標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3以太網(wǎng)幾十年來一直是工作站，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，調(diào)制解調(diào)器和路由器，以及PC和Mac等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的固定裝置。它早已黯然失色，就像令牌環(huán)和令牌總線這樣的競爭對手。

然而，它從未真正設(shè)計(jì)用于工業(yè)自動化。諸如最初依賴CSMA / CD媒體訪問控制方法，最大程度地處理網(wǎng)絡(luò)流量，噪聲（即通過同一線路傳輸多種不同類型的流量）以及整體缺乏確定性等缺點(diǎn)使其成為傳統(tǒng)上部署在大多數(shù)自動化和控制系統(tǒng)中的數(shù)字現(xiàn)場總線的不可替代的替代方案。

工業(yè)以太網(wǎng)的創(chuàng)新和實(shí)現(xiàn)

上述問題的解決方案是開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議，如作為PROFINET ?，EtherNet / IP ?，EtherCAT ?以及其他可以在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行同時使用自己的特殊機(jī)制確保時間敏感數(shù)據(jù)的確定性。雖然每個協(xié)議都是獨(dú)一無二的，但它們之間已經(jīng)為自動化行業(yè)引入了幾項(xiàng)重要創(chuàng)新：

其中一些（包括PROFINET）與標(biāo)準(zhǔn)TCP / IP堆棧完全兼容，并且可以支持一個與實(shí)時通道一起使用。 1

在實(shí)施EtherNet / IP等協(xié)議時，可以使用普通交換機(jī)和其他標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，這有助于控制設(shè)備成本。

EtherCAT引入了直通讀取（或即時處理）原理，消除了單節(jié)點(diǎn)定位，并允許最大的帶寬利用率。 2

其他已經(jīng)對開放系統(tǒng)互連模型的第2層到第4層進(jìn)行了重大修改，以實(shí)現(xiàn)確定性。

許多這些協(xié)議作為開放標(biāo)準(zhǔn)（以及使用以太網(wǎng)等商業(yè)技術(shù)）的可用性有助于維持它們發(fā)展，雖然仍然沒有辦法全部確定性地互操作。

這些突破已經(jīng)足以使工業(yè)以太網(wǎng)成為全球控制系統(tǒng)的主要固定裝置。截至2015年，工業(yè)以太網(wǎng)解決方案共占所有已安裝節(jié)點(diǎn)的約1/3。 3 傳統(tǒng)現(xiàn)場總線仍然占據(jù)了大部分部署，但以太網(wǎng)的年增長速度更快。時間敏感網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展 - 對IEEE 802.1和IEEE 802.3的一系列更新 - 應(yīng)該繼續(xù)這一趨勢并解決互操作性問題。

可能會阻礙更新到以太網(wǎng)的一個障礙是一個不明確的實(shí)施計(jì)劃。讓我們來看看工業(yè)工廠如何在從現(xiàn)場總線到以太網(wǎng)的道路上開始。

定義您的應(yīng)用要求

工業(yè)以太網(wǎng)的目的是為要求苛刻的應(yīng)用提供確定性。真的需要它。例子包括運(yùn)動控制和安全性，這兩者都可以從以太網(wǎng)解決方案帶來的可靠性和額外帶寬中受益。這些應(yīng)用程序與診斷以及通常通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸?shù)腍TTP和FTP流量根本不同。

在正常的TCP / IP堆棧中，循環(huán)時間通常為100 ms或更長。受益于工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用程序?qū)⑦h(yuǎn)低于該閾值，甚至可能低于1毫秒。之前列出的那些，以及更普遍的控制循環(huán)應(yīng)用程序，是受此類交換機(jī)積極影響的主要示例。它們必須快速遍歷各自的物理系統(tǒng)并具有精確，可預(yù)測的時序特性（因此必須將抖動保持在絕對最小值）。

了解應(yīng)用程序的理想周期時間有助于以后選擇協(xié)議時。它提供了最終是否需要硬實(shí)時或軟實(shí)時解決方案的見解。

“控制回路應(yīng)用需要較短的周期時間。”

