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菲尼克斯電氣:全力推進工業以太網 實現“一網到底”

未知 2019-07-20 10:53

  菲尼克斯電氣(PHOENIXCONTACT)曾經發明了世界上第一條現場總線。而今的她基于主流工業現場總線/工業以太網技術的各種創新産品正是其極具市場競争力的核心産品系列之一。對于高性能工業網絡的發展趨勢,來自菲尼克斯電氣的專家會持有什麼樣的觀點呢?不久前,菲尼克斯(中國)投資有限公司CIS事業部自動化市場經理趙春風在接受記者的相關采訪中,圍繞此話題做出了頗為完整的闡述和解讀。

萬兆級工業交換機有可能出現嗎?

  作為工業以太網的關鍵性網絡産品之一,工業以太網交換機的推陳出新與工業以太網技術的發展一樣迅猛,而菲尼克斯電氣的工業以太網交換機在業界具有良好的聲譽。如果站在工業以太網交換機的快速發展形勢上,去讨論最強性能,那未來會不會有萬兆級别的工業交換機的出現可能呢?(所謂萬兆交換機,有的稱為10千兆、或者10G交換機(1G=1000Mbyte/s)的叫法,其關鍵性指标為交換機的帶寬,即數據傳輸速率控制工程網版權所有,是指其總的數據交換能力,以字節/秒為單位。)

  我認為會用到的。趙春風經理肯定地回答。究其理由,他說:現在的工業以太網已經較原先有所不同,基于早先的工業以太網,大家隻是看到管理層跟控制層之間通過以太網相互傳輸數據,而今的以太網從技術上已經深入到了現場層,也就是我們常說的一網到底的概念。為什麼原來不能達到的效果現在能做到了呢?這主要是因為早先的工業以太網中的沖突檢測機制保證不了以太網的實時性,這在現場層是個關鍵性指标。

  趙經理說,但是現在這個難題已經被解決了,特别是現在先進的高性能網絡響應時間已可做到低于1毫秒,這完全可以适用于現場層的各種具體需求了。

  據趙春風介紹:如果要全力推進工業以太網,實現一網到底,那麼一網到底之後的衍生結果就是網絡的數據量會随之增大,甚至激增。因為傳統以太網技術可承載的應用本身就非常豐富,現在工業中提出的新的鮮明需求,那就是用戶希望把原來很多的視頻監控信号、音頻信号等等,都集成到同一個網絡中去,而這個網絡必然是兼具高性能、開放、技術成熟等多種優勢的工業以太網莫屬。然而,一旦多種應用并入單一網絡,尤其是面對較高清晰度的實時視頻數據流傳輸時,在網絡拓撲中,10M或者100M的主幹網肯定就無法勝任了,甚至千兆的主幹網都可能存在不能完全滿足特定需求的問題。現在基于千兆以太網網的解決辦法叫鍊路聚合,即我們把4個1G帶寬的網絡端口并聯起來,行成4G的帶寬,從而解決帶寬的問題。

  網絡中數據量的大小,取決于網絡上需要連接着什麼樣的應用,比如目前的越來越多的用戶需要将工業控制網絡向上連接到企業的MES系統、ERP系統,它的數據量是比較大的。特别是我們遇到有客戶希望把現場層的那些視頻監控信号、音頻信号集成到單一網絡中,這樣各種數據在同一種介質中傳輸,構架組建簡單、維護方便,而且由于以太網所特有的開放性,對于用戶各種擴展性的需求,可以很容易地集成,這樣一來,對于帶寬要求自然越來越高。如果現在我們以發展的眼光看待這個問題,對于萬兆帶寬的工業以太網絡是否有應用市場這個問題,答案一定是肯定的!剩下的隻是時間問題而已。趙經理告訴記者。

高速響應I/O确保工藝實時性需求

  工業交換機的帶寬增加了,也是就單位時間數據吞吐量增加了,那這種高帶寬工業以太網系統的表現就可突破瓶頸,從而高枕無憂了嗎?不一定,也許我們還要考慮控制網絡系統中的其它相關細節,比如I/O。I/O模塊的響應速度也是保障現場設備實時性控制需求的關鍵因素之一,對此趙春風經理解釋說:這是因為現在用戶端的設備速度越來越快。設備的速度快了,整條生産線的生産節拍就快了。在自動化的生産線上,執行機構的運動執行速度快,相應的控制信号響應起來也要加快。這是需要變化的一個方面,另外一個方面,采樣速度也在加快,因為監控設備進行信号采樣時,根據香農(Shannon)采樣定律(又稱奈奎斯特(Nyquist)定律),采樣信号頻率低于所分析信号的最高頻率的兩倍時,就會引起頻率混淆現象,造成信号的失真。有效的解決辦法之一就是提高采樣頻率,使采樣頻率大于兩倍的分析信号最高頻率,就可以實現對信号的完全重構。然而,很多機械設備本身就是高速設備,如印刷設備,某些電子設備,或電子芯片制造設備,這樣的結果就是采樣頻率要在快上加快,高速響應給I/O模塊提出了更高的要求,和更大的挑戰。

  據趙經理介紹:菲尼克斯電氣開發了一款目前世界上最快的I/0系統AxioLine實時I/O系統。它的最大特點就是基于PROFINET/PROFINET-IRT技術,實現高速的實時響應。 人眨一下眼睛需要300毫秒左右,1秒鐘内可以連續眨三下眼睛,然而,當人眼眨一下時,菲尼克斯電氣公司的AxiolineI/O系統已完成了對30萬個采樣信号的掃描。

