工業以太網

 

工業以太網用於工廠自動化
、樓宇自動化和許多其他工業應用。與標準以太網相比，工業以太網的主要優勢在於確定性的實時數據交換和小於1 ms的同步循環時間。

 

用戶不能使用標準以太網介質訪問控製（MAC）來實現大多數工業以太網標準；相反，需要專用的應用特定型集成電路（ASIC）或現場可編程門陣列（FPGA），因為以太網幀作為“直通”接收，指在首個以太網端口正在接收幀的同時，一個專用的工業以太網MAC硬件模塊已在處理該幀並將其傳輸到第二個以太網端口。快速轉發的方式可實現以太網幀小於1 µs的端口至端口延遲。

 

以太網控製自動化技術

 

Beckhoff Automation發明的以太網控製自動化技術（EtherCAT），自2003年以來一直在EtherCAT技術集團旗下公司發展壯大。在技術方麵，EtherCAT是一種控製器和器件網絡體係結構
，如圖1所示。EtherCAT器件具有兩個以太網連接器來支持簡單的線路拓撲。一個EtherCAT網絡可支持多達65,535個EtherCAT器件。

 

圖1：具有EtherCAT幀流的控製器和器件示例

 

隻有EtherCAT控製器會生成EtherCAT幀
；所有器件都接收並處理該幀，最後一個器件回送EtherCAT幀，而EtherCAT幀則會通過所有節點（無需進一步處理）返至控製器。EtherCAT幀具有預留空間來處理每個節點的數據，並保持原幀長度。

 

EtherCAT器件需要特定的以太網硬件（EtherCAT MAC）支持處理傳入的EtherCAT幀。典型的實現方式是使用ASIC或FPGA，如圖2所示。這意味著在執行幀接收時
，EtherCAT MAC將處理EtherCAT幀。典型的EtherCAT節點在接收和發送的幀之間具有1 µs的端口到端口延遲。

 

圖2：帶有ASIC/FPGA和外部處理器的 EtherCAT器件

 

EtherCAT器件的關鍵特性和功能包括：

 

●   分布式時鍾——跨器件和控製器的精確時間同步方法；

●   快速鏈路斷開檢測（需要以太網物理層[PHY]收發器支持）具有回執功能——當諸如DP83822或DP83826E之類的以太網PHY檢測到鏈路斷開時
，以太網PHY會通知EtherCAT MAC，在不到10 µs的時間內
，EtherCAT MAC將回送EtherCAT幀

；

●   當支持EtherCAT以及其他協議時，使用ASIC或FPGA會增加成本和電路板空間。另一種解決方案是使用Sitara™處理器中的可編程實時單元工業通信子係統（PRU-ICSS）外設，工程師可使用同一種芯片方案支持多種工業以太網協議。

 

過程現場網絡

 

過程現場網絡（Profinet）是用於工廠自動化的領先工業以太網標準之一。Profinet有不同版本，但本文重點介紹Profinet輸入/輸出（I/O）。

 

Profinet在全雙工100 Mbps以太網上運行，采用器件和控製器網絡體係結構，如圖3所示。它由一個接管網絡中的Profinet控製器組成，輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網絡拓撲方麵極其靈活，使用集線器和交換機器件，包括線路拓撲
、環形拓撲
、星形拓撲或這些拓撲的組合。

 

圖3：自動化係統中的過程現場網絡

（來源：Profibus International)

 

多年來，Profinet標準已基於市場需求不斷發展為A、B和C等各種性能等級。每個性能等級都比下述等級增加了更多功能，這種方法使Profinet與先前的Profinet器件代級向後兼容。

 

讓我們回顧一下每個性能等級的主要功能：

 

符合等級（CC）A（CC-A）：

 

●   實時以太網通信

●   循環輸入/輸出

●   參數配置

●   警報

 

大多數情況下

，此性能等級在標準以太網MAC上可以實現，甚至無需兩個以太網端口，一個MAC就已足夠。

 

CC-B與CC-A的功能相同，此外：

 

●   網絡診斷

●   拓撲檢測

●   參數配置

●   係統冗餘

 