映射網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由于其在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的突出地位，最可識別的以太網(wǎng)拓?fù)涫敲餍恰Ｐ切屯負(fù)鋵⒚總€設(shè)備連接到多端口以太網(wǎng)交換機(jī)。替代方案包括線路和環(huán)形拓?fù)洹?/p>

在線路拓?fù)渲校K端設(shè)備按順序從一個連接到下一個，這可以節(jié)省布線和交換機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施。它的主要問題是，如果一個節(jié)點(diǎn)或兩個節(jié)點(diǎn)之間的鏈路出現(xiàn)故障，那么它的任何一側(cè)的節(jié)點(diǎn)都將無法訪問。

在環(huán)形拓?fù)渲校總€設(shè)備都連接到其他兩個節(jié)點(diǎn)。字環(huán)。出于這個原因，環(huán)比冗余線更好。已經(jīng)引入了第2層協(xié)議，例如設(shè)備級環(huán)，以解決諸如無限流量循環(huán)之類的問題。

請注意，需要嵌入式雙端口以太網(wǎng)交換機(jī)來支持線路和環(huán)形拓?fù)洹Ａ硗猓堄涀。瑓f(xié)議之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各不相同。例如，EtherCAT獨(dú)特的自終結(jié)技術(shù)，如果節(jié)點(diǎn)未檢測到字符串中的另一個節(jié)點(diǎn)，則終止網(wǎng)絡(luò)，可以使用這一協(xié)議支持線路，星形和環(huán)形拓?fù)洹?/p>

“工業(yè)控制和自動化網(wǎng)絡(luò)通常使用獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，”工業(yè)以太網(wǎng)手冊中的文章解釋說。 4 “與多端口交換機(jī)提供的典型辦公室以太網(wǎng)”星形“網(wǎng)絡(luò)不同到其他節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制層通常基于環(huán)形布局。環(huán)形或菊花鏈簡化了布線，可以擴(kuò)展以太網(wǎng)的覆蓋范圍，而無需犧牲基于光纖的系統(tǒng)。“

權(quán)衡您對工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和半導(dǎo)體的選擇

許多工廠要求其產(chǎn)品與多個系統(tǒng)之間兼容，因此需要依賴多個以太網(wǎng)協(xié)議。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案，例如ADI公司的RapID ?平臺網(wǎng)絡(luò)接口，可以將所需的一切 - 軟件，協(xié)議棧等 - 集成到一個方便的軟件包中，無需連接到主機(jī)處理器對主機(jī)應(yīng)用硬件或軟件的任何更改。

選擇半導(dǎo)體是工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的重要部分。在其他情況下，您可能只需要一個協(xié)議，這意味著可能值得花時間來比較每個協(xié)議的各個特性，例如它們支持的循環(huán)時間以及它們與標(biāo)準(zhǔn)TCP / IP流量的交互方式。 PROFINET就是一個很好的例子，因?yàn)樗腞T和IRT變體涵蓋了不同的用例。

除了協(xié)議之外，你還必須決定將要或已經(jīng)有的支持硬件和軟件組件。 。您購買的以太網(wǎng)Mac設(shè)備類型取決于您計(jì)劃的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而這又取決于您為自動化和控制系統(tǒng)選擇的協(xié)議。

測試您的新網(wǎng)絡(luò)接口< / h3>

一旦您對應(yīng)用程序要求，拓?fù)洌瑓f(xié)議和硬件/軟件做出了選擇，就應(yīng)該開始測試新的網(wǎng)絡(luò)接口以確保其最佳功能。參考設(shè)計(jì)在此階段非常有用，因?yàn)樗梢蕴峁?shí)施所需的原理圖，塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指南/文件，文檔和物料清單。

您還需要確保您正在使用的所有API也都是完整的。開發(fā)人員門戶通常是此處相關(guān)信息的首選來源。除此之外，與您的制造商和供應(yīng)商直接聯(lián)系是及時回答任何問題和實(shí)施問題的最佳方式。

當(dāng)您審查系統(tǒng)并確保確定性以太網(wǎng)要求是必不可少的時候，這種支持絕對必不可少。完全滿足。總的來說，選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的制造商是簡化以太網(wǎng)接口原理圖設(shè)置和支持固件和軟件的最重要步驟之一。