通过托德·沃尔特，国家仪器公司
如果工业物联网(IIoT)起飞，机器将依赖于其他机器内部和之间自由流动的数据。标准以太网的更新将支持这些需求。
仅在美国，工业机器就有超过2000亿美元的市场。在过去的30年里，这个竞争激烈的市场经历了一次演变，从主要的机械设计转向机电一体化软件驱动的设计。今天，智能系统控制多个独立的运动轴，提供灵活性和最大限度地减少机械维护。现代工业机器是由许多运动轴、多个专用传感器、相机和电源接触器组成的网络化协调系统，所有这些都由多个高性能cpu控制。
机器在制造过程中执行许多任务。提高生产率、速度和准确性的下一阶段将需要更多地了解所有机器和组件的相互作用。因此，工业物联网被视为这一演变的关键组成部分。
但工业机器的开发商面临着许多商业压力。
•定制:最终客户通常希望机器制造商定制机器操作以满足他们的特定需求。这可能是将机器集成到他们设施中的其他设备中，改变物理尺寸，修改HMI，或集成额外的硬件或软件功能。我们面临的挑战是，在满足这些客户的需求的同时，尽量减少工程费用，并避免未来的服务挑战。
•竞争对手:公司销售的产品是由机器制造的，因此提高产量意味着增加产品收入。在一些行业中，这些机器也是能源消耗的主要成本贡献者。为了保持竞争力，机器设计必须不断关注提高吞吐量，减少废料和提高效率。
•新方法:除了持续改进之外，在方法上也有彻底改变的机会。基于消耗品或服务的新商业模式正在出现。在这些模型中，构建者与机器使用安全的双向通信，以实现及时的耗材供应和基于机器生产率的计费。
•可用性:终端用户通过减少维护人员来管理运营成本。因此，机器设计需要一个用于故障记录、远程调试、远程报告和远程管理的基础设施。远程管理可以消除技术人员前往客户现场所花费的时间和成本，远程报告提供了故障的高级警告，并可以减少计划外停机时间。
尽管每个制造工厂都使用多个总线来传输特定类型的数据，但通常情况下，它们都有共同的以太网。
一个例子:半导体机械
作为参考，考虑用于半导体生产的设备。半导体生产机器执行多个化学和光刻步骤，在硅片上创建电子电路。然后对晶圆进行测试，切割成单独的芯片，然后将芯片封装以提供电接触点并允许热管理。生产和加工硅片的成本很高。为了最大限度地降低每个芯片的成本，设计人员优化了芯片的尺寸和晶圆上芯片之间的距离。这种设计，再加上更小的22纳米和14纳米半导体工艺，使设计人员能够在单个晶圆上封装许多芯片。将晶圆切割成多个芯片的步骤称为晶圆切割。为了处理紧密包装的晶圆片，晶圆切片机进行精确切割，精度达到1 / 1000毫米。
更新后的标准以太网应该改善数据收集和机床到组件的交互。
为了达到所需的切割精度，典型的实现方法是使用精确的切割刀片或激光来蚀刻和切割晶圆。这种切割由高性能运动控制轴控制，通常使用快速响应机制，如音圈电机或用于激光控制的多轴振镜。这些轴的输入来自高分辨率的绝对位置反馈机制。机器视觉现在有时也用于主控制回路，以确保正确的位置。这些性能轴有时与振动反馈增强，以调整系统的小运动。传感器由控制器读取。这些数据输入到复杂的控制算法中，切割运动每秒调整数千次。这个控制回路必须是确定的和精确定时的。围绕这台机器的核心功能，还有额外的任务，如协调多轴运动，加载晶圆和卸载切割芯片。许多机器使用振动或电能质量测量作为预测性维护的一部分。 The system normally has a local user interface where an operator can interact with the machine and has connections to the manufacturing logistics and enterprise systems.
