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工业自动化与机器人进入EtherNet/IP时代

Dean Donnelly?? Molex?? 2015年10月12日 ?? 收藏1
工业自动化世界正逐渐地朝向以太网络的方向发展,以实现实时的数据采集能力、设备层与机器层的控制,以及整合的安全性,此外还有企业级的生产洞见(enterpriselevel productioninsight)。EtherNet/IP、DeviceNet和CC-LinkIE(工业以太网络)是主导现今产业的三大开放式以太网络平台。

DeviceNet采用了在CAN之上运作的通用工业协议(Common Industrial Protocol,CIP)。EtherNet/IP是一种建基于以太网络的领先通讯技术,是由开放设备网制造商协会(Open DeviceNet VendorAssociation,ODVA)所管理的工业以太网络标准,它采用了在以太网络之上运作的CIP技术,能在工厂网络提供比DeviceNet更广阔的范围。

在北美,大多数机器人都是利用 DeviceNet来操作,而在欧洲则大多利用PROFIBUS。制造设施中的传统现场总线网络一般都需要运作多种网络,然而一开始工业以太网络使用私有协议,因此限制了它在控制与PLC的多信道通讯与对臂端(end-of-arm)应用支持方面的使用率。许多机器人控制器中的机器人应用都具有两条网络信道,其中一条作为PLC的从属(slave)信道,而另一网络则作为本地I/O的主通道。需要频繁交换臂端工具、精确控制运动以及与监控软件进行介接的应用,往往会带来许多挑战。

在众多机器人设备的主要使用者之中,汽车制造商率先认识到以太网络在改善生产效率和商业智能方面的潜力与价值。(图片来源:Molex)
在众多机器人设备的主要使用者之中,汽车制造商率先认识到以太网络在改善生产效率和商业智能方面的潜力与价值。(图片来源:Molex)

在众多机器人设备的主要使用者之中,汽车制造商率先认识到以太网络在改善生产效率和商业智能方面的潜力与价值。产业上的需求促使机器制造商和设备制造商支持以太网络应用。机器人和自动化设备的OEM正逐步导入建基于以太网络的控制功能,其中包含了建基于硬件和软件的解决方案与DeviceNet,以及与以太网络兼容的过渡。汽车和其他工业自动化业务正逐渐采用建基于CIP的EtherNet/IP来取代机器人控制及点对点通讯中的离散信息网络。

EtherNet/IP良好应对产业挑战

工业控制应用需要具有极高数据速率的复杂网络,从而在恶劣环境下对各种设备和操作进行精确控制。EtherNet/IP可以提供对同一网络上的信息、配置、诊断、安全、同步和运动进行控制的最佳技术。EtherNet/IP 具有许多优势,例如更长的正常运行时间(uptime)和最佳化工作流程等。这一技术可挖掘多个数据流,并将离散机器人安全网络上的基本通讯内容引入建基于以太网络标准系统中。EtherNet/IP可以扩展,并与大多数现场总线自动化技术兼容,已成为工业网络通讯的黄金标准。

网络化的厂房需要在基础设施上大力投入,其中包括布线、连接、控制器和交换机等。与办公室网络相比,厂区布线要跨越更长的距离,并且需要更高的速度和数据传输速率。将一份档案传送到办公室打印机纵使花费5~50毫秒(ms)的时间,使用者也不会注意其中的延迟;然而,自动化工厂的成功营运取决于实时的生产协调,以及工作站、驱动系统和I/O设备的数据存取,在实现生产效率的目标方面,每一毫秒的时间都极为重要,而EtherNet/IP能克服此一挑战。

以太网络的各种开放式控制之间,往往有很大差别,可以造成数据碰撞以及其他问题,需要利用变通方案来解决。例如,借着让工具快速更换,一台机器人或者机器可以操作多个工具头,于是汽车制造厂便采用了快速连接功能来减少机器臂和机器人的数量;但若要实现这种功能,便需要加快DeviceNet臂端更换的快速连接功能。EtherNet/IP最初并不具备这功能,但现在已经提供了。

统一以太网络改善安全性

机器人系统正在从专有网络过渡到EtherNet/IP。在与智慧交换机和路由器结合后,开放式网络的概念可以为EtherNet/IP提供坚固的技术骨干,排出通讯、自动化生产与安全性的优先级。由于多家供货商严守着机器、机器人和其他现场级别设备之类对象组网的CIP通讯协议,所以EtherNet/IP符合可认证的标准。

