带你了解工业以太网协议的历史及作用

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Mutiprotocs 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。

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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。

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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。
如何选择正确的工业以太网标准：EtherCAT
过程现场网络
过程现场网络（Profinet）是用于工厂自动化的领先工业以太网标准之一。 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以太网上运行，采用器件和控制器网络体系结构，如图3所示。它由一个接管网络中的Profinet控制器组成，输入/输出器件接管器件。 Profinet在网络拓扑方面极其灵活，使用集线器和交换机器件，包括线路拓扑、环形拓扑、星形拓扑或这些拓扑的组合。

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图3：自动化系统中的过程现场网络（来源：Profibus Internationa)
多年来， Profinet标准已基于市场需求不断发展为A、B和C等各种性能等级。每个性能等级都比下述等级增加了更多功能，这种方法使Profinet与先前的Profinet器件代级向后兼容。