幾十年來，標準 IEEE 802.3 以太網一直是工作站、網絡交換機、調制解調器和路由器以及 PC 和 Mac 等消費電子產品的固定裝置。它早已在這些方面超越了令牌環和令牌總線等潛在競爭對手。

然而，它從未真正為工業自動化而設計。諸如最初依賴CSMA/CD媒體訪問控制方法，盡最大努力處理網絡流量，噪聲（即通過同一根線路傳輸許多不同類型的流量）以及總體上缺乏確定性等缺點使其成為傳統上部署在大多數自動化和控制系統中的數字現場總線的不可行的替代方案。

工業以太網的創新和實施

上述問題的解決方案是開發應用層協議，例如PROFINET，EtherNet/IP，EtherCAT和其他可以在以太網網絡上運行的協議，同時使用自己的特殊機制來確保時間敏感數據的確定性。雖然每個協議都是獨一無二的，但它們之間為自動化行業引入了幾項重要的創新：???

其中一些，包括PROFINET，與標準TCP / IP堆棧完全兼容，并且可以支持其實時通道。1

在實施EtherNet/IP等協議時，可以使用普通交換機和其他標準以太網基礎設施，這有助于控制設備成本。

EtherCAT引入了直通讀取（或動態處理）的原理，消除了單節點目標，并允許最大的帶寬利用率。2

其他人對開放系統互連模型的第 2 層到第 4 層進行了重大修改，以實現確定性。

許多這些協議作為開放標準的可用性（以及以太網等商業技術的使用）有助于維持它們的發展，盡管仍然沒有辦法讓它們都確定性地互操作。

這些突破足以使工業以太網成為全球控制系統的主要裝置。截至2015年，工業以太網解決方案合計約占所有已安裝節點的1/3。3傳統現場總線仍然占部署的最大份額，但以太網正以更快的年化速度增長。時間敏感型網絡的持續發展 - IEEE 802.1和IEEE 802.3的一組更新 - 應該繼續這一趨勢并解決互操作性問題。

可能阻礙以太網更新的一個障礙是實施計劃不明確。讓我們看看工業工廠如何在從現場總線到以太網的道路上啟動。

定義應用程序要求

工業以太網的目的是為真正需要它的苛刻應用提供確定性。示例包括運動控制和安全性，這兩者都可以從以太網解決方案帶來的可靠性和額外帶寬中受益。這些應用程序與診斷以及通常通過標準以太網傳輸的 HTTP 和 FTP 流量根本不同。

在正常的 TCP/IP 堆棧中，100 毫秒或更長時間的周期時間很常見。受益于工業以太網的應用將遠低于該閾值，甚至可能低于1毫秒。前面列出的應用程序以及更普遍的控制回路應用程序是這種開關產生積極影響的主要示例。它們必須快速遍歷各自的物理系統，并具有精確、可預測的時序特性（因此抖動必須保持在絕對最小值）。

了解應用的理想周期時間有助于以后選擇協議。它提供了對最終是否需要硬實時或軟實時解決方案的洞察。

“控制回路應用需要較短的循環時間。

繪制網絡拓撲

最知名的以太網拓撲是星形拓撲，因為它在企業網絡中占有突出地位。星形拓撲將每個設備連接到多端口以太網交換機。替代方案包括線形和環形拓撲。

在線路拓撲中，終端設備按順序從一個連接到下一個，這可以節省布線和開關基礎設施。它的主要問題是，如果一個節點或兩個節點之間的鏈接發生故障，那么它兩側的節點將變得無法訪問。

在環形拓撲中，每個設備正好連接到文字環中的另外兩個設備。正是出于這個原因，環比冗余線更好。引入了第 2 層協議（例如設備級環）來解決無限流量循環等問題。

請注意，需要嵌入式雙端口以太網交換機來支持線路和環形拓撲。另外，請記住，拓撲因協議而異。例如，EtherCAT獨特的自端接技術，如果一個節點沒有檢測到字符串中的另一個節點，就會終止網絡，這使得使用這個協議支持線、星形和環形拓撲成為可能。

“工業控制和自動化網絡通常使用獨特的拓撲結構，”工業以太網手冊中的一篇文章解釋說。4“與典型的辦公室以太網'星形'網絡不同，多端換機提供到其他節點的點對點鏈路，工業網絡的控制層通常基于環形布局。環形或菊花鏈簡化了布線，可以擴展以太網的覆蓋范圍，而無需犧牲基于光纖的系統。

權衡工業以太網協議和半導體的選擇

許多工廠要求其產品和多個系統之間兼容，因此依賴于多個以太網協議。工業網絡解決方案，例如ADI公司RapID平臺?網絡接口通過將您需要的所有內容（軟件、協議棧等）包含在一個方便的軟件包中，無需對主機應用程序硬件或軟件進行任何更改即可連接到主機處理器，從而實現了這一目標。

選擇半導體是工業以太網實施的重要組成部分。在其他情況下，您可能只需要一個協議，這意味著可能值得花時間比較每個協議的各個特征，例如它們支持的周期時間以及它們如何與標準 TCP/IP 流量交互。PROFINET就是一個很好的例子，因為它的RT和IRT變體涵蓋了不同的用例。

除了協議之外，您還必須決定將要或已經到位的支持硬件和軟件組件。您購買的以太網 Mac 設備的類型將取決于您規劃的拓撲結構，而這又取決于您為自動化和控制系統選擇的協議。

測試新的網絡接口

一旦您對應用程序要求、拓撲、協議和硬件/軟件做出了選擇，就該開始測試新的網絡接口以確保其最佳功能了。參考設計在此階段非常有用，因為它可以提供實施所需的原理圖、模塊設計、設計指南/文件、文檔和物料清單。

您還需要確保您使用的所有 API 也都有良好的文檔記錄。開發人員門戶通常是此處相關信息的首選來源。除此之外，與您的制造商和供應商直接聯系是及時回答有關實施的任何問題和疑慮的最佳方式。

當您審查系統并確保完全滿足確定性以太網要求時，這種支持絕對是必不可少的。總體而言，選擇經驗豐富的制造商是簡化以太網接口原理圖和支持固件和軟件設置的最重要步驟之一。

審核編輯：郭婷