工廠管理人員面臨著由產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)老舊導(dǎo)致的工業(yè)控制基礎(chǔ)設(shè)施壽命終止的問題。面對產(chǎn)品難以為繼，加之運營和法規(guī)上的挑戰(zhàn)，管理人員不得不做出兩難選擇：針對每一個問題點做多次補救方案，或者一次性投資更換全部基礎(chǔ)設(shè)施。
以太網(wǎng)可以通過如下方法運行于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上：
■ 在現(xiàn)場總線基礎(chǔ)設(shè)施上使用新型以太網(wǎng)產(chǎn)品替換老舊產(chǎn)品;
■ 將原有的現(xiàn)場總線網(wǎng)段遷移至以太網(wǎng)上;
■ 將整個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)遷移至以太網(wǎng)上。
無需增加額外的電纜布線或者改動現(xiàn)有的現(xiàn)場總線作業(yè)模式就可以實現(xiàn)上述效果，可以通過重新定義現(xiàn)有現(xiàn)場總線走線、替換RS-485協(xié)議，從老舊的串行設(shè)備遷移至對等的以太網(wǎng)設(shè)備，同時在老式的基礎(chǔ)設(shè)施上實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議(IP)，避免推倒重來式的重建策略。
根據(jù)IHS最近的研究報告“2013全球工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)”中的調(diào)查顯示，從2011年到2016年，雖然新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總數(shù)量將會增加超過30%，但是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)產(chǎn)品的混合產(chǎn)品數(shù)量將會基本維持不變，從23%到26%僅僅增加3個百分點。工業(yè)以太網(wǎng)市場領(lǐng)域這種不溫不火的增長的主要原因就是工廠管理人員缺乏從現(xiàn)場總線基礎(chǔ)設(shè)施向以太網(wǎng)協(xié)議遷移的高性價比且無風險的遷移策略，所以他們僅僅是在新建項目中才采用以太網(wǎng)。在工廠車間中鋪設(shè)電纜的成本是每米50美金，在諸如汽車加工工廠中鋪設(shè)電纜的成本更是成數(shù)量級增長，所以能否在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上實現(xiàn)以太網(wǎng)成為了加速以太網(wǎng)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中普及的關(guān)鍵因素。
工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)主要有三個階段，每一個階段都對網(wǎng)絡(luò)管理提出了不同的挑戰(zhàn)。
首先，在處理老舊問題時(圖1)，必須考慮原有的作業(yè)環(huán)境下的串行系統(tǒng)，它們已經(jīng)和現(xiàn)場總線基礎(chǔ)設(shè)施匹配作業(yè)了幾十年。這些系統(tǒng)中有一些已經(jīng)斷貨，唯一的補救方法就是從非正規(guī)渠道購買替換部件或者采用與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無法兼容的全新一代IP產(chǎn)品。解決方案需要在老舊基礎(chǔ)設(shè)施上引入新型IP產(chǎn)品(見圖2)并且保留所有原來的串行系統(tǒng)和現(xiàn)場總線功能。
圖1 所示為老式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。所有圖像來源：PCN Technology 公司
圖2 所示為老式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)面臨的過時問題
下一步就是將所有串行設(shè)備更換成IP設(shè)備。這一過程確保由響應(yīng)式的補救策略變換為前攝式的遷移策略(圖3)，保證網(wǎng)絡(luò)能夠隨著時間的推移同步升級，這也是前期投入的目的和功能上的要求。這樣一來就能夠在同樣的物理基礎(chǔ)設(shè)施上同時管理并支持串行通訊和IP通訊。
圖3 所示為向以太網(wǎng)絡(luò)的遷移圖
工廠管理人員的最終任務(wù)是向現(xiàn)代標準網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施遷移并開始使用IP產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)遷移的每一步都使基礎(chǔ)設(shè)施更加接近于理想形態(tài)，最終使現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)支持實現(xiàn)IP功能(圖4)，并提供所有最新一代IP產(chǎn)品所具有的優(yōu)點。采用這種方法可以避免常見升級到100%的IP環(huán)境所必須的對銅導(dǎo)線基礎(chǔ)設(shè)施推倒重來式的改建。
如果工廠現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)過于陳舊，也可直接在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上使用以太網(wǎng)，然后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)布線基礎(chǔ)設(shè)施以支持IP，跳過第2步的遷移融合階段直接進入第3步，如圖5所示。
圖4 老式網(wǎng)絡(luò)正在向IP 重構(gòu)
圖5 所示為基礎(chǔ)設(shè)施升級中的三個階段，管理老式架構(gòu)、開始遷移、將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)成IP 網(wǎng)絡(luò)以及每一步所需要進行的工作
