Почему промышленный Ethernet — верный выбор для сетей автоматизации ПЛК

В этой статье представлен тщательный анализ трех основных подходов к построению сетей ПЛК: традиционная универсальная последовательная связь, закрытые фирменные полевые шины и открытый высокоскоростной промышленный Ethernet.

Сетевые ПЛК

По мере углубления промышленной автоматизации, автономные ПЛК модель больше не является достаточной для удовлетворения требований производственных процессов предприятия.

Стабильная и эффективная сеть взаимодействия имеет решающее значение, будь то для синхронизации данных между ПЛК или для совместной работы между ПЛК и хост-системами (например, ЧМИ и SCADA), а также умные гаджеты (такие как робототехника и переменная регулярность диски).

Надежный вариант сетевого взаимодействия особенно важен при решении масштабных задач с рассредоточенными точками управления и необходимостью удаленной эксплуатации и обслуживания.

В настоящее время основные инновации в области сетей PLC можно разделить на три основные группы: основанные на стандартных последовательных портах, фирменных полевых шинах и стандартном промышленном Ethernet. Каждая стратегия имеет свой исторический контекст и сферы применения, однако направление технического развития практически очевидно.

1. Ограничения стандартной последовательной связи

Связь, основанная на стандартных последовательных портах, таких как RS-232 или RS-485, была одним из самых ранних сетевых подходов. Она связывает несколько ПЛК с хост-компьютерной системой через компонент последовательной связи ПЛК, работая аналогично компьютерному соединению.

Преимущества: Он прост в реализации и недорог, что делает его экономически эффективным средством для двухточечных или небольших систем управления на коротких расстояниях.

НедостаткиНедостатки этого подхода очевидны. Во-первых, он обеспечивает низкую скорость; скорость RS-232 обычно ниже 115,2 кбит/с, и хотя RS-485 немного быстрее, этого явно недостаточно для удовлетворения огромных потребностей в передаче информации в современном секторе. Во-вторых, дальность передачи данных невелика: эффективная дальность RS-232 составляет всего около 15 метров. Наконец, он обладает слабой помехоустойчивостью и сложной организацией сети, особенно с увеличением количества узлов. Это требует громоздких программ и настроек, а также делает сеть подверженной электромагнитным помехам в промышленных условиях.

В результате универсальная последовательная связь в настоящее время в основном используется для подключения простых вспомогательных устройств с низкими требованиями к работе в режиме реального времени.

2. Барьеры со стороны поставщиков: эпоха фирменных полевых шин

Чтобы избавиться от недостатков последовательной связи, крупные производители ПЛК, такие как Siemens и Rockwell Automation, внедрили собственные эксклюзивные процедуры полевой шины, такие как PROFIBUS, DeviceNet и CC-Link.

ПреимуществаРазработанные для определенных коммерческих условий, фирменные шины обеспечивают высокую безопасность и детерминизм в реальном времени, гарантируя надежную доставку информации за доли секунды. Это делает их идеально подходящими для приложений управления с замкнутым контуром, где требуется строгая работа в режиме реального времени, например, для управления высокоскоростным движением.

Недостатки: Их главные недостатки — эксклюзивность и высокая стоимость. Процедуры шин разных производителей несовместимы, что приводит к «привязке к поставщику». Как только выбрана конкретная марка ПЛК, последующие устройства разработки (например, приводы и компоненты ввода-вывода) должны быть той же марки или использовать подходящий метод. Это не только ограничивает индивидуальный выбор, но и значительно увеличивает общую стоимость системы и сложность обслуживания. Более того, интеграция полевых шин с корпоративными ИТ-сетями сложна, что затрудняет бесперебойную передачу производственных данных на уровень управления.

3. Будущий стандарт: расцвет промышленного Ethernet

Благодаря глубокой конвергенции информационных (ИТ) и операционных (ОТ) технологий появился промышленный Ethernet, основанный на стандартной технологии Ethernet. В число поддерживаемых протоколов входят PROFINET, EtherNet/IP и Modbus TCP. Это нововведение использует уже готовый набор протоколов TCP/IP в промышленных условиях, создавая открытую, высокоскоростную и масштабируемую коммуникационную платформу.

Архитектура системы: Типичная система промышленного Ethernet обычно делится на три уровня: верхний уровень состоит из станции мониторинга с промышленными ПК или серверами; средний уровень — это сетевая структура, состоящая из промышленных коммутаторов и витых пар или оптоволокна; нижний уровень — это станция управления, соединяющая ПЛК, датчикии приводы.

Основные преимущества

Высокая скорость и большая пропускная способность: Промышленный Ethernet быстро обеспечивает передачу данных со скоростью 100 Мбит/с, 1 Гбит/с или даже выше, с возможностью передачи различных типов данных, включая сигналы управления, диагностическую информацию и потоки видеоклипов.

Открытость и совместимость: Основываясь на общепринятых критериях Ethernet, устройства от разных производителей могут достичь совместимости, если они следуют одной и той же процедуре промышленного Ethernet, разрушая барьеры эксклюзивных шин.

Полная конвергенция ИТ/ОТ: Использование протокола TCP/IP позволяет заводской сети естественным образом интегрироваться с корпоративной офисной сетью (системы ERP, MES), что имеет основополагающее значение для внедрения промышленного Интернета вещей (IIoT) и интеллектуального производства.

Гибкость и масштабируемость: поддерживает множество адаптируемых сетевых топологий, таких как звезда, кольцо и линия, что облегчает подготовку сети и ее будущее развитие.

Мощные диагностические возможности: Он предоставляет обширный набор сетевых диагностических устройств, которые могут быстро определять точки неисправностей, повышая ремонтопригодность системы.

Хотя для подключения традиционных последовательных устройств к сети Ethernet изначально могут потребоваться преобразователи процедур и возникнуть некоторые затраты на оборудование, долгосрочные преимущества и будущая совместимость значительно перевешивают эти первоначальные финансовые вложения.

Основные методы сетевого взаимодействия: сравнительный анализ

Чтобы еще яснее подчеркнуть различия между тремя методами построения сетей PLC, следующая таблица дает полное сравнение: