如何开始实施工业以太网

几十年来,标准IEEE 802.3以太网一直是工作站,网络交换机,调制解调器,路由器以及PC和Mac等消费类电子产品的固定设备。它早已黯然失色,成为诸如令牌环和令牌总线等竞争对手的竞争对手。

但是,它从来没有真正为工业自动化设计。诸如其最初依赖CSMA / CD媒体访问控制方法,尽力处理网络流量,其噪音(即通过同一线路传输许多不同类型的流量)以及其总体缺乏确定性的缺点使其成为传统上在大多数自动化和控制系统中部署的数字现场总线是不可替代的。

工业以太网的创新与实现

对上述这些问题的解决方案是应用层协议,如PROFINET开发®,EtherNet / IP的®,EtherCAT的®,和其他人可能在使用自己的特殊机制,以确保对时间敏感的确定性上的以太网网络上运行数据。虽然每个协议都是独一无二的,但它们之间已经向自动化行业引入了一些重要的创新:

其中一些(包括PROFINET)与标准TCP / IP协议栈完全兼容,并且可以支持一个实时通道。

在实施诸如EtherNet / IP之类的协议时,可以使用普通交换机和其他标准以太网基础设施,这有助于控制设备成本。

EtherCAT引入了传递读取(或即时处理)的原理,消除了单节点目标并实现了最大的带宽利用率。2
其他人则对开放系统互连模型的第2层至第4层进行了重大修改,以实现确定性。

作为开放标准(以及使用像以太网这样的商业技术),许多这些协议的可用性有助于维持它们的发展,尽管仍然没有办法确保它们全部互操作。

这些突破已经足以使工业以太网成为全球控制系统的主要设备。截至2015年,工业以太网解决方案共占所有安装节点的约1/5。3传统现场总线仍然拥有最大的部署份额,但以太网正以更快的年化率增长。时间敏感网络的持续发展 - 对IEEE 802.1和IEEE 802.3的一系列更新 - 应该继续这种趋势并解决互操作性问题。

阻碍更新以太网的一个障碍是实施计划不明确。我们来看看工业工厂如何开始从现场总线到以太网。

定义您的应用程序需求

工业以太网的重点是为真正需要它的苛刻应用提供确定性。例子包括运动控制和安全性,这两者都可以从以太网解决方案带来的可靠性和额外带宽中受益。这些应用程序与通常通过标准以太网传输的诊断以及HTTP和FTP流量完全不同。

在普通的TCP / IP堆栈中,通常需要100 ms或更长的周期时间。受益于工业以太网的应用程序将远低于此门槛,甚至可能低于1毫秒。前面列出的以及更一般的控制循环应用程序是受这种开关积极影响的主要例子。他们必须快速遍历各自的物理系统,并具有精确,可预测的时序特性(因此必须将抖动保持在绝对最小值)。

了解应用程序的理想周期时间有助于在选择协议时稍后进行。它提供了深入了解最终是否需要硬实时或软实时解决方案的信息。

“ 控制回路应用需要较短的循环时间。”

映射出网络拓扑

由于其在企业网络中的突出地位,最可识别的以太网拓扑是明星。星形拓扑将每个设备连接到多端口以太网交换机。替代品包括线路和环形拓扑。

在线路拓扑结构中,终端设备依次连接,从而节省布线和交换基础设施。它的主要问题是,如果一个节点或两个节点之间的链路发生故障,那么其两侧的节点将无法访问。

在环形拓扑结构中,每个设备在文字环中正好连接两个设备。由于这个原因,环比冗余线更好。已经引入了第2层协议,例如设备级环,以解决诸如无限流量循环等问题。

请注意,嵌入式双端口以太网交换机需要同时支持线路和环形拓扑。另外,请记住,协议之间的拓扑结构不尽相同。例如,EtherCAT独特的自终端技术(如果节点未检测到字符串中的另一个节点,则终止网络)可以使用此一种协议支持线路,星形和环形拓扑结构。

“工业控制和自动化网络通常使用独特的拓扑结构,” 工业以太网书中的一篇文章解释道。4 “与典型的办公以太网'星级'网络不同,多端口交换机提供点对点链接到其他节点,工业网络的控制层通常基于环形布局。环形或菊花链简化了布线,并且可以扩展以太网的覆盖范围,而无需花费基于光纤的系统。“

权衡工业以太网协议和半导体的选择

许多工厂需要在他们的产品和多个系统之间进行兼容,因此依赖于多个以太网协议。工业网络解决方案,如ADI公司快速®平台网络接口,通过包括你需要的软件,它可以连接到您的主机处理器,而无需更改主机应用程序的硬件的一切,协议栈等,在一个方便的包装使这成为可能或软件。

选择半导体是工业以太网实施的重要组成部分。在其他情况下,您可能只需要一个协议,这意味着它可能值得花时间比较每个协议的各个特性,例如它们支持哪些循环时间以及它们如何与标准TCP / IP通信交互。PROFINET就是一个很好的例子,因为它的RT和IRT变种涵盖了不同的用例。

除了协议之外,您必须对将要或已经存在的支持硬件和软件组件做出决定。您购买的以太网Mac设备的类型取决于您已计划的拓扑结构,而这又取决于您为自动化和控制系统选择的协议。

测试您的新网络接口

一旦您在应用需求,拓扑结构,协议和硬件/软件方面做出选择,现在该开始测试新的网络接口以确保其最佳功能。参考设计可以在这个阶段非常有用,因为它可以提供实施所需的原理图,模块设计,设计指南/文件,文档和材料清单。

您还需要确保您使用的所有API都有详细记录。开发人员门户通常是此处相关信息的前往源。除此之外,直接与您的制造商和供应商联系是及时回应任何有关实施问题和疑虑的最佳方式。

在您审核系统并确保满足确定性以太网要求时,这种支持绝对是必不可少的。总体而言,选择经验丰富的制造商是简化以太网接口原理图设置和支持固件和软件的最重要步骤之一。

参考

1 确定性以太网指南:工业以太网。ADI公司,2015年。

2 EtherCAT:豹式的速度和效率。实时自动化公司,2008年。

3 现场总线市场仍是工业以太网的两倍。驱动与控制,2015年1月。

4迈克琼斯。“ 使用以太网环的设计考虑事项 ”,工业以太网书,第47期,2008年7月。

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