無論是功能還是數(shù)量,工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都獲得了長足的發(fā)展。在上世紀80年代末推出的現(xiàn)場總線,是模擬型4-20mA繼電器系統(tǒng)的數(shù)字替代品,應(yīng)用于可編程邏輯控制器(PLC),但新興的基于PC的機器控制的掃描周期更快,現(xiàn)場總線很少能夠望其項背。
在隨后的現(xiàn)場總線之爭中,工程師和工廠管理人員開始傾向于基于以太網(wǎng)的實時總線系統(tǒng),該系統(tǒng)不但可以提供高速傳輸,并有助于推動信息技術(shù)/運營技術(shù)(IT/OT)的融合。
由于目前使用的很多功能已經(jīng)得到驗證,因此基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。但是,現(xiàn)在的問題不是工廠應(yīng)該選擇哪種類型,而是工廠是否需要選擇一種。自誕生以來,符合IEEE 802.3通信標準的以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用了很長一段時間,許多新組件都支持通信,而不必與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線捆綁在一起。此舉是否有助于工廠擺脫昂貴的管理型交換機以及流行現(xiàn)場總線存在的其它不足?它能擺脫供應(yīng)商專有的通訊協(xié)議嗎?
盡管某些工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)有其局限性,但將標準以太網(wǎng)直接應(yīng)用于重要的制造、包裝和物料搬運場景,可能會帶來風險。
工程師在不同應(yīng)用中所尋求的實時性、時間同步和獨立性,已在開放式技術(shù)(例如EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng))中實現(xiàn)。EtherCAT可以提供確定性、適用于工業(yè)環(huán)境的強大硬件、系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性以及內(nèi)置的安全性,可在IT部門不干預(yù)的情況下保護機器和企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)。
在需要確定性、實時性的制造應(yīng)用中,EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)具有優(yōu)于標準以太網(wǎng)的巨大優(yōu)勢。本文圖片來源:倍福
確定性和可靠性
在家庭環(huán)境下使用以太網(wǎng)時,很少會因為系統(tǒng)故障而導(dǎo)致嚴重后果。一般也就是網(wǎng)頁無法加載、電子郵件發(fā)送失敗或系統(tǒng)死機,它們都不是關(guān)鍵任務(wù)。也就是再等2秒鐘、甚至一分鐘而已,并不符合關(guān)鍵任務(wù)的定義。大多數(shù)消費者并不十分在意標準以太網(wǎng)的缺點,例如帶寬利用率差、堆棧延遲、交換機延遲和星形拓撲。
但是,在工業(yè)環(huán)境中,可靠的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。如果設(shè)備控制器的指令不能及時傳輸?shù)礁鱾€組件,或者控制器無法得到足夠的反饋,可能會導(dǎo)致嚴重后果。與標準以太網(wǎng)和其它工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議相比,EtherCAT提供了跨行業(yè)應(yīng)用所需的可靠性和確定性。工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)即使以100Mbit/s的速度通信,也可以確保用戶在不同規(guī)模的機器和工廠之間,可靠、同步地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀。
EtherCAT G和G10,傳輸速度分別為1 Gbit/s和10 Gbit/s,可以為高分辨率的機器視覺、高端測量、高級運動控制、機器人技術(shù)和復(fù)雜機電系統(tǒng)等應(yīng)用提供必要的帶寬。結(jié)合新引入的分支控制器模式,EtherCAT G可將工業(yè)通信時間縮短 2-7 倍,帶寬提高 10 倍(具體取決于應(yīng)用)。而 EtherCAT G10 甚至可以將帶寬提高 100 倍。
