目前，全球工業(yè)制造業(yè)發(fā)展的整體主流趨勢是自動化、智能化。在此趨勢引導下，一系列工業(yè)智能化、自動化設備產(chǎn)業(yè)市場迅速擴大。一個完整的工業(yè)智能化、自動化解決方案包括了PLC、系統(tǒng)控制軟件、工業(yè)機器人等若干不同的設備，而這些組成部份都需要工業(yè)以太網(wǎng)相聯(lián)，構(gòu)成統(tǒng)一整體。高性能、工廠設備和IT系統(tǒng)集成，以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求驅(qū)動促進了工業(yè)以太網(wǎng)的增長。據(jù)HMS發(fā)布2017年工業(yè)網(wǎng)絡市場份額報告顯示，工業(yè)以太網(wǎng)的增長速度比往年更快，增長率為22％。
多協(xié)議并存瓶頸的現(xiàn)實困局
按照HMS的數(shù)據(jù)，工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)在占全球市場的46％（而去年為38％），龐大的市場為眾多通信協(xié)議組織蜂擁而入期待占據(jù)一席之地，包括 EtherNet / IP和PROFINET、EtherCAT、Modbus-TCP和Ethernet POWERLINK，等等。但在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)或工業(yè)4.0的背景下，許多工業(yè)自動化技術(shù)供應商和制造商都期待獨立于制造商的開放式通信平臺，期望在系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)越來越多的自動化流程。
為此，自動化必須考慮到IT系統(tǒng)對于開放數(shù)據(jù)訪問的需求，以及工業(yè)控制系統(tǒng)的實時要求。以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)在這方面發(fā)揮了重要作用。相較于傳統(tǒng)現(xiàn)場總線，這一網(wǎng)絡技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，比如在共享傳輸介質(zhì)上高效同步地傳輸大量數(shù)據(jù)。
面對工業(yè)4.0時代逐漸走進，工業(yè)領(lǐng)域面臨越更快的工業(yè)迭代周期，要求企業(yè)要有更低的產(chǎn)品更新時間，更高的產(chǎn)品技術(shù)；更加柔性化的產(chǎn)品設計，滿足定制化的生產(chǎn)、變化的市場需求；更高的產(chǎn)品質(zhì)量要求，要求生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，及時的得到質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋并作出相應的反應與決定；更高的生產(chǎn)效能，更高資源和能源的利用率將會成為未來企業(yè)競爭的關(guān)鍵因素；以及更重要的一點如何能保證信息安全。
這對企業(yè)而企業(yè)對于工業(yè)通訊的未來需求也將隨著市場競爭、挑戰(zhàn)的提升向著這幾個方向發(fā)展：更高帶寬，現(xiàn)在的通訊已經(jīng)達到了100Mbps，未來的工業(yè)通訊可以應用更高的帶寬，并且擁有確定的拓展性；基于IP標準的通信大幅度增加，兼容性更強實現(xiàn)多協(xié)議共存；配置靈活，工業(yè)以太網(wǎng)將能夠自動分配鏈接設備名稱個IP地址。
山不過來我過去，實時交換解決多協(xié)議并存困境
作為高性能模擬技術(shù)提供商，ADI一直非常看重工業(yè)應用在其業(yè)務板塊中的重要性，加強工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域布局上不遺余力，2016年宣布收購Innovasic這家以確定性以太網(wǎng)半導體和軟件解決方案著稱的企業(yè)，正是看重該公司所掌握的一整套多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，為ADI適用于工業(yè)自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能自動化解決方案產(chǎn)品組合增添了關(guān)鍵的配套技術(shù)。
特別是該公司的fido5000/ fido5200以太網(wǎng)協(xié)議交換芯片是其重要資產(chǎn)，該芯片提供了兩個以太網(wǎng)端口的實時以太網(wǎng)、多協(xié)議交換(REM)功能。從此，兩個端口成為如今工業(yè)器件的標配，而未來的工業(yè)4.0應用必須支持各種常見的網(wǎng)絡拓撲，如線狀和環(huán)狀拓撲以及星形拓撲。另外，它可以連接任何主機處理器，這讓開發(fā)人員可以使用自己的處理器和他們首選的開發(fā)環(huán)境。
