對于全世界關(guān)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)施安裝的所有討論，并不像人們所期望的那樣普及。實(shí)際上，未網(wǎng)絡(luò)化的工廠遠(yuǎn)比已網(wǎng)絡(luò)化的要多。PROFIBUS行業(yè)組織主任Michael Bryant的主任，估計(jì)盡管在所有工業(yè)界努力下，迄今為止只開發(fā)了25%的潛在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場。多數(shù)公司仍舊將獨(dú)立的設(shè)備和控制器件與PLC或低精度的系統(tǒng)進(jìn)行硬件連接。當(dāng)一個(gè)壓力傳感器和讀數(shù)顯示箱分離開來的時(shí)候，組成“網(wǎng)絡(luò)”的實(shí)際上就是手持記錄本往返于各種設(shè)備之間的工作人員。
如果你還沒有打算在自己的工廠中做一個(gè)大的變革的話，那么請記住現(xiàn)有的產(chǎn)品可以為你提供種類繁多的選擇。從很多供應(yīng)商的角度來看，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)具有很大的多樣性。例如，至少存在50個(gè)不同的現(xiàn)場總線平臺。當(dāng)你第一次接觸這個(gè)過程時(shí)，此課題的龐大就會讓你猶豫不前。而且，事實(shí)上任何網(wǎng)絡(luò)，不論規(guī)模大小都會涉及到至少兩種技術(shù)，具體技術(shù)的選擇取決于獨(dú)立的現(xiàn)場設(shè)備和ERP系統(tǒng)或者IT網(wǎng)絡(luò)之間距離。
圖：無論是單個(gè)總線設(shè)備，還是大型的IT或者是ERP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)都可以覆蓋到。實(shí)踐證明，到目前為止，還沒有任何一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)平臺可以覆蓋從一個(gè)限位開關(guān)到頂層管理層面的整個(gè)系統(tǒng)。 另外，網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)是根據(jù)不同的目標(biāo)來設(shè)計(jì)的。一方面，你希望每一臺機(jī)子上連接設(shè)備到PLC的布線盡可能地簡化；另一方面，你的經(jīng)理期望能在同一時(shí)間內(nèi)，他在另一國度的酒店辦公室里看到當(dāng)前制造過程的實(shí)際運(yùn)行輸出。這是兩個(gè)極其不同的項(xiàng)目，但同樣屬于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)范疇。
為什么需要網(wǎng)絡(luò)？
擁有了這種深奧復(fù)雜的技術(shù)，為什么有些人寧愿離開硬件的世界？從前使用的記錄本到底有什么缺陷？
針對這些問題，人們首先會想到的且最老套的一個(gè)答復(fù)便是，網(wǎng)絡(luò)節(jié)省了線路連接方面的費(fèi)用。其實(shí)網(wǎng)絡(luò)最初只是為了減少從每一個(gè)設(shè)備到控制器I/O端口獨(dú)立引線的需要。做控制器的公司根據(jù)不同的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了專用的fieldbus操作平臺，這就是為什么會有那么多平臺的原因。根據(jù)你的情況，節(jié)省在接線和設(shè)施上的費(fèi)用仍是一個(gè)值得關(guān)注的原因。
隨著網(wǎng)絡(luò)的日益復(fù)雜，實(shí)施他們的原因也隨之增加：
■工廠安全系統(tǒng)和控制功能使用同一網(wǎng)絡(luò)；
■不必重新布線，控制器就能提供診斷系統(tǒng)問題和重新設(shè)置設(shè)備的方法；
■如果有網(wǎng)絡(luò)線路，這些新設(shè)備就可以傳送更多的信息；
■生產(chǎn)資產(chǎn)管理(PAM)程序需要通過控制網(wǎng)絡(luò)來操作；
■隨著IT網(wǎng)絡(luò)由企業(yè)層級的下移，IT網(wǎng)絡(luò)所具有的與其他設(shè)備的交流能力使整個(gè)企業(yè)聯(lián)系的更加緊密。
Honeywell Process Solution的教授Tom Phinney建議道：“網(wǎng)絡(luò)的意義在于其合理的花費(fèi)，而不在于其新穎性。如果網(wǎng)絡(luò)沒有崩潰，就不要改動它。如果不是由于經(jīng)濟(jì)目的，就不要改動。但那不意味著沒有可以改善的潛在領(lǐng)域了。有很多應(yīng)用場合急需降低成本、耗散、維護(hù)成本上有很大的突破，但這些需要有很大的意志去堅(jiān)持。這需要提高認(rèn)識、增加重視、建成產(chǎn)業(yè)。把更精確的儀器進(jìn)一步引入到工廠網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中就是實(shí)施以上這些目標(biāo)的一個(gè)有效途徑。你可以使用智能設(shè)備的輔助信息來預(yù)測維護(hù)問題。命令你的流量計(jì)提供噪音信號，如果你反復(fù)進(jìn)行幾次，就可以觀察變化和檢測到是否有淤泥。而你無法盡用4-20mA完成這一切。
