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實現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術,你了解多少?

發(fā)布時間:2025-03-18 來源:貿(mào)澤電子 責任編輯:lina

【導讀】隨著制造過程變得更加自動化,對高速、低延遲通信網(wǎng)絡的需求日益加劇。為了滿足工業(yè)界的新需求,工業(yè)以太網(wǎng)的概念在過去十年中應運而生。2019年的一項研究表明,工業(yè)以太網(wǎng)在新安裝的解決方案中首次超越了現(xiàn)場總線,智能工廠的興起推動了這一演變。目前,這一趨勢仍在繼續(xù)。


隨著制造過程變得更加自動化,對高速、低延遲通信網(wǎng)絡的需求日益加劇。為了滿足工業(yè)界的新需求,工業(yè)以太網(wǎng)的概念在過去十年中應運而生。2019年的一項研究表明,工業(yè)以太網(wǎng)在新安裝的解決方案中首次超越了現(xiàn)場總線,智能工廠的興起推動了這一演變。目前,這一趨勢仍在繼續(xù)。


Grand View Research的市場分析數(shù)據(jù)顯示,2023年,全球工業(yè)以太網(wǎng)市場規(guī)模達到了114.3億美元,預計2024年至2030年將以7.9%的復合年增長率高速增長。對于工業(yè)自動化和智能制造而言,機器和控制系統(tǒng)之間的無縫數(shù)據(jù)流至關重要。工業(yè)以太網(wǎng)提供了一個可擴展且靈活的基礎設施,支持實時數(shù)據(jù)交換和與物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)4.0等先進技術的集成。


工業(yè)以太網(wǎng)和以太網(wǎng)的區(qū)別


工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境中使用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡進行自動化控制,它擴展了以太網(wǎng)的功能,滿足了制造業(yè)和加工業(yè)的獨特要求。工業(yè)以太網(wǎng)結合了以太網(wǎng)技術的優(yōu)點,如高速數(shù)據(jù)傳輸和互操作性,以及工業(yè)應用所需的魯棒性和可靠性。但又與商業(yè)和辦公環(huán)境中使用的標準以太網(wǎng)有較大不同,工業(yè)以太網(wǎng)必須能夠在惡劣條件下可靠運行,包括極端溫度、濕度、振動、電磁干擾和物理危險等。


以下、是工業(yè)以太網(wǎng)和以太網(wǎng)之間的一些關鍵區(qū)別:

1、從工作環(huán)境看,工業(yè)以太網(wǎng)所處的工業(yè)環(huán)境通常很惡劣,其基礎設施必須能夠承受這些極具挑戰(zhàn)性的工作條件,比如具有堅固的連接器、堅實的布線和屏蔽電磁干擾的能力,以確保網(wǎng)絡的可靠運行。

2、從可靠性角度看,工業(yè)應用通常對實時、低延遲的通信有較高要求。工業(yè)以太網(wǎng)結合了實時協(xié)議、優(yōu)先級機制和服務質(zhì)量(QoS)技術等功能,以確保及時和可預測的數(shù)據(jù)傳輸。

3、從速度和帶寬方面看,與標準以太網(wǎng)相比,工業(yè)以太網(wǎng)通常以更高的速度運行,需要更大的帶寬,才能夠實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率,以適應傳感器、執(zhí)行器和機械等工業(yè)設備生成的大量數(shù)據(jù)的實時處理需求。

4、從網(wǎng)絡拓撲看,傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通常使用星形拓撲,但工業(yè)以太網(wǎng)要能夠支持環(huán)形、總線和星形等各種拓撲。這些拓撲可提供冗余和容錯,確保在網(wǎng)絡故障的情況下繼續(xù)運行。

5、從支持的協(xié)議方面看,工業(yè)以太網(wǎng)需要支持各種工業(yè)協(xié)議,如PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP/IP和EtherCAT等。這些協(xié)議促進了網(wǎng)絡與工業(yè)控制系統(tǒng)的無縫集成,還能實現(xiàn)來自多個制造商的不同設備之間的互操作。

6、從網(wǎng)絡管理角度看,工業(yè)以太網(wǎng)包括為工業(yè)環(huán)境量身定制的特定管理功能,如遠程診斷、設備監(jiān)控和集中管理工具等,以確保工業(yè)網(wǎng)絡的高效運行、故障排除和維護。


專用協(xié)議:工業(yè)以太網(wǎng)的“神經(jīng)系統(tǒng)”


在工業(yè)自動化中,有效的通信對于無縫操作和高效的過程控制至關重要。工業(yè)以太網(wǎng)徹底改變了工業(yè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸和管理,其支柱就是它其獨有的以太網(wǎng)協(xié)議。


