標準的IEEE 802.3以太網幾十年來一直是工作站，網絡交換機，調制解調器和路由器，以及PC和Mac等消費類電子產品的固定裝置。它早已黯然失色，就像令牌環和令牌總線這樣的競爭對手。

然而，它從未真正設計用于工業自動化。諸如最初依賴CSMA / CD媒體訪問控制方法，最大程度地處理網絡流量，噪聲（即通過同一線路傳輸多種不同類型的流量）以及整體缺乏確定性等缺點使其成為傳統上部署在大多數自動化和控制系統中的數字現場總線的不可替代的替代方案。

工業以太網的創新和實現

上述問題的解決方案是開發應用層協議，如作為PROFINET ?，EtherNet / IP ?，EtherCAT ?以及其他可以在以太網網絡上運行同時使用自己的特殊機制確保時間敏感數據的確定性。雖然每個協議都是獨一無二的，但它們之間已經為自動化行業引入了幾項重要創新：

其中一些（包括PROFINET）與標準TCP / IP堆棧完全兼容，并且可以支持一個與實時通道一起使用。 1

在實施EtherNet / IP等協議時，可以使用普通交換機和其他標準以太網基礎設施，這有助于控制設備成本。

EtherCAT引入了直通讀取（或即時處理）原理，消除了單節點定位，并允許最大的帶寬利用率。 2

其他已經對開放系統互連模型的第2層到第4層進行了重大修改，以實現確定性。

許多這些協議作為開放標準（以及使用以太網等商業技術）的可用性有助于維持它們發展，雖然仍然沒有辦法全部確定性地互操作。

這些突破已經足以使工業以太網成為全球控制系統的主要固定裝置。截至2015年，工業以太網解決方案共占所有已安裝節點的約1/3。 3 傳統現場總線仍然占據了大部分部署，但以太網的年增長速度更快。時間敏感網絡的持續發展 - 對IEEE 802.1和IEEE 802.3的一系列更新 - 應該繼續這一趨勢并解決互操作性問題。

可能會阻礙更新到以太網的一個障礙是一個不明確的實施計劃。讓我們來看看工業工廠如何在從現場總線到以太網的道路上開始。

定義您的應用要求

工業以太網的目的是為要求苛刻的應用提供確定性。真的需要它。例子包括運動控制和安全性，這兩者都可以從以太網解決方案帶來的可靠性和額外帶寬中受益。這些應用程序與診斷以及通常通過標準以太網傳輸的HTTP和FTP流量根本不同。

在正常的TCP / IP堆棧中，循環時間通常為100 ms或更長。受益于工業以太網的應用程序將遠低于該閾值，甚至可能低于1毫秒。之前列出的那些，以及更普遍的控制循環應用程序，是受此類交換機積極影響的主要示例。它們必須快速遍歷各自的物理系統并具有精確，可預測的時序特性（因此必須將抖動保持在絕對最小值）。

了解應用程序的理想周期時間有助于以后選擇協議時。它提供了最終是否需要硬實時或軟實時解決方案的見解。

“控制回路應用需要較短的周期時間。”

映射網絡拓撲

由于其在企業網絡中的突出地位，最可識別的以太網拓撲是明星。星型拓撲將每個設備連接到多端口以太網交換機。替代方案包括線路和環形拓撲。

在線路拓撲中，終端設備按順序從一個連接到下一個，這可以節省布線和交換機基礎設施。它的主要問題是，如果一個節點或兩個節點之間的鏈路出現故障，那么它的任何一側的節點都將無法訪問。

在環形拓撲中，每個設備都連接到其他兩個節點。字環。出于這個原因，環比冗余線更好。已經引入了第2層協議，例如設備級環，以解決諸如無限流量循環之類的問題。

請注意，需要嵌入式雙端口以太網交換機來支持線路和環形拓撲。另外，請記住，協議之間的拓撲結構各不相同。例如，EtherCAT獨特的自終結技術，如果節點未檢測到字符串中的另一個節點，則終止網絡，可以使用這一協議支持線路，星形和環形拓撲。

“工業控制和自動化網絡通常使用獨特的拓撲結構，”工業以太網手冊中的文章解釋說。 4 “與多端口交換機提供的典型辦公室以太網”星形“網絡不同到其他節點的點對點鏈路，工業網絡的控制層通常基于環形布局。環形或菊花鏈簡化了布線，可以擴展以太網的覆蓋范圍，而無需犧牲基于光纖的系統。“

權衡您對工業以太網協議和半導體的選擇

許多工廠要求其產品與多個系統之間兼容，因此需要依賴多個以太網協議。工業網絡解決方案，例如ADI公司的RapID ?平臺網絡接口，可以將所需的一切 - 軟件，協議棧等 - 集成到一個方便的軟件包中，無需連接到主機處理器對主機應用硬件或軟件的任何更改。

選擇半導體是工業以太網實現的重要部分。在其他情況下，您可能只需要一個協議，這意味著可能值得花時間來比較每個協議的各個特性，例如它們支持的循環時間以及它們與標準TCP / IP流量的交互方式。 PROFINET就是一個很好的例子，因為它的RT和IRT變體涵蓋了不同的用例。

除了協議之外，你還必須決定將要或已經有的支持硬件和軟件組件。 。您購買的以太網Mac設備類型取決于您計劃的拓撲結構，而這又取決于您為自動化和控制系統選擇的協議。

測試您的新網絡接口< / h3>

一旦您對應用程序要求，拓撲，協議和硬件/軟件做出了選擇，就應該開始測試新的網絡接口以確保其最佳功能。參考設計在此階段非常有用，因為它可以提供實施所需的原理圖，塊設計，設計指南/文件，文檔和物料清單。

您還需要確保您正在使用的所有API也都是完整的。開發人員門戶通常是此處相關信息的首選來源。除此之外，與您的制造商和供應商直接聯系是及時回答任何問題和實施問題的最佳方式。

當您審查系統并確保確定性以太網要求是必不可少的時候，這種支持絕對必不可少。完全滿足。總的來說，選擇經驗豐富的制造商是簡化以太網接口原理圖設置和支持固件和軟件的最重要步驟之一。