工業(yè)以太網(wǎng)

 

工業(yè)以太網(wǎng)用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)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(shí)時(shí)數據交換和小于1 ms的同步循環(huán)時(shí)間。

 

用戶(hù)不能使用標準以太網(wǎng)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）來(lái)實(shí)現大多數工業(yè)以太網(wǎng)標準；相反，需要專(zhuān)用的應用特定型集成電路（ASIC）或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），因為以太網(wǎng)幀作為“直通”接收，指在首個(gè)以太網(wǎng)端口正在接收幀的同時(shí)，一個(gè)專(zhuān)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到第二個(gè)以太網(wǎng)端口?？焖俎D發(fā)的方式可實(shí)現以太網(wǎng)幀小于1 µs的端口至端口延遲。

 

以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)

 

Beckhoff Automation發(fā)明的以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)（EtherCAT），自2003年以來(lái)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(luò )體系結構，如圖1所示。EtherCAT器件具有兩個(gè)以太網(wǎng)連接器來(lái)支持簡(jiǎn)單的線(xiàn)路拓撲。一個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò )可支持多達65,535個(gè)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(huì )生成EtherCAT幀；所有器件都接收并處理該幀，最后一個(gè)器件回送EtherCAT幀，而EtherCAT幀則會(huì )通過(guò)所有節點(diǎn)（無(wú)需進(jìn)一步處理）返至控制器。EtherCAT幀具有預留空間來(lái)處理每個(gè)節點(diǎn)的數據，并保持原幀長(cháng)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(shí)現方式是使用ASIC或FPGA，如圖2所示。這意味著(zhù)在執行幀接收時(shí)，EtherCAT MAC將處理EtherCAT幀。典型的EtherCAT節點(diǎn)在接收和發(fā)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(guān)鍵特性和功能包括：

 

●   分布式時(shí)鐘——跨器件和控制器的精確時(shí)間同步方法；

●   快速鏈路斷開(kāi)檢測（需要以太網(wǎng)物理層[PHY]收發(fā)器支持）具有回執功能——當諸如DP83822或DP83826E之類(lèi)的以太網(wǎng)PHY檢測到鏈路斷開(kāi)時(shí)，以太網(wǎng)PHY會(huì )通知EtherCAT MAC，在不到10 µs的時(shí)間內，EtherCAT MAC將回送EtherCAT幀；

●   當支持EtherCAT以及其他協(xié)議時(shí)，使用ASIC或FPGA會(huì )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(shí)時(shí)單元工業(yè)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(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

 

過(guò)程現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )

 

過(guò)程現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )（Profinet）是用于工廠(chǎng)自動(dòng)化的領(lǐng)先工業(yè)以太網(wǎng)標準之一。Profinet有不同版本，但本文重點(diǎn)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(luò )體系結構，如圖3所示。它由一個(gè)接管網(wǎng)絡(luò )中的Profinet控制器組成，輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網(wǎng)絡(luò )拓撲方面極其靈活，使用集線(xiàn)器和交換機器件，包括線(xiàn)路拓撲、環(huán)形拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合。

 

圖3：自動(dòng)化系統中的過(guò)程現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )

（來(lái)源：Profibus International)

 

多年來(lái)，Profinet標準已基于市場(chǎng)需求不斷發(fā)展為A、B和C等各種性能等級。每個(gè)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(gè)性能等級的主要功能：

 

符合等級（CC）A（CC-A）：

 

●   實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信

●   循環(huán)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(wǎng)MAC上可以實(shí)現，甚至無(wú)需兩個(gè)以太網(wǎng)端口，一個(gè)MAC就已足夠。

 

CC-B與CC-A的功能相同，此外：

 

●   網(wǎng)絡(luò )診斷

●   拓撲檢測

●   參數配置

●   系統冗余

 

此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms范圍內執行循環(huán)時(shí)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(chēng)為等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）

●   控制器和器件的時(shí)間同步

 

盡管大多數應用的循環(huán)時(shí)間為250 µs或以下，但此版本的Profinet輸入/輸出支持的循環(huán)時(shí)間低至31.25 µs，RT版本需要專(zhuān)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(lǐng)先的制造商已定義一種特定的工業(yè)以太網(wǎng)標準來(lái)滿(mǎn)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(chǎng)總線(xiàn)之一衍生出來(lái)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性。大多數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(hù)。為產(chǎn)品添加多種以太網(wǎng)標準的一種方法是為每個(gè)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(gè)模塊插入主板。但是交換協(xié)議需要更改硬件，會(huì )使產(chǎn)品材料清單（BOM）更為復雜且需要生成多個(gè)PCB模塊和多芯片源解決方案。

 

為解決這一問(wèn)題，設計人員可使用諸如Sitara™ Arm®處理器之類(lèi)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(shí)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(wú)縫冗余-并行冗余協(xié)議（HSR-PRP）；Sitara處理器在處理器SDK中內設工業(yè)以太的網(wǎng)（CC-Link IE）Field basic的控制和通信鏈路，無(wú)需任何FPGA或ASIC。

 

協(xié)議固件可執行諸如快速轉發(fā)處理等實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)。

 

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(chǎng)自動(dòng)化產(chǎn)品構建單芯片解決方案，然后通過(guò)靈活交換PRU-ICSS固件在多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)標準中運行。除這些優(yōu)勢以及處理實(shí)時(shí)關(guān)鍵工業(yè)以太網(wǎng)處理任務(wù)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(guò)內部高速存儲器總線(xiàn)接口實(shí)現Arm處理器之間的快速輸入/輸出數據交換。

 

如上所述，無(wú)論使用以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)、過(guò)程現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )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?？稍诎灼?shū)為傳感器選擇正確的工業(yè)通信標準中了解有關(guān)選擇正確的工業(yè)通信標準的更多信息。

 

 

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