【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。
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。
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。
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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