工業(yè)以太網(wǎng)

 

工業(yè)以太網(wǎng)用于工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和許多其他工業(yè)應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)的主要優(yōu)勢(shì)在于確定性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和小于1 ms的同步循環(huán)時(shí)間。

 

用戶不能使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）來(lái)實(shí)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；相反，需要專用的應(yīng)用特定型集成電路（ASIC）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），因?yàn)橐蕴W(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€(gè)以太網(wǎng)端口?？焖俎D(zhuǎn)發(fā)的方式可實(shí)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(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(tuán)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(jié)構(gòu)，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)單的線路拓?fù)洹Ｒ粋€(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)可支持多達(dá)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(jié)點(diǎn)（無(wú)需進(jìn)一步處理）返至控制器。EtherCAT幀具有預(yù)留空間來(lái)處理每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并保持原幀長(zhǎng)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(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(shí)，EtherCAT MAC將處理EtherCAT幀。典型的EtherCAT節(jié)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；

●   快速鏈路斷開檢測(cè)（需要以太網(wǎng)物理層[PHY]收發(fā)器支持）具有回執(zhí)功能——當(dāng)諸如DP83822或DP83826E之類的以太網(wǎng)PHY檢測(cè)到鏈路斷開時(shí)，以太網(wǎng)PHY會(huì)通知EtherCAT MAC，在不到10 µs的時(shí)間內(nèi)，EtherCAT MAC將回送EtherCAT幀；

●   當(dāng)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(tǒng)（PRU-ICSS）外設(shè)，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(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)

 

過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)（Profinet）是用于工廠自動(dòng)化的領(lǐng)先工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行，采用器件和控制器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，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?fù)浞矫鏄O其靈活，使用集線器和交換機(jī)器件，包括線路拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)?、星形拓?fù)浠蜻@些拓?fù)涞慕M合。

 

圖3：自動(dòng)化系統(tǒng)中的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)

（來(lái)源：Profibus International)

 

多年來(lái)，Profinet標(biāo)準(zhǔn)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(jí)。每個(gè)性能等級(jí)都比下述等級(jí)增加了更多功能，這種方法使Profinet與先前的Profinet器件代級(jí)向后兼容。

 

讓我們回顧一下每個(gè)性能等級(jí)的主要功能：

 

符合等級(jí)（CC）A（CC-A）：

 

●   實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信

●   循環(huán)輸入/輸出

●   參數(shù)配置

●   警報(bào)

 

大多數(shù)情況下，此性能等級(jí)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC上可以實(shí)現(xiàn)，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?fù)錂z測(cè)

●   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(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(shù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足他們的需求，這些標(biāo)準(zhǔn)通常是從他們現(xiàn)有的基于串行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一衍生出來(lái)的。

 

為產(chǎn)品添加工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)將其設(shè)備出售給客戶。為產(chǎn)品添加多種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一種方法是為每個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建單獨(dú)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(fù)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(shè)計(jì)人員可使用諸如Sitara™ Arm®處理器之類的產(chǎn)品，這些應(yīng)用處理器具有集成的PRU-ICSS，可運(yùn)行多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)。

 

PRU在器件運(yùn)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(nèi)設(shè)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(zhí)行諸如快速轉(zhuǎn)發(fā)處理等實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)。

 

PRU-ICSS以及可擴(kuò)展且功能強(qiáng)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(dòng)化產(chǎn)品構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)行。除這些優(yōu)勢(shì)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(duì)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(nèi)部高速存儲(chǔ)器總線接口實(shí)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(wú)論使用以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)、過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)還是多協(xié)議，每一種協(xié)議在工業(yè)應(yīng)用中都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。可在白皮書為傳感器選擇正確的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)中了解有關(guān)選擇正確的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的更多信息。

 

 

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