对于一家为全球汽车制造商生产车轴的公司来说，在长期提供高可靠性的同时，挤压成本是两个关键因素。美国车桥制造公司(AAM)于2006年开始更新其30多家制造厂，寻求长期有效的成本效益技术。
作为许多领先汽车制造商的一级供应商，AAM需要确保其所有制造设施满足行业的高可靠性要求，以及高产量和对成本的高度关注。当这家底特律制造商计划升级时，它的目标之一是能够通过用于传输其他数据的同一根以太网电缆发送控制命令。它拍打贝尔登寻求帮助。
“大约在2006年，我们开始通过以太网发送控制;现在我们已经完全转向了那个方向，”AAM的杰夫·史密斯说。“我们与供应商密切合作，以确保我们拥有所需的所有能力。我们给了他们两年的时间来提供能够控制以太网的设备，否则我们将转向另一家供应商。”
许多公司现在使用以太网进行控制以提高效率。当它们采取这一行动时，它们需要确保有足够的速度来处理所有的通信。网络管理人员还必须确保他们选择了正确的拓扑结构，以确保工厂高效运行。诊断和安全是其他起作用的问题。
在一个大型设施中解决这些不同的问题不是一项简单的任务。食品巨头Nestlé花了两年时间在比森霍芬建立了一家工厂，现在是Nestlé在德国最大的工厂之一，有650名员工。Nestlé希望在其新设施中引入一个完全集成的解决方案。
2009年建造之初的第一个决定是使用标准化的以太网来促进整个生产过程的规划和可视化。这家食品制造商与罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)和Endress+Hauser签订了安装网络的合同，其中包括中央交换机，可以优化可用性，并在机器故障之前检测问题。为增长提供足够的带宽也是一个因素。
Nestlé的自动化工程师Florian Schreyer说:“我们希望EtherNet/IP能够经得起未来的考验。”“它带来了巨大的好处，让我们可以从工厂楼层集中获取大部分信息。”
许多人认为这一趋势将会发展，使以太网成为所有信号的实际标准。随着标准速度的提高，将一个设施中的所有设备统一到一个网络上变得越来越容易，这将比不同的链路更容易管理。
罗克韦尔自动化和工业IP优势组织的保罗·布鲁克斯说:“网络融合正在改变制造和过程网络的模式。”该组织致力于推动基于互联网协议的通信。“与实施控制网络不同的是，融合使控制能够在多功能网络中进行，自动化、安全和合规、视频和能源管理等解决方案可以相互操作和集成，从而提高整个工厂的效率。”
对速度的需求
无论何时做出网络决策，速度都是首要考虑的问题之一。建立工业网络的管理员不能仅仅使用商业技术的最新版本。他们必须平衡生产需求和设备的坚固性。
没有直接的答案。一些管理人员认为，加固的千兆以太网技术的成本现在与旧版本非常接近，因此使用最新技术并不困难。使用千兆以太网提供了扩展空间。
Opto 22的区域销售经理马特•牛顿(Matt Newton)表示:“客户通过使用千兆以太网(Gigabit Ethernet)来确保他们的设计具有前瞻性。”“有许多应用程序在标准的10/100以太网上运行得很好。但随着我们开始看到在控制和商业网络应用中越来越大的数据传输需求，提高速度和吞吐量变得越来越有必要。”
计划带宽需求的持续增长可以让公司将更多的功能转移到他们的网络上。随着计算能力的增长和更多设备的数字化，安全摄像头和许多其他设备可以通过以太网连接。这让所有的管理人员都能获得各种信息。
“随着越来越多的核心基础设施和终端设备(如pc、以太网交换机和IP摄像机)的出现，千兆以太网正在增长，成本正在下降，”Phoenix Contact的以太网自动化系统营销专家Ken Austin说。“对高速工业骨干和连接工厂网络或更高级别网络的需求也在不断增长。”
没那么快
另一些人则认为这种新技术不需要额外的带宽。工业网络上的大多数通信由相当小的数据包组成，这些数据包通常是偶尔发送的。AAM的Smith肩负着规划未来五年的任务，但他仍然是那些认为主流以太网可以满足需求的人之一。
Smith说:“我们在全双工的标准100mbps的情况下进行运动控制。“在某一点上，网络速度达到收益递减点。如果你的I/O快如闪电，如果PLC堆栈没有足够的马力来做更多的事情，那也没有关系。”
另一个策略是为不同的需求建立性能层次。工厂底层的设备可以使用相当慢的网络进行通信，没有瓶颈。更高级别的网络和植物主干通常需要更多的带宽。