ODVA的行政主管Adds Katherine Voss說，“如今，全世界各公司，無論規(guī)模大小，都被聯(lián)系起來了！我們想要的不只是制造過程的控制，我們需要隨時(shí)隨地能夠得到過程信息！一場制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)浪潮正在來臨。銅導(dǎo)線連接設(shè)備的時(shí)代已經(jīng)過去了；無縫可路由的網(wǎng)絡(luò)正在如火如荼般興起。”
從最底部開始分析
鑒于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，并且很多領(lǐng)域的交疊，任何對網(wǎng)絡(luò)的分門別類都將很是很雜亂的。這里的建議在概念上僅針對當(dāng)前的課題，而非特指某一層級。
如果我們把分立的現(xiàn)場設(shè)備看成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最底層節(jié)點(diǎn)，那么PLC就是底層工作的第一個(gè)主要的層級。雖然在PLC層上或下還存在其他的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但這些技術(shù)很少躍級工作。將PLC互相連接以及將PLC與高層設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)通常不向下擴(kuò)展。反之，PLC層以下的網(wǎng)絡(luò)通常不會用來將PLC互聯(lián)，雖然一些更復(fù)雜的現(xiàn)場總線平臺可以變更級別，但也很少向高層次擴(kuò)展。
最簡單的網(wǎng)絡(luò)大概是將一組分立器件連接至PLC上。這些設(shè)備是通過硬件連接到I/O卡上而根本不使用網(wǎng)絡(luò)。然而，當(dāng)設(shè)備的數(shù)量和距離增加時(shí)，這就變得非常昂貴和煩重。最簡單網(wǎng)絡(luò)使用一條現(xiàn)場總線將這一切連接起來，減少了接線數(shù)量，也使配置PLC變得更加容易。
即使是建立一個(gè)相對較小的網(wǎng)絡(luò)，你也必須弄清楚你要連接的設(shè)備的類型。這決定了你的網(wǎng)絡(luò)將要處理多少數(shù)據(jù):
■小數(shù)據(jù)項(xiàng)，例如，限位開關(guān)、光電池、接近傳感器等，是1位設(shè)備并要求簡單的比特?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)；
■中等數(shù)據(jù)項(xiàng)，例如，智能設(shè)備，智能儀器，變頻驅(qū)動，小循環(huán)控制器等，將需要更加復(fù)雜的現(xiàn)場總線技術(shù)；
■大數(shù)據(jù)項(xiàng)，例如，機(jī)器人、人機(jī)接口、大循環(huán)控制器等，將需要復(fù)雜的現(xiàn)場總線技術(shù)或以太網(wǎng)。
每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理速度乘設(shè)備的數(shù)量就得到了此工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘亢途W(wǎng)絡(luò)需要的速度。如果你有足夠的1位設(shè)備，容量需求就能達(dá)到較復(fù)雜儀器的級別。
“網(wǎng)絡(luò)支持什么類型和容量的I/O呢？”Prism Systems公司的系統(tǒng)集成師Mike Darnell問道：“例如，一個(gè)造紙廠在他們?nèi)粘５慕?jīng)營過程中移動大約5000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的操作是正常的。以太網(wǎng)有時(shí)被低端I/O端口辦所排擠，以太網(wǎng)設(shè)備僅限于低端市場，但它實(shí)際上是大型應(yīng)用的完美解決方案。高端市場用戶對以太網(wǎng)技術(shù)的理解逐漸加深，通常認(rèn)為它的專用性比現(xiàn)場總線平臺要低。”
對于那些已經(jīng)開始使用網(wǎng)絡(luò)的人們而言，需要考慮的是網(wǎng)絡(luò)在未來的3～5年會發(fā)生怎樣的變化。Phoenix Contact的自動化產(chǎn)品經(jīng)理，Larry Komarek建議道：“你將會使用大量同一類型的設(shè)備嗎？或者你是否已經(jīng)看到了每個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)量增加的需求? 當(dāng)你在添加智能設(shè)備，或者是在添加具有診斷或分析狀態(tài)信息功能的數(shù)字設(shè)備時(shí)，這些設(shè)備的數(shù)據(jù)量會相應(yīng)地上升。如果情況屬實(shí)，那么只是現(xiàn)在投資和以后投資的區(qū)別而已。如果你現(xiàn)在想節(jié)省資金，仍然使用原有的現(xiàn)場總線，請想一想你工廠的變化速度，如果你已經(jīng)苦于系統(tǒng)的可擴(kuò)展性低，那么你是否有時(shí)間去更換它？如果你的經(jīng)營決斷是由于考慮到節(jié)省成本而不引入以太網(wǎng)平臺，那么請確保你考慮到了日后引入以太網(wǎng)平臺的花費(fèi)以及改造時(shí)間等因素。”
