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博客:单对以太网 — 增强传感器和外围设备的云端访问能力

第 1 部分:SPE - 简介

单对以太网是一项新举措,可为每个传感器提供基于 IP 的网络,通过更细的布线、更小的插头和连接器以及更少的空间需求来实现增值。因此,通过将传感器直接集成到 IT 和云系统,它可以取代传感器和外围设备领域现有的众多现场总线。


没有什么比彻底改变我们的舒适区更能将数字化推向我们的日常生活之中了,例如:新冠疫情就是如此。突然之间,视频会议、在线会议和培训等部分用于专业商务事务的工具和方法成为了我们新常态的一部分。尽管对数字生态系统和服务的需求突然增加可以被称为一场革命,但制造业的数字化却需要更长的时间才能加速发展。经过几年的政府活动,该项目已取得进展,展示了概念验证的益处,并推动了标准的制定。然而,由于预测性维护和质量或智能机器人等商业模式需要传感器到云端的无缝通讯,这种愿望在网络基础设施方面仍面临一些差距。

单对以太网是一项新举措,可为每个传感器提供基于 IP 的网络,通过更细的布线、更小的插头和连接器以及更少的空间需求来实现增值。因此,通过将传感器直接集成到 IT 和云系统,它可以取代传感器和外围设备领域现有的众多现场总线。

赫优讯预计,流程行业将于 2021 年采用该技术。由于以太网基础设施,特别是 IO-Link 解决了当今数字化过程中的众多难题,预计离散行业将在 2025 年后跟进。

从赫优讯的角度来看,毫无疑问,长远来讲,SPE 将被采用并占据市场份额。我们的 netX 系列网络处理器提供了一个轻松采用 SPE 基础设施的机会,并建立了从现有网络基础设施到 SPE 的网关,以实现迁移路径。

该系列博文从赫优讯的角度讨论了单对以太网的现状和进展。

数字化的进展和益处

尽管被称为第四次工业革命,但制造业在 2011 年左右就已经开始进入数字化时代。这些举措的名称包括“工业 4.0 平台”、“工业互联网联盟”或“中国制造 2025”,目标是定位和资助利用数字化方法和技术全面提高生产设施性能的项目。多家全球咨询公司分析称这是“改变游戏规则,抓住万亿美元机遇”(埃森哲,2015 年)。

一种“新的工业范式”开始显现,“需要提高嵌入式系统的智能化程度,通过智能服务创造价值”,成功的关键因素是用于预测生产行动和流程透明度的先进分析技术(凯捷,2015 年)。麦肯锡也在 2015 年根据对 100 多家工业企业的采访进行了分析,得出了类似的结论:“颠覆性技术将实现制造业的数字化”,并列出了云端技术、高级分析、触控和下一代图形用户界面、虚拟现实和增强现实、先进机器人技术和增材制造等。在多家研究机构的基础上,他们总结出了如右图所示的价值驱动因素:

因此,人们的期望似乎很高,潜力也确实巨大,但尽管通过工业互联网联盟等推动了许多概念验证,如何实现智能生产系统从工厂车间到 IT 系统的垂直联网仍然是一个挑战。

如今,经过数年的研究和探索,我们对制造业数字化的需求和好处有了更加集中和普遍的认识。技术上,OPC UA 已成为帮助解决 IT 和 OT 领域之间垂直语义难题的最常用标准。业务方面,某些组织推动了一些举措,使各行业的生产系统实现增值,这与 2015 年的预测相似。赫优讯参与并推动了开放工业 4.0 联盟的项目和商业模式。

我们支持开放共享的生态系统,与庞大的合作伙伴网络合作,利用我们的 netFIELD 产品和服务,共同为客户创造价值。然而,将云端服务连接到传感器层面仍是一个挑战,而解决接入的一个机会就是拿出单对以太网。

工业网络

从 2000 年初开始,与这些数字化举措并行的是,工业领域采用工业以太网作为所有行业的主要通讯标准,逐步取代了以前的现场总线系统,例如:PROFIBUS、InterBus、CC-Link、Sercos 或 DeviceNet。为了满足工厂自动化相关行业(如汽车、包装或食品饮料)对更高带宽和确定性实时通讯的高要求,对以太网的多个变体进行了标准化。

以太网的不同标准由不同的自动化公司制定,对 MAC 和链路层的 OSI 层有不同程度的修改要求,以支持实时需求。有些协议基于传统的 TCP/IP 以太网系统,有些协议修改了第 3 层和第 4 层,有些协议需要修改数据链路层的硬件。最新的实时以太网系统“时间敏感网络(TSN)”正在由 IEEE 进行最终发布,目的是为通用硬件基础的第 1、2 和 3 层实时功能实现标准化。所有以太网变体都具有将工厂从办公室联网到车间的能力,并能提高整体生产性能、诊断能力和可用性。然而,以太网的复杂性和作为菊花链或交换网络的网络拓扑结构,限制了其在传感器和执行器等外围设备中的应用。现在,单对以太网 (SPE) 的标准化工作弥补了无缝以太网 IP 网络基础设施的这一空白。

基于单双绞线的以太网标准化始于汽车行业。在他们的车载网络中,现有的 CAN、MOST 或 FlexRay 等标准在布线和软件方面成本太高。因此,人们找到了一种通用标准,用以太网逐步取代这些标准。然而,标准以太网的布线工作量却相当大。Broadcom 通过 BroadR Reach 首次表明,简单的双绞线就足以在较短距离内传输高速数据。IEEE 在著名的 802.3 以太网标准下重新启动了标准化工作,并将范围扩大到工业和楼宇领域,以应对这些领域的类似挑战。事实上,上述工业领域的现场总线以及楼宇自动化领域的 LON、BACnet 或 Modbus 都是为每个传感器提供无缝 IP 网络的重点。

由于从传感器到云端的垂直整合是数字商业模式的主要基础,因此加强 IP 网络对传感器的好处极富吸引力:

  • 提高可见性、诊断和控制能力
  • 通过 OPC UA 的统一语义访问所有自动化设备
  • 独立于供应商的通用工具
  • 增强稳健性和可用性
  • 支持预测性质量和维护

现在,单对以太网通过更细的布线、占地面积更小的插头和连接器以及更少的空间需求来增加价值。因此,它可以取代传感器和外围设备领域现有的众多现场总线。然而,一个关键问题是如何在自动化的不同领域进行部署。

参考资料

埃森哲(2015 年),Purdy、Davarzani;“改变增长的游戏规则:工业物联网如何推动进步和繁荣”

凯捷(2015 年),Bechtold、Kern、Lauenstein、Bernhofer;“工业 4.0 — 凯捷观点 — 锐化图景,超越炒作”

相关链接

了解有关 SPE 的更多信息,请参阅 Niels Trapp 编写的白皮书!单击链接下载。

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关于 SPE 的系列博客第二部分:虽然将基于 IP 的网络延伸到传感器级别的想法显然是有益的,但问题是 SPE 如何能够部署到重点设备和装置中。

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