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单对以太网(SPE):增强了对传感器和外围设备的云访问

供稿:赫优信(上海)自动化系统贸易有限公司 2020/12/21 13:44:13

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  • 关键词: 以太网 SPE 赫优讯
  • 摘要:赫优讯预计2021年单对以太网将在过程工业中被采用,因为以太网基础设施(尤其是IO-Link)解决了当今数字化工厂面临的一些挑战,离散工业预计将在2025年以后出现。

就像在Covid-19大流行中发生的那样,没有什么比数字化更深入地推动我们的日常生活了。突然之间,一些用于专业商务的工具和方法(例如视频会议、在线研讨和培训)成为我们新常态的一部分。虽然对数字生态系统和服务的突然增加的需求可以说是一场革命,但制造业的数字化需要更长的时间来加速。经过几年的政府倡导,它一直在进行中,证明了概念经过验证的好处并推动了标准的发展。但是,如预测性维护或智能机器人等业务模型所要求的,具有无缝连接的传感器到云通讯愿望仍然面临着网络基础架构中的一些空白。

单对以太网(Single-pair Ethernet,SPE)是一项新的计划,旨在为每个传感器启用基于IP的网络,它通过更细的电缆,较小的插头和连接器以及较小的空间需求而体现了价值。因此,通过它将传感器直接集成到IT和云系统中,适合替换传感器和外围设备中的许多现有现场总线。

 

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赫优讯预计2021年单对以太网将在过程工业中被采用,因为以太网基础设施(尤其是IO-Link)解决了当今数字化工厂面临的一些挑战,离散工业预计将在2025年以后出现。从赫优讯的角度来看,毫无疑问,SPE将被采用,从长远来看会占据一定的市场份额。赫优讯的netX系列网络处理器提供了一个轻松采用SPE基础架构,并建立从现有网络基础架构到SPE网关的机会,实现迁移路径。

数字化的进步和好处

尽管这被称为第四次工业革命,但制造业已经在2011年左右开始进入数字化时代。背后的倡议带有诸如“平台工业4.0”,“工业互联网联盟IIC”或“中国制造2025”之类的标题,其目标是定位和资助计划,以使用数字方法和技术全面改善生产设施的性能。多家全球咨询公司分析并称其为“改变游戏规则,抓住了数万亿美元的机遇”(Accenture,2015年)。

“需要在嵌入式系统中增加智能并通过智能服务创造价值需求”以及“关键的成功因素是用于预测性生产行动和过程透明性的高级分析,成为新的工业范例”(Capgemini,2015)。麦肯锡也在2015年的一次分析中,根据对工业公司进行的100次访谈得出相似结论,即“颠覆性技术将使制造业数字化”,并列出了云技术、高级分析、触摸和下一级GUI、虚拟和增强现实、先进的机器人技术和增材制造。基于许多研究数据,他们得出了如下图所示的价值驱动力:

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因此,市场期望值似乎很高,而且潜力巨大,但是尽管有许多概念得到验证,例如通过工业互联网联盟来推动,但挑战仍然是如何实现从工厂车间到IT系统的垂直智能生产系统联网。 经过几年的研究和探索,我们现在对制造业数字化的需求和利益有更加深刻的理解和普遍共识。从技术上讲,OPC UA已成为帮助解决IT与OT世界之间垂直语义挑战的通用标准。在业务方面,一些组织推动了各个行业的生产系统实现增值的举措,与2015年的预测相似。赫优讯参与并推动了开放工业4.0联盟中的计划和业务模型,我们支持一个开放的共享生态系统,以便通过netFIELD产品和服务,与大型合作伙伴网络共同提供客户更有价值的解决方案。然而,将云服务连接到传感器级别仍然是一项挑战,单对以太网为解决设备访问提供了一种可能。

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工业网络

从2000年初开始,与这些数字化计划并行,许多行业将工业以太网作为主要通讯标准,逐渐取代了诸如PROFIBUS、InterBus、CC-Link、Sercos或DeviceNet之类的现场总线系统。以太网的几种变体已标准化,支持对工厂自动化相关行业(例如汽车,包装或食品和饮料)中需要的更高带宽和确定性实时通讯。

以太网的标准来自不同的自动化公司,并且对MAC和OSI链路层上的修改方式不同,以支持实时需求。一些协议基于经典的TCP/IP的以太网系统,另一些协议修改了第3层和第4层,而某些协议则需要对数据链路层修改硬件。 IEEE发布了最新的实时以太网系统时间敏感网络(TSN),针对通用硬件基础对第1、2和3层的实时功能进行标准化。所有以太网变体都具有将数据从办公室端连接到车间的能力,并增强了整体效率性能、诊断和可用性。但是,工业以太网的复杂性以及作为菊花链或交换机网络的拓扑限制了其在外围设备(如传感器和执行器)中的使用。现在,通过单对以太网(SPE)的标准化工作,可以解决基于以太网的无缝IP网络基础架构中的这个问题。

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开始,汽车工业单条双绞线对以太网进行标准化。在其车载网络中,诸如CAN,MOST或FlexRay之类的现有标准在布线和软件方面的成本太高,标准以太网的布线工作量也相当大,因此,需要找到一种替代现有以太网的通用标准。Broadcom公司通过BroadR Reach进行了首次展示,表明简单的双绞线电缆足以在较短的距离内传输高速数据。 IEEE采取了著名的802.3以太网协议下的标准化计划,并将范围扩展到建筑和其他工业领域,应对那里的类似挑战。实际上,当针对每个传感器使用基于IP的无缝网络时,工业领域中的上述现场总线以及楼宇自动化中的LON、BACnet或Modbus成为重点。

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由于从传感器到云的垂直集成是数字业务模型的主要基础,因此增强IP网络到传感器的方案很有吸引力:

    增强可见性、诊断和控制

    通过OPC UA通过一种语义访问所有自动化设备

    一种独立于供应商的常用工具

    增强可靠性和可用性

    实现预期的质量和维护

现在,单对以太网通过更细的布线,较小的插头和连接器以及更少的空间需求体现了价值,适合替换传感器和外围设备中大量现有的现场总线。另外,一个关键问题是如何在自动化的不同领域进行实际部署。

审核编辑(王静)
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