要減少材料消耗需要密切關(guān)注每個(gè)細(xì)節(jié)，具體地說(shuō)，就是要通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)精確監(jiān)控每一個(gè)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。速度更快的網(wǎng)絡(luò)能使制造商獲得更多利益。

塑料加工設(shè)備廠商 Husky Injection Molding Systems公司位于加拿大安大略省，公司首席技術(shù)官 Chris Choi 表示：“傳統(tǒng)系統(tǒng)的壓力曲線起伏很大，然而，通過(guò)縮短采樣時(shí)間可以使壓力跟蹤更接近于理想狀態(tài)。這樣，我們就能夠更精確地控制熔點(diǎn)，從而得到外壁更薄的塑料。”

縮短采樣時(shí)間的基礎(chǔ)是使用速度更快的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)。越來(lái)越多的公司將以太網(wǎng)作為唯一網(wǎng)絡(luò)，Husky 就是其中之一。雖然一些廠商認(rèn)為，現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線更適合輸入/輸出 (I/O) 設(shè)備級(jí)通訊，但同Choi一樣的工程師們卻認(rèn)為，以太網(wǎng)具有顯著優(yōu)勢(shì)。Choi 表示：“Profibus 和專有連接速度較慢。使用以太網(wǎng)則不會(huì)有任何延遲，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度更快。”

他解釋說(shuō)，速度是讓客戶節(jié)省資金、獲得更薄外壁并減少材料浪費(fèi)的關(guān)鍵。在5500 萬(wàn)個(gè)零件的大規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)行中，一件 22 克的產(chǎn)品若能減掉2克材料每年可節(jié)省 18 萬(wàn)美元。因此，Husky 在整個(gè)系統(tǒng)中采用了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù) EtherCat。Choi 認(rèn)為，只要能夠節(jié)約材料，客戶就會(huì)更加關(guān)注所采用的設(shè)備結(jié)構(gòu)。在環(huán)保意識(shí)普遍增強(qiáng)的時(shí)代，這將有助于贏得更多銷售訂單。

為 Husky 這樣的公司提供服務(wù)的設(shè)備設(shè)計(jì)人員確實(shí)需要考慮很多方面。在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)顯得十分關(guān)鍵，涉及到性能與成本。雖然改善以太網(wǎng)速度可能看上去不起眼，但意義重大。

Beckhoff Automation LLC位于明尼蘇達(dá)州 Burnsville 市，總裁 Graham Harris 表示：“EtherCat 的帶寬非常重要。如果要進(jìn)行檢測(cè)和執(zhí)行，使用速度更快的網(wǎng)絡(luò)來(lái)接收或發(fā)送信號(hào)，在不改變其他方面的情況下，速度可以獲得2%到5%的提升。”每天數(shù)千次活動(dòng)中節(jié)省幾微秒，累計(jì)起來(lái)就會(huì)取得明顯改善。”

布線更加方便

工業(yè)用戶將以太網(wǎng)延伸至系統(tǒng)底層的原因之一是希望簡(jiǎn)化布線。在所有層級(jí)上采用同一種傳輸介質(zhì)可降低復(fù)雜性，并為安裝人員提供更多便利。與此同時(shí)，很多用戶發(fā)現(xiàn)這種方式還可節(jié)約資金。

很多以太網(wǎng)的支持者表示，與家庭和辦公室中采用的以太網(wǎng)布線相比，廣泛應(yīng)用的 DeviceNet、Profibus 或?qū)Ｓ貌季€方案有很多規(guī)則與要求。Harris 說(shuō)：“以太網(wǎng)解決了采用傳統(tǒng)技術(shù)的布線問(wèn)題。用戶可以在很少的規(guī)則內(nèi)布置 Cat5（5 類）電纜。”

與現(xiàn)有方案相比，以太網(wǎng)電纜連接極為方便，故障排除容易。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榻泳€是非常耗時(shí)的工作。Mayfield Heights 的供應(yīng)商 Rockwell Automation Inc. 公司位于俄亥俄州，公司NetLinx 產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理 Mike Hannah 表示：“使用硬線連接時(shí)。而每個(gè)連接都會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，還要進(jìn)行接線檢查。”

