每種工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定皆有其獨(dú)特的歷史與不同的工業(yè)應(yīng)用效益。本文將簡(jiǎn)述三種主要協(xié)定及其優(yōu)勢(shì)，包括Ethercat、Profinet和Multiprotocls多重協(xié)定方案。

工業(yè)乙太網(wǎng)路

工業(yè)乙太網(wǎng)路主要用於工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和其他工業(yè)應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路相比，工業(yè)乙太網(wǎng)路的主要優(yōu)勢(shì)在於確定性的即時(shí)數(shù)據(jù)交換和小於1ms的同步循環(huán)時(shí)間。

使用者無(wú)法透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)實(shí)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)，而是需透過(guò)專用的特定應(yīng)用積體電路(ASIC)或現(xiàn)場(chǎng)可程式設(shè)計(jì)閘陣列(FPGA)。因?yàn)橐姨W(wǎng)幀作為「直通」接收，指在首個(gè)乙太網(wǎng)路埠(Ethernet Port)接收幀(Ethernet Frame)同時(shí)，一個(gè)專用的工業(yè)乙太網(wǎng)MAC硬體模組已在處理該幀並將其傳輸?shù)降诙€(gè)乙太網(wǎng)埠。快速轉(zhuǎn)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)乙太網(wǎng)幀小於1μs的埠對(duì)埠延遲。

乙太網(wǎng)路控制自動(dòng)化技術(shù)

Beckhoff Automation發(fā)明的乙太網(wǎng)路控制自動(dòng)化技術(shù)(EtherCAT)，自2003年以來(lái)在EtherCAT技術(shù)集團(tuán)旗下公司逐漸壯大。在技術(shù)方面，如圖一所示，EtherCAT為一種控制器和元件網(wǎng)路體系結(jié)構(gòu)。EtherCAT元件具有兩個(gè)乙太網(wǎng)路連接器來(lái)支援簡(jiǎn)單的線路拓?fù)洹Ｒ粋€(gè)EtherCAT網(wǎng)路可支援多達(dá)65,535個(gè)EtherCAT元件。

圖一 : 具備EtherCAT frame流控制器與元件範(fàn)例

只有EtherCAT控制器能生成EtherCAT frame。所有元件都接收並處理該幀，最後一個(gè)元件回送EtherCAT frame，而EtherCAT frame則會(huì)通過(guò)所有節(jié)點(diǎn)(無(wú)需進(jìn)一步處理)返回控制器。EtherCAT frame具有預(yù)留空間來(lái)處理每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，並保持原幀長(zhǎng)度。

EtherCAT元件需要特定的乙太網(wǎng)路硬體(EtherCAT MAC)支援處理傳入的EtherCAT frame。如圖二所示，普遍的方式為使用ASIC或FPGA，也就是在執(zhí)行幀接收時(shí)，EtherCAT MAC將處理EtherCAT frame。典型的EtherCAT節(jié)點(diǎn)在接收和發(fā)送的幀之間具有1μs的埠對(duì)埠延遲。

圖二 : 具備ASIC/FPGA和外部處理器的EtherCAT元件

EtherCAT元件的關(guān)鍵特性和功能包括:

? 分散式時(shí)鐘—跨元件和控制器的精確時(shí)間同步方法。

? 快速鍊路斷線偵測(cè)（需要乙太網(wǎng)路實(shí)體層收發(fā)器支援）具有回執(zhí)功能例如DP83822或DP83826E等的乙太網(wǎng)路實(shí)體層偵測(cè)到鍊路斷開(kāi)時(shí)，乙太網(wǎng)路實(shí)體層會(huì)通知EtherCAT MAC，在不到10 μs的時(shí)間內(nèi)，EtherCAT MAC將回送EtherCAT frame。

當(dāng)支援EtherCAT以及其他協(xié)定時(shí)，使用ASIC或FPGA會(huì)增加成本與電路板空間。另一種解決方案是使用Sitara處理器中的可編程即時(shí)單元工業(yè)通訊子系統(tǒng)(PRU-ICSS)外設(shè)，工程師可藉由同一種晶片方案支援多種工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定。

@中標(biāo)如何選擇正確的工業(yè)乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：EtherCAT

更多有關(guān)EtherCAT的資訊，請(qǐng)瀏覽網(wǎng)址:

https://e2e.ti.com/blogs_/b/industrial_strength/archive/2015/09/17/how-to-select-the-right-industrial-ethernet-standard-ethercat?HQS=sys-ind-fa-indcomms20-contrib-pf-20200806-tw

過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)路

過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)路(Profinet)是用於工廠自動(dòng)化的領(lǐng)先工業(yè)乙太網(wǎng)路標(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乙太網(wǎng)路上運(yùn)行，採(cǎi)用元件和控制器網(wǎng)路體系結(jié)構(gòu)，如圖三所示，它由一個(gè)接管網(wǎng)路中的Profinet控制器組成輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網(wǎng)路拓?fù)浞矫鏄O為靈活，使用集線器和交換機(jī)元件，包括線路拓?fù)洹h(huán)形拓?fù)洹⑿切瓮負(fù)浠蜻@些拓?fù)涞慕M合。