Brooks说:“虽然许多设备和应用程序可以由10mbps网络支持，但自动化设备在交换机、路由器和无线接入点等基础设备之间的连接建议为100mbps和Gbps。”“即使在实现线性菊花链或环形拓扑时，有效端点带宽通常是100 Mbps除以链中设备的数量，今天的带宽限制很少是一个门槛因素。”
许多问题
通过以太网发送工业控制功能与通过IT网络发送数据有很大的不同。工业网络必须支持确定性的实时通信。这要求发送和接收消息之间的时间延迟最小。这种延迟的变化抖动必须显著低于典型的企业通信。
思科制造业务开发经理凯文•达文波特表示:“在发送控制功能时，确定性是必要条件。”“尽管网络在系统的确定性中扮演着重要角色，但许多其他因素，如终端设备延迟和响应时间，也涉及其中。”
决定论的定义在不同的环境中是不同的。在不携带控制命令的网络中，几毫秒可以被认为是实时的。但当运动控制出现时，要求就变得更严格了。
西门子工业(Siemens Industry)的运动控制营销和产品管理人员克雷格•纳尔逊(Craig Nelson)表示:“在具有运动控制的网络上，需要保证周期小于1毫秒的确定性元素。”“对于运动控制，不仅需要快速的周期时间，而且电报的周期时间或抖动也必须很小。”
当运动控制系统变得更复杂时，需求可能会变得更紧。网络必须能够传输关键数据与非常精确的时间，同时也同步文件与较慢的前台办公室系统。
“分布式运动控制需要亚微秒甚至纳秒的响应时间，”牛顿说。其他应用程序需要精确的时间同步，以便向业务和会计应用程序进行日志记录和报告。这是我们开始看到控制网络和业务网络合作的地方。”
躺着了
确保可靠性和减少停机时间也是每个网络安装的关键因素。选择正确的拓扑结构是一个关键问题。网络管理人员需要检查他们的整体系统需求，并据此制定计划。容错等因素是关键因素。
西门子工业工业以太网基础设施产品经理Tim Pitterling说:“菊花链和树形拓扑是工业以太网网络最常见、最经济的布局。”“对于更关键的工厂操作，环形拓扑被用于提供更高水平的冗余。”
传统上，环形拓扑由网络交换机管理，增加了潜在的成本和复杂性。但现在科技的进步意味着情况并非总是如此。
Pitterling补充说:“使用媒体冗余协议等Profinet协议的新产品设计，允许在不需要额外硬件的情况下实现环拓扑。“这是因为plc、HMI、I/ o和运动控制器支持Profinet MRP，这允许设备使用集成的双端口开关在环中配置。”
最新以太网链路的高性能使设备在高速运行时没有问题成为可能。与过去的工业网络相比，这是一个很大的好处。
“遗留串行协议通常需要点对点或总线拓扑，”Newton说。“随着以太网成为当今的主流技术，新的拓扑结构可以满足时间敏感协议。星型是一种很好的方法，但有些应用需要网状网络。”
许多因素
当管理者选择他们的拓扑结构时，他们还必须考虑其他因素，这些因素将有助于确保网络有效运行。随着速度的提高，电磁干扰等因素变得越来越重要。
Phoenix Contact的Austin说:“关于网络拓扑，它需要一个坚固的基础设施，它是确定的，并且是可互操作的和冗余的。”“对于这些设备来说，它将能够抵抗EMI和冲击，并具有更大的温度额定值。”
用于发送信息的技术是另一个关键因素。在某些应用程序中，最好一次发送一条消息，通常称为单播。在其他应用中，多播允许系统同时向多个节点广播消息。有时，这两种技术可以共存。
“我们选择EtherNet/IP是因为我们想要一些单播和多播，”Smith说。“最初，我们主要是多播。现在大约有60%的单播和40%的多播。在大型传输系统中，当你需要设置12个连接时，多播是很好的。多播减少了十二分之一的网络流量。”
保护和检测
网络管理员必须考虑保护数据的技术，同时也要寻找检测问题的方法。在任何通信安装中，诊断总是一个重要的因素。
在今天的开放环境中，安全比过去重要得多。恶意软件的潜在攻击和可能的影响促使许多业内人士密切关注他们的安全措施。然而，许多经理指出，这只是另一个必须分析和最小化的潜在问题。
史密斯说:“安全问题变得越来越普遍，但并不是很多人想象的十吨重的大象。”“这是风险降低。一旦你明白了这一点，你就会明白需要做什么来解决问题。”
诊断的需求比安全的需求更成熟，但花在改进诊断上的大量时间并不意味着它已经成为一个微不足道的问题。网络规划者和运营商必须考虑网络的许多方面，以避免出现问题。
“终点提供的诊断是起点。但在交换式网络中，基础设施诊断几乎同样重要。“在网络中断的情况下，井内诊断可以极大地减少停机时间。”
