如何開始實施工業(yè)以太網(wǎng)

幾十年來，標(biāo)準 IEEE 802.3 以太網(wǎng)一直是工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機、調(diào)制解調(diào)器和路由器以及 PC 和 Mac 等消費電子產(chǎn)品的固定裝置。它早已在這些方面超越了令牌環(huán)和令牌總線等潛在競爭對手。

然而，它從未真正為工業(yè)自動化而設(shè)計。諸如最初依賴CSMA/CD媒體訪問控制方法，盡最大努力處理網(wǎng)絡(luò)流量，噪聲（即通過同一根線路傳輸許多不同類型的流量）以及總體上缺乏確定性等缺點使其成為傳統(tǒng)上部署在大多數(shù)自動化和控制系統(tǒng)中的數(shù)字現(xiàn)場總線的不可行的替代方案。

工業(yè)以太網(wǎng)的創(chuàng)新和實施

上述問題的解決方案是開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議，例如PROFINET，EtherNet/IP，EtherCAT和其他可以在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上運行的協(xié)議，同時使用自己的特殊機制來確保時間敏感數(shù)據(jù)的確定性。雖然每個協(xié)議都是獨一無二的，但它們之間為自動化行業(yè)引入了幾項重要的創(chuàng)新：

其中一些，包括PROFINET，與標(biāo)準TCP / IP堆棧完全兼容，并且可以支持其實時通道。

在實施EtherNet/IP等協(xié)議時，可以使用普通交換機和其他標(biāo)準以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，這有助于控制設(shè)備成本。

EtherCAT引入了直通讀?。ɑ騽討B(tài)處理）的原理，消除了單節(jié)點目標(biāo)，并允許最大的帶寬利用率。

其他人對開放系統(tǒng)互連模型的第 2 層到第 4 層進行了重大修改，以實現(xiàn)確定性。

許多這些協(xié)議作為開放標(biāo)準的可用性（以及以太網(wǎng)等商業(yè)技術(shù)的使用）有助于維持它們的發(fā)展，盡管仍然沒有辦法讓它們都確定性地互操作。

這些突破足以使工業(yè)以太網(wǎng)成為全球控制系統(tǒng)的主要裝置。截至2015年，工業(yè)以太網(wǎng)解決方案合計約占所有已安裝節(jié)點的<>/<>。3傳統(tǒng)現(xiàn)場總線仍然占部署的最大份額，但以太網(wǎng)正以更快的年化速度增長。時間敏感型網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展 - IEEE 802.1和IEEE 802.3的一組更新 - 應(yīng)該繼續(xù)這一趨勢并解決互操作性問題。

可能阻礙以太網(wǎng)更新的一個障礙是實施計劃不明確。讓我們看看工業(yè)工廠如何在從現(xiàn)場總線到以太網(wǎng)的道路上啟動。

定義應(yīng)用程序要求

工業(yè)以太網(wǎng)的目的是為真正需要它的苛刻應(yīng)用提供確定性。示例包括運動控制和安全性，這兩者都可以從以太網(wǎng)解決方案帶來的可靠性和額外帶寬中受益。這些應(yīng)用程序與診斷以及通常通過標(biāo)準以太網(wǎng)傳輸?shù)?HTTP 和 FTP 流量根本不同。

在正常的 TCP/IP 堆棧中，100 毫秒或更長時間的周期時間很常見。受益于工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用將遠低于該閾值，甚至可能低于1毫秒。前面列出的應(yīng)用程序以及更普遍的控制回路應(yīng)用程序是這種開關(guān)產(chǎn)生積極影響的主要示例。它們必須快速遍歷各自的物理系統(tǒng)，并具有精確、可預(yù)測的時序特性（因此抖動必須保持在絕對最小值）。

了解應(yīng)用的理想周期時間有助于以后選擇協(xié)議。它提供了對最終是否需要硬實時或軟實時解決方案的洞察。

“控制回路應(yīng)用需要較短的循環(huán)時間。

繪制網(wǎng)絡(luò)拓撲

最知名的以太網(wǎng)拓撲是星形拓撲，因為它在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中占有突出地位。星形拓撲將每個設(shè)備連接到多端口以太網(wǎng)交換機。替代方案包括線形和環(huán)形拓撲。

