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、调制解调器和路由器以及 PC 和 Mac 等消费电子产品的固定装置。它早已在这些方面超越了令牌环和令牌总线等潜在竞争对手。

然而，它从未真正为工业自动化而设计。诸如最初依赖CSMA/CD媒体访问控制方法，尽最大努力处理网络流量，噪声（即通过同一根线路传输许多不同类型的流量）以及总体上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行的替代方案。

工业以太网的创新和实施

上述问题的解决方案是开发应用层协议，例如PROFINET，EtherNet/IP，EtherCAT和其他可以在以太网网络上运行的协议，同时使用自己的特殊机制来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，但它们之间为自动化行业引入了几项重要的创新：®®®

其中一些，包括PROFINET，与标准TCP / IP堆栈完全兼容，并且可以支持其实时通道。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（或动态处理）的原理，消除了单节点目标，并允许最大的带宽利用率。2

其他人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的可用性（以及以太网等商业技术的使用）有助于维持它们的发展，尽管仍然没有办法让它们都确定性地互操作。

这些突破足以使工业以太网成为全球控制系统的主要装置。截至2015年，工业以太网解决方案合计约占所有已安装节点的1/3。3传统现场总线仍然占部署的最大份额，但以太网正以更快的年化速度增长。时间敏感型网络的持续发展 - IEEE 802.1和IEEE 802.3的一组更新 - 应该继续这一趋势并解决互操作性问题。

可能阻碍以太网更新的一个障碍是实施计划不明确。让我们看看工业工厂如何在从现场总线到以太网的道路上启动。

定义应用程序要求

工业以太网的目的是为真正需要它的苛刻应用提供确定性。示例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，100 毫秒或更长时间的周期时间很常见。受益于工业以太网的应用将远低于该阈值，甚至可能低于1毫秒。前面列出的应用程序以及更普遍的控制回路应用程序是这种开关产生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（因此抖动必须保持在绝对最小值）。

了解应用的理想周期时间有助于以后选择协议。它提供了对最终是否需要硬实时或软实时解决方案的洞察。

“控制回路应用需要较短的循环时间。

绘制网络拓扑

最知名的以太网拓扑是星形拓扑，因为它在企业网络中占有突出地位。星形拓扑将每个设备连接到多端口以太网交换机。替代方案包括线形和环形拓扑。

在线路拓扑中，终端设备按顺序从一个连接到下一个，这可以节省布线和开关基础设施。它的主要问题是，如果一个节点或两个节点之间的链接发生故障，那么它两侧的节点将变得无法访问。

在环形拓扑中，每个设备正好连接到文字环中的另外两个设备。正是出于这个原因，环比冗余线更好。引入了第 2 层协议（例如设备级环）来解决无限流量循环等问题。

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，拓扑因协议而异。例如，EtherCAT独特的自端接技术，如果一个节点没有检测到字符串中的另一个节点，就会终止网络，这使得使用这个协议支持线、星形和环形拓扑成为可能。

“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一篇文章解释说。4“与典型的办公室以太网'星形'网络不同，多端换机提供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。

权衡工业以太网协议和半导体的选择

许多工厂要求其产品和多个系统之间兼容，因此依赖于多个以太网协议。工业网络解决方案，例如ADI公司RapID平台®网络接口通过将您需要的所有内容（软件、协议栈等）包含在一个方便的软件包中，无需对主机应用程序硬件或软件进行任何更改即可连接到主机处理器，从而实现了这一目标。

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，这意味着可能值得花时间比较每个协议的各个特征，例如它们支持的周期时间以及它们如何与标准 TCP/IP 流量交互。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，您还必须决定将要或已经到位的支持硬件和软件组件。您购买的以太网 Mac 设备的类型将取决于您规划的拓扑结构，而这又取决于您为自动化和控制系统选择的协议。

测试新的网络接口

一旦您对应用程序要求、拓扑、协议和硬件/软件做出了选择，就该开始测试新的网络接口以确保其最佳功能了。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、模块设计、设计指南/文件、文档和物料清单。

您还需要确保您使用的所有 API 也都有良好的文档记录。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有关实施的任何问题和疑虑的最佳方式。

当您审查系统并确保完全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和支持固件和软件设置的最重要步骤之一。

审核编辑：郭婷