工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議是管理工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡內(nèi)通信和數(shù)據(jù)交換的標準化規(guī)則和程序集,它們定義了設備之間如何通信、傳輸和接收數(shù)據(jù)、處理錯誤和同步操作,為設備有效交互提供了必要的標準和指南,實現(xiàn)了無縫集成、實時數(shù)據(jù)交換以及增強的控制和監(jiān)控能力。


已經(jīng)開發(fā)的幾種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,包括EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP和EtherCAT,它們提供了數(shù)據(jù)交換的結構和規(guī)則,滿足了特定的工業(yè)要求。工業(yè)以太網(wǎng)及其協(xié)議之間的共生關系突顯了它們的相互依賴性以及它們?yōu)楣I(yè)界帶來的好處。


EtherNet/IP


由羅克韋爾自動化(Rockwell Automation)開發(fā)的EtherNet/IP是一種廣泛使用的應用層工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它的靈活性和兼容性源于使用現(xiàn)成的組件和面向對象的設計。EtherNet/IP協(xié)議是專為工業(yè)自動化而設計的,它支持實時控制和信息交換,支持各種拓撲結構。它將網(wǎng)絡設備定義為一系列對象,并且完全基于以太網(wǎng)標準。


PROFINET


PROFINET是一種快速工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,廣泛應用于控制系統(tǒng),PROFINET網(wǎng)絡通常比其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議提供更高的速度。該協(xié)議初時在西門子(Siemens)主導下作為常用的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術的網(wǎng)絡擴展而開發(fā),2003年PROFINET被整合到IEC 61158和IEC 61784標準中。


Modbus TCP/IP


Modbus TCP/IP是第一個引入的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,它基本上將傳統(tǒng)的Modbus通信封裝在以太網(wǎng)傳輸層協(xié)議中,促進了控制設備之間離散數(shù)據(jù)的傳輸。


EtherCAT


EtherCAT是一種專為自動化系統(tǒng)的主從配置中的實時通信而設計的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,以高速和靈活性而聞名,它使用標準的以太網(wǎng)幀格式,有助于輕松集成到現(xiàn)有的以太網(wǎng)網(wǎng)絡中。


根據(jù)發(fā)表在《Environmental Science & Technology》(環(huán)境科學與技術)上的一篇綜述,對于生產(chǎn)量較低的使用案例,增材制造可以減少開銷、降低環(huán)境影響[3]。在傳統(tǒng)零部件生產(chǎn)會產(chǎn)生大量浪費的場景中,或者在減輕飛機和汽車零部件重量的應用中,3D打印也具有更好的可持續(xù)性。而后,通過整合生產(chǎn)步驟、縮短供應鏈,也可以減少運輸過程中產(chǎn)生的排放。


兩大工業(yè)以太網(wǎng)技術及方案


下面我們將著重介紹在工業(yè)自動化中應用較廣的兩款協(xié)議,及其解決方案。


PROFINET解決方案


PROFINET是工業(yè)自動化領域先進的工業(yè)以太網(wǎng)標準,使用標準TCP/IP網(wǎng)絡,能提供高數(shù)據(jù)速率的實時通信能力,是工廠自動化中優(yōu)選的工業(yè)以太網(wǎng)標準之一。


ROFINET基于主站/從站通信理念,主站(IO控制器)可在網(wǎng)絡中的所有設備之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀,從站(IO設備)可將幀發(fā)送到IO控制器,但向其他IO設備發(fā)送數(shù)據(jù)只可采用非循環(huán)方式。工業(yè)應用中部署的系統(tǒng)至少有一個IO控制器和一個或多個IO設備。


ROFINET在網(wǎng)絡拓撲方面非常靈活,包括使用集線器和交換設備的線路拓撲、環(huán)形拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合,它實現(xiàn)了工業(yè)環(huán)境中各種設備(如傳感器、執(zhí)行器和可編程邏輯控制器(PLC))之間快速和可靠的通信。


由于工業(yè)自動化系統(tǒng)對實時、高性能通信網(wǎng)絡的需求不斷增加,目前,PROFINET協(xié)議在全球市場中占據(jù)主導地位,其市場收入份額極大。


Texas Instruments(TI)已將PROFINET技術集成到其Sitara Arm處理器中,提供全面集成的PROFINET 從站功能,在不影響功能或性能要求的情況下打造出成本更低的終端產(chǎn)品。


Sitara處理器配備了TI的可編程實時單元工業(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS),該子系統(tǒng)支持與MII接口進行底層交互。PRU-ICSS可以輕松地實現(xiàn)專用通信協(xié)議,如PROFINET。TI在PRU-ICSS上實現(xiàn)了一種雙端口PROFINET直通交換機,從而將PROFINET的實時處理要求從Arm內(nèi)核轉移到PRU-ICSS上,這種做法能夠將ARM核心的大部分處理能力留給工業(yè)應用。在Sitara AM335x上集成的PROFINET解決方案中,整個PROFINET交換機可通過固件封裝在PRU-ICSS 中。


實現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術,你了解多少?

