【導(dǎo)讀】隨著制造過(guò)程變得更加自動(dòng)化，對(duì)高速、低延遲通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益加劇。為了滿足工業(yè)界的新需求，工業(yè)以太網(wǎng)的概念在過(guò)去十年中應(yīng)運(yùn)而生。2019年的一項(xiàng)研究表明，工業(yè)以太網(wǎng)在新安裝的解決方案中首次超越了現(xiàn)場(chǎng)總線，智能工廠的興起推動(dòng)了這一演變。目前，這一趨勢(shì)仍在繼續(xù)。
隨著制造過(guò)程變得更加自動(dòng)化，對(duì)高速、低延遲通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益加劇。為了滿足工業(yè)界的新需求，工業(yè)以太網(wǎng)的概念在過(guò)去十年中應(yīng)運(yùn)而生。2019年的一項(xiàng)研究表明，工業(yè)以太網(wǎng)在新安裝的解決方案中首次超越了現(xiàn)場(chǎng)總線，智能工廠的興起推動(dòng)了這一演變。目前，這一趨勢(shì)仍在繼續(xù)。
Grand View Research的市場(chǎng)分析數(shù)據(jù)顯示，2023年，全球工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了114.3億美元，預(yù)計(jì)2024年至2030年將以7.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng)。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化和智能制造而言，機(jī)器和控制系統(tǒng)之間的無(wú)縫數(shù)據(jù)流至關(guān)重要。工業(yè)以太網(wǎng)提供了一個(gè)可擴(kuò)展且靈活的基礎(chǔ)設(shè)施，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和與物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)4.0等先進(jìn)技術(shù)的集成。
工業(yè)以太網(wǎng)和以太網(wǎng)的區(qū)別
工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境中使用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)化控制，它擴(kuò)展了以太網(wǎng)的功能，滿足了制造業(yè)和加工業(yè)的獨(dú)特要求。工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合了以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，如高速數(shù)據(jù)傳輸和互操作性，以及工業(yè)應(yīng)用所需的魯棒性和可靠性。但又與商業(yè)和辦公環(huán)境中使用的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)有較大不同，工業(yè)以太網(wǎng)必須能夠在惡劣條件下可靠運(yùn)行，包括極端溫度、濕度、振動(dòng)、電磁干擾和物理危險(xiǎn)等。
以下、是工業(yè)以太網(wǎng)和以太網(wǎng)之間的一些關(guān)鍵區(qū)別：
1、從工作環(huán)境看，工業(yè)以太網(wǎng)所處的工業(yè)環(huán)境通常很惡劣，其基礎(chǔ)設(shè)施必須能夠承受這些極具挑戰(zhàn)性的工作條件，比如具有堅(jiān)固的連接器、堅(jiān)實(shí)的布線和屏蔽電磁干擾的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。
2、從可靠性角度看，工業(yè)應(yīng)用通常對(duì)實(shí)時(shí)、低延遲的通信有較高要求。工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合了實(shí)時(shí)協(xié)議、優(yōu)先級(jí)機(jī)制和服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)等功能，以確保及時(shí)和可預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸。
3、從速度和帶寬方面看，與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)通常以更高的速度運(yùn)行，需要更大的帶寬，才能夠?qū)崿F(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以適應(yīng)傳感器、執(zhí)行器和機(jī)械等工業(yè)設(shè)備生成的大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理需求。
4、從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇矗瑐鹘y(tǒng)的以太網(wǎng)通常使用星形拓?fù)洌I(yè)以太網(wǎng)要能夠支持環(huán)形、總線和星形等各種拓?fù)洹＿@些拓?fù)淇商峁┤哂嗪腿蒎e(cuò)，確保在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下繼續(xù)運(yùn)行。
5、從支持的協(xié)議方面看，工業(yè)以太網(wǎng)需要支持各種工業(yè)協(xié)議，如PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP/IP和EtherCAT等。這些協(xié)議促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制系統(tǒng)的無(wú)縫集成，還能實(shí)現(xiàn)來(lái)自多個(gè)制造商的不同設(shè)備之間的互操作。
6、從網(wǎng)絡(luò)管理角度看，工業(yè)以太網(wǎng)包括為工業(yè)環(huán)境量身定制的特定管理功能，如遠(yuǎn)程診斷、設(shè)備監(jiān)控和集中管理工具等，以確保工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行、故障排除和維護(hù)。
專(zhuān)用協(xié)議：工業(yè)以太網(wǎng)的“神經(jīng)系統(tǒng)”
在工業(yè)自動(dòng)化中，有效的通信對(duì)于無(wú)縫操作和高效的過(guò)程控制至關(guān)重要。工業(yè)以太網(wǎng)徹底改變了工業(yè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸和管理，其支柱就是它其獨(dú)有的以太網(wǎng)協(xié)議。