圖三 : 自動(dòng)化系統(tǒng)中的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng) (來(lái)源: Profibus International )

多年來(lái)，Profinet標(biāo)準(zhǔn)已基於市場(chǎng)需求不斷發(fā)展為A、B和C等各種效能等級(jí)。每個(gè)效能等級(jí)都比下方所述等級(jí)增加了更多功能，這種方法使Profinet與先前的Profinet元件可向下相容。

回顧每個(gè)效能等級(jí)的主要功能。

? 符合等?（CC）A（CC-A）：

? 即時(shí)乙太網(wǎng)路通訊

? 迴圈輸入/輸出

? 參數(shù)配置

? 警報(bào)

大多數(shù)情況下，此效能等級(jí)在標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路MAC上可以實(shí)現(xiàn)，甚至無(wú)需兩個(gè)乙太網(wǎng)路埠，一個(gè)MAC就已足夠。

? CC-B與CC-A的功能相同，此外：

? 網(wǎng)路診斷

? 拓?fù)錂z測(cè)

? 系統(tǒng)冗餘

此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms範(fàn)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幀保留的頻寬，也稱為等時(shí)同步即時(shí)(IRT)。

? 控制器和元件的時(shí)間同步。

儘管大多數(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/輸出支援的循環(huán)時(shí)間低至31.25 μs,RT版本需要專用的雙埠工業(yè)乙太網(wǎng)MAC。 請(qǐng)參考有關(guān)Profinet IRT的詳細(xì)資訊技術(shù)文章

如何選擇正確的工業(yè)乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：Profinet

更多有關(guān)Profinet的資訊，請(qǐng)瀏覽網(wǎng)址:

https://e2e.ti.com/blogs_/b/industrial_strength/archive/2015/11/06/how-to-select-the-right-industrial-ethernet-standard-profinet?HQS=sys-ind-fa-indcomms20-contrib-ta-20200806-tw

多重協(xié)定

由於工業(yè)協(xié)定數(shù)量眾多，產(chǎn)品製造商尚未定義出通用的工業(yè)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)。許多製造商已定義一種特定的工業(yè)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足他們的需求，這些標(biāo)準(zhǔn)通常是由既有的基於串行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一衍生出來(lái)。

為產(chǎn)品設(shè)計(jì)工業(yè)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)並認(rèn)證通訊介面具有挑戰(zhàn)性。大多數(shù)製造商需要具備支援多重工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定，以不同的標(biāo)準(zhǔn)將其設(shè)備出售給客戶。為產(chǎn)品設(shè)計(jì)多種乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)的一種方法是為每個(gè)工業(yè)乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建單獨(dú)的印刷電路板(PCB)模組，將其中一個(gè)模組插入主機(jī)板。但是交換協(xié)定需要更改硬體，會(huì)使產(chǎn)品材料清單(BOM)更為複雜且需要生成多個(gè)PCB模組和多晶片源解決方案。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員可使用例如Sitara Arm處理器產(chǎn)品，該應(yīng)用處理器具有整合可編程設(shè)計(jì)即時(shí)單元工業(yè)通訊子系統(tǒng) (PRU-ICSS)。

可編程設(shè)計(jì)即時(shí)元件 (PRU) 在元件運(yùn)行時(shí)載入工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定韌體。有可編程設(shè)計(jì)即時(shí)單元工業(yè)通訊子系統(tǒng)協(xié)定韌體版本可用於EtherCAT、Profinet、乙太網(wǎng)路/IP、高可用性無(wú)縫冗餘-並行冗餘協(xié)定(HSR-PRP);Sitara處理器在處理器SDK中內(nèi)設(shè)工業(yè)乙太的網(wǎng)(CC-Link IE)Field basic的控制和通訊鏈路，無(wú)需任何FPGA或ASIC。

協(xié)定韌體執(zhí)行例如快速轉(zhuǎn)發(fā)處理等實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)。

可編程設(shè)計(jì)即時(shí)單元工業(yè)通訊子系統(tǒng)以及可擴(kuò)展且功能強(qiáng)大的ARM 核心 (CortexR-A8,A9,A15或A53,取決於Sitara處理器)可為工廠自動(dòng)化產(chǎn)品建構(gòu)單晶片解決方案，並透過(guò)靈活交換可編程設(shè)計(jì)即時(shí)單元工業(yè)通訊子系統(tǒng)韌體在多個(gè)工業(yè)乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)行。除了這些優(yōu)勢(shì)及處理即時(shí)關(guān)鍵工業(yè)乙太網(wǎng)路處理能力，可編程設(shè)計(jì)即時(shí)單元工業(yè)通訊子系統(tǒng)還具備:

? 消除對(duì)外部ASIC和FPGA的需求

? 減少BOM和PCB空間，降低成本

? 通過(guò)內(nèi)部高速記憶體總線介面實(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EtherCAT、Profinet或是多重協(xié)定，每一種協(xié)定在工業(yè)應(yīng)用中都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。可參考為感測(cè)器選擇正確的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)白皮書瞭解有關(guān)選擇正確的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)更多資訊。