账号:
密码:
智动化 / 文章 /

工业乙太网路协定的历史与优势
[作者 德州儀器]   2020年08月07日 星期五 浏览人次: [5711]

每种工业乙太网路协定皆有其独特的历史与不同的工业应用效益。本文将简述三种主要协定及其优势,包括Ethercat、Profinet和Multiprotocls多重协定方案。


工业乙太网路

工业乙太网路主要用於工厂自动化、楼宇自动化和其他工业应用。与标准乙太网路相比,工业乙太网路的主要优势在於确定性的即时数据交换和小於1ms的同步循环时间。


使用者无法透过标准乙太网路介质访问控制(MAC)实现大多数工业乙太网路标准,而是需透过专用的特定应用积体电路(ASIC)或现场可程式设计闸阵列(FPGA)。因为乙太网帧作为「直通」接收,指在首个乙太网路埠(Ethernet Port)接收帧(Ethernet Frame)同时,一个专用的工业乙太网MAC硬体模组已在处理该帧并将其传输到第二个乙太网埠。快速转发的方式实现乙太网帧小於1μs的埠对埠延迟。


乙太网路控制自动化技术

Beckhoff Automation发明的乙太网路控制自动化技术(EtherCAT),自2003年以来在EtherCAT技术集团旗下公司逐渐壮大。在技术方面,如图一所示,EtherCAT为一种控制器和元件网路体系结构。EtherCAT元件具有两个乙太网路连接器来支援简单的线路拓扑。一个EtherCAT网路可支援多达65,535个EtherCAT元件。



图一 : 具备EtherCAT frame流控制器与元件范例
图一 : 具备EtherCAT frame流控制器与元件范例

只有EtherCAT控制器能生成EtherCAT frame。所有元件都接收并处理该帧,最後一个元件回送EtherCAT frame,而EtherCAT frame则会通过所有节点(无需进一步处理)返回控制器。EtherCAT frame具有预留空间来处理每个节点的数据,并保持原帧长度。


EtherCAT元件需要特定的乙太网路硬体(EtherCAT MAC)支援处理传入的EtherCAT frame。如图二所示,普遍的方式为使用ASIC或FPGA,也就是在执行帧接收时,EtherCAT MAC将处理EtherCAT frame。典型的EtherCAT节点在接收和发送的帧之间具有1μs的埠对埠延迟。



图二 : 具备ASIC/FPGA和外部处理器的EtherCAT元件
图二 : 具备ASIC/FPGA和外部处理器的EtherCAT元件

EtherCAT元件的关键特性和功能包括:


· 分散式时钟跨元件和控制器的精确时间同步方法。


· 快速链路断线侦测(需要乙太网路实体层收发器支援)具有回执功能例如DP83822或DP83826E等的乙太网路实体层侦测到链路断开时,乙太网路实体层会通知EtherCAT MAC,在不到10 μs的时间内,EtherCAT MAC将回送EtherCAT frame。


当支援EtherCAT以及其他协定时,使用ASIC或FPGA会增加成本与电路板空间。另一种解决方案是使用Sitara处理器中的可编程即时单元工业通讯子系统(PRU-ICSS)外设,工程师可藉由同一种晶片方案支援多种工业乙太网路协定。


@中标如何选择正确的工业乙太网标准:EtherCAT


更多有关EtherCAT的资讯,请连接网址:


https://e2e.ti.com/blogs_/b/industrial_strength/archive/2015/09/17/how-to-select-the-right-industrial-ethernet-standard-ethercat?HQS=sys-ind-fa-indcomms20-contrib-pf-20200806-tw


过程现场网路

过程现场网路(Profinet)是用於工厂自动化的领先工业乙太网路标准之一。Profinet有不同版本,但本文重点介绍Profinet输入/输出(I/O)。


Profinet在全双工100 Mbps乙太网路上运行,采用元件和控制器网路体系结构,如图三所示,它由一个接管网路中的Profinet控制器组成输入/输出器件接管器件。Profinet在网路拓扑方面极为灵活,使用集线器和交换机元件,包括线路拓扑、环形拓扑、星形拓扑或这些拓扑的组合。



图三 : 自动化系统中的过程现场 (来源: Profibus International )
图三 : 自动化系统中的过程现场 (来源: Profibus International )

多年来,Profinet标准已基於市场需求不断发展为A、B和C等各种效能等级。每个效能等级都比下方所述等级增加了更多功能,这种方法使Profinet与先前的Profinet元件可向下相容。


回顾每个效能等级的主要功能。


· 符合等?(CC)A(CC-A):


