Hinzufügen von Ethernet für E/A:Vor- und Nachteile und wichtige Dinge, die Sie für das Design industrieller Automatisierung wissen sollten

Industrial Input/Output (I/ O) Geräte bilden das zentrale Nervensystem vieler moderner Maschinen und damit auch Industrieanlagen. In den letzten zehn Jahren war die Verwendung von Ethernet als physikalischer Schicht einer der wichtigsten Fortschritte im industriellen Automatisierungsdesign für Feldbus-E/A-Geräte.

Modernes EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) kombiniert herkömmliches Ethernet mit einem Protokoll der industriellen Anwendungsschicht, das auf die industrielle Automatisierung ausgerichtet ist. Es wurde geschaffen, um die Mängel des traditionellen IEEE zu überwinden, das zwei Hauptprobleme hatte:

Traditionelles IEEE war nicht geeignet, um all die komplexen, datenintensiven Prozesse zu bewältigen, die mit der modernen Automatisierung verbunden sind. Es verwendet eine Reihe verschiedener Standards, die die Wartung und Verwendung von E/A zu einer Herausforderung machen können
In der Vergangenheit haben Feldbusorganisationen ihre eigenen Standards für Konnektoren, Protokolle und Stacks erstellt. Jetzt kann die physikalische Schicht von breit aufgestellten internationalen Standardisierungsorganisationen gehandhabt werden, die Ethernet-Standards für Industrie-, Büro- und Verbraucherumgebungen festlegen.

Die Verbindung von E/A-Geräten über Ethernet zur Fernsteuerung, zum Sammeln und Analysieren von Daten und zum Überwachen des Status hat es vielen Anlagen ermöglicht, die Zuverlässigkeit, Konsistenz und Effizienz zu verbessern. Und E/A-Ethernet kann eine wichtige Rolle für Anlagen spielen, die ihre Linien und Automatisierungsprozesse in Zukunft aufrüsten möchten.

Aber wie bei jeder Technologie gibt es Vor- und Nachteile beim Hinzufügen von Ethernet in die Designumgebung der industriellen Automatisierung. Um Ihnen bei der Verbesserung Ihrer Produktion zu helfen, eine fundierte Entscheidung zu treffen, haben wir die wichtigsten Punkte für E/A-Ethernet unten aufgeführt:

Vorteile
Nachteile
Ethernet vs. andere Optionen
Best Practices

PROS von Ethernet für I/O

Vernetzte E/A unter Verwendung von Ethernet hat eine verbesserte Leistung, eine flexible Topologie und eine einfachere Konfiguration sowie eine Reihe anderer Vorteile bereitgestellt.

