工业以太网是怎样开始实现的？

标准的IEEE 802.3以太网几十年来一直是工作站，网络交换机，调制解调器和路由器，以及PC和Mac等消费类电子产品的固定装置。它早已黯然失色，就像令牌环和令牌总线这样的竞争对手。

然而，它从未真正设计用于工业自动化。诸如最初依赖CSMA / CD媒体访问控制方法，最大程度地处理网络流量，噪声（即通过同一线路传输多种不同类型的流量）以及整体缺乏确定性等缺点使其成为传统上部署在大多数自动化和控制系统中的数字现场总线的不可替代的替代方案。

工业以太网的创新和实现

上述问题的解决方案是开发应用层协议，如作为PROFINET ®，EtherNet / IP ®，EtherCAT ®以及其他可以在以太网网络上运行同时使用自己的特殊机制确保时间敏感数据的确定性。虽然每个协议都是独一无二的，但它们之间已经为自动化行业引入了几项重要创新：

其中一些（包括PROFINET）与标准TCP / IP堆栈完全兼容，并且可以支持一个与实时通道一起使用。 1

在实施EtherNet / IP等协议时，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引入了直通读取（或即时处理）原理，消除了单节点定位，并允许最大的带宽利用率。 2

其他已经对开放系统互连模型的第2层到第4层进行了重大修改，以实现确定性。

许多这些协议作为开放标准（以及使用以太网等商业技术）的可用性有助于维持它们发展，虽然仍然没有办法全部确定性地互操作。

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固定装置。截至2015年，工业以太网解决方案共占所有已安装节点的约1/3。 3 传统现场总线仍然占据了大部分部署，但以太网的年增长速度更快。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 - 应该继续这一趋势并解决互操作性问题。

可能会阻碍更新到以太网的一个障碍是一个不明确的实施计划。让我们来看看工业工厂如何在从现场总线到以太网的道路上开始。

定义您的应用要求

工业以太网的目的是为要求苛刻的应用提供确定性。真的需要它。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。这些应用程序与诊断以及通常通过标准以太网传输的HTTP和FTP流量根本不同。

在正常的TCP / IP堆栈中，循环时间通常为100 ms或更长。受益于工业以太网的应用程序将远低于该阈值，甚至可能低于1毫秒。之前列出的那些，以及更普遍的控制循环应用程序，是受此类交换机积极影响的主要示例。它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以后选择协议时。它提供了最终是否需要硬实时或软实时解决方案的见解。

“控制回路应用需要较短的周期时间。”

映射网络拓扑

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。星型拓扑将每个设备连接到多端口以太网交换机。替代方案包括线路和环形拓扑。

在线路拓扑中，终端设备按顺序从一个连接到下一个，这可以节省布线和交换机基础设施。它的主要问题是，如果一个节点或两个节点之间的链路出现故障，那么它的任何一侧的节点都将无法访问。

在环形拓扑中，每个设备都连接到其他两个节点。字环。出于这个原因，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之类的问题。

请注意，需要嵌入式双端口以太网交换机来支持线路和环形拓扑。另外，请记住，协议之间的拓扑结构各不相同。例如，EtherCAT独特的自终结技术，如果节点未检测到字符串中的另一个节点，则终止网络，可以使用这一协议支持线路，星形和环形拓扑。

“工业控制和自动化网络通常使用独特的拓扑结构，”工业以太网手册中的文章解释说。 4 “与多端口交换机提供的典型办公室以太网”星形“网络不同到其他节点的点对点链路，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，可以扩展以太网的覆盖范围，而无需牺牲基于光纤的系统。“

权衡您对工业以太网协议和半导体的选择

许多工厂要求其产品与多个系统之间兼容，因此需要依赖多个以太网协议。工业网络解决方案，例如ADI公司的RapID ®平台网络接口，可以将所需的一切 - 软件，协议栈等 - 集成到一个方便的软件包中，无需连接到主机处理器对主机应用硬件或软件的任何更改。

选择半导体是工业以太网实现的重要部分。在其他情况下，您可能只需要一个协议，这意味着可能值得花时间来比较每个协议的各个特性，例如它们支持的循环时间以及它们与标准TCP / IP流量的交互方式。 PROFINET就是一个很好的例子，因为它的RT和IRT变体涵盖了不同的用例。

除了协议之外，你还必须决定将要或已经有的支持硬件和软件组件。 。您购买的以太网Mac设备类型取决于您计划的拓扑结构，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< / h3>

一旦您对应用程序要求，拓扑，协议和硬件/软件做出了选择，就应该开始测试新的网络接口以确保其最佳功能。参考设计在此阶段非常有用，因为它可以提供实施所需的原理图，块设计，设计指南/文件，文档和物料清单。

您还需要确保您正在使用的所有API也都是完整的。开发人员门户通常是此处相关信息的首选来源。除此之外，与您的制造商和供应商直接联系是及时回答任何问题和实施问题的最佳方式。

当您审查系统并确保确定性以太网要求是必不可少的时候，这种支持绝对必不可少。完全满足。总的来说，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。