【導讀】隨著制造過程變得更加自動化，對高速、低延遲通信網絡的需求日益加劇。為了滿足工業界的新需求，工業以太網的概念在過去十年中應運而生。2019年的一項研究表明，工業以太網在新安裝的解決方案中首次超越了現場總線，智能工廠的興起推動了這一演變。目前，這一趨勢仍在繼續。
隨著制造過程變得更加自動化，對高速、低延遲通信網絡的需求日益加劇。為了滿足工業界的新需求，工業以太網的概念在過去十年中應運而生。2019年的一項研究表明，工業以太網在新安裝的解決方案中首次超越了現場總線，智能工廠的興起推動了這一演變。目前，這一趨勢仍在繼續。
Grand View Research的市場分析數據顯示，2023年，全球工業以太網市場規模達到了114.3億美元，預計2024年至2030年將以7.9%的復合年增長率高速增長。對于工業自動化和智能制造而言，機器和控制系統之間的無縫數據流至關重要。工業以太網提供了一個可擴展且靈活的基礎設施，支持實時數據交換和與物聯網及工業4.0等先進技術的集成。
工業以太網和以太網的區別
工業以太網是指在工業環境中使用基于以太網的網絡進行自動化控制，它擴展了以太網的功能，滿足了制造業和加工業的獨特要求。工業以太網結合了以太網技術的優點，如高速數據傳輸和互操作性，以及工業應用所需的魯棒性和可靠性。但又與商業和辦公環境中使用的標準以太網有較大不同，工業以太網必須能夠在惡劣條件下可靠運行，包括極端溫度、濕度、振動、電磁干擾和物理危險等。
以下、是工業以太網和以太網之間的一些關鍵區別：
1、從工作環境看，工業以太網所處的工業環境通常很惡劣，其基礎設施必須能夠承受這些極具挑戰性的工作條件，比如具有堅固的連接器、堅實的布線和屏蔽電磁干擾的能力，以確保網絡的可靠運行。
2、從可靠性角度看，工業應用通常對實時、低延遲的通信有較高要求。工業以太網結合了實時協議、優先級機制和服務質量（QoS）技術等功能，以確保及時和可預測的數據傳輸。
3、從速度和帶寬方面看，與標準以太網相比，工業以太網通常以更高的速度運行，需要更大的帶寬，才能夠實現更快的數據傳輸速率，以適應傳感器、執行器和機械等工業設備生成的大量數據的實時處理需求。
4、從網絡拓撲看，傳統的以太網通常使用星形拓撲，但工業以太網要能夠支持環形、總線和星形等各種拓撲。這些拓撲可提供冗余和容錯，確保在網絡故障的情況下繼續運行。
5、從支持的協議方面看，工業以太網需要支持各種工業協議，如PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP/IP和EtherCAT等。這些協議促進了網絡與工業控制系統的無縫集成，還能實現來自多個制造商的不同設備之間的互操作。
6、從網絡管理角度看，工業以太網包括為工業環境量身定制的特定管理功能，如遠程診斷、設備監控和集中管理工具等，以確保工業網絡的高效運行、故障排除和維護。
專用協議：工業以太網的“神經系統”
在工業自動化中，有效的通信對于無縫操作和高效的過程控制至關重要。工業以太網徹底改變了工業環境中的數據傳輸和管理，其支柱就是它其獨有的以太網協議。
工業以太網協議是管理工業以太網網絡內通信和數據交換的標準化規則和程序集，它們定義了設備之間如何通信、傳輸和接收數據、處理錯誤和同步操作，為設備有效交互提供了必要的標準和指南，實現了無縫集成、實時數據交換以及增強的控制和監控能力。
已經開發的幾種工業以太網協議，包括EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP和EtherCAT，它們提供了數據交換的結構和規則，滿足了特定的工業要求。工業以太網及其協議之間的共生關系突顯了它們的相互依賴性以及它們為工業界帶來的好處。
EtherNet/IP
由羅克韋爾自動化（Rockwell Automation）開發的EtherNet/IP是一種廣泛使用的應用層工業以太網協議。它的靈活性和兼容性源于使用現成的組件和面向對象的設計。EtherNet/IP協議是專為工業自動化而設計的，它支持實時控制和信息交換，支持各種拓撲結構。它將網絡設備定義為一系列對象，并且完全基于以太網標準。
PROFINET
PROFINET是一種快速工業以太網協議，廣泛應用于控制系統，PROFINET網絡通常比其他工業以太網協議提供更高的速度。該協議初時在西門子（Siemens）主導下作為常用的PROFIBUS現場總線技術的網絡擴展而開發，2003年PROFINET被整合到IEC 61158和IEC 61784標準中。
Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP是第一個引入的工業以太網協議，它基本上將傳統的Modbus通信封裝在以太網傳輸層協議中，促進了控制設備之間離散數據的傳輸。
EtherCAT
EtherCAT是一種專為自動化系統的主從配置中的實時通信而設計的工業以太網協議，以高速和靈活性而聞名，它使用標準的以太網幀格式，有助于輕松集成到現有的以太網網絡中。
根據發表在《Environmental Science & Technology》（環境科學與技術）上的一篇綜述，對于生產量較低的使用案例，增材制造可以減少開銷、降低環境影響[3]。在傳統零部件生產會產生大量浪費的場景中，或者在減輕飛機和汽車零部件重量的應用中，3D打印也具有更好的可持續性。而后，通過整合生產步驟、縮短供應鏈，也可以減少運輸過程中產生的排放。
兩大工業以太網技術及方案