Schnellere Verarbeitung – Ethernet I/O ermöglicht Echtzeit-Updates in weniger als einer Millisekunde. Die höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten schaffen Effizienz bei der Datenerfassung und -analyse, einem entscheidenden Baustein für die datenintensive industrielle Automatisierung.
Standardisierte offene Kommunikationsprotokolle für das industrielle Automatisierungsdesign – Ethernet wird in Kombination mit Open-Source-Standardprotokollen wie EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink und anderen verwendet. Und alle können problemlos mit vielen Geräten wie Antrieben, Encodern und industriellen Steuerungen im E/A-Netzwerk verbunden werden. Da Feldbusse offener und abhängiger von bekannten physikalischen Technologien wie Ethernet geworden sind, sind die I/O-Netzwerkaktualisierungsraten so weit gestiegen, dass sie mit Echtzeitereignissen im Steuerungssystem Schritt halten können.
Weniger Kupfer – geringere Kosten – Frühere IEEE-Netzwerke erforderten erhebliche Mengen an Kupferverkabelung für industrielle Geräte. Aber heute erfordert der Anschluss von E/A-Geräten an die Steuerung nur die E/A-Netzwerkverbindung, Steuerstrom und im Fall von Hochenergiegeräten dreiphasigen Strom. Dadurch werden Masseschleifen und Kabelsalat vermieden. Stattdessen verbindet ein Standardkabel den Controller mit dem industriellen Betriebssystem, das sich weit entfernt von seinem Controller befinden und verteilt sein kann.
Schutz vor Plattformveralterung – Da Ethernet für praktisch jede existierende Hardwareplattform verfügbar ist, ist es nicht an einen Hersteller oder gar eine Geräteklasse gebunden. Es wird auf absehbare Zeit weiter funktionieren und eine zukunftssichere Investition in Konnektivität bieten, die auch den Vorteil hat, die langfristige Sicherheit zu stärken.
Zuverlässigkeit – Ethernet I/O funktioniert zuverlässig in rauen Umgebungen, wie denen in Solarkraftwerken, Öl- und Gasraffinerien, Eisenbahnen, Windkraftanlagen und sogar Marineanlagen. Die Chancen stehen gut, dass das industrielle Automatisierungsdesign mit Ethernet-I/O die anspruchsvollen Anforderungen Ihrer Produktionsumgebung erfüllen wird.
Gemeinsame, zertifizierte Standards und umfassende Anbieterunterstützung – Industrial Ethernet verwendet die Transport- und Steuerungsprotokolle von herkömmlichem Ethernet und die Medienzugriffs- und Signalisierungstechnologien, die in handelsüblichen Ethernet-Schnittstellenkarten zu finden sind. Es handelt sich um einen robusten, zertifizierbaren Standard, der eine große Flexibilität bei der Verwendung von Geräten ermöglicht und gleichzeitig sicherstellt, dass Geräte von EtherNet/IP-Testlabors zertifiziert, getestet und genehmigt werden, um ihre Qualität und Konsistenz sicherzustellen. Der Kern von EtherNet/IP ist das Control and Information Protocol (CIP), das in ControlNet, DeviceNet und CompoNet verwendet wird. Dieser Standard organisiert vernetzte Geräte als Sammlung von Objekten und definiert Zugriff, Objektverhalten und Erweiterungen. Dies bietet Zugriff auf eine riesige Auswahl an Geräten mit einem gemeinsamen Mechanismus, und da es sich um einen so weit verbreiteten Standard handelt – jede Branche verwendet Ethernet – gibt es eine umfassende Anbieterunterstützung für fast alle Arten von E/A-Geräten.
Einfache, schnelle Einrichtung – Ethernet bietet Herstellern mehr Optionen, sei es Sicherheit, Feldbus, weniger Programmierung oder Webserver. Es ermöglicht Anlagen, zwischen Protokollen zu wechseln oder zum ersten Mal einen Feldbus auf einfache Plug-in-Weise zu implementieren. Viele Produkte konfigurieren sich selbst, da sie das Masterprotokoll automatisch erkennen.
Weitere Vorteile – Einige zusätzliche kleinere Vorteile des industriellen Automatisierungsdesigns mit Ethernet für E/A sind: Eine (oder paarweise für Hochverfügbarkeit) Verbindung für Netzwerk- und Speicher-E/A; Energieverbrauchsreduzierung, effizientere Kühlung und Flächennutzung sowie eine nachhaltigere Anlagenumgebung; Verbesserungen der Serverleistung durch Maximierung von PCI- und Mezzanine-Steckplätzen; Bessere Skalierung der E/A-Kapazität, um die Anforderungen von Hochleistungs- und Clusteranwendungen zu erfüllen.

Nachteile des Hinzufügens von Ethernet für I/O

Nachdem wir nun ausführlich die Vorteile von Ethernet I/O behandelt haben, gehen wir auf einige der größten Nachteile ein:

