基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)總線系統(tǒng)有何優(yōu)勢(shì)

無論是功能還是數(shù)量，工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都獲得了長足的發(fā)展。在上世紀(jì)80年代末推出的現(xiàn)場(chǎng)總線，是模擬型4-20mA繼電器系統(tǒng)的數(shù)字替代品，應(yīng)用于可編程邏輯控制器（PLC），但新興的基于PC的機(jī)器控制的掃描周期更快，現(xiàn)場(chǎng)總線很少能夠望其項(xiàng)背。

在隨后的現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)中，工程師和工廠管理人員開始傾向于基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)總線系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但可以提供高速傳輸，并有助于推動(dòng)信息技術(shù)/運(yùn)營技術(shù)（IT/OT）的融合。

由于目前使用的很多功能已經(jīng)得到驗(yàn)證，因此基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。但是，現(xiàn)在的問題不是工廠應(yīng)該選擇哪種類型，而是工廠是否需要選擇一種。自誕生以來，符合IEEE 802.3通信標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用了很長一段時(shí)間，許多新組件都支持通信，而不必與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線捆綁在一起。此舉是否有助于工廠擺脫昂貴的管理型交換機(jī)以及流行現(xiàn)場(chǎng)總線存在的其它不足？它能擺脫供應(yīng)商專有的通訊協(xié)議嗎？

盡管某些工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)有其局限性，但將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)直接應(yīng)用于重要的制造、包裝和物料搬運(yùn)場(chǎng)景，可能會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)。

工程師在不同應(yīng)用中所尋求的實(shí)時(shí)性、時(shí)間同步和獨(dú)立性，已在開放式技術(shù)（例如EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)）中實(shí)現(xiàn)。EtherCAT可以提供確定性、適用于工業(yè)環(huán)境的強(qiáng)大硬件、系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性以及內(nèi)置的安全性，可在IT部門不干預(yù)的情況下保護(hù)機(jī)器和企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

在需要確定性、實(shí)時(shí)性的制造應(yīng)用中，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)具有優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的巨大優(yōu)勢(shì)。本文圖片來源：倍福

確定性和可靠性

在家庭環(huán)境下使用以太網(wǎng)時(shí)，很少會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)故障而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。一般也就是網(wǎng)頁無法加載、電子郵件發(fā)送失敗或系統(tǒng)死機(jī)，它們都不是關(guān)鍵任務(wù)。也就是再等2秒鐘、甚至一分鐘而已，并不符合關(guān)鍵任務(wù)的定義。大多數(shù)消費(fèi)者并不十分在意標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的缺點(diǎn)，例如帶寬利用率差、堆棧延遲、交換機(jī)延遲和星形拓?fù)洹?/p>

但是，在工業(yè)環(huán)境中，可靠的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。如果設(shè)備控制器的指令不能及時(shí)傳輸?shù)礁鱾€(gè)組件，或者控制器無法得到足夠的反饋，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和其它工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議相比，EtherCAT提供了跨行業(yè)應(yīng)用所需的可靠性和確定性。工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)即使以100Mbit/s的速度通信，也可以確保用戶在不同規(guī)模的機(jī)器和工廠之間，可靠、同步地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀。

EtherCAT G和G10，傳輸速度分別為1 Gbit/s和10 Gbit/s，可以為高分辨率的機(jī)器視覺、高端測(cè)量、高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人技術(shù)和復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)等應(yīng)用提供必要的帶寬。結(jié)合新引入的分支控制器模式，EtherCAT G可將工業(yè)通信時(shí)間縮短 2-7 倍，帶寬提高 10 倍（具體取決于應(yīng)用）。而 EtherCAT G10 甚至可以將帶寬提高 100 倍。

獨(dú)特的分支控制器模式可以將100Mbit/s EtherCAT網(wǎng)絡(luò)集成到EtherCAT G分支中，反之亦然，只需添加耦合器即可。這樣可以確保系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，具有無需徹底翻新和更換，即可升級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)的能力。

EtherCAT G技術(shù)由德國倍福自動(dòng)化公司在2018年推出，作為EtherCAT技術(shù)協(xié)議的擴(kuò)展。2019年，EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)（ETG）的技術(shù)委員會(huì)經(jīng)過評(píng)審，正式支持該技術(shù)。目前，ETG正在努力將EtherCAT G技術(shù)添加到技術(shù)規(guī)范中。

