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越來越多的以太網(wǎng)應(yīng)用延伸到自動化控制系統(tǒng)的 I/O 級。注塑成型成功的關(guān)鍵點在于能夠在滿足強度和耐久性要求的前提下使塑料壁盡可能越薄越好。
要減少材料消耗需要密切關(guān)注每個細(xì)節(jié)，具體地說，就是要通過高速網(wǎng)絡(luò)精確監(jiān)控每一個傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。速度更快的網(wǎng)絡(luò)能使制造商獲得更多利益。
塑料加工設(shè)備廠商 Husky Injection Molding Systems公司位于加拿大安大略省，公司首席技術(shù)官 Chris Choi 表示：“傳統(tǒng)系統(tǒng)的壓力曲線起伏很大，然而，通過縮短采樣時間可以使壓力跟蹤更接近于理想狀態(tài)。這樣，我們就能夠更精確地控制熔點，從而得到外壁更薄的塑料。”
縮短采樣時間的基礎(chǔ)是使用速度更快的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)。越來越多的公司將以太網(wǎng)作為唯一網(wǎng)絡(luò)，Husky 就是其中之一。雖然一些廠商認(rèn)為，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線更適合輸入/輸出 (I/O) 設(shè)備級通訊，但同Choi一樣的工程師們卻認(rèn)為，以太網(wǎng)具有顯著優(yōu)勢。Choi 表示：“Profibus 和專有連接速度較慢。使用以太網(wǎng)則不會有任何延遲，整個系統(tǒng)運行速度更快。”
他解釋說，速度是讓客戶節(jié)省資金、獲得更薄外壁并減少材料浪費的關(guān)鍵。在5500 萬個零件的大規(guī)模生產(chǎn)運行中，一件 22 克的產(chǎn)品若能減掉2克材料每年可節(jié)省 18 萬美元。因此，Husky 在整個系統(tǒng)中采用了實時以太網(wǎng)技術(shù) EtherCat。Choi 認(rèn)為，只要能夠節(jié)約材料，客戶就會更加關(guān)注所采用的設(shè)備結(jié)構(gòu)。在環(huán)保意識普遍增強的時代，這將有助于贏得更多銷售訂單。
為 Husky 這樣的公司提供服務(wù)的設(shè)備設(shè)計人員確實需要考慮很多方面。在整個系統(tǒng)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)顯得十分關(guān)鍵，涉及到性能與成本。雖然改善以太網(wǎng)速度可能看上去不起眼，但意義重大。
Beckhoff Automation LLC位于明尼蘇達(dá)州 Burnsville 市，總裁 Graham Harris 表示：“EtherCat 的帶寬非常重要。如果要進(jìn)行檢測和執(zhí)行，使用速度更快的網(wǎng)絡(luò)來接收或發(fā)送信號，在不改變其他方面的情況下，速度可以獲得2%到5%的提升。”每天數(shù)千次活動中節(jié)省幾微秒，累計起來就會取得明顯改善。”
布線更加方便
工業(yè)用戶將以太網(wǎng)延伸至系統(tǒng)底層的原因之一是希望簡化布線。在所有層級上采用同一種傳輸介質(zhì)可降低復(fù)雜性，并為安裝人員提供更多便利。與此同時，很多用戶發(fā)現(xiàn)這種方式還可節(jié)約資金。
很多以太網(wǎng)的支持者表示，與家庭和辦公室中采用的以太網(wǎng)布線相比，廣泛應(yīng)用的 DeviceNet、Profibus 或?qū)Ｓ貌季�方案有很多規(guī)則與要求。Harris 說：“以太網(wǎng)解決了采用傳統(tǒng)技術(shù)的布線問題。用戶可以在很少的規(guī)則內(nèi)布置 Cat5（5 類）電纜。”
與現(xiàn)有方案相比，以太網(wǎng)電纜連接極為方便，故障排除容易。這一點很重要，因為接線是非常耗時的工作。Mayfield Heights 的供應(yīng)商 Rockwell Automation Inc. 公司位于俄亥俄州，公司NetLinx 產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理 Mike Hannah 表示：“使用硬線連接時。而每個連接都會耗費很長時間，還要進(jìn)行接線檢查。”
簡易性對 Husky 來說十分重要。成本降低則是附加價值。Choi 說：“我們在每個地方都使用相同的電纜。與其它方案相比，成本會顯著降低。”
盡管工業(yè)應(yīng)用中使用的電纜和連接器通常都非常堅固耐用，但由于采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的用量巨大，因此，平均下來，工業(yè)用以太網(wǎng)電纜的價格可達(dá)其它電纜的四分之一。以太網(wǎng)連接器的成本也會顯著降低。Harris 說，
Hoffman Estates 的供應(yīng)商 Bosch Rexroth 公司位于伊利諾伊州，公司自動化系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理 Ted Thayer 表示：“DeviceNet 、Profibus 電纜/連接器、CC-Link 電纜，以及用于這些網(wǎng)絡(luò)的附件（如 Profibus 交換機和 CC-Link 無線發(fā)射器）的價格非常高。”
