无处不在的以太网——工厂生产以太网

  如今，以太网开始在工厂及发电站等所有的工业设备中出现。虽然以前以太网也被用于生产管理和生产工序间的信息共享等，但现在，传感器和致动器等末端设备也逐渐开始连接以太网。

       以太网的用途扩大到末端设备的契机之一，是450mm晶圆半导体制造工厂的建设热潮。直径450mm的晶圆的面积是300mm晶圆的2倍以上，半导体制造的难度升高。传感器的观测点也增加，需要进行精密控制。以前末端设备大多通过以EIA-485为基础的自主接口连接，但现在出现了 “（10Mbit/秒以下的）传统网络的通信容量已显不足”（EtherCAT技术协会的村山信次）的情况。

       在要求生产具备高速化和高精度化的纤维产业等领域，末端网络的大容量化需求也日益凸显。另外，无需高速以太网的发电站和化工厂等因易于铺设和管理性高等原因，在新设和更新设备时也越来越多地选择以太网。

分三个阶段导入

       在工业用途导入以太网分三个阶段（图1）。第一阶段是“信息系统网络”，主要是连接负责制造和发电系统整体的监测及指示等的装置。随着ERP（企业资源计划）和SCM（供应链管理）等经营系统的导入，信息系统网络从1990年代后半期开始导入。

图1：从2010年前后开始在现场网络普及 工程管理等此前就使用以太网。从2008年前后起，随着标准化团体制定除了实时性更高的标准，要求数ms以下等快速响应性的现场设备用网络也开始使用以太网。

       从2000年代上半期开始采用以太网的是“控制器间网络”，包括用来连接在接收传感器输入数据的同时控制致动器动作的“PLC（可编程逻辑控制器）”、控制机器人的“机器人控制器”以及控制阀门等的“DCS（集散控制系统）”等。满足了想用相同的接口连接不同规格控制器的用户需求。

       2010年前后，“现场网络”也开始采用以太网，用来连接PLC、DCS和传感器、致动器（现场设备）。

需要实现ms以下的响应特性
分不同时期导入是因为联网设备的性能和实时性的要求不同。

       最先导入的信息系统网络原本就具备导入以太网的基础。因为构成信息网络的设备以个人电脑为基础，而且通信内容也以收集全局信息为主，因此不需要实时性，能直接导入普通的以太网产品。

       而控制器间网络在工序间的信息交换等方面要求具备数ms～数十ms的响应性，因此必须制定考虑通信实时性的工业以太网标准，在2000年代上半期标准出台以前，并没有普及。

       现场网络的条件更严格，尤其是要求高精度动作的设备，必须具备数ms以下的响应性。另外，连接现场网络的设备很多都没有配备CPU，即使配备，处理能力也非常低。

       最近，响应性在1ms以下的工业以太网标准出台，而且，随着LSI的进化，现场设备的性能也有所提高，因此开始迅速采用以太网。

通用型和定制型

       不过，虽然统称为工业以太网，但实际上有多种标准，光是主要标准就有近10种（表1）注1）。这是因为，制定标准的团体都希望国际标准与自己开发的网络标准具有统一性，不同标准的网络设计思想也不相同。




注1）正文中没有介绍的工业以太网标准有Ethernet POWERLINK Standardization Group的“POWERLINK”、日本电机工业会的“FL-net”、Fieldbus Foundation的“HSE”、sercos international的“sercos Ⅲ”等。

       这些标准主要分为两类（图2）。一类是“通用型”，其方针是积极利用在办公网络等普及的以太网标准技术。比如“EherNet/IP”和“PROFINET”等。

       还有一类是“定制型”，这类标准为了应对延迟时间短的要求，追加了不同于以太网的自主标准。定制型专门面向控制器间网络和现场网络用途。比如“EtherCAT”、“CC-Link IE”及“MECHATOROLINK-Ⅲ”等协议。

图2：工业以太网规格可分为通用型和定制型两大类 以利用IT领域使用的以太网产品为目标的标准化团体尽量选择符合IT标准的通用型架构。而设想用于现场网络、重视实时性的标准化团体选择连接器和PHY芯片与以太网通用，对高级部分进行定制的架构。