工業(yè)加固的以太網(wǎng)硬件

生產(chǎn)制造環(huán)境需要能夠承受極端條件的技術(shù)。與IT部門可能在辦公室內(nèi)使用的消費(fèi)級(jí)路由器和交換機(jī)相比，工業(yè)加固的I/O終端提供了更多的外形和功能。這些可能包括：用于批量生產(chǎn)設(shè)備的IP20等級(jí)的卡件，在現(xiàn)場(chǎng)安裝的IP67和IP69K等級(jí)的I/O模塊以及在PCB板上安裝的插件模塊。即使是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜,也應(yīng)配置適當(dāng)?shù)钠帘螌樱⑶沂褂脤楣I(yè)用途設(shè)計(jì)的連接器，否則可能會(huì)出現(xiàn)通信問題。

作為一種開放式解決方案，EtherCAT可以與“常規(guī)以太網(wǎng)”以及超過25種其它現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)連接，只需添加耦合器或網(wǎng)關(guān)即可，而不會(huì)引起傳輸延遲。利用多個(gè)耦合器，具有TCP/IP通信功能的EoE（Ethernet over EtherCAT）可以確保EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的互操作性。

工業(yè)應(yīng)用需要經(jīng)過工業(yè)加固的設(shè)備，EtherCAT提供IP67等級(jí)的I/O模塊，可安裝于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

提供同步功能

單個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)可以支持65,535個(gè)設(shè)備，無需MAC或IP地址即可自動(dòng)配置硬件。內(nèi)置了自由拓?fù)溥x擇，無論是星形、線形、樹形還是其它類型，都不會(huì)造成性能損失。通過改進(jìn)診斷界面，可以從網(wǎng)絡(luò)中收集現(xiàn)有的診斷信息，從而改善已經(jīng)強(qiáng)大的診斷功能，使故障排除變得更加容易。

通過動(dòng)態(tài)處理，EtherCAT能以100 Mbit/s的速率在一個(gè)以太網(wǎng)幀中與許多節(jié)點(diǎn)循環(huán)通信。使用EtherCAT，每30μs就可以輪詢1,000個(gè)分布式數(shù)字I/O，每100μs可輪詢100個(gè)伺服軸。

從站中集成了EtherCAT ASIC或FPGA硬件，并且可以通過主站網(wǎng)卡直接訪問內(nèi)存。通信協(xié)議處理獨(dú)立于CPU性能、協(xié)議棧或軟件實(shí)現(xiàn)的信息。

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過分布式時(shí)鐘進(jìn)行同步。所有EtherCAT設(shè)備都內(nèi)置了本地時(shí)鐘，以連續(xù)保持標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基，時(shí)鐘之間的偏差小于100 ns，這代表了不同的通信運(yùn)行時(shí)間。這樣就可以確保所有設(shè)備之間的精確同步。它還可以實(shí)現(xiàn)確定性的實(shí)際值采集和確定性的設(shè)定值輸出，以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)精確的響應(yīng)時(shí)間。

安裝在PCB板上的EtherCAT插件模塊，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最佳批量生產(chǎn)。

功能安全性

EtherCAT還提供FsoE（Safety over EtherCAT），這是經(jīng)TüV認(rèn)證的功能安全協(xié)議。所有其它冗余安全設(shè)備均使用FSoE，它使用“黑色通道”方法通過用于機(jī)器控制的同一條以太網(wǎng)電纜，提供必要的安全通信冗余。FSoE為眾多離散和過程工業(yè)應(yīng)用提供數(shù)字和模擬安全性。

EtherCAT的功能原理還有助于保護(hù)工廠免受網(wǎng)絡(luò)威脅。EtherCAT主設(shè)備控制所有從設(shè)備，從而使中間人攻擊無效。由于系統(tǒng)不是基于因特網(wǎng)協(xié)議的，因此惡意軟件無法通過EtherCAT傳播。網(wǎng)絡(luò)僅轉(zhuǎn)發(fā)EtherCAT幀，從控制器芯片會(huì)過濾掉其它任何以太網(wǎng)幀，包括那些損壞的數(shù)據(jù)或受到感染的幀。這些特性，再加上不使用管理型交換機(jī)，因此不需要IT部門介入生產(chǎn)系統(tǒng)。（作者：Sree Swarna Gutta）
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