下面我們將著重介紹在工業自動化中應用較廣的兩款協議，及其解決方案。
PROFINET解決方案
PROFINET是工業自動化領域先進的工業以太網標準，使用標準TCP/IP網絡，能提供高數據速率的實時通信能力，是工廠自動化中優選的工業以太網標準之一。
ROFINET基于主站/從站通信理念，主站（IO控制器）可在網絡中的所有設備之間發送和接收數據幀，從站（IO設備）可將幀發送到IO控制器，但向其他IO設備發送數據只可采用非循環方式。工業應用中部署的系統至少有一個IO控制器和一個或多個IO設備。
ROFINET在網絡拓撲方面非常靈活，包括使用集線器和交換設備的線路拓撲、環形拓撲、星形拓撲或這些拓撲的組合，它實現了工業環境中各種設備（如傳感器、執行器和可編程邏輯控制器（PLC））之間快速和可靠的通信。
由于工業自動化系統對實時、高性能通信網絡的需求不斷增加，目前，PROFINET協議在全球市場中占據主導地位，其市場收入份額極大。
Texas Instruments（TI）已將PROFINET技術集成到其Sitara Arm處理器中，提供全面集成的PROFINET 從站功能，在不影響功能或性能要求的情況下打造出成本更低的終端產品。
Sitara處理器配備了TI的可編程實時單元工業通信子系統（PRU-ICSS），該子系統支持與MII接口進行底層交互。PRU-ICSS可以輕松地實現專用通信協議，如PROFINET。TI在PRU-ICSS上實現了一種雙端口PROFINET直通交換機，從而將PROFINET的實時處理要求從Arm內核轉移到PRU-ICSS上，這種做法能夠將ARM核心的大部分處理能力留給工業應用。在Sitara AM335x上集成的PROFINET解決方案中，整個PROFINET交換機可通過固件封裝在PRU-ICSS 中。
圖1：Sitara AM335x處理器上的PROFINET從站（圖源：Texas Instruments）
EtherCAT解決方案
EtherCAT是一個開放的以太網網絡，通過靈活的拓撲結構提供實時性能，以縮短周期時間并提高質量。
EtherCAT設備有兩個以太網連接器，以支持簡單的線路拓撲。EtherCAT網絡可以支持多達65535個EtherCAT設備。這些EtherCAT設備需要特定的以太網硬件（EtherCAT MAC）支持，常用的實現方式是使用ASIC或FPGA。典型的EtherCAT設備在接收和傳輸幀之間具有1-μs的端口到端口延遲。
不過，在支持EtherCAT和其他協議時，使用ASIC或FPGA會增加系統的成本和電路板空間。因此，也誕生了另一種解決方案，那就是借助某些處理器中的PRU-ICSS外圍設備來達成目標，這樣還做到了使用同一IC支持多種工業以太網協議。
Texas Instruments公司的C2000 F28388D實時MCU就是一個不錯的選擇。在設計上它充分考慮了超低的實時延遲，具有925MIP的實時信號處理能力，具有超快ADC傳感單元、用于實時計算的DSP內核和靈活的高開關頻率、用于驅動的高分辨率脈寬調制器（PWM）和高達1.5MB的片上閃存。更重要的是，F28388D還集成了EtherCAT從站控制器，以及其他業界通用協議，例如CAN FD 和USB等，適用于交流伺服驅動器和機器人等應用。
TMDSCNCD28388D是一款適用于 C2000 MCU系列F2838xS和F2838xD器件的低成本評估和開發板，非常適用于初始評估和原型設計。
圖2：可用于F28388D器件的開發板
TMDSCNCD28388D（圖源：TI）
Microchip公司的LAN9255 EtherCAT控制器也將Microchip LAN9253控制器與雙集成以太網PHY和SAM E53J結合在一起，其中的SAM E53J是一款32位ARM Cortex-M4F MCU。
圖3：EtherCAT控制器LAN9255系統框圖
（圖源：Microchip）
本文小結
隨著工業環境中對強大可靠的網絡解決方案的需求不斷增加，市場正在持續快速增長。據Straits Research的預測，2024年，全球工業以太網市場規模為126億美元，在2025-2033年期間的復合年增長率達到7.8%，預計將從2025年的135億美元增長到2033年的246億美元。
隨著制造過程變得更加自動化和互聯，對高速、低延遲通信網絡的需求也在加劇。工業以太網提供了一個可擴展且靈活的基礎設施，支持實時數據交換和與物聯網和工業4.0等先進技術的集成。
PROFINET支持高精度的實時數據傳輸和同步，這對于運動控制和過程自動化等應用至關重要。這種高性能和可靠性使PROFINET成為需要嚴格控制其運營的行業的首選，為其市場主導地位做出了重大貢獻，已在包括汽車、制造業和能源在內的各個行業得到廣泛采用。
EtherCAT在速度和效率方面的卓越性能使其非常適合實時控制應用。其獨特的實時處理能力允許數據在通過網絡節點時進行處理，從而實現極低的延遲和高同步精度。這種性能為機器人、數控機床和高速自動化系統等需要及時的數據交換的應用帶來了極大的優勢。
如今，以太網已經成為工業通信的支柱。隨著先進自動化技術和智能制造的日益普及，對可靠和快速通信網絡的需求不斷加劇，由此也帶動了對PROFINET、EtherCAT等高性能工業以太網協議的更大需求，未來的市場值得期待。
文章來源：貿澤電子
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