· 即时乙太网路通讯


· ??圈输入/输出


· 叁数配置


· 警报


大多数情况下,此效能等级在标准乙太网路MAC上可以实现,甚至无需两个乙太网路埠,一个MAC就已足够。


· CC-B与CC-A的功能相同,此外:


· 网路诊断


· 拓扑检测


· 系统冗馀


此版本的Profinet输入/输出还可在1ms范围内执行循环时间。


· CC-C与CC-B和CC-A的功能相同,此外:


· 为特定Profinet帧保留的频宽,也称为等时同步即时(IRT)。


· 控制器和元件的时间同步。


尽管大多数应用的循环时间为250 μs或以下,但此版本的Profinet输入/输出支援的循环时间低至31.25 μs,RT版本需要专用的双埠工业乙太网MAC。 请叁考有关Profinet IRT的详细资讯技术文章


如何选择正确的工业乙太网标准:Profinet

更多有关Profinet的资讯,请连接网址:


https://e2e.ti.com/blogs_/b/industrial_strength/archive/2015/11/06/how-to-select-the-right-industrial-ethernet-standard-profinet?HQS=sys-ind-fa-indcomms20-contrib-ta-20200806-tw


多重协定

由於工业协定数量众多,产品制造商尚未定义出通用的工业乙太网路标准。许多制造商已定义一种特定的工业乙太网路标准来满足他们的需求,这些标准通常是由既有的基於串行的现场总线之一衍生出来。


为产品设计工业乙太网路标准并认证通讯介面具有挑战性。大多数制造商需要具备支援多重工业乙太网路协定,以不同的标准将其设备出售给客户。为产品设计多种乙太网路标准的一种方法是为每个工业乙太网标准创建单独的印刷电路板(PCB)模组,将其中一个模组??入主机板。但是交换协定需要更改硬体,会使产品材料清单(BOM)更为复杂且需要生成多个PCB模组和多晶片源解决方案。为解决这一问题,设计人员可使用例如Sitara Arm处理器产品,该应用处理器具有整合可编程设计即时单元工业通讯子系统 (PRU-ICSS)。


可编程设计即时元件 (PRU) 在元件运行时载入工业乙太网路协定韧体。有可编程设计即时单元工业通讯子系统协定韧体版本可用於EtherCAT、Profinet、乙太网路/IP、高可用性无缝冗馀-并行冗馀协定(HSR-PRP);Sitara处理器在处理器SDK中内设工业乙太的网(CC-Link IE)Field basic的控制和通讯链路,无需任何FPGA或ASIC。


协定韧体执行例如快速转发处理等实时关键任务。


可编程设计即时单元工业通讯子系统以及可扩展且功能强大的ARM 核心 (CortexR-A8,A9,A15或A53,取决於Sitara处理器)可为工厂自动化产品建构单晶片解决方案,并透过灵活交换可编程设计即时单元工业通讯子系统韧体在多个工业乙太网路标准中运行。除了这些优势及处理即时关键工业乙太网路处理能力,可编程设计即时单元工业通讯子系统还具备:


· 消除对外部ASIC和FPGA的需求


· 减少BOM和PCB空间,降低成本


· 通过内部高速记忆体总线介面实现ARM处理器之间的快速输入/输出数据交换


如上所述,无论使用EtherCAT、Profinet或是多重协定,每一种协定在工业应用中都有其独特优势。可叁考为感测器选择正确的工业通讯标准白皮书了解有关选择正确的工业通讯标准更多资讯。


相关文章
高性能测量系统在嘈杂环境中改善EV/HEV电池健康状况
深入了解即时乙太网路
一次看懂五大工业通讯标准
流程自动化的可靠通讯解决方案
工业乙太网路的崛起与趋势
comments powered by Disqus
  相关新闻
» 囗罩国家队团结进军国际 华新医材+上银科技任重道远
» AI物料辨识技术翻转循环材料高加值
» 2020年台湾创新技术博览会登场
» 工研院ICT TechDay展示多元创新技术
» 台湾国际水周暨循环经济展解密 打造产业永续发展之钥
  相关产品
» 中美万泰推出医用电脑电源内装设计WMP-24G-PIS
» 中美万泰推出新款Intel第八代Whisky Lake工业级触控电脑
» 安勤触控双萤幕AIO POS终端机RiVar模组化扩充快速
» 大昌华嘉在台韩推广DataPhysics量测设备 投入表面和介面科学领域
» 贸泽供货TI TPS3840超高效率Nanopower电压监控器


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw