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工业以太网多协议给工业4.0带来困局

2018年12月06日 09:44:51来源:中国传动网作者:网络关键词:工业以太网
  工业以太网系统需要高确定性和可靠性。在许多工厂自动化应用中,由于以太网具有更高带宽且能够与企业网络链接,它已替代传统的串行“现场总线”连接,但是以太网本身不具备现场总线系统的确定性响应。
 
  根据HMS发布2017年工业网络市场份额报告显示,工业以太网的增长速度比往年更快,增长率为22%。工业以太网现在占全球市场的46%,而去年为38%。在具体的通信中,EtherNet/IP和PROFINET份额最大,其中PROFINET主要市场在中欧,EtherNet/IP在北美占主导地位,紧跟其后的是EtherCAT、Modbus-TCP和EthernetPOWERLINK。
 
  众多以太网协议共存带来的困局
 
  制造商期望在系统范围内实现越来越多的自动化流程,因而必须考虑到IT系统对于开放数据访问的需求,以及工业控制系统的实时要求。工业以太网系统需要高确定性和可靠性。在许多工厂自动化应用中,由于以太网具有更高带宽且能够与企业网络链接,它已替代传统的串行“现场总线”连接,但是以太网本身不具备现场总线系统的确定性响应。
 
  为克服这一限制,各主要工业OEM制定自己的以太网协议,自此成为广泛使用的开放式标准:PROFINET、以太网/IP、EtherCAT、ModbusTCP和其他几种标准。其中一些协议与标准的TCP/IP以太网网络完全兼容,其他协议已修改数据链路、网络和/或传输层(OSI模型中的2-4层)以实现确定性性能。
 
  不幸的是,产品制造商还未达成一致的通用的工业以太网标准;相反,所处领域也是零散的,工厂部署的标准超过30种。虽然这些协议可与标准以太网共存,但它们不能以确定的方式实现彼此互操作。许多领先的制造商已经定义了一个特定的工业以太网标准,以满足他们的需求,往往来源于他们现有的其中一种基于串行的现场总线。
 
  大多数工业以太网标准需要一个单独的设备解决方案。图1描述了一种解决方案,其中包括微控制器单元或微处理器单元和一个独立的工业以太网设备、媒体访问控制器。该MAC支持实时以太网帧处理,这在技术上称为“即时”或“直通”帧处理。因此,大多数工业以太网标准需要应用专用的集成电路或FPGA来处理实时以太网帧处理。
 
  让双以太网端口成为工业器件的标配
 
  工业网络具有其独特要求,例如可靠的数据传输和数据的时间同步,这些要求需要针对不同的应用采取不同的网络协议,从而带来多协议传输如何破解的挑战。ADI公司推出的fido5000REM交换芯片(有fido5100和fido5200两种型号)作为一种产品解决方案尝试解决多种以太网协议,其中fido5100支持除EtherCAT以外的各种主要工业以太网协议,而fido5200支持包括EtherCAT在内的各种主要工业以太网协议。
 
  fido5200支持包括EtherCAT在内的各种主要工业以太网协议
 
  ADI公司的fido5000是一款具有两个以太网端口的实时以太网、多协议(REM)交换芯片。该产品的推出让两个端口成为如今工业器件的标配,而未来的工业4.0应用必须支持各种常见的网络拓扑,如线状和环状拓扑以及星形拓扑。另外,它可以连接任何主机处理器,这让开发人员可以使用自己的处理器和他们首选的开发环境。下图显示了fido5000的所有这些可能性和功能。
 
  fido5000这些功能克服以太网多协议挑战
 
  REM芯片和处理器之间通过内存总线进行通信,以实现高性能、低延迟/低抖动的工业以太网。内存总线还提供了采用PriorityChannel?技术的主控接口。ADI公司采用软硬件协同设计开发了这一过滤技术。它确保来自以太网的关键数据得到及时处理,而不受协议和网络利用率的影响,因此避免了非时间关键型数据流量的干扰。这意味着,来自实时通道的数据会优先于普通网络数据得到处理。下图显示的就是PriorityChannel技术,图中有四个队列,可以在处理实时数据时进行微调。
 
  ADIPriorityChannel技术的概念
 
  支持定时器控制和时间敏感型网络,为工业4.0功能备份
 
  除了交换功能之外,fido5000还具有强大的定时器控制单元。定时器控制单元设计用于实现各种工业以太网协议的同步机制。通过四个专用输出或四个通用输入/输出,可以实现输入捕捉等其他功能,也可以输出任何方波信号。这些端口均直接与同步时间同相。例如,它能以64位分辨率对四个输入端中任何一处的边沿到达加盖时间戳。在输出端,任何数字信号模式都可以与网络时间同步输出。这意味着可以将用户的应用与网络时间同步,周期时间甚至低至不到31.25-s。
 
  但fido5000的功能还不仅限于此,该芯片已经为即将到来的工业4.0做好了准备!fido5000支持时间敏感型网络。未来基于时间敏感型网络的工业以太网应用的需求将能够满足运动控制或安全等应用非常苛刻的实时要求。
 
  时间敏感型网络是由IEEE802.1工作组定义的一组标准。它兼容现有的标准以太网技术。实际上,时间敏感型网络定义了交换式以太网网络中用于时间控制数据路由的第一个IEEE标准。因此,IEEE802系列标准中的确定性实时通信可以通过为几个网络组件上消息路径生成的公共时基和时间表来实现。
 
  除了单芯片fido5000,ADI同时还提供基于fido5000电路板级完整解决方案的RapID平台。RapID平台实现了所有常见的工业以太网协议,可轻松集成到非以太网现场设备中。这使得现场设备能够满足工业4.0应用的要求。常见工业以太网协议的实现均已经过预先认证。RapID平台另一个有趣的功能是动态集成的Web服务器。通过此功能,它允许用户很方便得读取和修改网络参数,输入及输出数据。
 
  fido5000REM交换芯片和RapID平台已经为基于当前工业以太网标准和未来时间敏感型网络标准的时间关键型应用提供了良好的前提条件。
 
  基于fido5000的RapID平台可用于评估套件中。
 
  fido5000REM交换芯片和RapID平台已经为基于当前工业以太网标准和未来TSN标准的时间关键型应用提供了最佳的前提条件。
 
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