簡(jiǎn)易性對(duì) Husky 來(lái)說(shuō)十分重要。成本降低則是附加價(jià)值。Choi 說(shuō)：“我們?cè)诿總€(gè)地方都使用相同的電纜。與其它方案相比，成本會(huì)顯著降低。”

盡管工業(yè)應(yīng)用中使用的電纜和連接器通常都非常堅(jiān)固耐用，但由于采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的用量巨大，因此，平均下來(lái)，工業(yè)用以太網(wǎng)電纜的價(jià)格可達(dá)其它電纜的四分之一。以太網(wǎng)連接器的成本也會(huì)顯著降低。Harris 說(shuō)，Hoffman Estates 的供應(yīng)商 Bosch Rexroth 公司位于伊利諾伊州，公司自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理 Ted Thayer 表示：“DeviceNet 、Profibus 電纜/連接器、CC-Link 電纜，以及用于這些網(wǎng)絡(luò)的附件（如 Profibus 交換機(jī)和 CC-Link 無(wú)線發(fā)射器）的價(jià)格非常高。”

以太網(wǎng)電纜十分普遍，并且無(wú)需針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線提供不同電纜和連接器，因此能夠降低成本。雖然工業(yè)電纜與普通電纜有顯著差異，但倘若發(fā)生以太網(wǎng)電纜斷線，而技術(shù)人員的工具箱中沒(méi)有類似規(guī)格的電纜，可在緊要關(guān)頭使用普通電纜來(lái)代替。

“如果電纜發(fā)生斷線，可以到商店購(gòu)買一根堅(jiān)固耐用的替代電纜。”位于明尼蘇達(dá)州普利茅斯市的自動(dòng)化設(shè)備廠商 Turck Inc. 的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理 Karie Daudt 說(shuō)。這些通用電纜應(yīng)盡快升級(jí)為堅(jiān)固耐用的電纜。

然而，并非所有應(yīng)用都需要價(jià)格昂貴的工業(yè)級(jí)電纜。對(duì)于電子噪聲不高或溫度適中的應(yīng)用環(huán)境，使用普通電纜就可以。“你可以使用高品質(zhì)的以太網(wǎng)電纜。”位于加利福尼亞 Roswell 的供應(yīng)商 B&R 工業(yè)自動(dòng)化 公司的產(chǎn)品經(jīng)理 Stephan Stricker 說(shuō)。

以太網(wǎng)的支持者承認(rèn)，雖然以太網(wǎng)有時(shí)可以降低成本和復(fù)雜性，但比簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)總線成本高。如果把類似于傳感器這樣的簡(jiǎn)易部件連接到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，則有很多其他替代方案可能比以太網(wǎng)成本更低。

“在傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)層面，以太網(wǎng)的成本可能會(huì)高一點(diǎn)，并且許多組件尚不能用于以太網(wǎng)。”Rockwell 的 Hannah 說(shuō)。很多設(shè)備制造商正在通過(guò)提供橋接設(shè)備來(lái)解決這一問(wèn)題，橋接設(shè)備兩端分別與現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)相連。

“橋接模塊可將現(xiàn)場(chǎng)總線用于這些組件。使用橋接設(shè)備時(shí)，仍然與以太網(wǎng)相連，便于獲取報(bào)警和診斷數(shù)據(jù)。”Hannah 補(bǔ)充說(shuō)。

橋接設(shè)備的使用能夠減少以太網(wǎng)用于 I/O 級(jí)設(shè)備的成本。同時(shí)，網(wǎng)管型交換機(jī)的減少也可以大大節(jié)約成本。雖然很多設(shè)備級(jí)電纜與以太網(wǎng)電纜相比更加昂貴，但綜合其他便宜的電纜，在財(cái)務(wù)上來(lái)說(shuō)這種替代方案更加可行。

橋路的建立

通過(guò)使用橋接設(shè)備，工廠管理人員還可利用每種技術(shù)價(jià)值。以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠傳輸相對(duì)較大的數(shù)據(jù)包，但對(duì)于處理傳感器級(jí)數(shù)據(jù)并不十分有效。因此，DeviceNet 和 Profibus 等現(xiàn)場(chǎng)總線仍是可行的解決方案，尤其對(duì)于已采用這些現(xiàn)場(chǎng)總線的工廠來(lái)說(shuō)。