工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議是管理工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信和數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則和程序集，它們定義了設(shè)備之間如何通信、傳輸和接收數(shù)據(jù)、處理錯(cuò)誤和同步操作，為設(shè)備有效交互提供了必要的標(biāo)準(zhǔn)和指南，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫集成、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換以及增強(qiáng)的控制和監(jiān)控能力。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)的幾種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP和EtherCAT，它們提供了數(shù)據(jù)交換的結(jié)構(gòu)和規(guī)則，滿足了特定的工業(yè)要求。工業(yè)以太網(wǎng)及其協(xié)議之間的共生關(guān)系突顯了它們的相互依賴(lài)性以及它們?yōu)楣I(yè)界帶來(lái)的好處。
EtherNet/IP
由羅克韋爾自動(dòng)化（Rockwell Automation）開(kāi)發(fā)的EtherNet/IP是一種廣泛使用的應(yīng)用層工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它的靈活性和兼容性源于使用現(xiàn)成的組件和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)。EtherNet/IP協(xié)議是專(zhuān)為工業(yè)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的，它支持實(shí)時(shí)控制和信息交換，支持各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備定義為一系列對(duì)象，并且完全基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
PROFINET
PROFINET是一種快速工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)，PROFINET網(wǎng)絡(luò)通常比其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議提供更高的速度。該協(xié)議初時(shí)在西門(mén)子（Siemens）主導(dǎo)下作為常用的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展而開(kāi)發(fā)，2003年P(guān)ROFINET被整合到IEC 61158和IEC 61784標(biāo)準(zhǔn)中。
Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP是第一個(gè)引入的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它基本上將傳統(tǒng)的Modbus通信封裝在以太網(wǎng)傳輸層協(xié)議中，促進(jìn)了控制設(shè)備之間離散數(shù)據(jù)的傳輸。
EtherCAT
EtherCAT是一種專(zhuān)為自動(dòng)化系統(tǒng)的主從配置中的實(shí)時(shí)通信而設(shè)計(jì)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，以高速和靈活性而聞名，它使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式，有助于輕松集成到現(xiàn)有的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。
根據(jù)發(fā)表在《Environmental Science & Technology》（環(huán)境科學(xué)與技術(shù)）上的一篇綜述，對(duì)于生產(chǎn)量較低的使用案例，增材制造可以減少開(kāi)銷(xiāo)、降低環(huán)境影響[3]。在傳統(tǒng)零部件生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量浪費(fèi)的場(chǎng)景中，或者在減輕飛機(jī)和汽車(chē)零部件重量的應(yīng)用中，3D打印也具有更好的可持續(xù)性。而后，通過(guò)整合生產(chǎn)步驟、縮短供應(yīng)鏈，也可以減少運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的排放。
兩大工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及方案
下面我們將著重介紹在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用較廣的兩款協(xié)議，及其解決方案。
PROFINET解決方案
PROFINET是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，能提供高數(shù)據(jù)速率的實(shí)時(shí)通信能力，是工廠自動(dòng)化中優(yōu)選的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一。
ROFINET基于主站/從站通信理念，主站（IO控制器）可在網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀，從站（IO設(shè)備）可將幀發(fā)送到IO控制器，但向其他IO設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)只可采用非循環(huán)方式。工業(yè)應(yīng)用中部署的系統(tǒng)至少有一個(gè)IO控制器和一個(gè)或多個(gè)IO設(shè)備。
ROFINET在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娣浅ｌ`活，包括使用集線器和交換設(shè)備的線路拓?fù)洹h(huán)形拓?fù)洹⑿切瓮負(fù)浠蜻@些拓?fù)涞慕M合，它實(shí)現(xiàn)了工業(yè)環(huán)境中各種設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器和可編程邏輯控制器（PLC））之間快速和可靠的通信。
由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)、高性能通信網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增加，目前，PROFINET協(xié)議在全球市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，其市場(chǎng)收入份額極大。
Texas Instruments（TI）已將PROFINET技術(shù)集成到其Sitara Arm處理器中，提供全面集成的PROFINET 從站功能，在不影響功能或性能要求的情況下打造出成本更低的終端產(chǎn)品。
