以太网仪器

我们不时地看到工业自动化的一个巨大鸿沟，即将以太网连接扩展到PLC屏障之下。虽然将以太网扩展到PLC或DCS I/O块非常常见，但使用它连接到单个进程或离散传感设备的想法相对较少。但这种评估是否正在改变?

一些供应商看到的需求是基于厌倦了多平台的客户。罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)网络业务主管布莱恩•奥尔顿(Brian Oulton)表示:“用户最常见的需求是为设备中的所有设备实现一个网络。”“在评估设备级网络时，客户和仪器供应商经常会质疑和考虑许多属性，包括成本、在危险地区的使用、介质和拓扑的选择以及协议的健壮性。标准商业以太网的普及和数量，以及它在更广泛的工业应用领域的应用，极大地降低了将以太网/IP嵌入到仪器中的成本。现在，EtherNet/IP接近传统处理网络的成本水平，如基金会现场总线或Profibus PA。”

Profibus贸易组织副主任Carl Henning通常建议使用多种工具进行网络应用。以太网驱动的仪器会到来吗?他说:“随着使用量的增加，成本只会下降。”“将工业以太网应用于更多设备将变得更便宜，因此更加实用。您遇到的限制要么是环境方面的，比如需要本质上安全的仪器，要么是与以太网相关的开销太大。用它来承载一个比特的数据负载是毫无意义的。”

问题仍然存在，是否有足够多的客户需要以太网连接来激励仪器供应商生产它?虽然以太网网络和以太网供电(PoE)已经扩展到家庭、办公室和商业环境中的终端设备，但工业应用仍然很少。有几个主要的限制:

左图:数据集中器从多个现场设备收集信息，并通过一根以太网电缆发回。 右图:这个用于机器人应用的设备可以通过以太网传输数据，但实际上它是六季合一的。来源:ATI工业自动化。

带宽的过度-大多数过程传感器和离散传感器不输出大量数据，因此它们不需要以太网提供的那种带宽。“以太网的主要优势是速度快，可以快速传输大量数据，”摩尔工业公司(Moore Industries)技术总监查尔斯•拉尔森(Charles Larson)表示。“对于典型的过程传感器，如温度和压力变送器，数据变化不是那么快，以太网的速度优势有任何价值。与HART、基金会现场总线和Profibus等其他选项相比，以太网需要更快、更昂贵的微处理器来支持它。在没有中继器的情况下，电缆长度也限制在100米以内。”

额外的发射机成本-拥有这样的带宽需要比大多数处理设备所需的更复杂的电子设备，这使得发射机比客户愿意支付的价格更贵。也许现在的成本差异不像几年前那么大，但仍然有差距。

危险环境限制-限制进程应用的一个方面是以太网本质上不安全。更传统的现场总线平台，如基金会现场总线和Profibus PA更适合这些环境。

适当的DCS和PLC I/O硬件-典型的控制系统，无论是在离散应用程序还是过程应用程序中，都没有适合大量基于以太网的设备的I/O硬件。虽然大多数系统可以通过适当的I/O卡灵活地接受许多不同类型的输入信号，但当有数百甚至数千个现场设备时，几乎没有能力接受直接以太网输入。这无疑反映了需求的缺乏，而不是任何特定的技术限制，但这仍然是一个实际问题。

布线拓扑以太网连接到现场设备类似于传统的使用星型拓扑的模拟布线，这是与现场总线相比的缺点之一。然而，如果延迟不是一个严重的问题，一些平台允许向每个设备添加一个双端口以太网交换机，这有助于某种线性拓扑。

PoE的特点-从历史上看，PoE与工业设备不兼容，可用功率水平低于典型的现场总线产品。传统观点认为，产生足够多数据而需要以太网连接的设备，比如进程分析仪，通常也需要外部电源。可以在PoE上运行的设备通常不需要带宽。倍福制造了一个I/O结，它使用PoE用于通过EtherCAT通信的离散传感器。该结将设备的正常PoE电压转换为24 V，但最大设备功耗为350 mA，总可用功率为15.4 W。

坡的改进

PoE的改进正在进行中，包括即将到来的PoE+标准。IEEE 802.3 at仍是草案，但即将完成，将支持25.5 W甚至40w的功率水平。至少有一家公司——安森美半导体(ON Semiconductor)——认为该标准已经足够完善，并已开始生产支持设备，预计这些设备将与最终版本兼容。

虽然不用于供电，但有一些设备可以编译来自远程仪器和传感器集群的信息。一种常见的配置是I/O结，它从一组传统设备(如过程传感器)收集数据，并将数据发送回一根以太网电缆。例如，Moore Industries和Dataforth等公司生产远程I/O数据收集器，可以收集和处理来自远程设备的信息，并通过一根以太网电缆将数据发送回。但是这些并不能为使用PoE的设备供电。

尽管如此，还是有基于以太网的设备可用，特别是那些具有复杂输出的设备。流程应用中的分析仪就是一个常见的例子。在离散制造领域，用于机器人应用的力和扭矩测量设备(见图)等复杂传感器可以通过以太网输出，并在PoE上运行。该设备生成6个测量值(x、y和z轴的力和扭矩)，并通过Web界面进行配置。与典型的过程传感器相比，这可能相当于6个普通的压力变送器。

一些领域也在悄然发展。例如，一种传统上与硬连线模拟设备相关联的协议已经扩展到包括无线和很快的以太网。“HART通信基金会继续推动技术向前发展，”该基金会技术项目主管埃德·拉德(Ed Ladd)说。“我们正在扩展网关接口规范，以包括基于IP网络(TCP/UDP)的HART。这一下一步允许使用POE构建支持HART的设备，POE可以立即集成到HART系统中，并结合HART服务器技术。该标准的新增内容已经完成，但仍需得到会员的批准。”

目前，以太网可能还不是PLC级别以下的有力竞争者，但不要完全把它排除在外。

作者信息

彼得·韦兰德是过程工业编辑。联络他的地址是PWelander@cfemedia.com．

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