工业以太网协议的历史及其优势_专栏

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。

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。

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。

图3：自动化系统中的过程现场网络（来源：Profibus International)

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。

让我们回顾一下每个性能等级的主要功能：

符合等级（CC）A（CC-A）：

实时以太网通信
循环输入/输出
参数配置
警报

大多数情况下，此性能等级在标准以太网MAC上可以实现，甚至无需两个以太网端口，一个MAC就已足够。

CC-B与CC-A的功能相同，此外：

网络诊断
拓扑检测
参数配置
系统冗余

此版本的Profinet输入/输出还可在1ms范围内执行循环时间。

CC-C与CC-B和CC-A的功能相同，此外：

为特定Profinet帧保留的带宽，也称为等时同步实时（IRT）
控制器和器件的时间同步

尽管大多数应用的循环时间为250 µs或以下，但此版本的Profinet输入/输出支持的循环时间低至31.25 µs，RT版本需要专用的两端口工业以太网MAC。

多协议

由于提供的工业协议数量众多，产品制造商尚未定义通用的工业以太网标准，呈碎片化。许多领先的制造商已定义一种特定的工业以太网标准来满足他们的需求，这些标准通常是从他们现有的基于串行的现场总线之一衍生出来的。

为产品添加工业以太网标准，并认证通信接口具有挑战性。大多数制造商需要支持多种工业以太网协议，以使用不同的标准将其设备出售给客户。为产品添加多种以太网标准的一种方法是为每个工业以太网标准创建单独的印刷电路板（PCB）模块，将其中一个模块插入主板。但是交换协议需要更改硬件，会使产品材料清单（BOM）更为复杂且需要生成多个PCB模块和多芯片源解决方案。

为解决这一问题，设计人员可使用诸如Sitara™ Arm®处理器之类的产品，这些应用处理器具有集成的PRU-ICSS，可运行多协议工业以太网。

PRU在器件运行时加载工业以太网协议固件。PRU-ICSS协议固件版本可用于EtherCAT、Profinet、以太网/IP、高可用性无缝冗余-并行冗余协议（HSR-PRP）；Sitara处理器在处理器SDK中内设工业以太的网（CC-Link IE）Field basic的控制和通信链路，无需任何FPGA或ASIC。

协议固件可执行诸如快速转发处理等实时关键任务。

PRU-ICSS以及可扩展且功能强大的Arm内核（Cortex®-A8，A9，A15或A53，取决于Sitara处理器）可为工厂自动化产品构建单芯片解决方案，然后通过灵活交换PRU-ICSS固件在多个工业以太网标准中运行。除这些优势以及处理实时关键工业以太网处理任务的能力之外，PRU-ICSS还具有：