Sitara處理器配備了TI的可編程實(shí)時(shí)單元工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS），該子系統(tǒng)支持與MII接口進(jìn)行底層交互。PRU-ICSS可以輕松地實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用通信協(xié)議，如PROFINET。TI在PRU-ICSS上實(shí)現(xiàn)了一種雙端口PROFINET直通交換機(jī)，從而將PROFINET的實(shí)時(shí)處理要求從Arm內(nèi)核轉(zhuǎn)移到PRU-ICSS上，這種做法能夠?qū)RM核心的大部分處理能力留給工業(yè)應(yīng)用。在Sitara AM335x上集成的PROFINET解決方案中，整個(gè)PROFINET交換機(jī)可通過(guò)固件封裝在PRU-ICSS 中。
圖1：Sitara AM335x處理器上的PROFINET從站（圖源：Texas Instruments）
EtherCAT解決方案
EtherCAT是一個(gè)開(kāi)放的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供實(shí)時(shí)性能，以縮短周期時(shí)間并提高質(zhì)量。
EtherCAT設(shè)備有兩個(gè)以太網(wǎng)連接器，以支持簡(jiǎn)單的線路拓?fù)洹therCAT網(wǎng)絡(luò)可以支持多達(dá)65535個(gè)EtherCAT設(shè)備。這些EtherCAT設(shè)備需要特定的以太網(wǎng)硬件（EtherCAT MAC）支持，常用的實(shí)現(xiàn)方式是使用ASIC或FPGA。典型的EtherCAT設(shè)備在接收和傳輸幀之間具有1-μs的端口到端口延遲。
不過(guò)，在支持EtherCAT和其他協(xié)議時(shí)，使用ASIC或FPGA會(huì)增加系統(tǒng)的成本和電路板空間。因此，也誕生了另一種解決方案，那就是借助某些處理器中的PRU-ICSS外圍設(shè)備來(lái)達(dá)成目標(biāo)，這樣還做到了使用同一IC支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
Texas Instruments公司的C2000 F28388D實(shí)時(shí)MCU就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在設(shè)計(jì)上它充分考慮了超低的實(shí)時(shí)延遲，具有925MIP的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力，具有超快ADC傳感單元、用于實(shí)時(shí)計(jì)算的DSP內(nèi)核和靈活的高開(kāi)關(guān)頻率、用于驅(qū)動(dòng)的高分辨率脈寬調(diào)制器（PWM）和高達(dá)1.5MB的片上閃存。更重要的是，F(xiàn)28388D還集成了EtherCAT從站控制器，以及其他業(yè)界通用協(xié)議，例如CAN FD 和USB等，適用于交流伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人等應(yīng)用。
TMDSCNCD28388D是一款適用于 C2000 MCU系列F2838xS和F2838xD器件的低成本評(píng)估和開(kāi)發(fā)板，非常適用于初始評(píng)估和原型設(shè)計(jì)。
圖2：可用于F28388D器件的開(kāi)發(fā)板
TMDSCNCD28388D（圖源：TI）
Microchip公司的LAN9255 EtherCAT控制器也將Microchip LAN9253控制器與雙集成以太網(wǎng)PHY和SAM E53J結(jié)合在一起，其中的SAM E53J是一款32位ARM Cortex-M4F MCU。
圖3：EtherCAT控制器LAN9255系統(tǒng)框圖
（圖源：Microchip）
本文小結(jié)
隨著工業(yè)環(huán)境中對(duì)強(qiáng)大可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案的需求不斷增加，市場(chǎng)正在持續(xù)快速增長(zhǎng)。據(jù)Straits Research的預(yù)測(cè)，2024年，全球工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模為126億美元，在2025-2033年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到7.8%，預(yù)計(jì)將從2025年的135億美元增長(zhǎng)到2033年的246億美元。
隨著制造過(guò)程變得更加自動(dòng)化和互聯(lián)，對(duì)高速、低延遲通信網(wǎng)絡(luò)的需求也在加劇。工業(yè)以太網(wǎng)提供了一個(gè)可擴(kuò)展且靈活的基礎(chǔ)設(shè)施，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和與物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0等先進(jìn)技術(shù)的集成。
PROFINET支持高精度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和同步，這對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程自動(dòng)化等應(yīng)用至關(guān)重要。這種高性能和可靠性使PROFINET成為需要嚴(yán)格控制其運(yùn)營(yíng)的行業(yè)的首選，為其市場(chǎng)主導(dǎo)地位做出了重大貢獻(xiàn)，已在包括汽車(chē)、制造業(yè)和能源在內(nèi)的各個(gè)行業(yè)得到廣泛采用。
EtherCAT在速度和效率方面的卓越性能使其非常適合實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。其獨(dú)特的實(shí)時(shí)處理能力允許數(shù)據(jù)在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)極低的延遲和高同步精度。這種性能為機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和高速自動(dòng)化系統(tǒng)等需要及時(shí)的數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用帶來(lái)了極大的優(yōu)勢(shì)。
如今，以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)通信的支柱。隨著先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和智能制造的日益普及，對(duì)可靠和快速通信網(wǎng)絡(luò)的需求不斷加劇，由此也帶動(dòng)了對(duì)PROFINET、EtherCAT等高性能工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的更大需求，未來(lái)的市場(chǎng)值得期待。
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