Ethernet для промышленного ввода-вывода: преимущества, недостатки и ключевые аспекты проектирования

Промышленные устройства ввода-вывода (I/O) составляют центральную нервную систему многих современных машин и, по расширению, промышленных заводов. За последние десять лет использование Ethernet в качестве физического уровня стало одним из самых важных достижений в проектировании промышленной автоматизации для полевых устройств I/O шины.

Современный EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) объединяет традиционный Ethernet с промышленным прикладным протоколом, ориентированным на промышленную автоматизацию. Он был создан для преодоления недостатков традиционного IEEE, который имел две основные проблемы:

1. Традиционный IEEE не подходил для обработки всех сложных, насыщенных данными процессов современной автоматизации. Он использует ряд различных стандартов, что усложняет обслуживание и использование I/O.
2. Раньше организации полевых шин создавали свои стандарты для разъемов, протоколов и стеков. Теперь физический уровень может управляться международными организациями по стандартизации, устанавливающими стандарты Ethernet для промышленных, офисных и потребительских сред.

Подключение I/O устройств через Ethernet для их удаленного управления, сбора и разбора данных и мониторинга статусов позволило многим заводам повысить надежность, согласованность и эффективность. Ethernet I/O может сыграть значительную роль для заводов, планирующих обновление линий и процессов автоматизации.

Но как у любой технологии, у внедрения Ethernet в среду проектирования промышленной автоматизации есть плюсы и минусы. Чтобы помочь вам принять взвешенное решение при улучшении производства, мы подготовили основные моменты для I/O Ethernet:

• Преимущества
• Недостатки
• Ethernet vs Другие варианты
• Лучшие практики

ПРЕИМУЩЕСТВА Ethernet для I/O

Сетевой I/O на базе Ethernet обеспечивает улучшенную производительность, гибкую топологию и более простую конфигурацию, а также ряд других преимуществ.

1. Более быстрая обработка — Ethernet I/O позволяет выполнять обновления в реальном времени за менее чем миллисекунду. Более высокие скорости обработки создают эффективность в сборе и анализе данных, критически важном для насыщенных данными промышленной автоматизации.
2. Стандартизированные открытые протоколы связи для проектирования промышленной автоматизации — Ethernet используется в комбинации с открытыми стандартными протоколами: EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink и др. Все они легко интерфейсуются со многими устройствами: приводами, энкодерами и промышленными контроллерами в сети I/O. Поскольку полевые шины стали более открытыми и зависимыми от известных физических технологий вроде Ethernet, скорости обновления I/O сетей выросли до уровня, позволяющего 따라 за событиями в реальном времени в системе управления.
3. Меньше меди — ниже затраты — Предыдущие сети IEEE требовали значительного количества медной проводки. Сегодня для подключения I/O устройств к контроллеру нужен только кабель I/O сети, питание управления и, для высокоэнергетических устройств, трехфазное питание. Это устраняет заземляющие петли и путаницу из медных проводов. Вместо этого один стандартный кабель соединяет контроллер с промышленной операционной системой, которая может находиться далеко от контроллера и быть распределенной.
4. Защита от устаревания платформы — Поскольку Ethernet доступен практически для любой аппаратной платформы, он не привязан к одному производителю или классу оборудования. Он будет работать в предвещаемом будущем, обеспечивая будущее-устойчивые инвестиции в связь, что также укрепляет долгосрочную безопасность.
5. Надежность — Ethernet I/O надежно работает в суровых средах: солнечных электростанциях, нефтегазовых рафинариях, железных дорогах, ветряных фермах и даже морских объектах. Скорее всего, промышленная автоматизация на базе Ethernet I/O удовлетворит требования вашей производственной среды.
6. Общие сертифицированные стандарты и широкая поддержка вендоров — Промышленный Ethernet использует транспортные и контрольные протоколы традиционного Ethernet и технологии доступа к среде и сигнализации, найденные в готовых сетевых картах Ethernet. Это надежный, сертифицируемый стандарт, обеспечивающий большую гибкость в использовании оборудования при гарантии, что устройства сертифицированы, протестированы и одобрены лабораториями EtherNet/IP. Ядром EtherNet/IP является протокол управления и информации (CIP), используемый в ControlNet, DeviceNet и CompoNet. Этот стандарт организует сетевые устройства как коллекцию объектов, определяя доступ, поведение объектов и расширения. Это дает доступ к огромному спектру устройств через общий механизм, и благодаря широкому использованию — Ethernet везде — существует обширная поддержка вендоров почти для любого типа I/O устройства.
7. Простая, быстрая настройка — Ethernet дает производителям больше вариантов: безопасность, полевые шины, меньше программирования или веб-серверы. Позволяет заводам переключаться между протоколами или внедрять полевую шину впервые в простом plug-and-play режиме. Многие продукты самоконфигурируются, автоматически распознавая мастер-протокол.
8. Другие преимущества — Дополнительные второстепенные выгоды: одиночное (или парное для высокой доступности) соединение для сети и хранилища I/O; снижение потребления энергии, более эффективное охлаждение и использование площади, более экологичная среда завода; улучшение производительности серверов, максимизация PCI и mezzanine-слотов; лучшее масштабирование емкости I/O для высокопроизводительных и кластерных приложений.

