采用以太網(wǎng)加速工業(yè)4.0

早在70年代，“工業(yè)3.0”是制造業(yè)范式轉(zhuǎn)變的名稱，它采用信息技術(shù)來促進(jìn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)力，精度和靈活性。隨著工業(yè)4.0的成熟，通過智能技術(shù)、機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）實(shí)現(xiàn)的工業(yè)大規(guī)模自動(dòng)化正在實(shí)現(xiàn)。兩者之間的關(guān)鍵區(qū)別在于，工業(yè)3.0為人類提供了更好的決策信息，而工業(yè)4.0則使用數(shù)字信息來優(yōu)化流程，而無需我們的干預(yù)。

更重要的是，工業(yè)4.0現(xiàn)在可以在工廠設(shè)計(jì)辦公室和制造車間之間建立聯(lián)系。通過使用M2M通信，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）可以與機(jī)床對(duì)話，并直接對(duì)其進(jìn)行編程以制造零件。機(jī)床可以與CAD對(duì)話，讓它了解生產(chǎn)過程中的挑戰(zhàn)，以便可以修改項(xiàng)目，使其更容易制造。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）是制造商構(gòu)建工業(yè)4.0解決方案的平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要作用是形成反饋回路，傳感器借此監(jiān)控過程，其數(shù)據(jù)用于控制和增強(qiáng)機(jī)器操作。

雖然實(shí)施IIoT遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單，但最大的挑戰(zhàn)可能是投資成本。雖然投資可以通過更好的設(shè)計(jì)和制造帶來的成本節(jié)約，提高生產(chǎn)力和減少產(chǎn)品故障來證明，但任何可以減少資本外流的措施都可能加速工業(yè)4.0的采用。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是將工廠的IIoT網(wǎng)絡(luò)基于經(jīng)過驗(yàn)證的、可訪問的且相對(duì)便宜的以太網(wǎng)通信技術(shù)。

工業(yè)以太網(wǎng)

作為世界上使用最廣泛的有線網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，以太網(wǎng)帶來了良好的供應(yīng)商支持和IP互操作性。此外，一組電纜可用于傳輸電流和數(shù)據(jù)，為連接的傳感器、致動(dòng)器和攝像頭供電。

“工業(yè)以太網(wǎng)”采用堅(jiān)固耐用的連接器和電纜，以消費(fèi)者版本的以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，為工業(yè)自動(dòng)化提供成熟的技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)不僅可以傳輸重要信息，還可以讓遠(yuǎn)程管理人員輕松訪問車間的機(jī)器、PLC和控制器。

然而，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議容易丟失數(shù)據(jù)包，這增加了其延遲。這使得它不適合同步和快速移動(dòng)的裝配線。為了克服標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的弱點(diǎn)，工業(yè)以太網(wǎng)硬件與確定性的低延遲工業(yè)協(xié)議合作，包括Ethernet/IP，ModbusTCP和PROFINET。

工業(yè)以太網(wǎng)部署使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品CAT 5e的強(qiáng)化版本例如，CAT 5e電纜包括收集成四個(gè)雙絞線的八根電線。絞合限制了每對(duì)導(dǎo)線之間的信號(hào)干擾（“串?dāng)_”）。線對(duì)提供雙工連接的兩端。對(duì)于高速系統(tǒng)，如千兆以太網(wǎng)，所有四對(duì)都用于傳輸數(shù)據(jù)。吞吐量要求較低（高達(dá)每秒100兆比特）的系統(tǒng)可以只使用兩個(gè)雙絞線進(jìn)行操作，留下備用電源或傳統(tǒng)電話服務(wù)等。

專有解決方案填補(bǔ)差距

使用CAT 5e電纜進(jìn)行IIoT部署的一個(gè)缺點(diǎn)是，它需要重新設(shè)計(jì)以執(zhí)行許多任務(wù)。高速以太網(wǎng)在從CAD編程機(jī)床時(shí)非常好，但對(duì)于報(bào)告?zhèn)魉蛶俣鹊膫鞲衅鱽碚f幾乎不需要?；谝蕴W(wǎng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大部分用于收集適量的傳感器信息，以優(yōu)化制造過程。這可能意味著大量的資本支出與幾公里長(zhǎng)的電纜捆綁在一起，而這些電纜的工程能力永遠(yuǎn)不會(huì)被使用。

