工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的歷史及其優(yōu)勢(shì)說(shuō)明

每種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都有其獨(dú)特的歷史和不同的工業(yè)應(yīng)用效益。本文將簡(jiǎn)述以下三種主要協(xié)議及其優(yōu)勢(shì)：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(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。快速轉(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(kāi)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(kāi)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)洹?a target="_blank">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)。
• 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)。回顧本解決方案的主要區(qū)別和優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)演示視頻了解更多有關(guān)多協(xié)議支持的信息并獲取軟件。

PRU 在器件運(yùn)行時(shí)加載工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議固件。有 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。