       通用型和定制型各有利弊（图3）。通用型的优点是能利用市售的网络交换机和以太网用芯片，而且网络构成的自由度也比较高。但缺点是，如果连接大量的致动器和传感器、采用与TCP/IP通信共用线路的构成时，可能无法确保实时性。

图3：网络构成各异的通用型和定制型 通用型可以像办公室以太网网络一样，在同一个网络内连接所有设备。定制型是将现场网络分离的网络。

       而定制型的实时性高，但需要准备专用的ASIC和FPGA等，缺乏通用性。网络交换机也必须使用专用产品。

       目前，用户需要根据这些差异，按照用途选择适合的标准。

未来标准数量将减少

       工业以太网标准现在虽然处于“群雄割据”状态，但从长远来看，很可能会减少到数种。

       目前，提供现场设备和PLC等的控制器的厂商因标准不统一，只好采取支持多种标准的方法。为了减轻这种负担，半导体厂商中也出现了提供多协议以太网芯片等的动向。不过，这类芯片也不支持份额小的标准。

       因此，无法获得份额的标准可能会被用户舍弃，不久就会退出市场。这是很多标准技术的最终归宿。不过，在难以更换设备的领域，被淘汰的时间可能会长一些。

       下面就来一一介绍五种比较有特色的工业以太网——EherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、CC-Link IE和MECHATROLINK-Ⅲ。

EherNet/IP：十分注重标准网络技术
EherNet/IP是罗克韦尔自动化（Rockwell Automation）主导开发的工业以太网标准。在IHS的工业以太网市场份额调查中，EherNet/IP在2011年以13.5％的份额高居榜首。

       该标准的制定团体Open DeviceNet Vendor Association（ODVA）的主要企业除了罗克韦尔外，还有博世力士乐、思科系统、欧姆龙、施耐德电气。

       EherNet/IP的特点是，完全建立在标准以太网技术之上（图4）。可直接利用IT系统中通常使用的以太网交换机。

图4：利用互联网标准的EherNet/IP 必要功能全部安装到TCP/IP上（a）。要求实时性的通信利用UDP/IP，不要求实时性的通信利用TCP/IP。（图（a）由《日经电子》根据ODVA的资料制作）

       传感器和致动器等现场设备也要求TCP/IP及UDP/IP通信注2）。由于从生产管理系统到现场设备可直接通信，因此，“能轻松地把末端传感器的信息直接发送至品质管理数据库”（ODVA日本支部的稻山知己）。传统的工业网络由于采用分级构造，必须要改变中继点的程序才能获得新末端的传感器信息。

注2）ODVA还面向现场设备定义了名为DeviceNet的自主接口，采用从上层连接EherNet/IP的设备和连接DeviceNet的设备都能进行相同处理的架构。

实时通信利用UDP/IP

       EherNet/IP制定了不考虑实时性的“显式消息（Explicit Message）”和考虑实时性的“I/O消息”两种通信方式。显式消息利用TCP/IP通信，用于向联网设备发送指令和设定参数等。

       I/O消息利用UDP/IP通信，用于发送传感器观测数据和致动器控制数据等。不过，通信会话的确立利用的是TCP/IP通信。

利用IEEE1588同步时间

       控制致动器等所需的同步利用以太网水平的时间同步协议“IEEE1588”完成。该协议在主时钟侧和从时钟侧互发时间戳，利用该数据测量网络的传输延迟（图5）。掌握了传输延迟，就能在考虑该网络延迟的情况下发送控制信号，从而实现同步动作。

图5：通过互发时间戳进行同步的IEEE 1588 通过从主设备和从设备互发时间戳，可观测通信线路等的延迟情况。

       直接利用以太网时令人担心的问题是，在大量数据通过网络时能否确保实时性。对此，稻山表示，“虽然还取决于交换机性能，但通过利用优先控制（QoS），不会破坏实时性”。

PROFINET：为确保低延迟准备专用交换机

       与EherNet/IP展开激烈的份额之争的，是西门子主导的PROFINET。在IHS公司2011年实施的市场份额调查中，PROFINET占13.4％，与EherNet/IP基本相同。

