网络与应用的匹配

发布时间：2007-03-30 作者：Peter Welander，CONTROL ENGINEERING 高级编辑

　　对于全世界关于工业网络及其设施安装的所有讨论，并不像人们所期望的那样普及。实际上，未网络化的工厂远比已网络化的要多。PROFIBUS行业组织主任Michael Bryant的主任，估计尽管在所有工业界努力下，迄今为止只开发了25%的潜在工业网络市场。多数公司仍旧将独立的设备和控制器件与PLC或低精度的系统进行硬件连接。当一个压力传感器和读数显示箱分离开来的时候，组成“网络”的实际上就是手持记录本往返于各种设备之间的工作人员。
　　如果你还没有打算在自己的工厂中做一个大的变革的话，那么请记住现有的产品可以为你提供种类繁多的选择。从很多供应商的角度来看，工业网络具有很大的多样性。例如，至少存在50个不同的现场总线平台。当你第一次接触这个过程时，此课题的庞大就会让你犹豫不前。而且，事实上任何网络，不论规模大小都会涉及到至少两种技术，具体技术的选择取决于独立的现场设备和ERP系统或者IT网络之间距离。

图：无论是单个总线设备，还是大型的IT或者是ERP网络系统，现今
的网络都可以覆盖到。实践证明，到目前为止，还没有任何一个单独
的网络平台可以覆盖从一个限位开关到顶层管理层面的整个系统。