该机床的设计涉及多个加工、驱动和输入节点。为了最小化点对点连线，这些节点跨一组通信总线传递控制数据、配置信息和处理统计信息。在大多数现代机器中，有一个总线层次结构，每个总线都针对其特定的功能进行了优化。由于机器的核心是运动轴，所以首先要检查这些需求。
为了满足高速闭环运动控制的稳定性和可靠性要求，运动总线需要在驱动器/传感器和控制器之间以小于100µsec的延迟一致地传递控制数据包。运动轴也需要协调，因此节点之间的时间同步需要小于1µsec。
标准的共享以太网不能保证这种性能，因为交换机中潜在的排队时间太高。这些快速控制环路通常运行在使用以太网物理层和CAT5电缆连接的基础设施上，并在节点和网桥中修改硬件，以消除排队并提供延迟限制。其他离散传感器和执行器通常也由该运动总线提供服务。
摄像机需要高带宽，并可能导致共享媒体上的拥塞问题。通常，摄像机将运行在专用的标准以太网链路，USB 3.0连接上，或者可能使用视觉专用串行总线。控制器和人机界面通过标准以太网连接;同样的总线可以用于将机器集成到更大的制造过程中，在那里它直接与邻近的机器通信。这种连接还提供了与整个工厂MES系统的集成，以及与原始机器制造商的维护和服务系统进行远程连接的机制。
技术挑战
具有多个总线层的系统设计导致了这样一种情况:以太网在控制应用中很常见，但典型的机器支持多个版本的以太网，每个版本都经过优化以满足特定任务的要求。这种技术方法给机器设计师带来了一系列挑战:
•带宽的限制。由于许多总线通过修改硬件层来优化延迟，因此这些总线并没有直接受益于标准以太网性能的提高。工业上采用的1到10gb /秒带宽允许控制应用程序共享更多数据，并结合更复杂的传感，如高保真视觉、3D零件或区域扫描和振动测量。
•机器内的数据有限。高性能机器中的多个不可互操作的总线不能直接在它们之间传递数据。相反，软件服务运行在控制器或网关设备上，提供代理和隧道功能。不幸的是，这些软件服务施加了性能限制，并且缺乏标准化，使得数据传输的配置变得困难。消除这些障碍将提高性能和可用性。
•远程访问受限。当一台机器在客户工厂发生故障时，机器制造商现在需要能够轻松地探测机器的各个方面，以诊断和修复问题。要实现这一点，它们需要清晰地集成到最终客户IT基础设施中，并支持安全的远程连接。如果远程连接扩展到设备的最底层，以获得诊断数据、实时视图和支持重新配置任务，那么这种远程连接将是最有用的。但是，多总线设计限制了机器设计人员的访问权限，可能使维修变得复杂和延长。
除了简化系统集成、验证和维护的好处之外，消除传统机器设计的层次和障碍的价值和紧迫性也在增加。
物联网概念有望提高生产力，增加正常运行时间并改善其他关键绩效指标。
远程系统管理、用于大数据分析的集中数据收集以及内置的自组织、机器对机器协调等技术可以从根本上推进下一代工业控制和监控系统。为了支持这些功能，工业设计师需要对其设计中的所有组件和设备进行可靠、融合、远程、安全的访问。这一目标需要对标准以太网进行根本性的改进，以便它能够同时支持工业控制需求和物联网连接和数据访问。
标准以太网的更新
以太网是在称为IEEE 802的一系列标准中定义的。IEEE 802是一个开放的标准组织，全球各地的个人都积极参与。IEEE 802标准规定了对以太网的不同层和功能的要求，并确保了不同供应商之间的互操作性。
802.11是一套定义WiFi的标准。其他相关标准包括802.3和802.1，前者规定了以太网的物理和MAC功能，后者规定了以太网交换机的功能。工业供应商、IT供应商和硅供应商正在IEEE 802中合作创建标准以太网的更新，通过为控制、共享同步时间和高带宽提供有限的低延迟数据传输来满足工业机器设计人员的需求。通过这些更新，标准以太网将为工业市场提供:
•收敛-一个标准的以太网骨干网，将支持低延迟，高可靠性的控制数据，并同时支持其他以太网流量。由于对高可靠性的流量进行了管理和保护，因此其他流量的添加不会干扰控制数据，也不需要重新验证。这消除了数据障碍，并实现了机器内数据共享和物联网功能的远程访问。它还允许设计人员专注于相同的核心基础设施，从而简化了工程开发过程。
•性能-标准以太网每年都在通过大型硅和IT公司以及专业协议组织的大量投资不断改进。这项投资增加了带宽，提高了互操作性，减少了调试时间。对标准以太网的改进以支持控制流量将成为这项持续技术投资的一部分。控制流量类将支持10秒内测量的确定性传输，10秒内测量的节点之间的时间同步，以及高可靠性冗余数据路径的自动配置。
•成本-以太网的商业用途驱动了非常高的容量并降低了组件的价格。通过使用标准以太网组件，与使用基于小批量ASIC或基于FPGA的实现的专用以太网变体相比，终端设备和IT基础设施的成本更低。
许多工业应用协议已经适应了标准以太网。这并不意味着它们可以在同一网络上共存。共存需要合作，这种合作可以发生在终端设备上，也可以在网络中强制进行，或者两者的结合。为了使网络实现共存，所有网络设备必须兼容。这种级别的兼容性需要互操作性规范和认证测试，就像WiFi联盟为802.11及其所有变体所做的那样。
像AVnu这样的组织可以提供标签，给最终用户信心，并提供所需的规范，将一系列标准整合在一起，以确保网络能够满足各种应用的需求。
国家仪器
www.ni.com
AVnu联盟
www.avnu.org
本材料改编自AVnu联盟的白皮书。
了下:所有行业，设计世界文章，机床工业+减法制造业，网络•连接•现场总线
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