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发表于 2009/7/16 15:19:48

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标签: 以太网 仪器仪表 离散传感器 智能仪表 自动化仪表 PoE

基于以太网的仪器

  将PLC或DCS I/O模块连接到以太网已经十分普遍,而将独立过程或离散传感设备连接到以太网的尝试则相对较少。但这一看法是否正在改变?

  我们在不时地关注工业自动控制下的一个重要分支,即在PLC障碍下对以太网连通性进行扩展。将PLC或DCS I/O模块连接到以太网已经十分普遍,而将独立过程或离散传感设备连接到以太网的尝试则相对较少。但这一看法是否正在改变?
  一些厂商从厌倦了多平台的消费者那里看到了这一需求。“来自使用者的最频繁的呼声,就是实现一个能满足所有设备功能的网络。” Rockwell Automation网络营销主管Brian Oulton说道,“在对设备级网络进行评估时,消费者和仪器供应商常质疑和考虑到很多因素,包括成本、使用于危险区域、介质及拓扑的选择以及协议的效用。标准及商业以太网的普及,以及商业以太网在更广的工业应用空间中的大量使用,极大地降低了在仪器中植入EtherNet/IP的成本。如今,EtherNet/IP的成本,已接近了诸如Foundation Fieldbus或Profibus PA此类的传统过程网络。”
  Profibus Trade Organization 的副主任Carl Henning尤为推荐在网络应用中使用复合工具。用以太网驱动仪器能否施行呢?“随着使用量的增多,成本只会下滑,”他说,“它将变得更便宜,使得在更多设备中植入以太网更切实可行。你可能要面对的问题,要么来自环境,诸如有些场合需要本质安全仪器,要么是事无巨细地依赖以太网。用它来完成传送一个字节这样的工作是毫无意义的。”
  还存在这样一个问题,即消费者对以太网连接的需求,是否足够激发仪器厂商的生产欲望?虽然以太网供电(PoE)的范围已延伸至家庭、办公室及商业场合的终端设备,但其工业应用仍然不多。主要是有这样一些局限:
  带宽过度——许多过程离散传感器用不着输出大量数据,因此无需为其提供以太网带宽。“以太网的主要优势是,它网速很快,能迅速传送大量数据,” Moore Industries的技术主管Charles Larson说,“使用典型的过程传感器,例如温度和压力变送器,由于数据变更缓慢,无法展现以太网的优势。而与4-20 mA的HART、Foundation Fieldbus以及Profibus相比,以太网则需更高效昂贵的微处理器作为支持。若没有中继器,电缆长度也限制在100米以内。”
  变送器的额外开销——以太网带宽采用的电子技术比大多数过程设备更为复杂,这使得变送器更昂贵,超过了消费者的期望价位。或许现在的价位差比以前有所减少,但仍有一定的差距。
  危险场合限制——由于以太网并非是本质安全的,所以限制了其在某些场合的过程应用。更多传统现场总线平台,例如Foundation Fieldbus和Profibus PA更适于那些场合的应用。
  合适的DCS及PLC I/O硬件——典型控制系统,无论离散或过程应用,并不具备合适的连接大数量以太网设备的I/O硬件。虽然许多系统可通过合适的I/O卡接入多种不同类型的输入信号,却不具备接收成百甚至上千的现场设备的以太网直接输入的容量。它无疑反映了一种需求上的短缺,而非特殊技术的局限,但这仍然还是一个现实难题。
  配线拓扑——连接现场设备的以太网配线,与传统模拟配线的星型拓扑类似,比之现场总线,这仍然是一个缺点。但是,如果对反应时间要求不高的话,一些平台允许在每台设备上增加一个二端口的以太网开关,以实现与之相同的线性拓扑。
  PoE特性——PoE向来不适用于工业设备,且其可用动力级别低于典型现场总线的需求。按照传统观点,因产生大量数据而需用到以太网连接的设备,例如过程分析器,也常常需要外部电源。由PoE供能的设备一般不需要带宽。Beckhoff制造了一种PoE供电、用于离散传感器EtherCAT通信的I/O接口。此接口将常规PoE电压转换为设备所需的24V,但设备最大耗电量为350mA,总可用量为15.4W。

收集多字段设备信息并将数据通过以太网电缆回送的数据收集器。来源:Moore Industries
收集多字段设备信息并将数据通过以太网电缆回送的数据收集器。来源:Moore Industries
用于机械应用的设备
用于机械应用的设备,可通过以太网传输数据,但它只在six seasons in one有效。
来源: ATI Industrial Automation。

  PoE的改进
  PoE改进工作中,也包括即将发布的PoE+标准。IEEE802.3仍处于草案阶段,但也即将完成,它将涵盖25.5W甚至40W的电能等级。至少,ON Semiconductor公司认为此项标准考虑很长远,并开始制造期望中能符合最终版本规定的支持设备。
  除了供电设备,还有一些用于编译远程仪器及传感器信息串的设备。最常见的配置是I/O接口,如过程传感器,它收集常规设备组的数据,再通过以太网电缆将数据发回。例如,Moore Industries和 Dataforth公司制造的可对远程设备的过程信息进行汇聚和处理,并通过以太网电缆回送数据的远程I/O数据收集器。但它并非使用PoE供电的设备。
  总之,基于以太网的设备很有用,尤其是那些具有复杂输出的设备。过程应用中的分析器便是一个常见例子。在离散制造业领域,复杂传感器,如用于机械(见前图)压力及转矩测量的设备,以PoE供电,可通过以太网对输出进行传送。此设备可进行6次测量(x,y,z轴上所受压力或转矩),并可通过网络界面进行设置。与典型的过程传感器相比,它大概等效于6个普通压力变送器。
  在另一些领域,也取得了稳定的进展。例如,与硬线模拟装置相关的传统协议,已扩展到涵盖无线网,并将很快涵盖以太网。“HART Communication Foundation将继续推动此技术的发展,”公司技术程序主管Ed Ladd说,“我们将把网关界面规范扩展到能涵盖基于IP的网络(TCP/UDP)HART。这一步将使得使用PoE、基于HART的设备,能通过结合HART服务器技术立即整合到HART系统 。这项对标准的新增补已经完成,但仍必须通过成员的验证。”
  现阶段以太网可能还无法成为PLC分支下的有力竞争者,但是决不能小看它。

   翻译:肖红练

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