圖1:Sitara AM335x處理器上的PROFINET從站(圖源:Texas Instruments)


EtherCAT解決方案


EtherCAT是一個開放的以太網(wǎng)網(wǎng)絡,通過靈活的拓撲結構提供實時性能,以縮短周期時間并提高質(zhì)量。


EtherCAT設備有兩個以太網(wǎng)連接器,以支持簡單的線路拓撲。EtherCAT網(wǎng)絡可以支持多達65535個EtherCAT設備。這些EtherCAT設備需要特定的以太網(wǎng)硬件(EtherCAT MAC)支持,常用的實現(xiàn)方式是使用ASIC或FPGA。典型的EtherCAT設備在接收和傳輸幀之間具有1-μs的端口到端口延遲。


不過,在支持EtherCAT和其他協(xié)議時,使用ASIC或FPGA會增加系統(tǒng)的成本和電路板空間。因此,也誕生了另一種解決方案,那就是借助某些處理器中的PRU-ICSS外圍設備來達成目標,這樣還做到了使用同一IC支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。


Texas Instruments公司的C2000 F28388D實時MCU就是一個不錯的選擇。在設計上它充分考慮了超低的實時延遲,具有925MIP的實時信號處理能力,具有超快ADC傳感單元、用于實時計算的DSP內(nèi)核和靈活的高開關頻率、用于驅動的高分辨率脈寬調(diào)制器(PWM)和高達1.5MB的片上閃存。更重要的是,F(xiàn)28388D還集成了EtherCAT從站控制器,以及其他業(yè)界通用協(xié)議,例如CAN FD 和USB等,適用于交流伺服驅動器和機器人等應用。


TMDSCNCD28388D是一款適用于 C2000 MCU系列F2838xS和F2838xD器件的低成本評估和開發(fā)板,非常適用于初始評估和原型設計。


實現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術,你了解多少?

圖2:可用于F28388D器件的開發(fā)板

TMDSCNCD28388D(圖源:TI)


Microchip公司的LAN9255 EtherCAT控制器也將Microchip LAN9253控制器與雙集成以太網(wǎng)PHY和SAM E53J結合在一起,其中的SAM E53J是一款32位ARM Cortex-M4F MCU。


實現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術,你了解多少?

圖3:EtherCAT控制器LAN9255系統(tǒng)框圖
(圖源:Microchip)


本文小結


隨著工業(yè)環(huán)境中對強大可靠的網(wǎng)絡解決方案的需求不斷增加,市場正在持續(xù)快速增長。據(jù)Straits Research的預測,2024年,全球工業(yè)以太網(wǎng)市場規(guī)模為126億美元,在2025-2033年期間的復合年增長率達到7.8%,預計將從2025年的135億美元增長到2033年的246億美元。


隨著制造過程變得更加自動化和互聯(lián),對高速、低延遲通信網(wǎng)絡的需求也在加劇。工業(yè)以太網(wǎng)提供了一個可擴展且靈活的基礎設施,支持實時數(shù)據(jù)交換和與物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0等先進技術的集成。


PROFINET支持高精度的實時數(shù)據(jù)傳輸和同步,這對于運動控制和過程自動化等應用至關重要。這種高性能和可靠性使PROFINET成為需要嚴格控制其運營的行業(yè)的首選,為其市場主導地位做出了重大貢獻,已在包括汽車、制造業(yè)和能源在內(nèi)的各個行業(yè)得到廣泛采用。


EtherCAT在速度和效率方面的卓越性能使其非常適合實時控制應用。其獨特的實時處理能力允許數(shù)據(jù)在通過網(wǎng)絡節(jié)點時進行處理,從而實現(xiàn)極低的延遲和高同步精度。這種性能為機器人、數(shù)控機床和高速自動化系統(tǒng)等需要及時的數(shù)據(jù)交換的應用帶來了極大的優(yōu)勢。


如今,以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)通信的支柱。隨著先進自動化技術和智能制造的日益普及,對可靠和快速通信網(wǎng)絡的需求不斷加劇,由此也帶動了對PROFINET、EtherCAT等高性能工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的更大需求,未來的市場值得期待。

文章來源:貿(mào)澤電子


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