在過去二十年里，工業系統的通信方式發生了巨大變化。從這一變化中我們可以看出，許多公司從基于現場總線的系統轉向基于以太網的通信系統。基于以太網的工業通信發展勢頭迅猛，預計會繼續加速，分析機構MarketsandMarkets的最新研究發現，工業以太網的總體市場份額預計將從2020年的92億美元增長到2026年的137億美元，在研究期間的復合年增長率為7.3%。
工業以太網在相對較短的時間內占據了如此大的市場份額，這并不令人意外。盡管基于現場總線的系統已經過改進，但仍然存在一些不足。此類系統非常適合簡單的控制功能，但隨著越來越多的制造商致力于實現工業4.0戰略，這些不足變得難以克服。最明顯的缺點是速度，尤其是對于需要極其復雜且精確控制的應用，例如機器人。
基于以太網的實現顯然是一種不錯的選擇。以太網可輕松提供足夠的帶寬來應對絕大多數工業用例，即使是要求最苛刻的工業4.0應用。這是一種業界熟知的標準，具備成本效益且在世界各地廣泛應用。此標準非常靈活，適合許多不同的應用，尤其是能夠以低成本的方式將舊現場總線分支輕松集成到以太網主干。在實現和維護方面，并不缺少使用過并了解以太網技術的工程師。工業4.0要求在工業操作和IT之間建立可靠的連接，因此具有基于相同標準的通信系統非常實用。但是，在IT系統中采用的以太網具有不確定性，而這是控制系統中最重要的要求之一。
為滿足這一要求，許多制造商和組織著手開發一種基于以太網且適用于工業應用的標準。這些新標準中最常用的是以太網TSN、以太網/IP、PROFINET和EtherCAT。從最初開發之時起，其中的每個協議和其他較小型或專有系統都具有其自身適用的地理或技術場景。
所有協議都有各自的優缺點。通常，它們采用在IT中應用的以太網概念，并相應調整來提供實時操作。其中一種工業以太網EtherCAT（用于控制自動化技術的以太網）的實現方式略有不同，它保留了標準以太網物理層并在其基礎上構建了全新的確定性協議。此協議使用主機控制器，它是惟一允許創建EtherCAT幀的器件。幀的長度始終相同，并且網絡上的每個器件節點都有專用的幀可尋址區域。當幀在網絡中傳輸時，每個節點選擇控制數據并在其經過時在其分配的空間中丟棄回復信息，幀的延時不超過硬件傳輸延時，同時提供接近100 Mbps線路速度的最大有效數據速率。
在其他工業以太網實現中，執行幀檢查、執行CRC檢查和遍歷協議棧可能需要數百微秒。EtherCAT的設計僅需125 μs即可完成整個過程。更快的速度帶來了更強的系統響應能力，而這又有助于提高整個控制應用的效率和安全性。EtherCAT器件節點也比其他工業以太網實現簡單得多，只需要在合適的單片機上運行的協議棧代碼（SSC），這進一步降低了系統的復雜性和成本。
但是，EtherCAT的應用并不是最容易實現的。對于設計人員而言，最困難的障礙是滿足周期時間的要求。許多制造商（尤其是使用電機的制造商）希望以每秒8,000次循環（即125 μs的周期時間）實現控制算法。盡管EtherCAT系統很容易達到這一數字，但實踐證明十分困難，而且通常需要大量的軟件編寫和優化工作。此外，這種方法的成本也十分高昂，在電機控制器旁邊放置現成的DIN導軌EtherCAT控制器可能要花費數百美元。但是，定制設計的實現只需不超過十倍的費用。
English
繁體