实现智能工厂：不可或缺的工业以太网技术，你了解多少？

随着制造过程变得更加自动化，对高速、低延迟通信网络的需求日益加剧。为了满足工业界的新需求，工业以太网的概念在过去十年中应运而生。2019年的一项研究表明，工业以太网在新安装的解决方案中首次超越了现场总线，智能工厂的兴起推动了这一演变。目前，这一趋势仍在继续。

Grand View Research的市场分析数据显示，2023年，全球工业以太网市场规模达到了114.3亿美元，预计2024年至2030年将以7.9%的复合年增长率高速增长。对于工业自动化和智能制造而言，机器和控制系统之间的无缝数据流至关重要。工业以太网提供了一个可扩展且灵活的基础设施，支持实时数据交换和与物联网及工业4.0等先进技术的集成。

工业以太网和以太网的区别

工业以太网是指在工业环境中使用基于以太网的网络进行自动化控制，它扩展了以太网的功能，满足了制造业和加工业的独特要求。工业以太网结合了以太网技术的优点，如高速数据传输和互操作性，以及工业应用所需的鲁棒性和可靠性。但又与商业和办公环境中使用的标准以太网有较大不同，工业以太网必须能够在恶劣条件下可靠运行，包括极端温度、湿度、振动、电磁干扰和物理危险等。

以下、是工业以太网和以太网之间的一些关键区别：

1、从工作环境看，工业以太网所处的工业环境通常很恶劣，其基础设施必须能够承受这些极具挑战性的工作条件，比如具有坚固的连接器、坚实的布线和屏蔽电磁干扰的能力，以确保网络的可靠运行。

2、从可靠性角度看，工业应用通常对实时、低延迟的通信有较高要求。工业以太网结合了实时协议、优先级机制和服务质量（QoS）技术等功能，以确保及时和可预测的数据传输。

3、从速度和带宽方面看，与标准以太网相比，工业以太网通常以更高的速度运行，需要更大的带宽，才能够实现更快的数据传输速率，以适应传感器、执行器和机械等工业设备生成的大量数据的实时处理需求。

4、从网络拓扑看，传统的以太网通常使用星形拓扑，但工业以太网要能够支持环形、总线和星形等各种拓扑。这些拓扑可提供冗余和容错，确保在网络故障的情况下继续运行。

5、从支持的协议方面看，工业以太网需要支持各种工业协议，如PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP/IP和EtherCAT等。这些协议促进了网络与工业控制系统的无缝集成，还能实现来自多个制造商的不同设备之间的互操作。

6、从网络管理角度看，工业以太网包括为工业环境量身定制的特定管理功能，如远程诊断、设备监控和集中管理工具等，以确保工业网络的高效运行、故障排除和维护。

专用协议：工业以太网的“神经系统”

在工业自动化中，有效的通信对于无缝操作和高效的过程控制至关重要。工业以太网彻底改变了工业环境中的数据传输和管理，其支柱就是它其独有的以太网协议。

工业以太网协议是管理工业以太网网络内通信和数据交换的标准化规则和程序集，它们定义了设备之间如何通信、传输和接收数据、处理错误和同步操作，为设备有效交互提供了必要的标准和指南，实现了无缝集成、实时数据交换以及增强的控制和监控能力。

已经开发的几种工业以太网协议，包括EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP和EtherCAT，它们提供了数据交换的结构和规则，满足了特定的工业要求。工业以太网及其协议之间的共生关系突显了它们的相互依赖性以及它们为工业界带来的好处。

EtherNet/IP

由罗克韦尔自动化（Rockwell Automation）开发的EtherNet/IP是一种广泛使用的应用层工业以太网协议。它的灵活性和兼容性源于使用现成的组件和面向对象的设计。EtherNet/IP协议是专为工业自动化而设计的，它支持实时控制和信息交换，支持各种拓扑结构。它将网络设备定义为一系列对象，并且完全基于以太网标准。

PROFINET

PROFINET是一种快速工业以太网协议，广泛应用于控制系统，PROFINET网络通常比其他工业以太网协议提供更高的速度。该协议初时在西门子（Siemens）主导下作为常用的PROFIBUS现场总线技术的网络扩展而开发，2003年PROFINET被整合到IEC 61158和IEC 61784标准中。

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP是第一个引入的工业以太网协议，它基本上将传统的Modbus通信封装在以太网传输层协议中，促进了控制设备之间离散数据的传输。

EtherCAT

EtherCAT是一种专为自动化系统的主从配置中的实时通信而设计的工业以太网协议，以高速和灵活性而闻名，它使用标准的以太网帧格式，有助于轻松集成到现有的以太网网络中。

根据发表在《Environmental Science & Technology》（环境科学与技术）上的一篇综述，对于生产量较低的使用案例，增材制造可以减少开销、降低环境影响[3]。在传统零部件生产会产生大量浪费的场景中，或者在减轻飞机和汽车零部件重量的应用中，3D打印也具有更好的可持续性。而后，通过整合生产步骤、缩短供应链，也可以减少运输过程中产生的排放。