獨特的分支控制器模式可以將100Mbit/s EtherCAT網(wǎng)絡(luò)集成到EtherCAT G分支中,反之亦然,只需添加耦合器即可。這樣可以確保系統(tǒng)的可擴展性,具有無需徹底翻新和更換,即可升級應(yīng)用系統(tǒng)的能力。
EtherCAT G技術(shù)由德國倍福自動化公司在2018年推出,作為EtherCAT技術(shù)協(xié)議的擴展。2019年,EtherCAT技術(shù)協(xié)會(ETG)的技術(shù)委員會經(jīng)過評審,正式支持該技術(shù)。目前,ETG正在努力將EtherCAT G技術(shù)添加到技術(shù)規(guī)范中。
工業(yè)加固的以太網(wǎng)硬件
生產(chǎn)制造環(huán)境需要能夠承受極端條件的技術(shù)。與IT部門可能在辦公室內(nèi)使用的消費級路由器和交換機相比,工業(yè)加固的I/O終端提供了更多的外形和功能。這些可能包括:用于批量生產(chǎn)設(shè)備的IP20等級的卡件,在現(xiàn)場安裝的IP67和IP69K等級的I/O模塊以及在PCB板上安裝的插件模塊。即使是標準以太網(wǎng)電纜,也應(yīng)配置適當?shù)钠帘螌?,并且使用專為工業(yè)用途設(shè)計的連接器,否則可能會出現(xiàn)通信問題。
作為一種開放式解決方案,EtherCAT可以與“常規(guī)以太網(wǎng)”以及超過25種其它現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)連接,只需添加耦合器或網(wǎng)關(guān)即可,而不會引起傳輸延遲。利用多個耦合器,具有TCP/IP通信功能的EoE(Ethernet over EtherCAT)可以確保EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的互操作性。
工業(yè)應(yīng)用需要經(jīng)過工業(yè)加固的設(shè)備,EtherCAT提供IP67等級的I/O模塊,可安裝于工業(yè)現(xiàn)場。
提供同步功能
單個EtherCAT網(wǎng)絡(luò)可以支持65,535個設(shè)備,無需MAC或IP地址即可自動配置硬件。內(nèi)置了自由拓撲選擇,無論是星形、線形、樹形還是其它類型,都不會造成性能損失。通過改進診斷界面,可以從網(wǎng)絡(luò)中收集現(xiàn)有的診斷信息,從而改善已經(jīng)強大的診斷功能,使故障排除變得更加容易。
通過動態(tài)處理,EtherCAT能以100 Mbit/s的速率在一個以太網(wǎng)幀中與許多節(jié)點循環(huán)通信。使用EtherCAT,每30μs就可以輪詢1,000個分布式數(shù)字I/O,每100μs可輪詢100個伺服軸。
從站中集成了EtherCAT ASIC或FPGA硬件,并且可以通過主站網(wǎng)卡直接訪問內(nèi)存。通信協(xié)議處理獨立于CPU性能、協(xié)議?;蜍浖崿F(xiàn)的信息。
EtherCAT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過分布式時鐘進行同步。所有EtherCAT設(shè)備都內(nèi)置了本地時鐘,以連續(xù)保持標準時基,時鐘之間的偏差小于100 ns,這代表了不同的通信運行時間。這樣就可以確保所有設(shè)備之間的精確同步。它還可以實現(xiàn)確定性的實際值采集和確定性的設(shè)定值輸出,以實現(xiàn)絕對精確的響應(yīng)時間。
安裝在PCB板上的EtherCAT插件模塊,有助于實現(xiàn)設(shè)備的最佳批量生產(chǎn)。
功能安全性
EtherCAT還提供FsoE(Safety over EtherCAT),這是經(jīng)TüV認證的功能安全協(xié)議。所有其它冗余安全設(shè)備均使用FSoE,它使用“黑色通道”方法通過用于機器控制的同一條以太網(wǎng)電纜,提供必要的安全通信冗余。FSoE為眾多離散和過程工業(yè)應(yīng)用提供數(shù)字和模擬安全性。
EtherCAT的功能原理還有助于保護工廠免受網(wǎng)絡(luò)威脅。EtherCAT主設(shè)備控制所有從設(shè)備,從而使中間人攻擊無效。由于系統(tǒng)不是基于因特網(wǎng)協(xié)議的,因此惡意軟件無法通過EtherCAT傳播。網(wǎng)絡(luò)僅轉(zhuǎn)發(fā)EtherCAT幀,從控制器芯片會過濾掉其它任何以太網(wǎng)幀,包括那些損壞的數(shù)據(jù)或受到感染的幀。這些特性,再加上不使用管理型交換機,因此不需要IT部門介入生產(chǎn)系統(tǒng)。(作者:Sree Swarna Gutta)
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