在其他網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)以太網(wǎng)
現(xiàn)在的技術(shù)可以在同一套基礎(chǔ)設(shè)施上同時傳輸IP數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)，例如雙絞線對，即使在存在大量導(dǎo)體和輻射噪聲的環(huán)境中也可以實現(xiàn)。圖2所示為如何在典型的老式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中安裝這些產(chǎn)品，以克服產(chǎn)品老舊和網(wǎng)絡(luò)遷移問題。在處理器端，老式的主控制器通過RS485與單通道服務(wù)器相連。
除此之外，以太網(wǎng)管理器或者面板還可以與RJ-45端口相連，確保串行數(shù)據(jù)(Modbus、Profibus、DeviceNet、ControlNet和Data Highway等等)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)能夠在建立于輸出端口上的私有總線上同步傳輸。由于有服務(wù)器存在，四個客戶端可以與每一個單通道服務(wù)器相連。每一個客戶端從私有總線接受數(shù)據(jù)作為輸入，然后將串行通訊路由至其RS485端口并以太網(wǎng)通訊至RJ-45端口。它們并不產(chǎn)生實際的通訊，他們僅僅對數(shù)據(jù)傳輸做管理。老式的PLC可以與RS485端口相連，IP-PLC可以通過RN-45端口連接到網(wǎng)絡(luò)上。通過采用這種方式，獨立的老式PLC產(chǎn)品就可以更換了，或者與遠程I/O端口相連的整個網(wǎng)絡(luò)段就可以變更為以太網(wǎng)了。
如何實現(xiàn)
項目可以更換獨立的老式控制器，也可以階段性地更換整個網(wǎng)絡(luò)段。有些產(chǎn)品能夠在諸如RS-485的網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)以太網(wǎng)，使用這些產(chǎn)品更加便利，可以直接更改現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。更換獨立的PLC只要求集成一個服務(wù)器產(chǎn)品即可，網(wǎng)絡(luò)段的主控制器就安裝在服務(wù)器上，使PLC產(chǎn)品與客戶端相連。
通過這些步驟就可以實現(xiàn)產(chǎn)品更替。對于整個網(wǎng)絡(luò)段的遷移，在控制端集成服務(wù)器之后還需要在每一個老式PLC的位置集成一個客戶端，然后再更換相應(yīng)的支持IP的產(chǎn)品。從項目角度來看，實施之前需要到現(xiàn)場對整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計進行確認，以及具備基本的電氣和PLC/SCADA編程技巧以實現(xiàn)產(chǎn)品配置和測試。建議企業(yè)進行現(xiàn)場審查以獲得對老式基礎(chǔ)設(shè)施情況的基本了解，包括對現(xiàn)有主控制器和PLC、布線類型、終端環(huán)境、帶寬或者數(shù)據(jù)速率要求、走線長度和布線拓撲結(jié)構(gòu)的建模。
投資回報
這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)老式網(wǎng)絡(luò)向IP網(wǎng)絡(luò)的快速遷移，已經(jīng)具有上千次的應(yīng)用案例，具有超過一百萬小時的平均故障間隔時間(MTBF)。在RS485產(chǎn)品實現(xiàn)以太網(wǎng)的提議是項重大突破，能夠減少工程時間、成本和復(fù)雜度，而對作業(yè)的持續(xù)性和運營的影響卻微乎其微。作為石油零售市場的一個案例，以前的加油站IP升級需要包括重新建設(shè)和審批流程，項目成本高達數(shù)十萬美金或者更多，需要停運幾周時間。
如果在現(xiàn)有的RS485網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)以太網(wǎng)，無需引入建設(shè)工程，只需要花費不到2個小時且不足10000美金即可完成。對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，它無需高達數(shù)萬美金的布線成本。在汽車制造環(huán)境中，節(jié)省的成本更是多了一個數(shù)量級。除了成本、風險和停運時間的優(yōu)勢，還有很多無法明述的優(yōu)點。工廠管理人員可以根據(jù)自身特點，將部分工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與IT基礎(chǔ)設(shè)施集成在一起。同時，他們還開始通過網(wǎng)關(guān)將兩種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)整合在一起，最終，由于是在現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)了以太網(wǎng)，所以員工的重新培訓(xùn)也可以顯著減少。
工業(yè)集成
采用這種方式解決產(chǎn)品老舊問題能夠以更低的成本和技術(shù)風險實現(xiàn)向IP網(wǎng)絡(luò)的遷移。通過在RS485產(chǎn)品上實現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)，這一富有價值的方法已經(jīng)在多種市場領(lǐng)域證明了其優(yōu)勢，相信未來會在工業(yè)環(huán)境中迅速普及。為了確保自動化產(chǎn)品和控制產(chǎn)品的簡便訪問和集成，渠道合作伙伴可以提供工業(yè)范疇的專業(yè)技能和分銷商關(guān)系。工廠和設(shè)備管理人員在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上將網(wǎng)絡(luò)向IP快速遷移，相信在棕色地帶應(yīng)用中的現(xiàn)場總線產(chǎn)品上也會有越來越多的以太網(wǎng)出現(xiàn)。