PLC層上的變化
一旦網(wǎng)絡(luò)不僅僅局限在PLC層面，項(xiàng)目范疇講極大擴(kuò)展，并且變得更加開放。PLC需要互相通信，例如，與人機(jī)接口通信，為歷史數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)，將信息上傳給工程師、企業(yè)級用戶、IT網(wǎng)絡(luò)等。這些應(yīng)用使得網(wǎng)絡(luò)本身發(fā)生了顯著的改變，使PLC層上下的狀況完全不同。一些復(fù)雜的現(xiàn)場總線平臺支持PLC對等通信，而PLC與企業(yè)層的通信就需要以太網(wǎng)技術(shù)了。
隨著工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的傳輸率以兩位數(shù)速率增加，它的用途也有了很快的增長。至少有10個(gè)不同的平臺在競爭，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。他們中的一些是專用平臺，大多數(shù)則是與大生產(chǎn)商聯(lián)系在一起，雖然他們都宣稱其產(chǎn)品是開放式體系結(jié)構(gòu)的。
目前，以太網(wǎng)將PLC、智能傳感器、遠(yuǎn)程I/O模塊、HMI互聯(lián)并與上層系統(tǒng)相連，如IT和ERP網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS行業(yè)組織副主官Carl Henning建議道：“使用合適的工具做合適的工作。似乎需要一系列的網(wǎng)絡(luò)體系將來完成同一個(gè)項(xiàng)目。尋找一個(gè)合適的平臺，不要使用IT網(wǎng)絡(luò)來連接限位開關(guān)！如果我是負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目的工程師，我會先檢查設(shè)備的數(shù)量和他們的復(fù)雜性。我將考慮這個(gè)平臺與生產(chǎn)系統(tǒng)集成的要求。一個(gè)優(yōu)秀的工程決斷是不可替代的。”
Moxa Technologies的國際工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品銷售經(jīng)理Eddie Lee，看到了以太網(wǎng)技術(shù)正在向各行各業(yè)擴(kuò)展。他指出：“今天以太網(wǎng)已經(jīng)在沃爾碼超市的條形碼掃描器上發(fā)揮了很大的作用。這是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在商業(yè)成功的案例。而同等技術(shù)正在更加廣泛地向制造業(yè)滲透。可能我看得比較遠(yuǎn)，但它的確要來臨。” 兩個(gè)案例
樂觀的改變
一個(gè)煙草加工廠使用一套機(jī)器設(shè)備和熟練的操作員的組合來制造各種各樣的雪茄和其它產(chǎn)品。當(dāng)過去工廠設(shè)施還沒實(shí)現(xiàn)自動化的時(shí)候，管理層認(rèn)識到工廠還有潛在的節(jié)約成本的辦法以及可以使用更高效的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來提高生產(chǎn)效率。阿拉巴馬州使用Prism移動系統(tǒng)來將一個(gè)都是自動化性能不完全的老設(shè)備進(jìn)行整合。最后，系統(tǒng)用二個(gè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)和以太網(wǎng)把21個(gè)PLC，61個(gè)RFID、223傳動機(jī)驅(qū)動、7個(gè)HMI控制臺和不計(jì)其數(shù)的老的設(shè)備聯(lián)系在一起。
“有了這個(gè)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們的顧客現(xiàn)在就可以實(shí)時(shí)地得到實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，”Prism系統(tǒng)公司總裁Keith Jones說道“最終的結(jié)果既為工廠經(jīng)營者提高了效益，也為消費(fèi)者提供了一個(gè)高質(zhì)量的產(chǎn)品。”
仍需要維持
