工业以太网协议的历史及其优势

只看该作者 · 2020-8-5 20:11

每种工业以太网协议都有其独特的历史和不同的工业应用效益。本文将简述以下三种主要协议及其优势：Ethercat、Profinet 和Multiprotocls 多协议方案。

工业以太网
工业以太网用于工厂自动化、楼宇自动化和许多其他工业应用。与标准以太网相比，工业以太网的主要优势在于确定性的实时数据交换和小于1 ms的同步循环时间。

用户不能使用标准以太网介质访问控制（MAC）来实现大多数工业以太网标准；相反，需要专用的应用特定型集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA），因为以太网帧作为“直通”接收，指在首个以太网端口正在接收帧的同时，一个专用的工业以太网MAC硬件模块已在处理该帧并将其传输到第二个以太网端口。快速转发的方式可实现以太网帧小于1 µs的端口至端口延迟。

以太网控制自动化技术
Beckhoff Automation发明的以太网控制自动化技术（EtherCAT），自2003年以来一直在EtherCAT技术集团旗下公司发展壮大。在技术方面，EtherCAT是一种控制器和器件网络体系结构，如图1所示。EtherCAT器件具有两个以太网连接器来支持简单的线路拓扑。一个EtherCAT网络可支持多达65,535个EtherCAT器件。

图1：具有EtherCAT帧流的控制器和器件示例
只有EtherCAT控制器会生成EtherCAT帧；所有器件都接收并处理该帧，最后一个器件回送EtherCAT帧，而EtherCAT帧则会通过所有节点（无需进一步处理）返至控制器。EtherCAT帧具有预留空间来处理每个节点的数据，并保持原帧长度。

EtherCAT器件需要特定的以太网硬件（EtherCAT MAC）支持处理传入的EtherCAT帧。典型的实现方式是使用ASIC或FPGA，如图2所示。这意味着在执行帧接收时，EtherCAT MAC将处理EtherCAT帧。典型的EtherCAT节点在接收和发送的帧之间具有1 µs的端口到端口延迟。

                                                                     图2：带有ASIC/FPGA和外部处理器的 EtherCAT器件
EtherCAT器件的关键特性和功能包括：
分布式时钟——跨器件和控制器的精确时间同步方法；
      快速链路断开检测（需要以太网物理层[PHY]收发器支持）具有回执功能——当诸如DP83822或DP83826E之类的以太网PHY检测到链路断开时，以太网PHY会通知EtherCAT MAC，在不到10 µs的时间内，EtherCAT MAC将回送EtherCAT帧；
      当支持EtherCAT以及其他协议时，使用ASIC或FPGA会增加成本和电路板空间。另一种解决方案是使用Sitara™处理器中的可编程实时单元工业通信子系统（PRU-ICSS）外设，工程师可使用同一种芯片方案支持多种工业以太网协议。