在對(duì)成本敏感的工業(yè)部門，通常通過轉(zhuǎn)向更便宜的替代品來避免這種浪費(fèi)。制造商不再把錢花在昂貴的電纜上，而是轉(zhuǎn)向價(jià)格便宜得多的專有現(xiàn)場(chǎng)總線替代品，以連接不需要以太網(wǎng)全部功能的傳感器和系統(tǒng)。這些現(xiàn)場(chǎng)總線通常用于工業(yè)儀表和遠(yuǎn)程I/O等應(yīng)用，并提供長(zhǎng)達(dá)1公里的電纜長(zhǎng)度和高達(dá)每秒10兆位的原始數(shù)據(jù)吞吐量。許多專有現(xiàn)場(chǎng)總線選項(xiàng)（例如，哈特、PROFIBUS PA和4- 20 mA）使用相對(duì)便宜的單雙絞線電纜。

如今，實(shí)施工業(yè)4.0的工廠使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）和CAD，使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行工程運(yùn)營(yíng)和工廠資產(chǎn)管理，使用專有現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行儀器儀表和遠(yuǎn)程I/O。這并不理想，因?yàn)殡m然前兩個(gè)系統(tǒng)可以很好地協(xié)同工作，但后者不能與它們互操作。

單對(duì)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

IEEE 802.3cg是最近的以太網(wǎng)規(guī)范修正案，旨在解決目前由非以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)的工業(yè)應(yīng)用。該修正案正在獲得動(dòng)力，因?yàn)樗试S所有工廠工業(yè)4.0操作使用以太網(wǎng)平臺(tái)。每一臺(tái)設(shè)備，從主工廠云服務(wù)器到遠(yuǎn)程終端，再到最低的溫度監(jiān)控器，都將能夠通過一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議相互通信。

規(guī)范修訂的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）電纜，顧名思義，它只通過單對(duì)雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，而不是傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的多對(duì)CAT 5e電纜。這對(duì)工廠主來說是一個(gè)布恩，因?yàn)樗蟠蠼档土私ㄖ锿ㄓ嵕€路的成本和體積。更好的是，盡管有了新的以太網(wǎng)連接器，傳統(tǒng)的專有現(xiàn)場(chǎng)總線單雙絞線可以重新用于SPE使用-沒有必要扯掉幾公里長(zhǎng)的舊電纜更換為新的。

IEEE 802.3cg還引入了兩個(gè)新的物理層（PHY），以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用并降低成本。第一種適用于短距離應(yīng)用（最長(zhǎng)15米），而第二種可提供最長(zhǎng)1公里的距離，并包括可選的放大發(fā)射電平，以提高噪聲容限和低功耗空閑模式，以節(jié)省保存能源。

“正確的第一次”的重要性

現(xiàn)代制造業(yè)要求精度和可重復(fù)性。一個(gè)組件或子組件的制造公差必須足夠嚴(yán)格，這樣它們才能用于最終產(chǎn)品的數(shù)千個(gè)例子中的任何一個(gè)，而且還能完美地運(yùn)行多年。隨著產(chǎn)品變得越來越小或越來越復(fù)雜，對(duì)精度的要求也越來越高;想象一下，不斷制造高端機(jī)械手表或最新的智能手機(jī)。

IIoT可以通過實(shí)時(shí)控制和在偏差失控之前發(fā)現(xiàn)偏差來實(shí)現(xiàn)這種精度。第一時(shí)間獲得正確的產(chǎn)品可以減少消費(fèi)者的故障和無休止的保修索賠。它還節(jié)省了資金，也許更重要的是更具可持續(xù)性，因?yàn)榈谝淮握_地制作東西可以節(jié)省能源，排放和寶貴的材料。

結(jié)論

單對(duì)以太網(wǎng)使工程師能夠在整個(gè)工廠利用工業(yè)以太網(wǎng)，即使是最低的傳感器的操作。這使得它更容易收集和分析所需的深層數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)制造業(yè)務(wù)并最大限度地發(fā)揮ML和AI等新技術(shù)的影響。

審核編輯 黃宇