戶(hù)、零件和原材料信息;■ 自動(dòng)下載或者按需更改配方和生產(chǎn)訂單;■ 通過(guò)配有以太網(wǎng)端口和web服務(wù)器功能的器件自動(dòng)化組件，可以獲得整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)信息?！?大量的狀態(tài)信息不僅僅能夠提供給生產(chǎn)商，還能提供給OEM設(shè)備廠(chǎng)商，所以查錯(cuò)變得更為簡(jiǎn)單。這使得機(jī)械設(shè)備和機(jī)器人的遠(yuǎn)程支持成為可能，他們還能夠由內(nèi)部和外部專(zhuān)家進(jìn)行不間斷地監(jiān)控。　　此外，很多OEM 客戶(hù)和供應(yīng)商正在尋求更加智能化的系統(tǒng)，他們?cè)诠S(chǎng)車(chē)間安裝信息系統(tǒng)，以及基于微處理器的技術(shù)來(lái)獲取和自動(dòng)管理關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程。
　　Silvercom Solutions公司對(duì)Tejas Plastics公司的升級(jí)改造成功地幫助該公司將其產(chǎn)量提高了20%，從每小時(shí)15個(gè)零件提升至每小時(shí)18個(gè)零件，并且將零件重量減少了超過(guò)5%，降低了樹(shù)脂的用量。該公司采用了現(xiàn)代化的吹塑機(jī)，其中使用了來(lái)自于Beckhoff Automation公司的EK1100 EtherCAT耦合器和EtherCAT I/O端子。圖片來(lái)源：Beckhoff Automation公司?！　【W(wǎng)絡(luò)使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)和通用協(xié)議，所以裝配線(xiàn)上的每一臺(tái)設(shè)備得以與流水線(xiàn)上其他單元進(jìn)行通訊，交互狀態(tài)信息和用度情況。如果一個(gè)或者多個(gè)裝配工序內(nèi)的設(shè)備知道周?chē)O(shè)備的狀態(tài)，就能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備輸入和輸出的同步，最大限度地使用每一臺(tái)設(shè)備，進(jìn)而優(yōu)化工廠(chǎng)的產(chǎn)量?！　∵@樣一來(lái)，如果某臺(tái)設(shè)備遇到了困難或者發(fā)生了零件堆積，結(jié)果將不再是非預(yù)期的全面停機(jī)或者重啟，當(dāng)然也不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的費(fèi)用和產(chǎn)量損失。取而代之的方法是，上游的設(shè)備輸出可以轉(zhuǎn)移到并行的流水線(xiàn)，或者設(shè)備的輸出降低，直到下游零件堆積問(wèn)題解決。從內(nèi)部或者外部連接獲得這些以及其他操作便利的關(guān)鍵就是網(wǎng)絡(luò)高可靠性——而且這一因素必須在搭建以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)就開(kāi)始考慮。　　強(qiáng)大的工業(yè)以太網(wǎng)　　雖然辦公室以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)共享相同的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需求卻截然不同。系統(tǒng)是否優(yōu)秀，取決于系統(tǒng)所搭建的物理基礎(chǔ)設(shè)備，工業(yè)應(yīng)用中所使用的網(wǎng)絡(luò)連接器件是很重要的，例如電纜、連接器、交換機(jī)和其他硬件，必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境。
　　　ODVA組織的EtherNet/IP以太網(wǎng)協(xié)議將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、安全、運(yùn)動(dòng)、離散和過(guò)程控制與工廠(chǎng)技術(shù)相連接。資料來(lái)源：Rockwell Automation公司?！　∩逃靡蕴W(wǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)用于辦公室環(huán)境，相比之下更加清潔和安靜，關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備隔離于數(shù)據(jù)中心和電訊室內(nèi)。然而，在工廠(chǎng)車(chē)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能會(huì)暴露于各種危險(xiǎn)環(huán)境，包括高溫、高水氣和潮濕、灰塵、粉塵、油污、化學(xué)污染物、設(shè)備振動(dòng)、電源品質(zhì)低下、電壓浪涌、電磁干擾和射頻干擾(EMI/RFI)。只有耐用的工業(yè)級(jí)的器件才能夠抵御這些威脅帶來(lái)的不利影響和損害。　　工業(yè)用的自動(dòng)化和以太網(wǎng)器件已經(jīng)出現(xiàn)，但是它們的成本較比相應(yīng)的商業(yè)產(chǎn)品要高一些。然而，考慮到非預(yù)期的停機(jī)(產(chǎn)量損失、返工、安全性降低和可能出現(xiàn)的設(shè)備損壞)所帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，使用較高的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)頂級(jí)品質(zhì)的工業(yè)級(jí)器件很明顯是劃算的。這種投資在設(shè)備服役幾年之后就能夠帶來(lái)回報(bào)，因?yàn)槠渚哂懈叻€(wěn)定性、最大化的服役壽命以及超高的性能——這也是為什么在現(xiàn)代生產(chǎn)工廠(chǎng)內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)迅速成為標(biāo)準(zhǔn)配置?！　』诠I(yè)應(yīng)用的以太網(wǎng)優(yōu)化　　工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)化中的要點(diǎn)是什么　　技能儲(chǔ)備——如果用戶(hù)放棄現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)轉(zhuǎn)而使用以太網(wǎng)，那么對(duì)于常用技能的了解是十分必要的，特別是尋址機(jī)制。一些現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)很容易使用，而以太網(wǎng)就很不一樣。而且，由于在商業(yè)應(yīng)用環(huán)境中可以獲得即插即用的便利，你會(huì)很容易喜歡上以太網(wǎng)。如果用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，必須考慮更多，基礎(chǔ)設(shè)施——布線(xiàn)是否滿(mǎn)足需要一旦使用了G比特以太網(wǎng)，這一點(diǎn)就更加重要了?！　