網絡安全新形勢

  新技術的推廣應用帶給人們新的機遇,也伴随着新的挑戰,工業網絡技術的發展與推廣也遵循這個規律。随着工業以太網應用的普及,很多從來沒有過的先進優勢都逐步體現出來了,但是相關的新問題也随之浮現,其中必須重視的就是網絡的信息安全問題。國外已經出現了黑客通過外網入侵控制網絡的個案,黑客通過遠程控制對生産設備管理造成破壞、或混亂,潛在的損失可能非常巨大。

  對此,趙春風告訴記者:現在我們跟有些國内的專家也在對此進行探讨,以前工業網相絡對比較封閉,沒有引起太多人的關注,但是現在的情況就不同了,工業網絡越來越開放控制工程網版權所有,越來越普及。我們可以通過互聯網,輕松地完成遠程監控、設備維護、數據浏覽、上傳下載,乃至遠程操作的任務。在工作日益顯得高效、且輕松惬意的同時,所有的工廠底層數據信息也被暴露在互聯網的網絡上了,這應該說是一個潛在的安全危機。在工業以太網上增加硬件防火牆對控制網絡的登錄、底層數據的加密、非授權數據訪問的防護、應用操作進行權限分級管理應該是目前有效的辦法,菲尼克斯的Mguard系列工業網絡防火牆産品在多個行業上成功應用,确保了工業網絡的安全。此外Mguard産品通過VPN等技術,可以很方便地實現遠程監控和系統維護等應用。

  然而,随着工業以太網的普及,越來越多人會了解工業網絡安全、乃至重視它。以太網的協議機制決定了它是非常透明化的。我們不能避免有不法分子、或好事之徒想方設法想利用非法手段入侵到工業以太網的内網中。對此的應對之法,我想:除了技術上解決方案的不斷豐富,企業對于這方面的保護意識的提高,也是至關重要的。由此我們可以認為,工業網絡信息安全問題已不僅僅是個技術層面的話題。

無線技術快速、全面發展

  現在工業的無線網絡技術越來越得到大家的使用和認可,趙春風經理對此也很有感觸。據他介紹,菲尼克斯電氣可以提供的無線技術解決方案非常多,而總體上體現在四個技術面:WLAN、藍牙(Bluetooth),和一種名為TrustedWireless菲尼克斯電氣自主知識産權的無線技術,還有就是GSM/GPRS乃至目前的3G無線通訊技術,也就是我們平常說的手機上網的技術。對于無線網絡技術,趙經理的觀點是:不同的無線技術各具特色,其優勢的應用領域也不盡相同。

  首先,從菲尼克斯電氣的無線技術應用業績來看,老牌的藍牙(Bluetooth)技術市場應用需求仍是在不斷擴大的。趙經理總結藍牙技術的優勢特點在于:它的每一個通道占用的頻段帶寬比較少,響應速度可以滿足工業現場的I/O掃描速度,因為它傳輸48bit的數據,響應時間隻需10個毫秒,就是掃描48個輸入,或者輸出點,隻有10毫秒就夠了,這是非常快的,對于現場的大多數I/O信号來說是足夠的。趙春風經理認為:我覺得藍牙技術最适用的應用場合就是機械設備,因為在機械設備上的信号采集及傳輸量需求不是非常大,也不占用很大的帶寬,而藍牙的響應速度是足以保證機械設備完成指定執行動作的。

  在面向下一代的無線以太網的産品中,菲尼克斯電氣将在2012年提供支持IEEE802.11.n技術的新型無線以太網産品,對此通訊标準的支持,就意味着菲尼克斯電氣可以為工業用戶提供300Mbyte/s帶寬的工業級無線數據網絡産品了。

  另外,如果工廠企業要實現基于無線技術的遠程監控和維護功能,趙春風經理認為:此時若采用2G的GSM/GPRS技術,就會因為帶寬小,反應速度顯得非常慢;而若改用3G技術則這個問題就迎刃而解。另外趙春風經理還特别指出一個名為TrustedWireless的技術,這個菲尼克斯電氣自主知識産權的專有無線數據傳輸技術非常值得推薦,其特點是設備靈敏度高,無線信号傳輸距離很遠,可達10公裡以上,适合傳輸一些簡單的I/O信号,非常适用于長距離、大範圍的無線設備監控。據趙經理稱,菲尼克斯電氣在國内有很多這樣的應用案例,比如在山上的有若幹個水泵監控信号要傳遞到山下附近幾公裡的地方,采用這個技術傳輸效果非常理想。

  趙經理還透露,工業級的無線以太網系列産品,除了可以達到IP65防護等級,是一個很能體現産品品質保障的指标外,有些不明顯的特性在實際環境條件下,作用同樣顯得至關重要,比如快速漫遊特性。當無線接收終端處于移動狀态時,如與其通訊的WLAN基站信号不好時(信号強度低于某一設定閥值時),接收終端會自動切換到能搜索到的另外一台,處于同一網絡的WLAN基站的信号上,這就是所謂漫遊技術。普通的漫遊速度在50-500毫秒之間,而菲尼克斯電氣的WLAN産品快速漫遊能做到10毫秒-50毫秒的超快速切換,用于滿足更為嚴格的工業需求。

  值得一提的還有多級橋接技術提高無線網絡覆蓋距離和範圍。就菲尼克斯電氣目前所能提供技術和産品而言,可以做到多達8級的無線設備橋接,可令無線網絡覆蓋範圍更加寬廣,并确保應用環境信号不互相幹擾。

  綜上所述,帶寬更寬,響應更快,信息安全問題開始突顯,無線技術快速發展,這正是菲尼克斯(中國)投資有限公司的EIT部自動化市場經理趙春風先生對高性能工業控制網絡發展前景的描述。正如趙經理所言,需求是驅動技術發展的最大動力,很有可能,我們很快就能看到更多前瞻性應用的優異表現,以及更進一步的技術演進了。

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