       PROFINET的设计思想与EherNet/IP相似，目标是使构成制造系统的所有设备连接至一个网络。

       PROFINET与EherNet/IP的不同之处是，采用了更重视实时性的设计（图6）。比如，在要求实时性的通信中，规定不使用会产生处理延迟的TCP/IP协议栈，而是直接在以太网帧内打包数据进行交换。不过，在设备的参数设定、固件升级及自我诊断用转储数据的收发等不要求具备实时性的方面，还是积极利用TCP/IP。

图6：为确保实时性，准备了自主规格的PROFINET PROFINET在不考虑实时性的通信中使用TCP/IP（a）。针对需要实时性的情况，准备了使用普通以太网交换机的RT，以及可通过特殊以太网交换机进行小抖动通信的IRT（b）。支持IRT的交换机备有IRT用通信时序（c）。（图（a）和（c）由《日经电子》根据日本PROFIBUS协会的资料制作）

实时通信分两种模式

       作为在以太网帧中直接保存数据的机制，PROFINET规定了RT和IRT两种模式。RT利用通用以太网交换机实现。由于同一网络中可能会有TCP/IP等其他通信，因此RT与其他通信可能会争夺通信频带。可以说，这是能在一定程度上容许传输延迟抖动的尽力（Best Effort）型实时控制通信方式。

       而IRT利用PROFINET专用的以太网交换机实现。严密划分传输时间（通信周期），在该时间内发送IRT通信帧。抖动可控制在1μs以下。另外还准备了TCP/IP用和RT通信用频带，在不妨碍IRT通信的范围内为其分配频带。

集中利用IRT交换机

       由于采用了这样的机制，所以在利用IRT通信的范围内,必须全部使用支持IRT的交换机。不过，IRT交换机还支持RT和TCP/IP通信，因此，在通用以太网的网络之间，可设置用IRT交换机构成的网络，比较灵活。

       以前利用IRT构成的最小通信周期是250μs，但2010年公开的2.3版本规定最小通信周期为31.25μs。这是为了对抗下面介绍的 EtherCAT等现场网络专用标准。以前设想把以太网的最大有效负载长度（1500B）的帧分配给IRT通信以外的用途，准备了约为1500B的发送时间2倍的250μs注3）。但随着最小通信周期缩短至31.25μs，把以太网的有效负载长度限制为375B注4）。

注3）以100Mbit/秒发送1500B的数据需要120μs。再加上前导码（Preamble）和以太网报头（Ethernet Header）等，约为125μs。一个周期为IRT和其他通信各分配一帧，就是250μs。

注4）不过，即使把有效负载容量限制为375B，由于会在接收处重新构成数据，因此对通信没有影响。

EtherCAT：以环型拓扑实现小抖动和高速循环

       EtherCAT是倍福自动化（Beckhoff Automation）主导的定制型工业以太网标准，于2003年公开。

       IHS的调查显示，EtherCAT本身的份额在2011年只有2.3％。但实际上，“在制造装置内使用而没有体现在统计上的情况很多，实际使用率超过了表面数字”（EtherCAT技术协会的村山）。

       EtherCAT设想用于致动器等连接的现场网络，采用可实现1μs以下小抖动通信的设计。循环时间最小为12.5μs，通信采用以太网帧，但联网设备需要具备专用ASIC或FPGA注5）。因此，前提是只有支持EtherCAT的设备联网。

注5） 主设备可利用配备IEEE802.3通用以太网芯片的个人电脑实现。因为主设备不要求进行高速以太网传输。

采用“不会停止的环状线”

       EtherCAT的特点是采用了环状拓扑结构。从PLC和DSC等主设备发送以太网的帧，绕环形网络一周，完成与主设备和从设备（传感器和致动器）的通信。

       这种通信机制“就像是不在车站停车的环状线路一样”（EtherCAT技术协会的村山）。各个从设备在内存上展开发送来的以太网帧，读取发给自己的数据领域，把发送给主设备的数据写入分配给自己的领域后立即发出。采用把读取和发送处理的时间控制在数ns内的设计（图7）。