在工厂自动化中,生产停机将导致重大营收损失。大多数生产停机的原因都在于互操作性问题。统一的以太网络可以强化诊断功能,而持续查询这样的功能则可找出系统中运作不正常的零件。为控制和实现安全网络而将布线整合,可以降低基础设施的成本,并且实现更好的区域控制,从而减少工厂安全区内的误触发,进而减少停机。

制造商不断寻求优化正常运作时间并提高营运效率,在这个过程中,他们日益了解到充分利用先进工厂网络技术的重要性,这正是EtherNet/IP技术和工业等级连接性发展的适当时机。先进的EtherNet/IP技术可以实现优异的可扩展性、功能性与选择方案,从而将机器处理流程以及控制系统与企业联系在一起。在使用安全技术方面,业界已有长足发展。

具特色的工业以太网络产品

市场上的以太网络组件大多是针对办公环境而设计的,并不适合曝露在蒸汽、焊接飞溅、极端温度变化以及振动的环境下;专为恶劣环境应用而设计的解决方案可为客户提供所需的工具来克服决定性、稳健性和整合性方面的挑战。

例如Molex所开发的工业网络基础设施产品,具有坚固的构造并且安装简便,可实现长期的可靠性,让迁移、实施与支持成本降至最低;工业通讯产品则可实现机器与设备之间的通讯。数据决定性(determinism of data)对于工厂环境具有十分重要的作用,新一代PLC模块和网关可以配合超过40种工业网络和现场总线,将旧有设备连接到各个不同的网络协议。

此外Molex的电线组、连接器、交换机和I/O模块产品线均符合IP67及以上的防护要求。其中电线组采用的按下锁定技术(push-to-locktechnology),可以快速简便的实现稳定的连接,不会发出与连接器有关的间歇讯号问题,从而避免生产停机带来的重大损失。新式的工业以太网络交换机采用冗余的双直流电源输入,支持诊断软件工具,可以实现智能路由以避免碰撞问题的发生。

全新开发的IP67数字式小型 30mm(M8)I/O以太网络模块则可在 EtherNet/IP或PROFINET工业现场总线上实现机上的I/O连接,可供机器制造商实现从传统PROFIBUS现场总线的过渡,而较窄的外壳设计使其极适用于小型设备。

可利用机器安装的(machine-mountable)IP67等级以太网络模块整合了快速连接和快速启动功能,可将工业控制器连接到I/O设备。藉由使用诊断现场总线通讯功能与可见的LED指示灯,维护工程师可以轻易确定I/O、模块和网络的状态。

适用Rockwell ControlLogixPLC的通讯模块可以快速地将Rockwell的ControlLogix系统连接到以太网络TCP和串行网络,从而提高网络的灵活性。为恶劣和腐蚀性环境下极广温度范围而设计的CLXT版本,可与RockwellControlLogix-XT品牌的PLC搭配使用。该模块可整合到Rockwell自动化环境中,除了远程配置和诊断功能外,还可实现快速的系统配置。

针对工业自动化设备与机器人应用,Molex开发了紧凑式机器人连接器(CRC),是一种屏蔽式的矩形I/O连接器系统,在多达50个电路中可提供7.0~15.0A的讯号/电源,适用于小型的工业机器人与工业自动化设备。采用月牙形金属护罩与旋转锁的高负载型矩形连接器,单手即可操作驱动,可以在机器人应用中实现简便的配对。

高性能的紧凑式网络适配器(NIC)可供个人计算机、PLC和I/O现场设备之类的智慧设备通过控制器(主)或I/O设备(从)之类的工业网络来交换信息。还有EtherNet/IP网络适配器,可以为建基于个人计算机的控制和可视化应用实现可靠的数据采集功能;该网络适配器可为所有流行的现场总线(包括EtherNet/IP、PROFINET、ModbusTCP、PROFIBUS、DeviceNet和CANopen)提供连接支持。

Molex亦能提供以太网络协议软件开发套件,可将EtherNet/IP协议嵌入到工业网络中的主从设备中。该堆栈支持EtherNet/IP扫描工具/适配器设备的设计,例如PLC耦合器、建基于个人计算机的适配卡、机器人控制器和工业个人计算机等。

上述与其他心一代的以太网络技术均可实现出色的设备性能,以及提高工作程流速度、能源效率、质量控制和数据传输速度,并且具备高度灵活性,让客户在工业自动化和机器人操作中更改、增加或移除网络节点。

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