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工業以太網

工業以太網協議的歷史及其優勢

  2020年07月24日  

  每種工業以太網協議都有其獨特的歷史和不同的工業應用效益。本文將簡述以下三種主要協議及其優勢:Ethercat、Profinet和Multiprotocls 多協議方案。

工業以太網

  工業以太網用于工廠自動化、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于確定性的實時數據交換和小于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制(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并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于1 μs的端口至端口延遲。

以太網控制自動化技術

  Beckhoff Automation發明的以太網控制自動化技術(EtherCAT),自2003年以來一直在EtherCAT技術集團旗下公司發展壯大。在技術方面,EtherCAT是一種控制器和器件網絡體系結構,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幀流的控制器和器件示例

  只有EtherCAT控制器會生成EtherCAT幀;所有器件都接收并處理該幀,最后一個器件回送EtherCAT幀,而EtherCAT幀則會通過所有節點(無需進一步處理)返至控制器。EtherCAT幀具有預留空間來處理每個節點的數據,并保持原幀長度。

  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 ?s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:

  ●分布式時鐘--跨器件和控制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 ?s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系統(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)是用于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,采用器件和控制器網絡體系結構,如圖3所示。它由一個接管網絡中的Profinet控制器組成,輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網絡拓撲方面極其靈活,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:自動化系統中的過程現場網絡(來源:Profibus International)

  多年來,Profinet標準已基于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器件代級向后兼容。

  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。
   ●系統冗余。

  此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms范圍內執行循環時間。
   ●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)。
   ●控制器和器件的時間同步。

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

多協議

  由于提供的工業協議數量眾多,產品制造商尚未定義通用的工業以太網標準,呈碎片化。許多領先的制造商已定義一種特定的工業以太網標準來滿足他們的需求,這些標準通常是從他們現有的基于串行的現場總線之一衍生出來的。

  為產品添加工業以太網標準,并認證通信接口具有挑戰性。大多數制造商需要支持多種工業以太網協議,以使用不同的標準將其設備出售給客戶。為產品添加多種以太網標準的一種方法是為每個工業以太網標準創建單獨的印刷電路板(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)更為復雜且需要生成多個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。回顧本解決方案的主要區別和優勢,可通過演示視頻了解更多有關多協議支持的信息并獲取軟件。

  PRU在器件運行時加載工業以太網協議固件。有PRU-ICSS協議固件版本可用于EtherCAT、Profinet、以太網/IP、高可用性無縫冗余-并行冗余協議(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的控制和通信鏈路,無需任何FPGA或ASIC。

  協議固件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,取決于Sitara處理器)可為工廠自動化產品構建單芯片解決方案,然后通過靈活交換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,并因此降低成本。
   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。

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