r(shí)延不確定性還是一個(gè)問(wèn)題么　　這曾經(jīng)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但是由于最近普遍采用交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)的敏感部分隔離開(kāi)來(lái)，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不那么嚴(yán)重了，而且事實(shí)上很多應(yīng)用對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間上的微小延遲的要求并非那么苛刻。并且，也很少有網(wǎng)絡(luò)如此繁忙，以至于延遲時(shí)常發(fā)生。　　為什么使用以太網(wǎng)而不是其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)　　與現(xiàn)有IT系統(tǒng)的兼容性能夠在全企業(yè)范疇內(nèi)確保數(shù)據(jù)的無(wú)縫整合。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部件的通用性使安裝簡(jiǎn)單易行。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)需額外的工業(yè)硬件產(chǎn)品，確實(shí)減輕了不少負(fù)擔(dān)。由于需求量增加導(dǎo)致的部件成本降低也會(huì)轉(zhuǎn)化為成本的降低。速度至關(guān)重要： 10/100以太網(wǎng)已經(jīng)很快了。此外，使用以太網(wǎng)已成為一種潮流?！　∧阈枰畏N以太網(wǎng)協(xié)議，為什么　　有兩種主要的以太網(wǎng)協(xié)議。通用協(xié)議，例如Ethernet TCP/IP、Profinet和EtherNet/IP，以及為了滿(mǎn)足對(duì)于高速、高確定性和低干擾的要求而設(shè)計(jì)的協(xié)議，例如EtherCAT、SERCOS III、Profinet IRT和CC-Link IE。大約50%的工業(yè)應(yīng)用使用標(biāo)準(zhǔn)Ethernet TCP/IP就可以搞定。如果對(duì)確定性有高的要求，那么必須考慮不同的工業(yè)環(huán)境。例如在高速生產(chǎn)(典型的是裝瓶廠(chǎng))和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中對(duì)于電機(jī)/伺服系統(tǒng)同步性的要求更嚴(yán)苛。對(duì)于安全性的要求是網(wǎng)絡(luò)必須響應(yīng)快速并且可靠?！　　狫ohn Morse， IMS Research自動(dòng)化和控制領(lǐng)域的高級(jí)市場(chǎng)分析員。　　工業(yè)以太網(wǎng)安全檢查：在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)安全性　　工業(yè)以太網(wǎng)的安全防護(hù)是很必要的。這個(gè)問(wèn)題曾經(jīng)嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是IT或者“辦公室網(wǎng)絡(luò)”的問(wèn)題，而它現(xiàn)在對(duì)于工廠(chǎng)管理人員和控制工程師也至關(guān)重要了。黑客攻擊、非授權(quán)進(jìn)入以及工業(yè)控制和自動(dòng)化環(huán)境中的有害通訊所造成的中斷能夠?qū)е峦C(jī)、程序失效和安全問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)和控制系統(tǒng)被越來(lái)越多的黑客攻擊和惡意軟件所關(guān)注，Stuxnet蠕蟲(chóng)只是一個(gè)例子而已。　　在設(shè)計(jì)新工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)或者在升級(jí)已有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)選用合適的安全系統(tǒng)并不困難，而且更具性?xún)r(jià)比，比在成熟的作業(yè)環(huán)境中再考慮安全問(wèn)題要容易的多。越來(lái)越多的工業(yè)場(chǎng)所中出現(xiàn)了與商業(yè)設(shè)備類(lèi)似的能夠提供“高等級(jí)”安全的網(wǎng)絡(luò)，而且能夠具有耐用的硬件，能夠滿(mǎn)足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需求。搭建安全工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，防火墻是關(guān)鍵的第一步。狀態(tài)防火墻已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于IT領(lǐng)域，現(xiàn)在在工業(yè)產(chǎn)品中也能夠找到。防火墻允許工程師監(jiān)控屬性，例如通訊源和目標(biāo)IP地址和協(xié)議，例如Modbus/TCP，進(jìn)而將某些特定的網(wǎng)絡(luò)通訊屏蔽于控制網(wǎng)絡(luò)之外。防火墻可以設(shè)置簡(jiǎn)單的安全規(guī)則，放行“接受的”通訊，屏蔽有害或者無(wú)用的通訊進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。　　在網(wǎng)絡(luò)上提供安全性的另一種方法是使用“深度防御”策略。原理是提供安全層級(jí)，增加網(wǎng)絡(luò)損害的困難，或者通過(guò)將損害限制在一個(gè)隔離的小區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而將損害的影響降低。由于這種方法采用了模塊化設(shè)計(jì)，所以在新設(shè)備或者新車(chē)間上線(xiàn)時(shí)很容易增加防御層級(jí)。越來(lái)越多的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)相連接，在某些情況下，兩者必須攜手支持網(wǎng)絡(luò)。這使得IT設(shè)備和協(xié)議之間的交互協(xié)作非常重要。在IT領(lǐng)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化被廣泛采用，它能夠幫助降低技術(shù)支持成本、降低培訓(xùn)成本，甚至偶爾降低創(chuàng)新成本。所以當(dāng)與IT網(wǎng)絡(luò)打交道時(shí)，你應(yīng)該盡可能地使用開(kāi)放式和被廣泛接受的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，例如使用快速生成樹(shù)(RSTP)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)、使用VLAN進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段以及使用IPSec用于安全遠(yuǎn)程通訊?！　　狣an Schaffer，來(lái)自Phoenix Contact公司負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)和安全產(chǎn)品推廣。