執(zhí)行-傳感器接口 (AS- Interface) 等其它設(shè)備級(jí)總線在面向涉及傳感器和執(zhí)行的現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，具有較高速度和抗干擾性。但是，這些總線不適合傳輸較大的數(shù)據(jù)塊。用戶也可以在 AS-Interface 上連接任何類型的安全設(shè)備。

位于俄亥俄州 Twinsburg 的廠商 Pepperl+Fuchs Inc. 的智能系統(tǒng)組經(jīng)理 Helge Hornis 表示：“只有對(duì)高性能有一定需求，且系統(tǒng)輸入和/或輸出極少的情況下，必須采用以太網(wǎng)系統(tǒng)，I/O 級(jí)以太網(wǎng)應(yīng)用才有意義。”

他說(shuō)，當(dāng)機(jī)器達(dá)到大約 40 個(gè)傳感器和 10 至 20 個(gè)輸出時(shí)，就應(yīng)對(duì) AS-Interface 進(jìn)行評(píng)估。AS-Interface 或替代方案如能很好地應(yīng)對(duì)這些需求，橋接方案就會(huì)更好地發(fā)揮作用。

Hornis 表示：“將以太網(wǎng)與輔助的底層線路解決方案（特別是 AS-Interface）相結(jié)合會(huì)非常有優(yōu)勢(shì)，融合了二者的優(yōu)點(diǎn)，并完全克服了各自的缺點(diǎn)。”。

AS-Interface 和現(xiàn)場(chǎng)總線并不是將以太網(wǎng)向設(shè)備級(jí)延伸的唯一方案。IO-Link 是新出現(xiàn)的替代方案。Profibus 國(guó)際組織負(fù)責(zé)制定的標(biāo)準(zhǔn)得到了很多廠商的支持。在某些大型行業(yè)展會(huì)上，西門(mén)子重點(diǎn)介紹 IO-Link。Balluff 最近也擴(kuò)大了其 IO-Link 擴(kuò)展模塊產(chǎn)品線，產(chǎn)品可直接連接到 Profibus 或 Profinet 網(wǎng)絡(luò)。

該接口用于單獨(dú)連接諸如傳感器和執(zhí)行等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。雖然總體上與 AS-Interface 相同，但它們能分別滿足不同領(lǐng)域的需要。位于亞利桑那州 Scottsdale 的 Profibus 貿(mào)易組織的副主席Carl Henning 表示：“AS-Interface 大部分是一位總線。IO-Link 用于更多智能的設(shè)備，例如色彩傳感器。”

大多數(shù)工程師表示，選擇何種架構(gòu)并沒(méi)有固定的方法。工廠管理人員需根據(jù)系統(tǒng)要求、設(shè)備成本和可用性來(lái)決定其 I/O 設(shè)備應(yīng)使用的總線類型。Turck 的 Daudt 說(shuō)：“以太網(wǎng)的遷移十分昂貴。所以必須權(quán)衡其利弊；這不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。”

多種途徑

單一網(wǎng)絡(luò)的支持者認(rèn)為，將以太網(wǎng)擴(kuò)展到 I/O 層設(shè)備會(huì)獲得很多好處。很多供應(yīng)商表示，以太網(wǎng)與其他技術(shù)一樣，也面臨權(quán)衡取舍。以太網(wǎng)相關(guān)的周邊設(shè)備成本升高并不影響最終獲得的收益。“雖然耦合器貴一些，但它效果良好。所帶來(lái)的靈活性的價(jià)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額外的成本。”Stricker 說(shuō)。大多數(shù)評(píng)論員都同意，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)便于隨著需求的變化而擴(kuò)展。有必要時(shí)需添加附加子網(wǎng)，但擴(kuò)展相當(dāng)簡(jiǎn)單。