图7：定期巡视数据包的EtherCAT EtherCAT利用环形拓扑结构（a）。发送含有从主设备到所有从设备的通信数据的帧。从设备依次接收，在读取自身领域的同时向主设备写入数据（b）。（图（b）由《日经电子》根据ETG的资料制作）

CC-Link IE：以业绩为武器攻占亚洲市场
“与‘CC-Link’的高亲和性是最大的武器”，CC-Link协会技术分会会长楠和浩说道。相当于CC-Link IE前身的CC-Link是作为三菱电机的采用EIA-485的工业设备用网络技术诞生的。作为其后续技术，制定了基于以太网的CC-Link IE。面向控制器网络的标准和面向现场网络的标准分别于2007年和2009年制定并公开。

       因为原本就是三菱电机的技术，所以在采用了该公司的PLC和逆变器等的汽车、半导体和液晶面板生产基地，采用CC-Link IE的案例较多。这些领域的生产基地集中在韩国、日本、中国大陆和***等亚洲地区，因此以EIA-485为基础的CC-Link在韩国、日本和***拥有 40％以上的份额注6），采用的是随着工厂设备的更新促进CC-Link IE采用的战略。作为汽车和液晶面板等的生产基地正迅猛成长的中国大陆市场也有望普及CC-Link IE。

注6） 在IHS公司2011年的市场份额调查中，CC-Link IE的份额包含在“其他”的9％中，统计上的份额不明。

       CC-Link IE与CC-Link具备应用水平的兼容性。CC-Link协会利用该特点，推动希望使用工业以太网的CC-Link用户采用易用性相同的CC-Link IE。换言之，就是在已经导入CC-Link的生产现场促进CC-Link IE的普及。

采用令牌方式

       CC-Link IE的通信采用的是“令牌传递”通信方式。在这种方式中，拥有令牌的设备拥有获得发送权（图8）。从主设备依次向从设备传递令牌，接收到令牌的从设备向主设备发送以太网帧。最后令牌回到主设备，一个周期的通信结束。从主设备发送至从设备的数据，在一个周期开始时将包含了要发给所有从设备的数据的帧一次性发送出去。

图8：利用令牌控制从设备通信的CC-Link IE 利用以太网的广播通信交换数据。从主设备到各从设备为一次同时发送，而由从设备到主设备是由拥有令牌的设备轮流发送数据。

       传递令牌的顺序在系统起动时等确定。各从设备能发送几帧在确定顺序时确定。
MECHATROLINK-Ⅲ：专用于致动器，通过重发提高可靠性

       MECHATROLINK-Ⅲ是在安川电机的主导下于2007年公开的致动器控制用以太网标准，与PLC等主设备间交换控制所需的位置数据、速度数据、输入输出状态，可实现高精度控制。与其他标准的不同之处在于，该标准兼顾了实时性和重发功能。由于通信与设备的控制密切相关，因此不使用普通的以太网芯片，以利用ASIC和FPGA为前提。

       通信方法采用将主从设备间的一对一通信进行周期性循环的形态（图9）。如果有1～n个从设备，就反复进行由主设备到从设备1、从设备1到主设备、主设备到从设备2、从设备2到主设备的通信，直到从设备n。最小周期为31.25μs。

图9：具备重发功能的MECHATROLINK-Ⅲ MECHATROLINK-Ⅲ中，主设备和各从设备定期进行1对1通信。当从设备的响应未抵达主设备时（图中×的位置），可在重发期间再次发送。（图由《日经电子》根据MECHATROLINK协会的资料制作）

       在反复通信之后，还设置了重发时间，针对主设备未收到响应的从设备，由主设备重发相同的帧，催促通信返回。

       同步控制是通过所有通信芯片共享通信周期、在共享时运行设备来实现的。时间的同步由通信芯片根据自主协议实施。  

原文来自于：日经技术在线