为 I/O 添加以太网：工业自动化设计的优点、缺点和关键事项

工业输入/输出（I/ O) 设备构成了许多现代机器的中枢神经系统，进而构成了工业厂房。在过去十年中，使用以太网作为物理层一直是现场总线 I/O 设备工业自动化设计中最重要的进步之一。

现代 EtherNet/IP（以太网工业协议）将传统以太网与针对工业自动化的工业应用层协议相结合。它的创建是为了克服传统 IEEE 存在两个主要问题的缺点：

1. 传统的 IEEE 不适合处理现代自动化中涉及的所有复杂、数据量大的流程。它使用了一系列不同的标准，这些标准可以使 I/O 维护和使用成为一项挑战
2. 过去，现场总线组织为连接器、协议和堆栈创建了自己的标准。现在，物理层可由基础广泛的国际标准组织处理，这些标准组织为工业、办公室和消费者环境制定以太网标准。

通过以太网连接 I/O 设备以远程控制它们收集和解析数据并监控状态，使许多工厂提高了可靠性、一致性和效率。对于希望升级其生产线和自动化流程的工厂，I/O 以太网可以发挥重要作用。

但与任何技术一样，将以太网添加到工业自动化设计环境中也有利有弊。为了帮助您在寻求改进生产时做出明智的决定，我们概述了以下 I/O 以太网的要点：

• 优点
• 缺点
• 以太网与其他选项
• 最佳实践

I/O 以太网的优点

使用以太网的网络化 I/O 提供了更好的性能、灵活的拓扑和更简单的配置以及一系列其他优势。

1. 处理速度更快 - 以太网 I/O 可以在不到一毫秒的时间内运行实时更新。更高的处理速度提高了数据收集和分析的效率，这是数据密集型工业自动化的重要组成部分。
2. 用于工业自动化设计的标准化开放式通信协议—— 以太网与开源标准协议（例如 EtherCAT、Profinet、EtherNet/IP、Powerlink 等）结合使用。所有这些都可以轻松连接到许多设备，例如 I/O 网络上的驱动器、编码器和工业控制。随着现场总线变得更加开放并依赖于以太网等已知物理技术，I/O 网络更新率已经提高到可以跟上控制系统中实时事件的速度。
3. 更少的铜——更低的成本—— 以前的 IEEE 网络需要用于工业设备的大量铜线。但是今天，将 I/O 设备连接到控制器只需要 I/O 网络连接、控制电源，如果是高能设备，还需要三相电源。这消除了接地回路和铜线的混乱。相反，一根标准电缆将控制器连接到工业操作系统，工业操作系统可以远离控制器并分布。
4. 防止平台过时 - 由于以太网几乎可用于现有的所有硬件平台，因此它不依赖于任何一家制造商甚至设备类别。在可预见的未来，它将继续发挥作用，为连接提供面向未来的投资，这也有利于增强长期安全性。
5. 可靠性—— 以太网 I/O 在恶劣的环境中可靠地工作，例如太阳能发电厂、石油和天然气精炼厂、铁路、风力发电厂甚至海洋设施。很可能，使用以太网 I/O 的工业自动化设计将满足您生产环境的苛刻需求。
6. 通用、经过认证的标准和广泛的供应商支持—— 工业以太网使用传统以太网的传输和控制协议以及现成以太网接口卡中的媒体访问和信令技术。这是一个强大的、可认证的标准，在设备使用方面具有极大的灵活性，同时确保设备经过 EtherNet/IP 测试实验室的认证、测试和批准，以确保其质量和一致性。 EtherNet/IP 的核心是 ControlNet、DeviceNet 和 CompoNet 中使用的控制和信息协议 (CIP)。该标准将联网设备组织为对象集合，定义访问、对象行为和扩展。这提供了使用通用机制访问大量设备的途径，而且由于它是一种广泛使用的标准——每个行业都使用以太网——因此几乎所有类型的 I/O 设备都有广泛的供应商支持。
7. 简单、快速的设置—— 以太网为生产商提供了更多选择，无论是安全、现场总线、少编程还是网络服务器。它允许工厂首次以简单的插件方式在协议之间移动或实施现场总线。许多产品都是自配置的，因为它们会自动识别主协议。
8. 其他好处—— 使用以太网进行 I/O 的工业自动化设计的其他一些次要优势包括： 用于网络和存储 I/O 的单个（或一对以实现高可用性）互连；降低功耗、更高效的冷却和占地面积，以及更可持续的工厂环境；服务器性能改进，最大化 PCI 和夹层插槽；更好地扩展 I/O 容量，以满足高性能和集群应用的需求。

为 I/O 添加以太网的缺点

既然我们已经广泛介绍了以太网 I/O 的好处，我们将讨论一些最大的缺点：

• 带宽限制 – 以太网 I/O 的带宽有限。许多 PLC 只能移动大约 500 字节大小的数据包，这有时可能是一个重大障碍，可能会减慢操作速度。
• 处理被 TCP/IP 层吃掉 - EtherNet/IP 是在 TCP/IP 数据包内部传输的应用层协议。这意味着大量处理器带宽用于处理 TCP/IP 层，再次降低性能。
• 无信息建模 - 有了以太网，就没有真正的信息建模。您可以创建具有属性的对象，但不能将对象链接到任何类型的层次结构中。这可能会给工业自动化设计的实际实施带来一些挑战。
• 设备变化 - 某些控制器的以太网功能有限，因此您仍需谨慎选择最佳设备。
• 过于强大—— 在许多情况下，以太网最适合用于离散控制应用。它可以在过程控制、场景中工作，但它可能是一个过度强大的解决方案，不必要地消耗过多的预算。在某些情况下，存在更实用、成本更低的解决方案。
• 诊断 – 并非所有以太网设备都内置通用诊断功能。每个设备可能都需要设计和实施自己的自定义诊断程序，这可能会占用大量时间。

以太网与其他技术的比较

需要了解的重要事项

在过渡到以太网 I/O 时，评估各种功能以获得正确类型的以太网至关重要。考虑以下以太网 IOS 架构：

• 每模块系统的以太网
• 模块载体系统
• 星团系统

基本功能

除了其架构之外，每个以太网 IOS 都具有必须评估的重要功能特性。每个工业 IOS 都必须为以下常用功能提供一定程度的支持：

• 电源监控
• 配电
• 互锁支持
• 环境保护

我们可以提供帮助

以太网协议的选择取决于许多因素。但大多数时候，您的设施中使用的 PLC 和您的客户需求将推动您的决定。如果您使用 Siemens，Profibus DP 或 ProfiNet IO 可能是您的最佳选择。如果您使用的是 Rockwell ControlLogix 或 CompactLogix，那么 EtherNet/IP 或 DeviceNet 是您的最佳选择。您的应用需求和当前的基础架构将推动决策制定。

在 EPIC，我们在广泛的系统和技术方面拥有深厚的专业知识，我们帮助过世界各地的工厂。如果您在为您的工厂工业自动化设计选择最佳技术时需要专家帮助，我们可以提供帮助。

在这里联系我们或致电 314-714-1580 寻求帮助。

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