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工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的歷史及其優(yōu)勢

發(fā)布時間:2020-08-01 責任編輯:wenwei

【導讀】每種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都有其獨特的歷史和不同的工業(yè)應用效益。本文將簡述以下三種主要協(xié)議及其優(yōu)勢:Ethercat、Profinet 和Multiprotocls 多協(xié)議方案。
 
工業(yè)以太網(wǎng)
 
工業(yè)以太網(wǎng)用于工廠自動化、樓宇自動化和許多其他工業(yè)應用。與標準以太網(wǎng)相比,工業(yè)以太網(wǎng)的主要優(yōu)勢在于確定性的實時數(shù)據(jù)交換和小于1 ms的同步循環(huán)時間。
 
用戶不能使用標準以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制(MAC)來實現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標準;相反,需要專用的應用特定型集成電路(ASIC)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),因為以太網(wǎng)幀作為“直通”接收,指在首個以太網(wǎng)端口正在接收幀的同時,一個專用的工業(yè)以太網(wǎng)MAC硬件模塊已在處理該幀并將其傳輸?shù)降诙€以太網(wǎng)端口??焖俎D(zhuǎn)發(fā)的方式可實現(xiàn)以太網(wǎng)幀小于1 µs的端口至端口延遲。
 
以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)
 
Beckhoff Automation發(fā)明的以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)(EtherCAT),自2003年以來一直在EtherCAT技術(shù)集團旗下公司發(fā)展壯大。在技術(shù)方面,EtherCAT是一種控制器和器件網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),如圖1所示。EtherCAT器件具有兩個以太網(wǎng)連接器來支持簡單的線路拓撲。一個EtherCAT網(wǎng)絡可支持多達65,535個EtherCAT器件。
 
工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的歷史及其優(yōu)勢
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(jié)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(jié)點的數(shù)據(jù),并保持原幀長度。
 
EtherCAT器件需要特定的以太網(wǎng)硬件(EtherCAT MAC)支持處理傳入的EtherCAT幀。典型的實現(xiàn)方式是使用ASIC或FPGA,如圖2所示。這意味著在執(zhí)行幀接收時,EtherCAT MAC將處理EtherCAT幀。典型的EtherCAT節(jié)點在接收和發(fā)送的幀之間具有1 µs的端口到端口延遲。
 
工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的歷史及其優(yōu)勢
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(wǎng)物理層[PHY]收發(fā)器支持)具有回執(zhí)功能——當諸如DP83822或DP83826E之類的以太網(wǎng)PHY檢測到鏈路斷開時,以太網(wǎng)PHY會通知EtherCAT MAC,在不到10 µs的時間內(nèi),EtherCAT MAC將回送EtherCAT幀;
●   當支持EtherCAT以及其他協(xié)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(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS)外設,工程師可使用同一種芯片方案支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
 
過程現(xiàn)場網(wǎng)絡
 
過程現(xiàn)場網(wǎng)絡(Profinet)是用于工廠自動化的領先工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)上運行,采用器件和控制器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),如圖3所示。它由一個接管網(wǎng)絡中的Profinet控制器組成,輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網(wǎng)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(huán)形拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合。
 
工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的歷史及其優(yōu)勢
圖3:自動化系統(tǒng)中的過程現(xiàn)場網(wǎng)絡
(來源:Profibus International)
 
多年來,Profinet標準已基于市場需求不斷發(fā)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(wǎng)通信
●   循環(huán)輸入/輸出
●   參數(shù)配置
●   警報
 
大多數(shù)情況下,此性能等級在標準以太網(wǎng)MAC上可以實現(xiàn),甚至無需兩個以太網(wǎng)端口,一個MAC就已足夠。
 
CC-B與CC-A的功能相同,此外:
 
●   網(wǎng)絡診斷
●   拓撲檢測
●   參數(shù)配置
●   系統(tǒng)冗余
 
此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms范圍內(nèi)執(zhí)行循環(huán)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(shù)應用的循環(huán)時間為250 µs或以下,但此版本的Profinet輸入/輸出支持的循環(huán)時間低至31.25 µs,RT版本需要專用的兩端口工業(yè)以太網(wǎng)MAC。
 
多協(xié)議
 
由于提供的工業(yè)協(xié)議數(shù)量眾多,產(chǎn)品制造商尚未定義通用的工業(yè)以太網(wǎng)標準,呈碎片化。許多領先的制造商已定義一種特定的工業(yè)以太網(wǎng)標準來滿足他們的需求,這些標準通常是從他們現(xiàn)有的基于串行的現(xiàn)場總線之一衍生出來的。
 
為產(chǎn)品添加工業(yè)以太網(wǎng)標準,并認證通信接口具有挑戰(zhàn)性。大多數(shù)制造商需要支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,以使用不同的標準將其設備出售給客戶。為產(chǎn)品添加多種以太網(wǎng)標準的一種方法是為每個工業(yè)以太網(wǎng)標準創(chuàng)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(xié)議需要更改硬件,會使產(chǎn)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(chǎn)品,這些應用處理器具有集成的PRU-ICSS,可運行多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)。
 
PRU在器件運行時加載工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議固件。PRU-ICSS協(xié)議固件版本可用于EtherCAT、Profinet、以太網(wǎng)/IP、高可用性無縫冗余-并行冗余協(xié)議(HSR-PRP);Sitara處理器在處理器SDK中內(nèi)設工業(yè)以太的網(wǎng)(CC-Link IE)Field basic的控制和通信鏈路,無需任何FPGA或ASIC。
 
協(xié)議固件可執(zhí)行諸如快速轉(zhuǎn)發(fā)處理等實時關鍵任務。
 
PRU-ICSS以及可擴展且功能強大的Arm內(nèi)核(Cortex®-A8,A9,A15或A53,取決于Sitara處理器)可為工廠自動化產(chǎn)品構(gòu)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(yè)以太網(wǎng)標準中運行。除這些優(yōu)勢以及處理實時關鍵工業(yè)以太網(wǎng)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(nèi)部高速存儲器總線接口實現(xiàn)Arm處理器之間的快速輸入/輸出數(shù)據(jù)交換。
 
如上所述,無論使用以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)、過程現(xiàn)場網(wǎng)絡還是多協(xié)議,每一種協(xié)議在工業(yè)應用中都有其獨特優(yōu)勢。可在白皮書為傳感器選擇正確的工業(yè)通信標準中了解有關選擇正確的工業(yè)通信標準的更多信息。
 
 
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