以太網(wǎng)電纜十分普遍，并且無需針對現(xiàn)場總線提供不同電纜和連接器，因此能夠降低成本。雖然工業(yè)電纜與普通電纜有顯著差異，但倘若發(fā)生以太網(wǎng)電纜斷線，而技術(shù)人員的工具箱中沒有類似規(guī)格的電纜，可在緊要關(guān)頭使用普通電纜來代替。
“如果電纜發(fā)生斷線，可以到商店購買一根堅固耐用的替代電纜。”位于明尼蘇達(dá)州普利茅斯市的自動化設(shè)備廠商 Turck Inc. 的高級產(chǎn)品經(jīng)理 Karie Daudt 說。這些通用電纜應(yīng)盡快升級為堅固耐用的電纜。
然而，并非所有應(yīng)用都需要價格昂貴的工業(yè)級電纜。對于電子噪聲不高或溫度適中的應(yīng)用環(huán)境，使用普通電纜就可以。“你可以使用高品質(zhì)的以太網(wǎng)電纜。”位于加利福尼亞 Roswell 的供應(yīng)商 B&R 工業(yè)自動化 公司的產(chǎn)品經(jīng)理 Stephan Stricker 說。
以太網(wǎng)的支持者承認(rèn)，雖然以太網(wǎng)有時可以降低成本和復(fù)雜性，但比簡單的現(xiàn)場總線成本高。如果把類似于傳感器這樣的簡易部件連接到整個網(wǎng)絡(luò)，則有很多其他替代方案可能比以太網(wǎng)成本更低。
“在傳感器和執(zhí)行機構(gòu)層面，以太網(wǎng)的成本可能會高一點，并且許多組件尚不能用于以太網(wǎng)。”Rockwell 的 Hannah 說。很多設(shè)備制造商正在通過提供橋接設(shè)備來解決這一問題，橋接設(shè)備兩端分別與現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)相連。
“橋接模塊可將現(xiàn)場總線用于這些組件。使用橋接設(shè)備時，仍然與以太網(wǎng)相連，便于獲取報警和診斷數(shù)據(jù)。”Hannah 補充說。
橋接設(shè)備的使用能夠減少以太網(wǎng)用于 I/O 級設(shè)備的成本。同時，網(wǎng)管型交換機的減少也可以大大節(jié)約成本。雖然很多設(shè)備級電纜與以太網(wǎng)電纜相比更加昂貴，但綜合其他便宜的電纜，在財務(wù)上來說這種替代方案更加可行。
橋路的建立
通過使用橋接設(shè)備，工廠管理人員還可利用每種技術(shù)價值。以太網(wǎng)的優(yōu)點是能夠傳輸相對較大的數(shù)據(jù)包，但對于處理傳感器級數(shù)據(jù)并不十分有效。因此，DeviceNet 和 Profibus 等現(xiàn)場總線仍是可行的解決方案，尤其對于已采用這些現(xiàn)場總線的工廠來說。
執(zhí)行-傳感器接口 (AS- Interface) 等其它設(shè)備級總線在面向涉及傳感器和執(zhí)行的現(xiàn)場安裝時，具有較高速度和抗干擾性。但是，這些總線不適合傳輸較大的數(shù)據(jù)塊。用戶也可以在 AS-Interface 上連接任何類型的安全設(shè)備。
位于俄亥俄州 Twinsburg 的廠商 Pepperl+Fuchs Inc. 的智能系統(tǒng)組經(jīng)理 Helge Hornis 表示：“只有對高性能有一定需求，且系統(tǒng)輸入和/或輸出極少的情況下，必須采用以太網(wǎng)系統(tǒng)，I/O 級以太網(wǎng)應(yīng)用才有意義。”
他說，當(dāng)機器達(dá)到大約 40 個傳感器和 10 至 20 個輸出時，就應(yīng)對 AS-Interface 進(jìn)行評估。AS-Interface 或替代方案如能很好地應(yīng)對這些需求，橋接方案就會更好地發(fā)揮作用。
Hornis 表示：“將以太網(wǎng)與輔助的底層線路解決方案（特別是 AS-Interface）相結(jié)合會非常有優(yōu)勢，融合了二者的優(yōu)點，并完全克服了各自的缺點。”。
AS-Interface 和現(xiàn)場總線并不是將以太網(wǎng)向設(shè)備級延伸的唯一方案。IO-Link 是新出現(xiàn)的替代方案。Profibus 國際組織負(fù)責(zé)制定的標(biāo)準(zhǔn)得到了很多廠商的支持。在某些大型行業(yè)展會上，西門子重點介紹 IO-Link。Balluff 最近也擴大了其 IO-Link 擴展模塊產(chǎn)品線，產(chǎn)品可直接連接到 Profibus 或 Profinet 網(wǎng)絡(luò)。
該接口用于單獨連接諸如傳感器和執(zhí)行等現(xiàn)場設(shè)備。雖然總體上與 AS-Interface 相同，但它們能分別滿足不同領(lǐng)域的需要。位于亞利桑那州 Scottsdale 的 Profibus 貿(mào)易組織的副主席Carl Henning 表示：“AS-Interface 大部分是一位總線。IO-Link 用于更多智能的設(shè)備，例如色彩傳感器。”
大多數(shù)工程師表示，選擇何種架構(gòu)并沒有固定的方法。工廠管理人員需根據(jù)系統(tǒng)要求、設(shè)備成本和可用性來決定其 I/O 設(shè)備應(yīng)使用的總線類型。Turck 的 Daudt 說：“以太網(wǎng)的遷移十分昂貴。所以必須權(quán)衡其利弊；這不是一項簡單的任務(wù)。”
多種途徑
單一網(wǎng)絡(luò)的支持者認(rèn)為，將以太網(wǎng)擴展到 I/O 層設(shè)備會獲得很多好處。很多供應(yīng)商表示，以太網(wǎng)與其他技術(shù)一樣，也面臨權(quán)衡取舍。以太網(wǎng)相關(guān)的周邊設(shè)備成本升高并不影響最終獲得的收益。“雖然耦合器貴一些，但它效果良好。所帶來的靈活性的價值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額外的成本。”Stricker 說。大多數(shù)評論員都同意，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)便于隨著需求的變化而擴展。有必要時需添加附加子網(wǎng)，但擴展相當(dāng)簡單。
以太網(wǎng)的主要優(yōu)勢在于，在發(fā)生不可避免的問題時，無論是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴展還是維修，可供使用的工具和技能非常多。Stricker 說：“用于以太網(wǎng)的調(diào)試工具有很多。你可以使用這些工具和一臺普通PC（個人電腦）對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試，而無需使用專門工具。”
雖然有些大型工廠可能會將多個以太網(wǎng)系統(tǒng)連接在一起，但只要具有足夠的帶寬，以太網(wǎng)可減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)量。通常采用專用通訊方案的安全和運動功能也可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行處理。這樣做的優(yōu)勢在于，“如果將運動產(chǎn)品或安全網(wǎng)絡(luò)置于以太網(wǎng)上，可以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而完全省去了專用的運動和安全網(wǎng)絡(luò)。”Harris 說。
廠商會研發(fā)出降低復(fù)雜性和成本的新方法。在聯(lián)網(wǎng)時，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可滿足工業(yè)領(lǐng)域的廣泛要求。這些結(jié)構(gòu)會繼續(xù)演變下去。
ODVA Inc.（以前稱為 Open DeviceNet Vendor Association）去年完成了稱為設(shè)備級環(huán)網(wǎng) (DLR) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)文件。這種總線型方案允許多端口以太網(wǎng)設(shè)備在環(huán)網(wǎng)拓?fù)渲羞\行，簡化了布局，降低了成本，同時，通過檢測斷線并在其周圍重新配置通訊來延長正常運行時間。Hannah 表示：“通過 DLR，客戶無需為了進(jìn)入設(shè)備級而購買多臺交換機。它們可以形成一個總線型菊花鏈。這并不新鮮，通過使用設(shè)備級環(huán)網(wǎng)，將擁有一個環(huán)網(wǎng)主站，它可以識別電纜斷線并以其它方式對通訊進(jìn)行尋址，從而最大限度縮短停機時間。”
常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可根據(jù)用戶要求來定制。在某些應(yīng)用中，供應(yīng)商會建議使用帶有中央交換機的星型拓?fù)洌車窃谄淇刂葡逻\行的設(shè)備。這樣可節(jié)省大量布線。Stricker 表示：“通過以太網(wǎng)，可讓一臺機器成為中樞，周圍設(shè)備直接與中樞相連。比需要往返布線的網(wǎng)絡(luò)要方便得多。”
這可能是某些環(huán)境中最有效的方法。但在其他環(huán)境中，星型拓?fù)鋭t不一定適宜。公司可使用多端口設(shè)備來構(gòu)建很長的設(shè)備鏈。Henning 表示：“人們在安裝帶有兩個端口的交換機時，可使用線型拓?fù)鋪泶嫘切屯負(fù)洹Ｐ切屯負(fù)湓诠S的運行狀況不如在辦公環(huán)境中那樣良好。如果使用中央交換機，則需要向每臺設(shè)備連接一條單獨的電纜。”
在工廠車間內(nèi)，無論采用哪種架構(gòu)，以太網(wǎng)比現(xiàn)場總線的遠(yuǎn)程訪問效果要好得多。在整個工廠內(nèi)使用以太網(wǎng)，操作人員無論是在家還是其他任何地方，都可與特定設(shè)備上的執(zhí)行直接通訊。
位于加利福尼亞 Alpharetta 的廠商 Siemens Energy & Automation Inc.（西門子能源與自動化公司）的網(wǎng)絡(luò)顧問 Jansons 表示：“如果在 I/O 級擁有以太網(wǎng)，就可以更好地訪問診斷與報警信息。這意味著，在發(fā)送報警時可進(jìn)行遠(yuǎn)程糾錯。”
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