乘上工业以太网这趟快车

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  沈阳,铁西经济技术开发区,宝马在全球的第25家工厂就设立于此。
  总投资15亿欧元、厂区占地面积2.07平方公里、年产汽车20万台,这些数字概括了宝马沈阳铁西工厂的“体量”。有媒体将其与宝马设在德国莱比锡的工厂相提并论,并把沈阳铁西工厂称之为“黑土地上的‘莱比锡’”。沈阳本地媒体评论认为,这家工厂让沈阳进入了“宝马时代”。
  宝马沈阳铁西工厂之所以会得到这样的赞誉,与其先进的工厂建设和技术标准不无关系。在这里出产的汽车,其每个螺丝的拧紧程度都会被电脑录入系统并一直保存到车辆报废为止,以确保每一项数据都是可追溯的。更加关键的是,无论是高速冲压机、焊接机器人,还是可编程控制器、网络传输,甚至于整套自动化管理体系和仓储标准,都与宝马全球的任何一家工厂一样。这就保证了宝马铁西工厂能够与国际最先进的技术标准保持完全同步。
  可以说,铁西工厂是集现代工业技术于大成的代表作。而提到现代工业技术,我们就需要引出一个当前炙手可热的名词:工业以太网。
  机器人背后的网络变革
  对于外行人来说,参观工厂时最吸引眼球的莫过于那些定位精准、一丝不苟的机器人,亦或者是在轨道上孜孜不倦跑来跑去的自动仓储运输车,而很少有人关心其背后的内容。比如,上文提到的螺丝拧紧数据是如何被传送到存储设备中的?机器人和运输车又是通过谁接收命令的?
  同以太网一样,工业生产同样需要网络来传输数据。机器的工作数据传送,控制系统的命令下发、测量仪器的通信等操作均依赖这个网络完成。工业系统长期的独立和专用特性,使得工业生产网络走出了一条与我们常见的以太网完全迥异的数字化体系,也使得其有了专有的名词:现场总线(Fieldbus)。而在此之前,机器之间的通信还是依靠模拟信号甚至开关电平信号进行的。
  尽管现场总线将机器之间的通信提升到了数字时代,不过随着应用的深入,人们发现其存在着一些不足。首先,现场总线领域协议种类众多,达到了十几种而且互不兼容,这不仅增加了用户的施工难度,而且还提高了工程造价;其次,这些协议大多封闭,无法满足当前工业生产定制化需求;此外,工业总线数据包的传输延迟和速率问题没有较好的解决方法。
  时空交错,在现场总线遭遇应用难题的同时,以太网技术却得到了极大发展。由于开放特性,使得其在应用中群策群力,解决了不少发展过程中的技术难题。这使得人们开始考虑将以太网中的TCP/IP协议引入工业网络。这就形成了工业以太网的概念。
  工业领域分析调研机构ARC集团认为,从智能电网的实施,特别是变电站自动化,到智能化铁路、公路以及其他运输项目正越来越依赖工业以太网。在过程自动化领域中,工业以太网已成为控制层骨干网的首选,并逐渐向设备层迁移。工业以太网越来越多地作为常规工业网络,在很多工业领域替代了特定应用的现场总线。
  “两化融合”从网络开始
  广义上来说,工业以太网依然是现场总线的一种分支,其符合现场总线在制造与控制设备之间进行通信的定义。不过从技术实现上,二者又完全不同。工业以太网的出现,打破了工业生产系统与信息管理系统的屏障,扩充了网络规模,将原本的单机自动化扩展到了整个工厂自动化的级别,提高了传输速率、传输距离和开放性。同时,其还降低了工程部署的成本,并可以直接控制和访问生产级别的所有数据。目前我们所能见到的工业以太网标准,包括了Modbus TCP/IP、ProfiNet、Ethernet/IP等。
  在这些不同的工业以太网标准之中,ProfiNet尤为受到汽车厂商所青睐。2004年11月在纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives展览会上,奥迪、宝马、戴姆勒-克莱斯勒和大众四家德国主要汽车公司宣布同意支持工业以太网协议ProfiNet。这一协议不仅具备工业以太网的特性,同时可以整合原有得到广泛应用的ProfiBus现场总线网络和管理架构,形成完整的现场总线控制系统,保护了用户的原有投资。除汽车行业以外,烟草行业目前也已经成为ProfiNet的一个重要推广领域。
  目前,宝马在全球的工厂建设中都采用了来自西门子的ProfiNet工业以太网网络,本文开头所提到的沈阳铁西工厂也不例外。
  工业以太网的出现,使得工厂实现了从管理到现场“一线通”的愿望。用户只需要掌握一种技术,即可满足全自动化工厂、全数字化工厂的建设需求。同时,其也将自动化语言带入到了工业生产领域。目前,赫思曼等厂商已经开始将以太网中的SNMP协议带入到工业领域,利用可编程控制器配置交换机成为指日可待的事情。此外,工业以太网也让无线网络进入工厂成为可能。
  从工厂走出去
  信息化与工业领域的交融无时无刻不在进行之中。从车身设计到工厂规划,再到发动机设计以及生产,数字化工厂正在优化从设计到制造的每个环节。增加柔性、减少系统复杂性和节能需求、更少的调试时间、更短的生产爬坡时间、创新的自动化标准应用、更快的新产品上市需求,数字化工厂所能够带来的这些益处,无不令汽车企业心动。
  以工业以太网为代表的“两化融合”技术,正在逐渐走出工厂,迈向更为广阔的应用空间。经受过工业生产高温、高腐蚀性、强震的“洗礼”,工业以太网交换机的可靠性已经得到了业界的认可。如今其已经开始被应用于车联网的信息通信与交互之中,特别是在城市交通交通信号控制系统、高清电子警察系统、高清卡口系统等智能交通系统等部分。
  来自ARC集团的观点认为,原本很大程度上依赖于离散自动化应用的工业以太网交换机市场,目前的增长逐渐受到其在基础设施和过程自动化领域应用的影响。这些新机遇,加上以太网继续巩固其作为工业网络基础设施首选的地位,联合即将到来的物联网,正助力工业以太网交换机市场的两位数增长。
  在这一背景下,传统的IT和通信厂商,比如华为、思科,也开始逐渐关注起工业以太网市场。在以太网交换和管理方面,对于他们来说拥有着先天的优势。在工业领域,工业以太网正在掀起一股全新的变革,这不仅仅体现在工业制造层面,也深刻影响到了信息化技术、供应链,乃至我们的学习和生活。
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