Hytrol是北美最大的標(biāo)準(zhǔn)客戶輸送機(jī)的供應(yīng)商之一，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品品種繁多，小到一些簡單的桿式輸送機(jī)，大到高速滑塊式包件分揀機(jī)，這些產(chǎn)品應(yīng)用在各個(gè)配送中心的大型船用廠和大型集裝箱零售商，這些分揀機(jī)最基本的需求是有很好的網(wǎng)絡(luò)性能。一個(gè)完整的單元長500~600英尺并且具有1000個(gè)I/O端口，運(yùn)行速度可達(dá)到700fpm。一個(gè)離散I/O設(shè)備大致包括如下幾個(gè)部分：接近開關(guān)、光電監(jiān)測器、編碼器、條型碼掃描器、身份驗(yàn)證器等等。令人驚奇的是，在任何一個(gè)時(shí)刻，大量的信息量都可以隨時(shí)讀入處理器。所有的I/O口每3~4ms更新一次。
這就對PLC的速度提出了很高的要求，同時(shí)也取決于該網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。“大量的I/O口高速遠(yuǎn)距離地運(yùn)行是一種最糟糕的情況，因?yàn)榇罅康默F(xiàn)場總線和控制器無法得到處理。”控制專家Wendell Rogers說：“他們不是因?yàn)樗俣雀簧希褪欠较蛐圆粶?zhǔn)”，目前，Hytrol主要依靠具有快速接口的硬件集成I/O模塊來簡化大規(guī)模布線任務(wù)，公司一如既往地在試驗(yàn)新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以求得到更好的期望性能。
相對而言，小型的現(xiàn)場總線設(shè)施可以保持相對獨(dú)立，而以太網(wǎng)解決方案則存在黑客攻擊網(wǎng)絡(luò)這個(gè)潛在隱患。沒有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系是百分百安全的，但是有幾層可以阻擋非法用戶。這是另一個(gè)你需要慎重考慮的話題，有很多相關(guān)資料可以查閱。
做出明智的選擇
在花時(shí)間考慮選擇之前，最好是找出貴公司是否有下列特定的幾條：網(wǎng)絡(luò)平臺，優(yōu)先合作廠商，建立培訓(xùn)機(jī)制或者部件目錄。當(dāng)這些策略涉及到時(shí)間和金錢的投入時(shí)，他們就很難被忽視。同樣地，最好先決定你是要建立與你和你公司相對應(yīng)地特定的系統(tǒng)，還是只需要根據(jù)別的地方的經(jīng)驗(yàn)建立相似的系統(tǒng)就可以了。在這樣特殊的情況下，由于很多原因，你的選擇可能對你找到理想的解決方案產(chǎn)生很大的影響。
一旦你建立了你運(yùn)作
模式，接下來你就要開始著手于對你的現(xiàn)狀和需要作評估：
■網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該做的是什么？網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格意義上講就是一種節(jié)省連接I/O端點(diǎn)與PLC之間電纜的方式嗎，或者就是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偛棉k公室或國外嗎？
■你已有的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)是否需要互相通信和交互？除非你是新建一個(gè)工廠，不然，所有的機(jī)器或過程工藝，遺留的設(shè)備及系統(tǒng)就需要進(jìn)行整合。
■你需要確認(rèn)從上到下每個(gè)層面都可以獲得咨詢。你公司IT部門可能會需要這些的輸入數(shù)據(jù)，因?yàn)樗麄儗⑦B接入系統(tǒng)里。
■你集成網(wǎng)絡(luò)的安全性如何？
■這將是一個(gè)自主開發(fā)的項(xiàng)目，還是你將使用現(xiàn)成的集成系統(tǒng)？
■你是否預(yù)料到使用后的效果或者你是否考慮了日后的維護(hù)？
在看貴公司網(wǎng)絡(luò)建立的項(xiàng)目范圍內(nèi)的大型系統(tǒng)或工藝流程前，首先需要羅列實(shí)際使用的設(shè)備以及明確他們各自所起到的作用。由于單個(gè)設(shè)備的復(fù)雜性以及他們需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，所以他們需要被隔離開。
作為工程的一部分，你需要對確定網(wǎng)絡(luò)軟件的安全和控制功能作一個(gè)選擇。你不能只依靠現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)來自行幫你運(yùn)行工藝流程，管理工廠設(shè)備，列出維修日程表或生成生產(chǎn)報(bào)告。這些功能在運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)上都有。有很多可供選擇的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制軟件并且關(guān)于他們的評價(jià)也相當(dāng)之多。Control Engineering網(wǎng)站是繼續(xù)你深入研究的一個(gè)很好的平臺。 |
