以太網(wǎng)長(zhǎng)期以來(lái)一直是控制局域網(wǎng) (LAN) 和廣域網(wǎng)(WAN) 中數(shù)據(jù)傳輸方式的事實(shí)協(xié)議，其優(yōu)勢(shì)在企業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域已是眾所周知- 互操作性、冗余、靈活、可擴(kuò)展、快速，而且具有成本效益。在過(guò)去的幾十年中，以太網(wǎng)發(fā)展迅速，并快速進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
TCP/IP 辦公室應(yīng)用中使用的以太網(wǎng)層協(xié)議最初給業(yè)界帶來(lái)挑戰(zhàn)是因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)包會(huì)通過(guò)可變通路廣播到所有節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有確定的目標(biāo)時(shí)間和后續(xù)延遲，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)器到機(jī)器 (M2M) 通信所需的“實(shí)時(shí)”數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了多種以太網(wǎng)協(xié)議，不但可以提供以太網(wǎng)的所有優(yōu)勢(shì)，還可通過(guò)改良提供更低的延遲和確定性。這些協(xié)議包括 ModbusTCP/IP™、EtherCat™、EtherNet/IP™ 和 PROFINET™。因此，以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的使用越來(lái)越多，迅速代替了傳統(tǒng)的 Fieldbus 協(xié)議 - 后者通常更復(fù)雜、經(jīng)常具有專(zhuān)用性并且距離和性能有限。實(shí)際上，工業(yè)以太網(wǎng)的規(guī)模現(xiàn)在已超過(guò)傳統(tǒng)的Fieldbus，并且年增長(zhǎng)速度幾乎是 Fieldbuses 的四倍。
理解術(shù)語(yǔ)
工業(yè)領(lǐng)域中有很多容易混淆的術(shù)語(yǔ)－比如工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、以及工業(yè) 4.0 和智能制造。工業(yè)以太網(wǎng)用于描述使用以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議，而 IIoT（由 IoT 發(fā)展而來(lái)）、工業(yè) 4.0 和智能制造是可互換使用的，均指將工業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)與實(shí)時(shí)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能結(jié)合的趨勢(shì)。術(shù)語(yǔ)工業(yè) 4.0 表示這個(gè)趨勢(shì)可視為第四次工業(yè)革命－第一次是 19 世紀(jì)早期液壓和蒸汽動(dòng)力機(jī)器的使用，第二次是 20 世紀(jì)早期出現(xiàn)鋼、電和裝配生產(chǎn)線，第三次是 20 世紀(jì) 60 年代在工廠環(huán)境中引入計(jì)算機(jī)。
工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)際上是工業(yè) 4.0 和 IIoT 背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)樗谥圃祛I(lǐng)域的人機(jī)之間實(shí)現(xiàn)了全新水平的互連接性和通信，同時(shí)可提供實(shí)時(shí)信息以更好地控制和了解整個(gè)供應(yīng)鏈、自動(dòng)化和簡(jiǎn)化維護(hù)、并改進(jìn)協(xié)作和生產(chǎn)力－換句話說(shuō)，就是智能制造。因?yàn)橐蕴W(wǎng)協(xié)議可用于在 LAN 和 WAN 中傳輸數(shù)據(jù)，所以工業(yè)以太網(wǎng)也為在車(chē)間和辦公室間更好地共享信息鋪平了道路。借助龐大的以太網(wǎng) IT 技師群體和工具，支持也變得更簡(jiǎn)單。
工業(yè)環(huán)境是苛刻的
傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通常安裝在相對(duì)清潔舒適的環(huán)境中，例如辦公室建筑、學(xué)校和醫(yī)院。而工業(yè)以太網(wǎng)恰恰與此相反。工業(yè)以太網(wǎng)用在工廠中，甚至是長(zhǎng)距離傳送機(jī)外和礦山內(nèi)。這些環(huán)境都會(huì)給線纜帶來(lái)巨大壓力。機(jī)械壓力包括沖擊、持續(xù)移動(dòng)（機(jī)械臂和轉(zhuǎn)盤(pán)）、以及振動(dòng)。切口會(huì)使?jié)駳夂突瘜W(xué)物質(zhì)進(jìn)入線纜，而某些行業(yè)（例如食品和飲料）每天會(huì)用軟管沖洗設(shè)備（包括線纜）。氣候壓力根據(jù)熱環(huán)境（烘焙、煉鋼）和冷環(huán)境中的溫度而變化。變速電機(jī)驅(qū)動(dòng) (VFD)、電機(jī)、接觸器和其他設(shè)備的電磁噪音會(huì)進(jìn)入以太網(wǎng)線和設(shè)備。這些“MICE”壓力因素可能是工業(yè)以太網(wǎng)線故障的主要原因，而且這些故障可能是間歇性的并且難以診斷。面臨環(huán)境挑戰(zhàn)，使用福祿克線纜測(cè)試儀可對(duì)TIA 1005中的E1、E2、E3等級(jí)環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行驗(yàn)證。
機(jī)器對(duì)延遲更敏感
大部分人使用以太網(wǎng)連接網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線接入點(diǎn)、服務(wù)器、電話、電子郵件或打印機(jī)。以太網(wǎng)原本就是在人和設(shè)備（如打印機(jī)）之間傳輸數(shù)據(jù)包（又稱(chēng)幀）。傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的時(shí)間通常小于一毫秒。如果由于某些原因，數(shù)據(jù)包在第一次無(wú)法完成傳輸，以太網(wǎng)會(huì)一直嘗試，直到傳輸成功。在打印一份 2 頁(yè)的文檔時(shí)，這可能造成 2 秒延遲－而且沒(méi)有人會(huì)發(fā)現(xiàn)或關(guān)心。
工業(yè)以太網(wǎng)將機(jī)器連接到其他運(yùn)行著重要、時(shí)間敏感、有時(shí)候是危險(xiǎn)任務(wù)的機(jī)器。考慮工業(yè)以太網(wǎng)控制一臺(tái)機(jī)器將一輛未裝配完的汽車(chē)送到下一個(gè)裝配站。可以想像，移動(dòng)錯(cuò)誤會(huì)傷害設(shè)備或人，或者影響質(zhì)量或生產(chǎn)速度。和打印機(jī)不同，如果有幾個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包延遲了即使不到一秒，也必須停止機(jī)器以避免潛在的安全問(wèn)題。讓一切恢復(fù)安全狀態(tài)并重啟機(jī)器可能需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間– 僅僅因?yàn)橛袔讉€(gè)數(shù)據(jù)包丟失或延遲。
除以太網(wǎng)的各種優(yōu)勢(shì)外，人們還為工業(yè)環(huán)境設(shè)定了各種標(biāo)準(zhǔn)，從而在苛刻的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的時(shí)間敏感應(yīng)用可以可靠地運(yùn)行。
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