НЕДОСТАТКИ добавления Ethernet для I/O

Теперь, когда мы подробно рассмотрели преимущества, обсудим основные недостатки:

• Ограничения пропускной способности — У Ethernet I/O ограниченная полоса пропускания. Многие ПЛК могут передавать пакеты только около 500 байт, что иногда становится серьезным препятствием, замедляя операции.
• Ресурсы процессора потребляются слоями TCP/IP — EtherNet/IP — протокол прикладного уровня, передаваемый внутри TCP/IP пакета. Значительная часть процессорной мощности уходит на обработку слоев TCP/IP, что снова снижает производительность.
• Отсутствие информационного моделирования — С Ethernet нет настоящего информационного моделирования. Можно создавать объекты с атрибутами, но нельзя связывать их в иерархию. Это создает проблемы в реальных реализациях промышленной автоматизации.
• Вариативность оборудования — Существует ограниченная функциональность Ethernet с определенными контроллерами, поэтому все равно нужно тщательно выбирать оборудование.
• Избыточная мощность — Во многих случаях Ethernet лучше всего подходит для дискретного управления. В процессном управлении он может быть избыточным решением, необоснованно потребляющим бюджет. Иногда существуют более практичные, менее дорогие решения.
• Диагностика — Общая диагностика не встроена во все Ethernet устройства. Каждое устройство может требовать собственной кастомной диагностики, что занимает значительное время.

Сравнение Ethernet с другими технологиями

Ключевые моменты, которые нужно знать

При переходе на Ethernet I/O критически важно оценить широкий спектр характеристик, чтобы выбрать правильный тип Ethernet. Рассмотрите следующие архитектуры Ethernet IOS:

• Ethernet Per Module Systems (Ethernet на модуль)
• Module Carrier Systems (Системы с несущими модулями)
• Star Cluster Systems (Звездные кластерные системы)

Основные функции

Помимо архитектуры, у каждого Ethernet IOS есть важные функциональные особенности, которые необходимо оценить. Любая промышленная IOS должна обеспечивать определенный уровень поддержки следующих общих функций:

• Мониторинг питания
• Распределение питания
• Поддержка блокировок (interlock)
• Защита окружающей среды

Мы можем помочь

Выбор Ethernet протокола зависит от многих факторов. Но чаще всего решение диктуется используемыми в ваших объектах ПЛК и требованиями заказчиков. Если вы используете Siemens, лучшими вариантами могут быть Profibus DP или ProfiNet IO. Если Rockwell ControlLogix или CompactLogix — EtherNet/IP или DeviceNet. Требования приложения и текущая инфраструктура определяют выбор.

В EPIC у нас глубокая экспертиза по широкому спектру систем и технологий, мы помогали заводам по всему миру. Если нужна экспертная помощь в выборе лучших технологий для промышленной автоматизации вашего завода — мы можем помочь.

Свяжитесь с нами здесь или звоните по тел. 314-714-1580.

Еще один полезный ресурс

• Для подробностей смотрите это информативное видео на YouTube.