以太网是否等于正常运行时间?

在正常运行时间方面,推动以太网进入工厂产生了好坏参半的结果。

首先,好消息是:以太网,全球网络中重达2000磅的庞然大物,已经来到了工厂的底层,带来了新的灵活性、信息共享的简易性和规模经济。

现在,坏消息是:就像任何强大的生物一样,如果处理不当,以太网会造成严重破坏。具体来说,以太网的许多优点,如开放性和灵活性,对网络正常运行时间构成了新的危险风险。

制造决策者在决定何时以及如何使用以太网将其控制设备和子系统连接起来时的第一步是认识到这种网络协议在全球数以百万计的企业网络中如何使用和它将如何在制造工厂中使用之间的区别。第二步是从头开始在系统中建立安全性和可靠性,第三步是随着时间的推移向现有网络添加设备,维持该级别的可靠性。

差异万岁

使用以太网的动力既有经济方面的,也有功能方面的。作为地球上部署最广泛的网络技术,以太网具有通用组件以及安装和培训成本最低的特点。当工厂网络从特定行业的总线网络转向全球标准时,在整个公司无缝地共享工厂性能信息就变得更容易了。以太网是无限可扩展的。

以太网系统和设备并不是简单地从会议室到制造工厂的巨大飞跃,这已经是一个公认的事实。设备供应商正在将他们从专有工厂网络中学到的许多知识整合到工业以太网中,包括强化以太网路由器以适应工厂地板的恶劣环境,以及使用直流电源而不是交流电源。高级以太网交换、消息优先级协议和更快的以太网都是技术发展,为这种连接工厂车间和企业网络的网络技术铺平了道路。

但那些已经参与这项技术的人说,重要的是要从一开始就认识到以太网将如何以不同的方式使用,使工厂网络自动化。

“IT(信息技术)界的主要焦点是安全和服务器可用性,”马萨诸塞州纽伯里波特的总裁马克·方德尔说。该公司开发软件,使工厂能够监测其网络的健康状况。“在IT行业,他们专注于确保没有人可以访问不应该访问的网络。在工厂中,随着以太网的部署,控制人员面临的主要问题是网络的正常运行时间——在出现特定故障时的生存能力。”

毕竟,当企业局域网(LAN)耗尽带宽时,最糟糕的情况是办公室工作人员不得不等待数据到达,可能会失去耐心,甚至降低工作效率。

“这就是为什么在办公网络中,带宽通常是超额订阅的,”Roy Kok说,他是弗吉尼亚州夏洛茨维尔GE发那科公司的HMI/SCADA产品经理,该公司是在以太网上标准化的自动化控制的全球供应商。他说:“但我不能让工厂超额认购,”特别是在涉及过程控制或生命安全问题时。

最大限度地延长正常运行时间的需求决定了网络将如何进行物理布局,或其拓扑结构,以及要使用的物理介质。

补充纤维

最便宜的布线方法是基本的双绞线铜,但这受到电磁噪声的影响,这些电磁噪声可以由荧光灯装置或电线产生,在一些穿过建筑物的装置中,对照明产生影响。光纤不受噪声影响,提供最高的速度和最大的带宽,但由于光纤的灵活性较低,其成本和安装复杂性较高。另一种选择是同轴电缆,它比双绞线略贵,但不容易受到电磁干扰。

工厂地面网络最近可用的选择是无线局域网技术,它提供了巨大的灵活性。它在成本曲线上迅速下降,变得更广泛,但仍然被认为是一种安全风险。

位于马萨诸塞州北安多弗的施耐德电气自动化业务部门的透明工厂和HMI产品营销经理Mike Broussard说:“无线设备的安全性一直在改善,但仍然存在一些问题。”“人们可能无法获得你的数据,但仍有可能有人进入你的网络,用大量流量使其关闭。”

Broussard说,无论哪种网络媒介,最重要的是制定一个如何在物理网络中提供冗余的计划。

“人们开始意识到这是一个主要的弱点,”他说。公司将在可编程逻辑控制器、工业设备和计算机上投资数千美元。那个设备不是主要故障点。问题往往出在电线上——由于闪电或附近启动的电机,铜线上会产生浪涌。如果你有一个糟糕的布线计划,任何设备都帮不了忙。”