此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms範圍內執行循環時間。

 

CC-C與CC-B和CC-A的功能相同，此外：

 

●   為特定Profinet幀保留的帶寬，也稱為等時同步實時（IRT）

●   控製器和器件的時間同步

 

盡管大多數應用的循環時間為250 µs或以下，但此版本的Profinet輸入/輸出支持的循環時間低至31.25 µs
，RT版本需要專用的兩端口工業以太網MAC。

 

多協議

 

由you於yu提ti供gong的de工gong業ye協xie議yi數shu量liang眾zhong多duo，產chan品pin製zhi造zao商shang尚shang未wei定ding義yi通tong用yong的de工gong業ye以yi太tai網wang標biao準zhun，呈cheng碎sui片pian化hua。許xu多duo領ling先xian的de製zhi造zao商shang已yi定ding義yi一yi種zhong特te定ding的de工gong業ye以yi太tai網wang標biao準zhun來lai滿man足zu他ta們men的de需xu求qiu
，這zhe些xie標biao準zhun通tong常chang是shi從cong他ta們men現xian有you的de基ji於yu串chuan行xing的de現xian場chang總zong線xian之zhi一yi衍yan生sheng出chu來lai的de。

 

為(wei)產(chan)品(pin)添(tian)加(jia)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)標(biao)準(zhun)
，並(bing)認(ren)證(zheng)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。大(da)多(duo)數(shu)製(zhi)造(zao)商(shang)需(xu)要(yao)支(zhi)持(chi)多(duo)種(zhong)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)協(xie)議(yi)，以(yi)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)標(biao)準(zhun)將(jiang)其(qi)設(she)備(bei)出(chu)售(shou)給(gei)客(ke)戶(hu)。為(wei)產(chan)品(pin)添(tian)加(jia)多(duo)種(zhong)以(yi)太(tai)網(wang)標(biao)準(zhun)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)為(wei)每(mei)個(ge)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)標(biao)準(zhun)創(chuang)建(jian)單(dan)獨(du)的(de)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)（PCB）模塊，將其中一個模塊插入主板。但是交換協議需要更改硬件
，會使產品材料清單（BOM）更為複雜且需要生成多個PCB模塊和多芯片源解決方案。

 

為解決這一問題，設計人員可使用諸如Sitara™ Arm®處理器之類的產品
，這些應用處理器具有集成的PRU-ICSS，可運行多協議工業以太網。

 

PRU在器件運行時加載工業以太網協議固件。PRU-ICSS協議固件版本可用於EtherCAT
、Profinet、以太網/IP
、高可用性無縫冗餘-並行冗餘協議（HSR-PRP）；Sitara處理器在處理器SDK中內設工業以太的網（CC-Link IE）Field basic的控製和通信鏈路，無需任何FPGA或ASIC。

 

協議固件可執行諸如快速轉發處理等實時關鍵任務。

 

PRU-ICSS以及可擴展且功能強大的Arm內核（Cortex®-A8

，A9，A15或A53，取決於Sitara處理器）可為工廠自動化產品構建單芯片解決方案
，然後通過靈活交換PRU-ICSS固件在多個工業以太網標準中運行。除這些優勢以及處理實時關鍵工業以太網處理任務的能力之外，PRU-ICSS還具有：

 

●   消除了對外部ASIC和FPGA的需求；

●   減少BOM和PCB空間，並因此降低成本
；

●   通過內部高速存儲器總線接口實現Arm處理器之間的快速輸入/輸出數據交換。

 

如上所述
，無論使用以太網控製自動化技術、過guo程cheng現xian場chang網wang絡luo還hai是shi多duo協xie議yi，每mei一yi種zhong協xie議yi在zai工gong業ye應ying用yong中zhong都dou有you其qi獨du特te優you勢shi。可ke在zai白bai皮pi書shu為wei傳chuan感gan器qi選xuan擇ze正zheng確que的de工gong業ye通tong信xin標biao準zhun中zhong了le解jie有you關guan選xuan擇ze正zheng確que的de工gong業ye通tong信xin標biao準zhun的de更geng多duo信xin息xi。

 

 

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