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机械工程师的工业以太网基础知识

通过丹尼尔•柯林斯|2020年5月14日

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以太网在我们的日常生活中无处不在——它允许办公室、学校和商业环境中的计算机连接到互联网,共享文件,访问连接到网络的打印机和其他硬件。以太网如此流行是有原因的——它是一种简单、灵活的网络协议,有助于高速数据传输。但是,尽管它被广泛采用,以太网的一个关键功能——路由和数据传输——并没有提供实时的,确定的许多工业应用所需的性能,如运动控制和自动化。这就是工业以太网被开发的原因。


实时:实时网络必须指定系统传输数据的最大时间量。(相比之下,非实时系统以一致的速度运行,没有截止日期。)实时系统分为硬实时系统和软实时系统。一个硬实时系统不能错过任何期限。如果超过了响应时间限制,系统将会失败。另一方面,软实时系统可以容忍偶尔违反响应时间限制的情况。

确定性:一个网络是确定性的,如果它能保证数据将在指定的、可预测的时间内传输——而不是更快或更慢。


工业以太网

工业以太网网络修改标准以太网,以提供不同级别的实时、确定性控制。
图片来源:Analog Devices, Inc。

工业以太网不仅仅是一种网络协议——它是一个术语,描述了专门为工业应用开发的各种基于以太网的网络协议。但工业以太网网络的一个共同点是,它们使用标准以太网的物理硬件和互联网协议(利用其低成本和简单性的优势),并适应以太网框架的其他方面,提供不同级别的实时、确定的控制器之间的通信,执行器、传感器和其他连接的工业设备。

以下是在设计和集成线性运动系统时可能遇到的六种常见工业以太网网络的概述,以及每种网络的主要区别。


化工即:适应CC-Link网络的工业以太网提供了高速、实时的数据交换,硬件结构比其他一些IE网络更简单。CC-Link IE网络有几个变体,包括CC-Link IE Field,主要用于现场设备,CC-Link IE Control,用于在控制器级别处理数据,以及用于安全控制器和同步运动控制应用的版本。

以太网/ IP:以太网/IP是唯一完全基于以太网标准的工业以太网网络。(请注意,“IP”代表“工业协议”)这使得它的成本很低,并且it人员很容易使用。“工业”部分来自一个特殊的应用层,称为CIP通用工业协议,它提供了一种方法,用于组织和表示数据、管理连接和促进网络上的消息传递。以太网/IP简单地说就是在标准以太网上实现的CIP(应用层)


工业以太网

网络协议栈由多层组成,每一层处理数据传输和管理的某个方面。
图片来源:PCMag数码集团

工业网络通常被描述为堆叠的指令集——称为层——定义了网络上的硬件和软件如何交互以传输和管理数据。的应用程序层是指令栈的“顶层”——它促进了程序或应用程序与网络之间的交互。


尽管以太网/IP的基本形式不提供实时性能或保证在特定时间框架内的数据交换,但已经开发了几个网络扩展——称为CIP Motion和CIP Sync——允许它在以太网标准内实现实时、确定的通信。

设备网:正如以太网/IP是在标准以太网上实现的CIP一样,DeviceNet是在标准以太网上实现的CIP可以网络.DeviceNet主要用于用一根电缆将许多较低级别的设备(如开关和执行器)连接到控制器,该电缆同时承载电源和数据。通过DeviceNet,最多64个节点或设备可以在单个网络上连接,距离可达500米,数据传输速率为125 kbps。

EtherCAT:EtherCAT提供确定性的硬实时通信,适用于同步的多轴运动控制,不需要额外的硬件来实现多轴之间的同步。

ProfiNET:ProfiNET有几个版本,但称为ProfiNET IRT的版本提供了低至250 μs的周期时间的硬实时通信,使其非常适合运动控制应用。

serco III:SERCOS代表串行实时通信系统,顾名思义,它提供确定性的硬实时通信,周期时间低至32.5 μs,在拓扑结构上具有高度的灵活性。它还提供了一个完全冗余的结构,这样即使网络上有一条电缆断裂,网络也能继续运行。


了下:线性运动技巧


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