　　另外，网络的架构是根据不同的目标来设计的。一方面，你希望每一台机子上连接设备到PLC的布线尽可能地简化；另一方面，你的经理期望能在同一时间内，他在另一国度的酒店办公室里看到当前制造过程的实际运行输出。这是两个极其不同的项目，但同样属于工业网络范畴。
　　为什么需要网络？
　　拥有了这种深奥复杂的技术，为什么有些人宁愿离开硬件的世界？从前使用的记录本到底有什么缺陷？
　　针对这些问题，人们首先会想到的且最老套的一个答复便是，网络节省了线路连接方面的费用。其实网络最初只是为了减少从每一个设备到控制器I/O端口独立引线的需要。做控制器的公司根据不同的实际需求，设计了专用的fieldbus操作平台，这就是为什么会有那么多平台的原因。根据你的情况，节省在接线和设施上的费用仍是一个值得关注的原因。
　　随着网络的日益复杂，实施他们的原因也随之增加：
　　■工厂安全系统和控制功能使用同一网络；
　　■不必重新布线，控制器就能提供诊断系统问题和重新设置设备的方法；
　　■如果有网络线路，这些新设备就可以传送更多的信息；
　　■生产资产管理(PAM)程序需要通过控制网络来操作；
　　■随着IT网络由企业层级的下移，IT网络所具有的与其他设备的交流能力使整个企业联系的更加紧密。
　　Honeywell Process Solution的教授Tom Phinney建议道：“网络的意义在于其合理的花费，而不在于其新颖性。如果网络没有崩溃，就不要改动它。如果不是由于经济目的，就不要改动。但那不意味着没有可以改善的潜在领域了。有很多应用场合急需降低成本、耗散、维护成本上有很大的突破，但这些需要有很大的意志去坚持。这需要提高认识、增加重视、建成产业。把更精确的仪器进一步引入到工厂网络应用中就是实施以上这些目标的一个有效途径。你可以使用智能设备的辅助信息来预测维护问题。命令你的流量计提供噪音信号，如果你反复进行几次，就可以观察变化和检测到是否有淤泥。而你无法尽用4-20mA完成这一切。
　　ODVA的行政主管Adds Katherine Voss说，“如今，全世界各公司，无论规模大小，都被联系起来了！我们想要的不只是制造过程的控制，我们需要随时随地能够得到过程信息！一场制造业网络浪潮正在来临。铜导线连接设备的时代已经过去了；无缝可路由的网络正在如火如荼般兴起。”
　　从最底部开始分析
　　鉴于工业网络的复杂性，并且很多领域的交叠，任何对网络的分门别类都将很是很杂乱的。这里的建议在概念上仅针对当前的课题，而非特指某一层级。
　　如果我们把分立的现场设备看成整个网络的最底层节点，那么PLC就是底层工作的第一个主要的层级。虽然在PLC层上或下还存在其他的网络技术，但这些技术很少跃级工作。将PLC互相连接以及将PLC与高层设备连接的网络通常不向下扩展。反之，PLC层以下的网络通常不会用来将PLC互联，虽然一些更复杂的现场总线平台可以变更级别，但也很少向高层次扩展。
　　最简单的网络大概是将一组分立器件连接至PLC上。这些设备是通过硬件连接到I/O卡上而根本不使用网络。然而，当设备的数量和距离增加时，这就变得非常昂贵和烦重。最简单网络使用一条现场总线将这一切连接起来，减少了接线数量，也使配置PLC变得更加容易。
　　即使是建立一个相对较小的网络，你也必须弄清楚你要连接的设备的类型。这决定了你的网络将要处理多少数据:
　　■小数据项，例如，限位开关、光电池、接近传感器等，是1位设备并要求简单的比特数据网络；
　　■中等数据项，例如，智能设备，智能仪器，变频驱动，小循环控制器等，将需要更加复杂的现场总线技术；
　　■大数据项，例如，机器人、人机接口、大循环控制器等，将需要复杂的现场总线技术或以太网。
　　每个设备的数据处理速度乘设备的数量就得到了此工业网络的总容量和网络需要的速度。如果你有足够的1位设备，容量需求就能达到较复杂仪器的级别。
　　“网络支持什么类型和容量的I/O呢？”Prism Systems公司的系统集成师Mike Darnell问道：“例如，一个造纸厂在他们日常的经营过程中移动大约5000个数据点的操作是正常的。以太网有时被低端I/O端口办所排挤，以太网设备仅限于低端市场，但它实际上是大型应用的完美解决方案。高端市场用户对以太网技术的理解逐渐加深，通常认为它的专用性比现场总线平台要低。”
　　对于那些已经开始使用网络的人们而言，需要考虑的是网络在未来的3～5年会发生怎样的变化。Phoenix Contact的自动化产品经理，Larry Komarek建议道：“你将会使用大量同一类型的设备吗？或者你是否已经看到了每个设备数据量增加的需求? 当你在添加智能设备，或者是在添加具有诊断或分析状态信息功能的数字设备时，这些设备的数据量会相应地上升。如果情况属实，那么只是现在投资和以后投资的区别而已。如果你现在想节省资金，仍然使用原有的现场总线，请想一想你工厂的变化速度，如果你已经苦于系统的可扩展性低，那么你是否有时间去更换它？如果你的经营决断是由于考虑到节省成本而不引入以太网平台，那么请确保你考虑到了日后引入以太网平台的花费以及改造时间等因素。”
　　PLC层上的变化
　　一旦网络不仅仅局限在PLC层面，项目范畴讲极大扩展，并且变得更加开放。PLC需要互相通信，例如，与人机接口通信，为历史数据库提供数据，将信息上传给工程师、企业级用户、IT网络等。这些应用使得网络本身发生了显著的改变，使PLC层上下的状况完全不同。一些复杂的现场总线平台支持PLC对等通信，而PLC与企业层的通信就需要以太网技术了。
　　随着工业以太网设备的传输率以两位数速率增加，它的用途也有了很快的增长。至少有10个不同的平台在竞争，各有其优缺点。他们中的一些是专用平台，大多数则是与大生产商联系在一起，虽然他们都宣称其产品是开放式体系结构的。
　　目前，以太网将PLC、智能传感器、远程I/O模块、HMI互联并与上层系统相连，如IT和ERP网络。PROFIBUS行业组织副主官Carl Henning建议道：“使用合适的工具做合适的工作。似乎需要一系列的网络体系将来完成同一个项目。寻找一个合适的平台，不要使用IT网络来连接限位开关！如果我是负责这个项目的工程师，我会先检查设备的数量和他们的复杂性。我将考虑这个平台与生产系统集成的要求。一个优秀的工程决断是不可替代的。”
　　Moxa Technologies的国际工业以太网产品销售经理Eddie Lee，看到了以太网技术正在向各行各业扩展。他指出：“今天以太网已经在沃尔码超市的条形码扫描器上发挥了很大的作用。这是网络应用在商业成功的案例。而同等技术正在更加广泛地向制造业渗透。可能我看得比较远，但它的确要来临。”