在这方面,制造商可以向电信行业学习如何保持网络的正常运行。自20世纪80年代末以来,电信服务提供商一直专注于建立自修复环形网络,这种网络可以将流量同时路由到两个方向,允许终端设备接收哪个信号更好,并在线路故障、设备故障或网络上的任何其他问题发生时提供持续服务。

另一个关键的拓扑问题是分段的概念,或者使用虚拟局域网软件在逻辑上(而不是物理上)将一个工厂网络分割成独立的段,而不是将整个网络作为一个大网络来运行。逻辑划分是在软件中完成的,而不是在硬件中,因此在需要时可以更容易地进行更改。Broussard说,通过工作组或其他指定创建网段可以使大型网络更容易管理,并可以将网络问题限制在一个区域,这有助于识别。

GE发那科远程I/O产品经理Derald Herinckx指出,确定冗余程度和要构建的细分实际上归结为确定风险。他说:“用户需要根据他们愿意容忍的风险大小来决定网络的复杂性。”在某些情况下,应用程序(例如记录有关性能的数据)不需要完全冗余。Hericnkx说:“如果你想集中数据,有一些应用程序具有存储和转发功能,当网络出现故障时,它可以让你重新填充数据日志。”“冗余是昂贵的,所以你应该只在需要它的地方使用它。”

在网络中添加VLAN和分段将增加一些成本和复杂性,但对于绝对需要容错的网络来说,这是有意义的。

然而,即使是设计良好、具有容错功能的以太网也会遇到问题,从而威胁到网络的正常运行时间。过去的网络也是如此,但随着向以太网的转移,制造商面临着解决过去烦人问题的机遇和挑战。

位于密尔沃基的罗克韦尔自动化公司的服务产品总监斯科特•拉普切维奇表示:“许多客户多年来一直忍受着周期性的故障和周期性的数据错误,因为他们的网络性能不是最佳的。”“随着网络变得越来越复杂和关键,继续以这种方式运营的成本将越来越高。”

对于植物网络来说,最常见和最令人沮丧的问题是间歇性的问题——那些在短时间内出现,然后消失,然后在一个不可预知的时间重新出现的问题。

“间歇性问题是导致网络失败的主要原因,”network Vision的Fondl说,他描绘了一个典型的场景:一个采购代理为操作站购买低成本的以太网网络接口卡,而没有考虑到这些13美元的网卡不够强大,无法24小时工作。在最初的六个月里,卡片上的RJ-45连接器工作正常,但在那之后,它们开始受到附近电机振动的影响。停电只发生在电机启动时,所以当网络技术人员检查时,一切正常——直到下次。

解决这类问题的一种方法是通过网络监视,即不断地监视网络中各个链接的性能,并跟踪任何故障的根本原因,以便进行修复。

另一种限制这类问题的方法是听从指示。拉普切维奇说,工厂运营人员需要更加仔细地注意网络上的设备,并确保设备按预期使用。

Fondl认为,投入以太网的工厂运营经理需要了解公司的IT员工,并与他们一起解决关键问题。但每个人都承认,这有时是一个棘手的问题。

拉普切维奇说:“可能会有一些草皮问题——种植工人不想让IT工人染指他们。”“经营这些工厂的人习惯于经营自己的节目。这将给工厂环境带来更多的企业影响力。”

Profibus贸易组织(Profibus Trade Organization)的负责人迈克•布莱恩特(Mike Bryant)表示:“我们认为,企业迅速切换到以太网的成本将令人望而却步。”Profibus贸易组织支持众多广泛部署的总线网络协议之一。他说:“必须进行全面的转变。还有很多问题需要解决。”

等待的理由?

Profibus和Fieldbus都在开发以太网版本。尽管它们至少要到2004年才能使用,但一些组织可能更愿意等待。即使是Kok,他的公司GE Fanuc已经将以太网标准化,并且相信它是未来工厂车间的网络,也承认会有阻力,部分原因是人们担心巨大的变化会带来巨大的不可靠性。

“如果你有一个现场总线网络,那么你将倾向于继续朝那个方向发展,”Kok说。“如果有一个新工厂或新系统正在建设,那么现在更有可能采用以太网,特别是如果应用程序是从IT角度驱动的,因为IT人员肯定会使用以太网。”

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