在過去二十年里，工業(yè)系統(tǒng)的通信方式發(fā)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(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)。基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信發(fā)展勢(shì)頭迅猛，預(yù)計(jì)會(huì)繼續(xù)加速，分析機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的最新研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)以太網(wǎng)的總體市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將從2020年的92億美元增長(zhǎng)到2026年的137億美元，在研究期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率為7.3%。
工業(yè)以太網(wǎng)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)占據(jù)了如此大的市場(chǎng)份額，這并不令人意外。盡管基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)已經(jīng)過改進(jìn)，但仍然存在一些不足。此類系統(tǒng)非常適合簡(jiǎn)單的控制功能，但隨著越來越多的制造商致力于實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略，這些不足變得難以克服。最明顯的缺點(diǎn)是速度，尤其是對(duì)于需要極其復(fù)雜且精確控制的應(yīng)用，例如機(jī)器人。
基于以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)顯然是一種不錯(cuò)的選擇。以太網(wǎng)可輕松提供足夠的帶寬來應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)工業(yè)用例，即使是要求最苛刻的工業(yè)4.0應(yīng)用。這是一種業(yè)界熟知的標(biāo)準(zhǔn)，具備成本效益且在世界各地廣泛應(yīng)用。此標(biāo)準(zhǔn)非常靈活，適合許多不同的應(yīng)用，尤其是能夠以低成本的方式將舊現(xiàn)場(chǎng)總線分支輕松集成到以太網(wǎng)主干。在實(shí)現(xiàn)和維護(hù)方面，并不缺少使用過并了解以太網(wǎng)技術(shù)的工程師。工業(yè)4.0要求在工業(yè)操作和IT之間建立可靠的連接，因此具有基于相同標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)非常實(shí)用。但是，在IT系統(tǒng)中采用的以太網(wǎng)具有不確定性，而這是控制系統(tǒng)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(fā)一種基于以太網(wǎng)且適用于工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這些新標(biāo)準(zhǔn)中最常用的是以太網(wǎng)TSN、以太網(wǎng)/IP、PROFINET和EtherCAT。從最初開發(fā)之時(shí)起，其中的每個(gè)協(xié)議和其他較小型或?qū)Ｓ邢到y(tǒng)都具有其自身適用的地理或技術(shù)場(chǎng)景。
所有協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通常，它們采用在IT中應(yīng)用的以太網(wǎng)概念，并相應(yīng)調(diào)整來提供實(shí)時(shí)操作。其中一種工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT（用于控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)）的實(shí)現(xiàn)方式略有不同，它保留了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層并在其基礎(chǔ)上構(gòu)建了全新的確定性協(xié)議。此協(xié)議使用主機(jī)控制器，它是惟一允許創(chuàng)建EtherCAT幀的器件。幀的長(zhǎng)度始終相同，并且網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)器件節(jié)點(diǎn)都有專用的幀可尋址區(qū)域。當(dāng)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇控制數(shù)據(jù)并在其經(jīng)過時(shí)在其分配的空間中丟棄回復(fù)信息，幀的延時(shí)不超過硬件傳輸延時(shí)，同時(shí)提供接近100 Mbps線路速度的最大有效數(shù)據(jù)速率。
在其他工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中，執(zhí)行幀檢查、執(zhí)行CRC檢查和遍歷協(xié)議?？赡苄枰獢?shù)百微秒。EtherCAT的設(shè)計(jì)僅需125 μs即可完成整個(gè)過程。更快的速度帶來了更強(qiáng)的系統(tǒng)響應(yīng)能力，而這又有助于提高整個(gè)控制應(yīng)用的效率和安全性。EtherCAT器件節(jié)點(diǎn)也比其他工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單得多，只需要在合適的單片機(jī)上運(yùn)行的協(xié)議棧代碼（SSC），這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
但是，EtherCAT的應(yīng)用并不是最容易實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，最困難的障礙是滿足周期時(shí)間的要求。許多制造商（尤其是使用電機(jī)的制造商）希望以每秒8,000次循環(huán)（即125 μs的周期時(shí)間）實(shí)現(xiàn)控制算法。盡管EtherCAT系統(tǒng)很容易達(dá)到這一數(shù)字，但實(shí)踐證明十分困難，而且通常需要大量的軟件編寫和優(yōu)化工作。此外，這種方法的成本也十分高昂，在電機(jī)控制器旁邊放置現(xiàn)成的DIN導(dǎo)軌EtherCAT控制器可能要花費(fèi)數(shù)百美元。但是，定制設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)只需不超過十倍的費(fèi)用。
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