两大工业以太网技术及方案

下面我们将着重介绍在工业自动化中应用较广的两款协议，及其解决方案。

PROFINET解决方案

PROFINET是工业自动化领域先进的工业以太网标准，使用标准TCP/IP网络，能提供高数据速率的实时通信能力，是工厂自动化中优选的工业以太网标准之一。

ROFINET基于主站/从站通信理念，主站（IO控制器）可在网络中的所有设备之间发送和接收数据帧，从站（IO设备）可将帧发送到IO控制器，但向其他IO设备发送数据只可采用非循环方式。工业应用中部署的系统至少有一个IO控制器和一个或多个IO设备。

ROFINET在网络拓扑方面非常灵活，包括使用集线器和交换设备的线路拓扑、环形拓扑、星形拓扑或这些拓扑的组合，它实现了工业环境中各种设备（如传感器、执行器和可编程逻辑控制器（PLC））之间快速和可靠的通信。

由于工业自动化系统对实时、高性能通信网络的需求不断增加，目前，PROFINET协议在全球市场中占据主导地位，其市场收入份额极大。

Texas Instruments（TI）已将PROFINET技术集成到其Sitara Arm处理器中，提供全面集成的PROFINET 从站功能，在不影响功能或性能要求的情况下打造出成本更低的终端产品。

Sitara处理器配备了TI的可编程实时单元工业通信子系统（PRU-ICSS），该子系统支持与MII接口进行底层交互。PRU-ICSS可以轻松地实现专用通信协议，如PROFINET。TI在PRU-ICSS上实现了一种双端口PROFINET直通交换机，从而将PROFINET的实时处理要求从Arm内核转移到PRU-ICSS上，这种做法能够将ARM核心的大部分处理能力留给工业应用。在Sitara AM335x上集成的PROFINET解决方案中，整个PROFINET交换机可通过固件封装在PRU-ICSS 中。


图1：Sitara AM335x处理器上的PROFINET从站（图源：Texas Instruments）

EtherCAT解决方案

EtherCAT是一个开放的以太网网络，通过灵活的拓扑结构提供实时性能，以缩短周期时间并提高质量。

EtherCAT设备有两个以太网连接器，以支持简单的线路拓扑。EtherCAT网络可以支持多达65535个EtherCAT设备。这些EtherCAT设备需要特定的以太网硬件（EtherCAT MAC）支持，常用的实现方式是使用ASIC或FPGA。典型的EtherCAT设备在接收和传输帧之间具有1-µs的端口到端口延迟。

不过，在支持EtherCAT和其他协议时，使用ASIC或FPGA会增加系统的成本和电路板空间。因此，也诞生了另一种解决方案，那就是借助某些处理器中的PRU-ICSS外围设备来达成目标，这样还做到了使用同一IC支持多种工业以太网协议。

Texas Instruments公司的C2000 F28388D实时MCU就是一个不错的选择。在设计上它充分考虑了超低的实时延迟，具有925MIP的实时信号处理能力，具有超快ADC传感单元、用于实时计算的DSP内核和灵活的高开关频率、用于驱动的高分辨率脉宽调制器（PWM）和高达1.5MB的片上闪存。更重要的是，F28388D还集成了EtherCAT从站控制器，以及其他业界通用协议，例如CAN FD 和USB等，适用于交流伺服驱动器和机器人等应用。

TMDSCNCD28388D是一款适用于 C2000 MCU系列F2838xS和F2838xD器件的低成本评估和开发板，非常适用于初始评估和原型设计。


图2：可用于F28388D器件的开发板
TMDSCNCD28388D（图源：TI）

Microchip公司的LAN9255 EtherCAT控制器也将Microchip LAN9253控制器与双集成以太网PHY和SAM E53J结合在一起，其中的SAM E53J是一款32位ARM Cortex-M4F MCU。


图3：EtherCAT控制器LAN9255系统框图
（图源：Microchip）

本文小结

随着工业环境中对强大可靠的网络解决方案的需求不断增加，市场正在持续快速增长。据Straits Research的预测，2024年，全球工业以太网市场规模为126亿美元，在2025-2033年期间的复合年增长率达到7.8%，预计将从2025年的135亿美元增长到2033年的246亿美元。

随着制造过程变得更加自动化和互联，对高速、低延迟通信网络的需求也在加剧。工业以太网提供了一个可扩展且灵活的基础设施，支持实时数据交换和与物联网和工业4.0等先进技术的集成。

PROFINET支持高精度的实时数据传输和同步，这对于运动控制和过程自动化等应用至关重要。这种高性能和可靠性使PROFINET成为需要严格控制其运营的行业的首选，为其市场主导地位做出了重大贡献，已在包括汽车、制造业和能源在内的各个行业得到广泛采用。

EtherCAT在速度和效率方面的卓越性能使其非常适合实时控制应用。其独特的实时处理能力允许数据在通过网络节点时进行处理，从而实现极低的延迟和高同步精度。这种性能为机器人、数控机床和高速自动化系统等需要及时的数据交换的应用带来了极大的优势。

如今，以太网已经成为工业通信的支柱。随着先进自动化技术和智能制造的日益普及，对可靠和快速通信网络的需求不断加剧，由此也带动了对PROFINET、EtherCAT等高性能工业以太网协议的更大需求，未来的市场值得期待。