Bandbreitenbeschränkungen – Ethernet-E/A hat eine begrenzte Bandbreite. Viele PLCs können nur Paketgrößen von etwa 500 Byte verschieben, was manchmal eine erhebliche Hürde darstellen und den Betrieb potenziell verlangsamen kann.
Verarbeitung wird von TCP/IP-Schichten aufgefressen – EtherNet/IP ist ein Protokoll der Anwendungsschicht, das innerhalb eines TCP/IP-Pakets übertragen wird. Das bedeutet, dass eine erhebliche Prozessorbandbreite für die Verarbeitung der TCP/IP-Schichten verwendet wird, was wiederum die Leistung verlangsamt.
Keine Informationsmodellierung – Bei Ethernet gibt es keine echte Informationsmodellierung. Sie können Objekte mit Attributen erstellen, aber keine Objekte in irgendeiner Art von Hierarchie miteinander verknüpfen. Dies kann einige Herausforderungen bei realen Implementierungen des industriellen Automatisierungsdesigns mit sich bringen.
Ausstattungsvariante – Bei bestimmten Controllern ist die Ethernet-Funktionalität eingeschränkt, daher müssen Sie bei der Auswahl der besten Ausrüstung dennoch vorsichtig sein.
Überwältigt – In vielen Fällen wird Ethernet am besten für diskrete Steuerungsanwendungen verwendet. Es kann in der Prozesssteuerung und in Szenarien funktionieren, aber es kann eine überlastete Lösung sein, die unnötigerweise zu viel Budget verschlingt. In einigen Fällen gibt es praktischere, kostengünstigere Lösungen.
Diagnose – Die generische Diagnose ist nicht in alle Ethernet-Geräte integriert. Für jedes Gerät muss möglicherweise eine eigene benutzerdefinierte Diagnose entwickelt und implementiert werden, was viel Zeit in Anspruch nehmen kann.

Vergleich von Ethernet mit anderen Technologien

Attribut	E/A-Strategie
Attribut	Hostresident	RS-232	RS-485/422	Ethernet
Erdschleifentoleranz	Arm	Fair	Fair	Ausgezeichnet
Standardisierte ISO-Protokollschichten	Keine	Schicht 1	Schicht 1	Ebenen 1-3
Kommunikationsdatenrate	Ausgezeichnet	115 Kbit/s	10 Mbit/s	10–1000 Mbit/s
Lebenserwartung der Plattform	Arm	Gut	Gut	Gut
Erweiterbarkeit	Arm	Arm	Fair	Ausgezeichnet
Standardisierter Konnektor	Keine	DB9 oder DB25	Keine	RJ-45
Kabelstau des Host-Computers	Arm	Fair	Gut	Gut
Entfernung zwischen Host und E/A-System	Arm	Fair	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet

Wichtige Dinge, die Sie wissen sollten

Bei der Umstellung auf Ethernet-E/A ist es wichtig, eine breite Palette von Funktionen zu bewerten, um die richtige Art von Ethernet zu erhalten. Betrachten Sie die folgenden Ethernet-IOS-Architekturen:

Ethernet-Per-Modul-Systeme
Modulträgersysteme
Sternhaufensysteme

Wesentliche Funktionen

Abgesehen von seiner Architektur hat jedes Ethernet-IOS wichtige funktionale Merkmale, die bewertet werden müssen. Jedes industrielle IOS muss ein gewisses Maß an Unterstützung für die folgenden allgemeinen Funktionen bereitstellen:

Leistungsüberwachung
Stromverteilung
Interlock-Unterstützung
Umweltschutz

Wir können helfen

Die Wahl des Ethernet-Protokolls hängt von vielen Faktoren ab. Meistens werden Ihre Entscheidung jedoch von den in Ihren Einrichtungen verwendeten SPSen und der Nachfrage Ihrer Kunden bestimmt. Wenn Sie Siemens verwenden, sind Profibus DP oder ProfiNet IO möglicherweise die besten Optionen. Wenn Sie mit Rockwell ControlLogix oder CompactLogix arbeiten, sind EtherNet/IP oder DeviceNet die beste Wahl. Ihre Anwendungsanforderungen und Ihre aktuelle Infrastruktur werden die Entscheidungsfindung vorantreiben.

Bei EPIC verfügen wir über fundiertes Fachwissen in einer Vielzahl von Systemen und Technologien und haben Anlagen weltweit geholfen. Wenn Sie fachkundige Unterstützung bei der Auswahl der besten Technologien für das industrielle Automatisierungsdesign Ihrer Anlage benötigen, können wir Ihnen helfen.

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