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工业以太网协议的历史及其优势

2020-07-24 09:44 来源:德州仪器 编辑:电源网

每种工业以太网协议都有其独特的历史和不同的工业应用效益。本文将简述以下三种主要协议及其优势:Ethercat、Profinet和Multiprotocls 多协议方案。

工业以太网

工业以太网用于工厂自动化、楼宇自动化和许多其他工业应用。与标准以太网相比,工业以太网的主要优势在于确定性的实时数据交换和小于1 ms的同步循环时间。

用户不能使用标准以太网介质访问控制(MAC)来实现大多数工业以太网标准;相反,需要专用的应用特定型集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA),因为以太网帧作为“直通”接收,指在首个以太网端口正在接收帧的同时,一个专用的工业以太网MAC硬件模块已在处理该帧并将其传输到第二个以太网端口。快速转发的方式可实现以太网帧小于1 µs的端口至端口延迟。

以太网控制自动化技术

Beckhoff Automation发明的以太网控制自动化技术(EtherCAT),自2003年以来一直在EtherCAT技术集团旗下公司发展壮大。在技术方面,EtherCAT是一种控制器和器件网络体系结构,如图1所示。EtherCAT器件具有两个以太网连接器来支持简单的线路拓扑。一个EtherCAT网络可支持多达65,535个EtherCAT器件。

图1:具有EtherCAT帧流的控制器和器件示例

只有EtherCAT控制器会生成EtherCAT帧;所有器件都接收并处理该帧,最后一个器件回送EtherCAT帧,而EtherCAT帧则会通过所有节点(无需进一步处理)返至控制器。EtherCAT帧具有预留空间来处理每个节点的数据,并保持原帧长度。

EtherCAT器件需要特定的以太网硬件(EtherCAT MAC)支持处理传入的EtherCAT帧。典型的实现方式是使用ASIC或FPGA,如图2所示。这意味着在执行帧接收时,EtherCAT MAC将处理EtherCAT帧。典型的EtherCAT节点在接收和发送的帧之间具有1 µs的端口到端口延迟。

图2:带有ASIC/FPGA和外部处理器的EtherCAT器件

EtherCAT器件的关键特性和功能包括:

l分布式时钟——跨器件和控制器的精确时间同步方法。

l快速链路断开检测(需要以太网物理层[PHY]收发器支持)具有回执功能——当诸如DP83822或DP83826E之类的以太网PHY检测到链路断开时,以太网PHY会通知EtherCAT MAC,在不到10 µs的时间内,EtherCAT MAC将回送EtherCAT帧。

当支持EtherCAT以及其他协议时,使用ASIC或FPGA会增加成本和电路板空间。另一种解决方案是使用Sitara™处理器中的可编程实时单元工业通信子系统(PRU-ICSS)外设,工程师可使用同一种芯片方案支持多种工业以太网协议。

如何选择正确的工业以太网标准:EtherCAT

有关EtherCAT的更多信息

过程现场网络

过程现场网络(Profinet)是用于工厂自动化的领先工业以太网标准之一。Profinet有不同版本,但本文重点介绍Profinet输入/输出(I/O)。

Profinet在全双工100 Mbps以太网上运行,采用器件和控制器网络体系结构,如图3所示。它由一个接管网络中的Profinet控制器组成,输入/输出器件接管器件。Profinet在网络拓扑方面极其灵活,使用集线器和交换机器件,包括线路拓扑、环形拓扑、星形拓扑或这些拓扑的组合。

图3:自动化系统中的过程现场网络(来源:Profibus International)

多年来,Profinet标准已基于市场需求不断发展为A、B和C等各种性能等级。每个性能等级都比下述等级增加了更多功能,这种方法使Profinet与先前的Profinet器件代级向后兼容。

让我们回顾一下每个性能等级的主要功能。

l符合等级(CC)A(CC-A):

l实时以太网通信。

l循环输入/输出。

l参数配置。

l警报。

大多数情况下,此性能等级在标准以太网MAC上可以实现,甚至无需两个以太网端口,一个MAC就已足够。

CC-B与CC-A的功能相同,此外:

l网络诊断。

l拓扑检测。

l系统冗余。

此版本的Profinet输入/输出还可在1ms范围内执行循环时间。

lCC-C与CC-B和CC-A的功能相同,此外:

l为特定Profinet帧保留的带宽,也称为等时同步实时(IRT)。

l控制器和器件的时间同步。

尽管大多数应用的循环时间为250 µs或以下,但此版本的Profinet输入/输出支持的循环时间低至31.25 µs,RT版本需要专用的两端口工业以太网MAC。

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