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實(shí)現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),你了解多少?

發(fā)布時(shí)間:2025-03-18 來源:貿(mào)澤電子 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著制造過程變得更加自動(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)合年增長率高速增長。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)?,但工業(yè)以太網(wǎng)要能夠支持環(huán)形、總線和星形等各種拓?fù)?。這些拓?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)的無縫集成,還能實(shí)現(xiàn)來自多個(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)于無縫操作和高效的過程控制至關(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性以及它們?yōu)楣I(yè)界帶來的好處。


EtherNet/IP


由羅克韋爾自動(dòng)化(Rockwell Automation)開發(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銷、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,通過整合生產(chǎn)步驟、縮短供應(yīng)鏈,也可以減少運(yùn)輸過程中產(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)?、星形拓?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)可通過固件封裝在PRU-ICSS 中。


實(shí)現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),你了解多少?

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)開放的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),通過靈活的拓?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,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)估和開發(fā)板,非常適用于初始評(píng)估和原型設(shè)計(jì)。


實(shí)現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),你了解多少?

圖2:可用于F28388D器件的開發(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。


實(shí)現(xiàn)智能工廠:不可或缺的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),你了解多少?

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。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)合年增長率達(dá)到7.8%,預(yù)計(jì)將從2025年的135億美元增長到2033年的246億美元。


隨著制造過程變得更加自動(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、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,未來的市場(chǎng)值得期待。

文章來源:貿(mào)澤電子


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