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工業乙太網路協定的歷史與優勢
[作者 德州儀器]   2020年08月07日 星期五 瀏覽人次: [7113]

每種工業乙太網路協定皆有其獨特的歷史與不同的工業應用效益。本文將簡述三種主要協定及其優勢,包括Ethercat、Profinet和Multiprotocls多重協定方案。


工業乙太網路

工業乙太網路主要用於工廠自動化、樓宇自動化和其他工業應用。與標準乙太網路相比,工業乙太網路的主要優勢在於確定性的即時數據交換和小於1ms的同步循環時間。


使用者無法透過標準乙太網路介質訪問控制(MAC)實現大多數工業乙太網路標準,而是需透過專用的特定應用積體電路(ASIC)或現場可程式設計閘陣列(FPGA)。因為乙太網幀作為「直通」接收,指在首個乙太網路埠(Ethernet Port)接收幀(Ethernet Frame)同時,一個專用的工業乙太網MAC硬體模組已在處理該幀並將其傳輸到第二個乙太網埠。快速轉發的方式實現乙太網幀小於1μs的埠對埠延遲。


乙太網路控制自動化技術

Beckhoff Automation發明的乙太網路控制自動化技術(EtherCAT),自2003年以來在EtherCAT技術集團旗下公司逐漸壯大。在技術方面,如圖一所示,EtherCAT為一種控制器和元件網路體系結構。EtherCAT元件具有兩個乙太網路連接器來支援簡單的線路拓撲。一個EtherCAT網路可支援多達65,535個EtherCAT元件。



圖一 : 具備EtherCAT frame流控制器與元件範例
圖一 : 具備EtherCAT frame流控制器與元件範例

只有EtherCAT控制器能生成EtherCAT frame。所有元件都接收並處理該幀,最後一個元件回送EtherCAT frame,而EtherCAT frame則會通過所有節點(無需進一步處理)返回控制器。EtherCAT frame具有預留空間來處理每個節點的數據,並保持原幀長度。


EtherCAT元件需要特定的乙太網路硬體(EtherCAT MAC)支援處理傳入的EtherCAT frame。如圖二所示,普遍的方式為使用ASIC或FPGA,也就是在執行幀接收時,EtherCAT MAC將處理EtherCAT frame。典型的EtherCAT節點在接收和發送的幀之間具有1μs的埠對埠延遲。



圖二 : 具備ASIC/FPGA和外部處理器的EtherCAT元件
圖二 : 具備ASIC/FPGA和外部處理器的EtherCAT元件

EtherCAT元件的關鍵特性和功能包括:


‧ 分散式時鐘—跨元件和控制器的精確時間同步方法。


‧ 快速鍊路斷線偵測(需要乙太網路實體層收發器支援)具有回執功能例如DP83822或DP83826E等的乙太網路實體層偵測到鍊路斷開時,乙太網路實體層會通知EtherCAT MAC,在不到10 μs的時間內,EtherCAT MAC將回送EtherCAT frame。


當支援EtherCAT以及其他協定時,使用ASIC或FPGA會增加成本與電路板空間。另一種解決方案是使用Sitara處理器中的可編程即時單元工業通訊子系統(PRU-ICSS)外設,工程師可藉由同一種晶片方案支援多種工業乙太網路協定。


@中標如何選擇正確的工業乙太網標準:EtherCAT


更多有關EtherCAT的資訊,請瀏覽網址:


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


過程現場網路

過程現場網路(Profinet)是用於工廠自動化的領先工業乙太網路標準之一。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乙太網路上運行,採用元件和控制器網路體系結構,如圖三所示,它由一個接管網路中的Profinet控制器組成輸入/輸出器件接管器件。Profinet在網路拓撲方面極為靈活,使用集線器和交換機元件,包括線路拓撲、環形拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合。



圖三 : 自動化系統中的過程現場 (來源: Profibus International )
圖三 : 自動化系統中的過程現場 (來源: Profibus International )

多年來,Profinet標準已基於市場需求不斷發展為A、B和C等各種效能等級。每個效能等級都比下方所述等級增加了更多功能,這種方法使Profinet與先前的Profinet元件可向下相容。


回顧每個效能等級的主要功能。


‧ 符合等?(CC)A(CC-A):


‧ 即時乙太網路通訊


‧ 迴圈輸入/輸出


‧ 參數配置


‧ 警報


大多數情況下,此效能等級在標準乙太網路MAC上可以實現,甚至無需兩個乙太網路埠,一個MAC就已足夠。


‧ CC-B與CC-A的功能相同,此外:


‧ 網路診斷


‧ 拓撲檢測


‧ 系統冗餘


此版本的Profinet輸入/輸出還可在1ms範圍內執行循環時間。


‧ CC-C與CC-B和CC-A的功能相同,此外:


‧ 為特定Profinet幀保留的頻寬,也稱為等時同步即時(IRT)。


‧ 控制器和元件的時間同步。


儘管大多數應用的循環時間為250 μs或以下,但此版本的Profinet輸入/輸出支援的循環時間低至31.25 μs,RT版本需要專用的雙埠工業乙太網MAC。 請參考有關Profinet IRT的詳細資訊技術文章


如何選擇正確的工業乙太網標準:Profinet

更多有關Profinet的資訊,請瀏覽網址:


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


多重協定

由於工業協定數量眾多,產品製造商尚未定義出通用的工業乙太網路標準。許多製造商已定義一種特定的工業乙太網路標準來滿足他們的需求,這些標準通常是由既有的基於串行的現場總線之一衍生出來。


為產品設計工業乙太網路標準並認證通訊介面具有挑戰性。大多數製造商需要具備支援多重工業乙太網路協定,以不同的標準將其設備出售給客戶。為產品設計多種乙太網路標準的一種方法是為每個工業乙太網標準創建單獨的印刷電路板(PCB)模組,將其中一個模組插入主機板。但是交換協定需要更改硬體,會使產品材料清單(BOM)更為複雜且需要生成多個PCB模組和多晶片源解決方案。為解決這一問題,設計人員可使用例如Sitara Arm處理器產品,該應用處理器具有整合可編程設計即時單元工業通訊子系統 (PRU-ICSS)。


可編程設計即時元件 (PRU) 在元件運行時載入工業乙太網路協定韌體。有可編程設計即時單元工業通訊子系統協定韌體版本可用於EtherCAT、Profinet、乙太網路/IP、高可用性無縫冗餘-並行冗餘協定(HSR-PRP);Sitara處理器在處理器SDK中內設工業乙太的網(CC-Link IE)Field basic的控制和通訊鏈路,無需任何FPGA或ASIC。


協定韌體執行例如快速轉發處理等實時關鍵任務。


可編程設計即時單元工業通訊子系統以及可擴展且功能強大的ARM 核心 (CortexR-A8,A9,A15或A53,取決於Sitara處理器)可為工廠自動化產品建構單晶片解決方案,並透過靈活交換可編程設計即時單元工業通訊子系統韌體在多個工業乙太網路標準中運行。除了這些優勢及處理即時關鍵工業乙太網路處理能力,可編程設計即時單元工業通訊子系統還具備:


‧ 消除對外部ASIC和FPGA的需求


‧ 減少BOM和PCB空間,降低成本


‧ 通過內部高速記憶體總線介面實現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EtherCAT、Profinet或是多重協定,每一種協定在工業應用中都有其獨特優勢。可參考為感測器選擇正確的工業通訊標準白皮書瞭解有關選擇正確的工業通訊標準更多資訊。


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