两个案例
　　乐观的改变
　　一个烟草加工厂使用一套机器设备和熟练的操作员的组合来制造各种各样的雪茄和其它产品。当过去工厂设施还没实现自动化的时候，管理层认识到工厂还有潜在的节约成本的办法以及可以使用更高效的网络系统来提高生产效率。阿拉巴马州使用Prism移动系统来将一个都是自动化性能不完全的老设备进行整合。最后，系统用二个现场总线系统和以太网把21个PLC，61个RFID、223传动机驱动、7个HMI控制台和不计其数的老的设备联系在一起。
　　“有了这个现代网络结构，我们的顾客现在就可以实时地得到实际生产数据，”Prism系统公司总裁Keith Jones说道“最终的结果既为工厂经营者提高了效益，也为消费者提供了一个高质量的产品。”
　　仍需要维持
　　Hytrol是北美最大的标准客户输送机的供应商之一，他们生产的产品品种繁多，小到一些简单的杆式输送机，大到高速滑块式包件分拣机，这些产品应用在各个配送中心的大型船用厂和大型集装箱零售商，这些分拣机最基本的需求是有很好的网络性能。一个完整的单元长500~600英尺并且具有1000个I/O端口，运行速度可达到700fpm。一个离散I/O设备大致包括如下几个部分：接近开关、光电监测器、编码器、条型码扫描器、身份验证器等等。令人惊奇的是，在任何一个时刻，大量的信息量都可以随时读入处理器。所有的I/O口每3~4ms更新一次。
　　这就对PLC的速度提出了很高的要求，同时也取决于该网络硬件的支持。“大量的I/O口高速远距离地运行是一种最糟糕的情况，因为大量的现场总线和控制器无法得到处理。”控制专家Wendell Rogers说：“他们不是因为速度跟不上，就是方向性不准”，目前，Hytrol主要依靠具有快速接口的硬件集成I/O模块来简化大规模布线任务，公司一如既往地在试验新的网络技术，以求得到更好的期望性能。

　　相对而言，小型的现场总线设施可以保持相对独立，而以太网解决方案则存在黑客攻击网络这个潜在隐患。没有一个网络体系是百分百安全的，但是有几层可以阻挡非法用户。这是另一个你需要慎重考虑的话题，有很多相关资料可以查阅。
　　做出明智的选择
　　在花时间考虑选择之前，最好是找出贵公司是否有下列特定的几条：网络平台，优先合作厂商，建立培训机制或者部件目录。当这些策略涉及到时间和金钱的投入时，他们就很难被忽视。同样地，最好先决定你是要建立与你和你公司相对应地特定的系统，还是只需要根据别的地方的经验建立相似的系统就可以了。在这样特殊的情况下，由于很多原因，你的选择可能对你找到理想的解决方案产生很大的影响。
　　一旦你建立了你运作模式，接下来你就要开始着手于对你的现状和需要作评估：
　　■网络应该做的是什么？网络严格意义上讲就是一种节省连接I/O端点与PLC之间电缆的方式吗，或者就是将实时数据传输到总裁办公室或国外吗？
　　■你已有的设备和网络是否需要互相通信和交互？除非你是新建一个工厂，不然，所有的机器或过程工艺，遗留的设备及系统就需要进行整合。
　　■你需要确认从上到下每个层面都可以获得咨询。你公司IT部门可能会需要这些的输入数据，因为他们将连接入系统里。
　　■你集成网络的安全性如何？
　　■这将是一个自主开发的项目，还是你将使用现成的集成系统？
　　■你是否预料到使用后的效果或者你是否考虑了日后的维护？
　　在看贵公司网络建立的项目范围内的大型系统或工艺流程前，首先需要罗列实际使用的设备以及明确他们各自所起到的作用。由于单个设备的复杂性以及他们需要传输大量的数据，所以他们需要被隔离开。
　　作为工程的一部分，你需要对确定网络软件的安全和控制功能作一个选择。你不能只依靠现场总线和以太网来自行帮你运行工艺流程，管理工厂设备，列出维修日程表或生成生产报告。这些功能在运行的网络上都有。有很多可供选择的网络系统和控制软件并且关于他们的评价也相当之多。Control Engineering网站是继续你深入研究的一个很好的平台。
　　翻译：苏杏丽

文章编号：070305
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