在線路拓撲中，終端設(shè)備按順序從一個連接到下一個，這可以節(jié)省布線和開關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。它的主要問題是，如果一個節(jié)點或兩個節(jié)點之間的鏈接發(fā)生故障，那么它兩側(cè)的節(jié)點將變得無法訪問。

在環(huán)形拓撲中，每個設(shè)備正好連接到文字環(huán)中的另外兩個設(shè)備。正是出于這個原因，環(huán)比冗余線更好。引入了第 2 層協(xié)議（例如設(shè)備級環(huán)）來解決無限流量循環(huán)等問題。

請注意，需要嵌入式雙端口以太網(wǎng)交換機來支持線路和環(huán)形拓撲。另外，請記住，拓撲因協(xié)議而異。例如，EtherCAT獨特的自端接技術(shù)，如果一個節(jié)點沒有檢測到字符串中的另一個節(jié)點，就會終止網(wǎng)絡(luò)，這使得使用這個協(xié)議支持線、星形和環(huán)形拓撲成為可能。

“工業(yè)控制和自動化網(wǎng)絡(luò)通常使用獨特的拓撲結(jié)構(gòu)，”工業(yè)以太網(wǎng)手冊中的一篇文章解釋說。4“與典型的辦公室以太網(wǎng)'星形'網(wǎng)絡(luò)不同，多端換機提供到其他節(jié)點的點對點鏈路，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制層通常基于環(huán)形布局。環(huán)形或菊花鏈簡化了布線，可以擴展以太網(wǎng)的覆蓋范圍，而無需犧牲基于光纖的系統(tǒng)。

權(quán)衡工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和半導(dǎo)體的選擇

許多工廠要求其產(chǎn)品和多個系統(tǒng)之間兼容，因此依賴于多個以太網(wǎng)協(xié)議。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案，例如ADI公司RapID平臺?網(wǎng)絡(luò)接口通過將您需要的所有內(nèi)容（軟件、協(xié)議棧等）包含在一個方便的軟件包中，無需對主機應(yīng)用程序硬件或軟件進行任何更改即可連接到主機處理器，從而實現(xiàn)了這一目標(biāo)。

選擇半導(dǎo)體是工業(yè)以太網(wǎng)實施的重要組成部分。在其他情況下，您可能只需要一個協(xié)議，這意味著可能值得花時間比較每個協(xié)議的各個特征，例如它們支持的周期時間以及它們?nèi)绾闻c標(biāo)準 TCP/IP 流量交互。PROFINET就是一個很好的例子，因為它的RT和IRT變體涵蓋了不同的用例。

除了協(xié)議之外，您還必須決定將要或已經(jīng)到位的支持硬件和軟件組件。您購買的以太網(wǎng) Mac 設(shè)備的類型將取決于您規(guī)劃的拓撲結(jié)構(gòu)，而這又取決于您為自動化和控制系統(tǒng)選擇的協(xié)議。

測試新的網(wǎng)絡(luò)接口

一旦您對應(yīng)用程序要求、拓撲、協(xié)議和硬件/軟件做出了選擇，就該開始測試新的網(wǎng)絡(luò)接口以確保其最佳功能了。參考設(shè)計在此階段非常有用，因為它可以提供實施所需的原理圖、模塊設(shè)計、設(shè)計指南/文件、文檔和物料清單。

您還需要確保您使用的所有 API 也都有良好的文檔記錄。開發(fā)人員門戶通常是此處相關(guān)信息的首選來源。除此之外，與您的制造商和供應(yīng)商直接聯(lián)系是及時回答有關(guān)實施的任何問題和疑慮的最佳方式。

當(dāng)您審查系統(tǒng)并確保完全滿足確定性以太網(wǎng)要求時，這種支持絕對是必不可少的。總體而言，選擇經(jīng)驗豐富的制造商是簡化以太網(wǎng)接口原理圖和支持固件和軟件設(shè)置的最重要步驟之一。

審核編輯：郭婷