fido5200支持包括EtherCAT在內(nèi)的各種主要工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
REM芯片和處理器之間通過內(nèi)存總線進行通信，以實現(xiàn)高性能、低延遲/低抖動的工業(yè)以太網(wǎng)。內(nèi)存總線還提供了采用PriorityChannel?技術(shù)的主控接口。這一過濾技術(shù)由ADI開發(fā)，采用軟件和硬件功能。它確保來自以太網(wǎng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)得到及時處理，而不受協(xié)議和網(wǎng)絡利用率的影響，因此避免了非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)流量的干擾。這意味著，來自實時通道的數(shù)據(jù)會優(yōu)先于普通網(wǎng)絡數(shù)據(jù)得到處理。
ADI公司PriorityChannel技術(shù)的概念
除了交換功能之外，fido5000還具有強大的定時器控制單元(TCU)。TCU設計用于實現(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的同步機制。通過四個專用輸出或四個通用輸入/輸出，可以實現(xiàn)輸入捕捉等其他功能，也可以輸出任何方波信號。這些端口均直接與同步時間同相。例如，它能以64位分辨率對四個輸入端中任何一處的邊沿到達加蓋時間戳。在輸出端，任何數(shù)字信號模式都可以與網(wǎng)絡時間同步輸出。這意味著可以將用戶的應用與網(wǎng)絡時間同步，周期時間甚至低至不到31.25μs。
但fido5000的功能還不僅限于此——該芯片已經(jīng)為未來做好了準備！fido5000支持時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)。未來基于TSN的工業(yè)以太網(wǎng)應用的需求將能夠滿足運動控制或安全等應用非常苛刻的實時要求。TSN是由IEEE 802.1工作組定義的一組標準。它兼容現(xiàn)有的標準以太網(wǎng)技術(shù)。實際上，TSN定義了交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡中用于時間控制數(shù)據(jù)路由的第一個IEEE標準。因此，IEEE 802系列標準中的確定性實時通信可以通過為幾個網(wǎng)絡組件上消息路徑生成的公共時基和時間表來實現(xiàn)。
除了純REM交換機芯片fido5000，ADI還利用fido5000提供了一個完整的解決方案，稱為RapID平臺。RapID平臺實現(xiàn)了所有常見的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可輕松集成到非以太網(wǎng)現(xiàn)場設備中。這使得現(xiàn)場設備能夠滿足工業(yè)4.0應用的要求。常見工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)均已經(jīng)過預先認證。RapID平臺另一個有趣的功能是動態(tài)集成的Web服務器。通過此功能，用戶可以讀取并修改網(wǎng)絡參數(shù)，以及用非常簡單的方式輸入和輸出數(shù)據(jù)。
本文總結(jié)：
目前，世界各地的制造工廠都依賴以太網(wǎng)解決方案來滿足工業(yè)應用對實時性能和耐用性的要求。與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)能提供更快的速率，能更好地處理大批量數(shù)據(jù)，最終還能通過卓越的能效比和更加高效的設備節(jié)省更多開支。以太網(wǎng)還能單挑重任，作為唯一的組網(wǎng)技術(shù)，把車間的自動化系統(tǒng)連接到用于控制車間的企業(yè)IT系統(tǒng)——在提升性能的同時簡化網(wǎng)絡的整體設計。
在工廠里，以太網(wǎng)的優(yōu)勢始終都是其熟悉度和靈活性——它可以把工業(yè)和辦公網(wǎng)絡統(tǒng)一起來，并且在帶寬等關(guān)鍵領(lǐng)域超過現(xiàn)場總線，還直接支持TCP/IP。隨著多協(xié)議交換功能的實現(xiàn)以及時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)一類的項目的持續(xù)發(fā)展不但會擴大以太網(wǎng)在自動化行業(yè)的運用范圍，同時還能進一步提高工廠的效率。