以太網(wǎng)的主要優(yōu)勢(shì)在于，在發(fā)生不可避免的問(wèn)題時(shí)，無(wú)論是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展還是維修，可供使用的工具和技能非常多。Stricker 說(shuō)：“用于以太網(wǎng)的調(diào)試工具有很多。你可以使用這些工具和一臺(tái)普通PC（個(gè)人電腦）對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試，而無(wú)需使用專門(mén)工具。”

雖然有些大型工廠可能會(huì)將多個(gè)以太網(wǎng)系統(tǒng)連接在一起，但只要具有足夠的帶寬，以太網(wǎng)可減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)量。通常采用專用通訊方案的安全和運(yùn)動(dòng)功能也可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行處理。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，“如果將運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品或安全網(wǎng)絡(luò)置于以太網(wǎng)上，可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而完全省去了專用的運(yùn)動(dòng)和安全網(wǎng)絡(luò)。”Harris 說(shuō)。

廠商會(huì)研發(fā)出降低復(fù)雜性和成本的新方法。在聯(lián)網(wǎng)時(shí)，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可滿足工業(yè)領(lǐng)域的廣泛要求。這些結(jié)構(gòu)會(huì)繼續(xù)演變下去。

ODVA Inc.（以前稱為 Open DeviceNet Vendor Association）去年完成了稱為設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng) (DLR) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)文件。這種總線型方案允許多端口以太網(wǎng)設(shè)備在環(huán)網(wǎng)拓?fù)渲羞\(yùn)行，簡(jiǎn)化了布局，降低了成本，同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)斷線并在其周圍重新配置通訊來(lái)延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間。Hannah 表示：“通過(guò) DLR，客戶無(wú)需為了進(jìn)入設(shè)備級(jí)而購(gòu)買多臺(tái)交換機(jī)。它們可以形成一個(gè)總線型菊花鏈。這并不新鮮，通過(guò)使用設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)，將擁有一個(gè)環(huán)網(wǎng)主站，它可以識(shí)別電纜斷線并以其它方式對(duì)通訊進(jìn)行尋址，從而最大限度縮短停機(jī)時(shí)間。”

常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可根據(jù)用戶要求來(lái)定制。在某些應(yīng)用中，供應(yīng)商會(huì)建議使用帶有中央交換機(jī)的星型拓?fù)?，周圍是在其控制下運(yùn)行的設(shè)備。這樣可節(jié)省大量布線。Stricker 表示：“通過(guò)以太網(wǎng)，可讓一臺(tái)機(jī)器成為中樞，周圍設(shè)備直接與中樞相連。比需要往返布線的網(wǎng)絡(luò)要方便得多。”

這可能是某些環(huán)境中最有效的方法。但在其他環(huán)境中，星型拓?fù)鋭t不一定適宜。公司可使用多端口設(shè)備來(lái)構(gòu)建很長(zhǎng)的設(shè)備鏈。Henning 表示：“人們?cè)诎惭b帶有兩個(gè)端口的交換機(jī)時(shí)，可使用線型拓?fù)鋪?lái)代替星型拓?fù)?。星型拓?fù)湓诠S的運(yùn)行狀況不如在辦公環(huán)境中那樣良好。如果使用中央交換機(jī)，則需要向每臺(tái)設(shè)備連接一條單獨(dú)的電纜。”

在工廠車間內(nèi)，無(wú)論采用哪種架構(gòu)，以太網(wǎng)比現(xiàn)場(chǎng)總線的遠(yuǎn)程訪問(wèn)效果要好得多。在整個(gè)工廠內(nèi)使用以太網(wǎng)，操作人員無(wú)論是在家還是其他任何地方，都可與特定設(shè)備上的執(zhí)行直接通訊。

位于加利福尼亞 Alpharetta 的廠商 Siemens Energy & Automation Inc.（西門(mén)子能源與自動(dòng)化公司）的網(wǎng)絡(luò)顧問(wèn) Jansons 表示：“如果在 I/O 級(jí)擁有以太網(wǎng)，就可以更好地訪問(wèn)診斷與報(bào)警信息。這意味著，在發(fā)送報(bào)警時(shí)可進(jìn)行遠(yuǎn)程糾錯(cuò)。”