工業(yè)以太網協(xié)議的歷史及其優(yōu)勢

每種工業(yè)以太網協(xié)議都有其獨特的歷史和不同的工業(yè)應用效益。本文將簡述以下三種主要協(xié)議及其優(yōu)勢：Ethercat、Profinet 和Multiprotocls 多協(xié)議方案。

工業(yè)以太網

工業(yè)以太網用于工廠自動化、樓宇自動化和許多其他工業(yè)應用。與標準以太網相比，工業(yè)以太網的主要優(yōu)勢在于確定性的實時數據交換和小于1 ms的同步循環(huán)時間。

用戶不能使用標準以太網介質訪問控制（MAC）來實現(xiàn)大多數工業(yè)以太網標準；相反，需要專用的應用特定型集成電路（ASIC）或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），因為以太網幀作為“直通”接收，指在首個以太網端口正在接收幀的同時，一個專用的工業(yè)以太網MAC硬件模塊已在處理該幀并將其傳輸到第二個以太網端口?？焖俎D發(fā)的方式可實現(xiàn)以太網幀小于1 μs的端口至端口延遲。

以太網控制自動化技術

Beckhoff Automation發(fā)明的以太網控制自動化技術（EtherCAT），自2003年以來一直在EtherCAT技術集團旗下公司發(fā)展壯大。在技術方面，EtherCAT是一種控制器和器件網絡體系結構，如圖1所示。EtherCAT器件具有兩個以太網連接器來支持簡單的線路拓撲。一個EtherCAT網絡可支持多達65,535個EtherCAT器件。

圖1：具有EtherCAT幀流的控制器和器件示例

只有EtherCAT控制器會生成EtherCAT幀；所有器件都接收并處理該幀，最后一個器件回送EtherCAT幀，而EtherCAT幀則會通過所有節(jié)點（無需進一步處理）返至控制器。EtherCAT幀具有預留空間來處理每個節(jié)點的數據，并保持原幀長度。

EtherCAT器件需要特定的以太網硬件（EtherCAT MAC）支持處理傳入的EtherCAT幀。典型的實現(xiàn)方式是使用ASIC或FPGA，如圖2所示。這意味著在執(zhí)行幀接收時，EtherCAT MAC將處理EtherCAT幀。典型的EtherCAT節(jié)點在接收和發(fā)送的幀之間具有1 μs的端口到端口延遲。

圖2：帶有ASIC/FPGA和外部處理器的 EtherCAT器件

EtherCAT器件的關鍵特性和功能包括：

分布式時鐘——跨器件和控制器的精確時間同步方法；

快速鏈路斷開檢測（需要以太網物理層[PHY]收發(fā)器支持）具有回執(zhí)功能——當諸如DP83822或DP83826E之類的以太網PHY檢測到鏈路斷開時，以太網PHY會通知EtherCAT MAC，在不到10 μs的時間內，EtherCAT MAC將回送EtherCAT幀；

當支持EtherCAT以及其他協(xié)議時，使用ASIC或FPGA會增加成本和電路板空間。另一種解決方案是使用Sitara處理器中的可編程實時單元工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）外設，工程師可使用同一種芯片方案支持多種工業(yè)以太網協(xié)議。

過程現(xiàn)場網絡

過程現(xiàn)場網絡（Profinet）是用于工廠自動化的領先工業(yè)以太網標準之一。Profinet有不同版本，但本文重點介紹Profinet輸入/輸出（I/O）。

Profinet在全雙工100 Mbps以太網上運行，采用器件和控制器網絡體系結構，如圖3所示。它由一個接管網絡中的Profinet控制器組成，輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網絡拓撲方面極其靈活，使用集線器和交換機器件，包括線路拓撲、環(huán)形拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合。

圖3：自動化系統(tǒng)中的過程現(xiàn)場網絡

（來源：Profibus International)

多年來，Profinet標準已基于市場需求不斷發(fā)展為A、B和C等各種性能等級。每個性能等級都比下述等級增加了更多功能，這種方法使Profinet與先前的Profinet器件代級向后兼容。

讓我們回顧一下每個性能等級的主要功能：

符合等級（CC）A（CC-A）：

實時以太網通信

循環(huán)輸入/輸出

參數配置

警報

大多數情況下，此性能等級在標準以太網MAC上可以實現(xiàn)，甚至無需兩個以太網端口，一個MAC就已足夠。

CC-B與CC-A的功能相同，此外：

網絡診斷

拓撲檢測

參數配置

系統(tǒng)冗余

此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms范圍內執(zhí)行循環(huán)時間。

CC-C與CC-B和CC-A的功能相同，此外：

為特定Profinet幀保留的帶寬，也稱為等時同步實時（IRT）

控制器和器件的時間同步

盡管大多數應用的循環(huán)時間為250 μs或以下，但此版本的Profinet輸入/輸出支持的循環(huán)時間低至31.25 μs，RT版本需要專用的兩端口工業(yè)以太網MAC。

多協(xié)議

由于提供的工業(yè)協(xié)議數量眾多，產品制造商尚未定義通用的工業(yè)以太網標準，呈碎片化。許多領先的制造商已定義一種特定的工業(yè)以太網標準來滿足他們的需求，這些標準通常是從他們現(xiàn)有的基于串行的現(xiàn)場總線之一衍生出來的。

為產品添加工業(yè)以太網標準，并認證通信接口具有挑戰(zhàn)性。大多數制造商需要支持多種工業(yè)以太網協(xié)議，以使用不同的標準將其設備出售給客戶。為產品添加多種以太網標準的一種方法是為每個工業(yè)以太網標準創(chuàng)建單獨的印刷電路板（PCB）模塊，將其中一個模塊插入主板。但是交換協(xié)議需要更改硬件，會使產品材料清單（BOM）更為復雜且需要生成多個PCB模塊和多芯片源解決方案。

為解決這一問題，設計人員可使用諸如Sitara?Arm?處理器之類的產品，這些應用處理器具有集成的PRU-ICSS，可運行多協(xié)議工業(yè)以太網。

PRU在器件運行時加載工業(yè)以太網協(xié)議固件。PRU-ICSS協(xié)議固件版本可用于EtherCAT、Profinet、以太網/IP、高可用性無縫冗余-并行冗余協(xié)議（HSR-PRP）；Sitara處理器在處理器SDK中內設工業(yè)以太的網（CC-Link IE）Field basic的控制和通信鏈路，無需任何FPGA或ASIC。

協(xié)議固件可執(zhí)行諸如快速轉發(fā)處理等實時關鍵任務。

PRU-ICSS以及可擴展且功能強大的Arm內核（Cortex?-A8，A9，A15或A53，取決于Sitara處理器）可為工廠自動化產品構建單芯片解決方案，然后通過靈活交換PRU-ICSS固件在多個工業(yè)以太網標準中運行。除這些優(yōu)勢以及處理實時關鍵工業(yè)以太網處理任務的能力之外，PRU-ICSS還具有：

消除了對外部ASIC和FPGA的需求；

減少BOM和PCB空間，并因此降低成本；

通過內部高速存儲器總線接口實現(xiàn)Arm處理器之間的快速輸入/輸出數據交換。

如上所述，無論使用以太網控制自動化技術、過程現(xiàn)場網絡還是多協(xié)議，每一種協(xié)議在工業(yè)應用中都有其獨特優(yōu)勢。

審核編輯：郭婷