2013/10/31 00:00
【日經(jīng)BP社報道】始于信息系統(tǒng)的以太網(wǎng)浪潮已經(jīng)波及到工廠的末端設(shè)備。不過，工業(yè)以太網(wǎng)的規(guī)格多達10多種，處于“群雄割據(jù)”的狀態(tài)。這些規(guī)格在確保實時性的方法等方面存在差異，今后，隨著時間的流逝將實現(xiàn)優(yōu)勝劣汰。
如今，以太網(wǎng)開始在工廠及發(fā)電站等所有的工業(yè)設(shè)備中出現(xiàn)。雖然以前以太網(wǎng)也被用于生產(chǎn)管理和生產(chǎn)工序間的信息共享等，但現(xiàn)在，傳感器和致動器等末端設(shè)備也逐漸開始連接以太網(wǎng)。
以太網(wǎng)的用途擴大到末端設(shè)備的契機之一，是450mm晶圓半導體制造工廠的建設(shè)熱潮。直徑450mm的晶圓的面積是300mm晶圓的2倍以上，半導體制造的難度升高。傳感器的觀測點也增加，需要進行精密控制。以前末端設(shè)備大多通過以EIA-485為基礎(chǔ)的自主接口連接，但現(xiàn)在出現(xiàn)了“（10Mbit/秒以下的）傳統(tǒng)網(wǎng)絡的通信容量已顯不足”（EtherCAT技術(shù)協(xié)會的村山信次）的情況。
在要求生產(chǎn)具備高速化和高精度化的纖維產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，末端網(wǎng)絡的大容量化需求也日益凸顯。另外，無需高速以太網(wǎng)的發(fā)電站和化工廠等因易于鋪設(shè)和管理性高等原因，在新設(shè)和更新設(shè)備時也越來越多地選擇以太網(wǎng)。
分三個階段導入
在工業(yè)用途導入以太網(wǎng)分三個階段（圖1）。第一階段是“信息系統(tǒng)網(wǎng)絡”，主要是連接負責制造和發(fā)電系統(tǒng)整體的監(jiān)測及指示等的裝置。隨著ERP（企業(yè)資源計劃）和SCM（供應鏈管理）等經(jīng)營系統(tǒng)的導入，信息系統(tǒng)網(wǎng)絡從1990年代后半期開始導入。
圖1：從2010年前后開始在現(xiàn)場網(wǎng)絡普及
工程管理等此前就使用以太網(wǎng)。從2008年前后起，隨著標準化團體制定除了實時性更高的標準，要求數(shù)ms以下等快速響應性的現(xiàn)場設(shè)備用網(wǎng)絡也開始使用以太網(wǎng)。
從2000年代上半期開始采用以太網(wǎng)的是“控制器間網(wǎng)絡”，包括用來連接在接收傳感器輸入數(shù)據(jù)的同時控制致動器動作的“PLC（可編程邏輯控制器）”、控制機器人的“機器人控制器”以及控制閥門等的“DCS（集散控制系統(tǒng)）”等。滿足了想用相同的接口連接不同規(guī)格控制器的用戶需求。
2010年前后，“現(xiàn)場網(wǎng)絡”也開始采用以太網(wǎng)，用來連接PLC、DCS和傳感器、致動器（現(xiàn)場設(shè)備）。
需要實現(xiàn)ms以下的響應特性
需要實現(xiàn)ms以下的響應特性
分不同時期導入是因為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能和實時性的要求不同。
最先導入的信息系統(tǒng)網(wǎng)絡原本就具備導入以太網(wǎng)的基礎(chǔ)。因為構(gòu)成信息網(wǎng)絡的設(shè)備以個人電腦為基礎(chǔ)，而且通信內(nèi)容也以收集全局信息為主，因此不需要實時性，能直接導入普通的以太網(wǎng)產(chǎn)品。
而控制器間網(wǎng)絡在工序間的信息交換等方面要求具備數(shù)ms～數(shù)十ms的響應性，因此必須制定考慮通信實時性的工業(yè)以太網(wǎng)標準，在2000年代上半期標準出臺以前，并沒有普及。
現(xiàn)場網(wǎng)絡的條件更嚴格，尤其是要求高精度動作的設(shè)備，必須具備數(shù)ms以下的響應性。另外，連接現(xiàn)場網(wǎng)絡的設(shè)備很多都沒有配備CPU，即使配備，處理能力也非常低。
最近，響應性在1ms以下的工業(yè)以太網(wǎng)標準出臺，而且，隨著LSI的進化，現(xiàn)場設(shè)備的性能也有所提高，因此開始迅速采用以太網(wǎng)。
通用型和定制型
不過，雖然統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)，但實際上有多種標準，光是主要標準就有近10種（表1）注1）。這是因為，制定標準的團體都希望國際標準與自己開發(fā)的網(wǎng)絡標準具有統(tǒng)一性，不同標準的網(wǎng)絡設(shè)計思想也不相同。
注1）正文中沒有介紹的工業(yè)以太網(wǎng)標準有Ethernet POWERLINK Standardization Group的“POWERLINK”、日本電機工業(yè)會的“FL-net”、Fieldbus Foundation的“HSE”、sercos international的“sercos Ⅲ”等。
