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工業(yè)4.0面前，繁雜的多以太網(wǎng)協(xié)議如何破?

根據(jù)HMS發(fā)布2017年工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)份額報(bào)告顯示，工業(yè)以太網(wǎng)的增長(zhǎng)速度比往年更快，增長(zhǎng)率為22%。工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)在占全球市場(chǎng)的46%，而去年為38%。在具體的通信中， EtherNet / IP和PROFINET份額最大，其中PROFINET主要市場(chǎng)在中歐，EtherNet / IP在北美占主導(dǎo)地位，緊跟其后的是EtherCAT、Modbus-TCP和Ethernet POWERLINK。

眾多以太網(wǎng)協(xié)議共存帶來的困局

制造商期望在系統(tǒng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)越來越多的自動(dòng)化流程，因而必須考慮到IT系統(tǒng)對(duì)于開放數(shù)據(jù)訪問的需求，以及工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)需要高確定性和可靠性。在許多工廠自動(dòng)化應(yīng)用中，由于以太網(wǎng)具有更高帶寬且能夠與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)鏈接，它已替代傳統(tǒng)的串行“現(xiàn)場(chǎng)總線”連接，但是以太網(wǎng)本身不具備現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的確定性響應(yīng)。

為克服這一限制，各主要工業(yè)OEM制定自己的以太網(wǎng)協(xié)議，自此成為廣泛使用的開放式標(biāo)準(zhǔn)：PROFINET、以太網(wǎng)/IP、EtherCAT、ModbusTCP和其他幾種標(biāo)準(zhǔn)。其中一些協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)完全兼容，其他協(xié)議已修改數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)和/或傳輸層(OSI模型中的2-4層)以實(shí)現(xiàn)確定性性能。

不幸的是，產(chǎn)品制造商還未達(dá)成一致的通用的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn);相反，所處領(lǐng)域也是零散的，工廠部署的標(biāo)準(zhǔn)超過30種。雖然這些協(xié)議可與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)共存，但它們不能以確定的方式實(shí)現(xiàn)彼此互操作。許多領(lǐng)先的制造商已經(jīng)定義了一個(gè)特定的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足他們的需求，往往來源于他們現(xiàn)有的其中一種基于串行的現(xiàn)場(chǎng)總線。

大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)需要一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備解決方案。圖1描述了一種解決方案，其中包括微控制器單元或微處理器單元和一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備、媒體訪問控制器。該MAC支持實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀處理，這在技術(shù)上稱為“即時(shí)”或“直通”幀處理。因此，大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)需要應(yīng)用專用的集成電路或FPGA來處理實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀處理。

讓雙以太網(wǎng)端口成為工業(yè)器件的標(biāo)配

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)具有其獨(dú)特要求，例如可靠的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，這些要求需要針對(duì)不同的應(yīng)用采取不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而帶來多協(xié)議傳輸如何破解的挑戰(zhàn)。ADI公司推出的fido5000 REM交換芯片(有fido5100和fido5200兩種型號(hào))作為一種產(chǎn)品解決方案嘗試解決多種以太網(wǎng)協(xié)議，其中fido5100支持除EtherCAT以外的各種主要工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而fido5200支持包括EtherCAT在內(nèi)的各種主要工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

fido5200支持包括EtherCAT在內(nèi)的各種主要工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

ADI公司的fido5000是一款具有兩個(gè)以太網(wǎng)端口的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、多協(xié)議 (REM) 交換芯片。該產(chǎn)品的推出讓兩個(gè)端口成為如今工業(yè)器件的標(biāo)配，而未來的工業(yè)4.0應(yīng)用必須支持各種常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缇€狀和環(huán)狀拓?fù)湟约靶切瓮負(fù)?。另外，它可以連接任何主機(jī)處理器，這讓開發(fā)人員可以使用自己的處理器和他們首選的開發(fā)環(huán)境。下圖顯示了fido5000的所有這些可能性和功能。

fido5000這些功能克服以太網(wǎng)多協(xié)議挑戰(zhàn)

REM芯片和處理器之間通過內(nèi)存總線進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)高性能、低延遲/低抖動(dòng)的工業(yè)以太網(wǎng)。內(nèi)存總線還提供了采用PriorityChannel?技術(shù)的主控接口。ADI公司采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)了這一過濾技術(shù)。它確保來自以太網(wǎng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)得到及時(shí)處理，而不受協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)利用率的影響，因此避免了非時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)流量的干擾。這意味著，來自實(shí)時(shí)通道的數(shù)據(jù)會(huì)優(yōu)先于普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)得到處理。下圖顯示的就是PriorityChannel技術(shù)，圖中有四個(gè)隊(duì)列，可以在處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行微調(diào)。

ADI PriorityChannel技術(shù)的概念

支持定時(shí)器控制和時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)，為工業(yè)4.0功能備份

除了交換功能之外，fido5000還具有強(qiáng)大的定時(shí)器控制單元。定時(shí)器控制單元設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的同步機(jī)制。通過四個(gè)專用輸出或四個(gè)通用輸入/輸出，可以實(shí)現(xiàn)輸入捕捉等其他功能，也可以輸出任何方波信號(hào)。這些端口均直接與同步時(shí)間同相。例如，它能以64位分辨率對(duì)四個(gè)輸入端中任何一處的邊沿到達(dá)加蓋時(shí)間戳。在輸出端，任何數(shù)字信號(hào)模式都可以與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步輸出。這意味著可以將用戶的應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，周期時(shí)間甚至低至不到31.25 -s。

但fido5000的功能還不僅限于此，該芯片已經(jīng)為即將到來的工業(yè)4.0做好了準(zhǔn)備!fido5000支持時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)。未來基于時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的需求將能夠滿足運(yùn)動(dòng)控制或安全等應(yīng)用非?？量痰膶?shí)時(shí)要求。

時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)是由IEEE 802.1工作組定義的一組標(biāo)準(zhǔn)。它兼容現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)。實(shí)際上，時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)定義了交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中用于時(shí)間控制數(shù)據(jù)路由的第一個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)。因此，IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)中的確定性實(shí)時(shí)通信可以通過為幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件上消息路徑生成的公共時(shí)基和時(shí)間表來實(shí)現(xiàn)。

除了單芯片fido5000，ADI同時(shí)還提供基于fido5000電路板級(jí)完整解決方案的RapID平臺(tái)。RapID平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了所有常見的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可輕松集成到非以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。這使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠滿足工業(yè)4.0應(yīng)用的要求。常見工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)均已經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證。RapID平臺(tái)另一個(gè)有趣的功能是動(dòng)態(tài)集成的Web服務(wù)器。通過此功能，它允許用戶很方便得讀取和修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，輸入及輸出數(shù)據(jù)。

fido5000 REM交換芯片和RapID平臺(tái)已經(jīng)為基于當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和未來時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用提供了良好的前提條件。

基于fido5000的RapID平臺(tái)可用于評(píng)估套件中。

fido5000 REM交換芯片和RapID平臺(tái)已經(jīng)為基于當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和未來TSN標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用提供了最佳的前提條件。