這些標準主要分為兩類（圖2）。一類是“通用型”，其方針是積極利用在辦公網(wǎng)絡等普及的以太網(wǎng)標準技術(shù)。比如“EherNet/IP”和“PROFINET”等。
還有一類是“定制型”，這類標準為了應對延遲時間短的要求，追加了不同于以太網(wǎng)的自主標準。定制型專門面向控制器間網(wǎng)絡和現(xiàn)場網(wǎng)絡用途。比如“EtherCAT”、“CC-Link IE”及“MECHATOROLINK-Ⅲ”等協(xié)議。
圖2：工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)格可分為通用型和定制型兩大類
以利用IT領(lǐng)域使用的以太網(wǎng)產(chǎn)品為目標的標準化團體盡量選擇符合IT標準的通用型架構(gòu)。而設(shè)想用于現(xiàn)場網(wǎng)絡、重視實時性的標準化團體選擇連接器和PHY芯片與以太網(wǎng)通用，對高級部分進行定制的架構(gòu)。
通用型和定制型各有利弊（圖3）。通用型的優(yōu)點是能利用市售的網(wǎng)絡交換機和以太網(wǎng)用芯片，而且網(wǎng)絡構(gòu)成的自由度也比較高。但缺點是，如果連接大量的致動器和傳感器、采用與TCP/IP通信共用線路的構(gòu)成時，可能無法確保實時性。
圖3：網(wǎng)絡構(gòu)成各異的通用型和定制型
通用型可以像辦公室以太網(wǎng)網(wǎng)絡一樣，在同一個網(wǎng)絡內(nèi)連接所有設(shè)備。定制型是將現(xiàn)場網(wǎng)絡分離的網(wǎng)絡。
而定制型的實時性高，但需要準備專用的ASIC和FPGA等，缺乏通用性。網(wǎng)絡交換機也必須使用專用產(chǎn)品。
目前，用戶需要根據(jù)這些差異，按照用途選擇適合的標準。
未來標準數(shù)量將減少
工業(yè)以太網(wǎng)標準現(xiàn)在雖然處于“群雄割據(jù)”狀態(tài)，但從長遠來看，很可能會減少到數(shù)種。
目前，提供現(xiàn)場設(shè)備和PLC等的控制器的廠商因標準不統(tǒng)一，只好采取支持多種標準的方法。為了減輕這種負擔，半導體廠商中也出現(xiàn)了提供多協(xié)議以太網(wǎng)芯片等的動向。不過，這類芯片也不支持份額小的標準。
因此，無法獲得份額的標準可能會被用戶舍棄，不久就會退出市場。這是很多標準技術(shù)的最終歸宿。不過，在難以更換設(shè)備的領(lǐng)域，被淘汰的時間可能會長一些。
下面就來一一介紹五種比較有特色的工業(yè)以太網(wǎng)——EherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、CC-Link IE和MECHATROLINK-Ⅲ。
EherNet/IP：十分注重標準網(wǎng)絡技術(shù)
EherNet/IP：十分注重標準網(wǎng)絡技術(shù)
EherNet/IP是羅克韋爾自動化（Rockwell Automation）主導開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)標準。在IHS的工業(yè)以太網(wǎng)市場份額調(diào)查中，EherNet/IP在2011年以13.5％的份額高居榜首。
該標準的制定團體Open DeviceNet Vendor Association（ODVA）的主要企業(yè)除了羅克韋爾外，還有博世力士樂、思科系統(tǒng)、歐姆龍、施耐德電氣。
EherNet/IP的特點是，完全建立在標準以太網(wǎng)技術(shù)之上（圖4）?？芍苯永肐T系統(tǒng)中通常使用的以太網(wǎng)交換機。
圖4：利用互聯(lián)網(wǎng)標準的EherNet/IP
必要功能全部安裝到TCP/IP上（a）。要求實時性的通信利用UDP/IP，不要求實時性的通信利用TCP/IP。（圖（a）由《日經(jīng)電子》根據(jù)ODVA的資料制作）
傳感器和致動器等現(xiàn)場設(shè)備也要求TCP/IP及UDP/IP通信注2）。由于從生產(chǎn)管理系統(tǒng)到現(xiàn)場設(shè)備可直接通信，因此，“能輕松地把末端傳感器的信息直接發(fā)送至品質(zhì)管理數(shù)據(jù)庫”（ODVA日本支部的稻山知己）。傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡由于采用分級構(gòu)造，必須要改變中繼點的程序才能獲得新末端的傳感器信息。
注2）ODVA還面向現(xiàn)場設(shè)備定義了名為DeviceNet的自主接口，采用從上層連接EherNet/IP的設(shè)備和連接DeviceNet的設(shè)備都能進行相同處理的架構(gòu)。
實時通信利用UDP/IP
EherNet/IP制定了不考慮實時性的“顯式消息（Explicit Message）”和考慮實時性的“I/O消息”兩種通信方式。顯式消息利用TCP/IP通信，用于向聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送指令和設(shè)定參數(shù)等。
I/O消息利用UDP/IP通信，用于發(fā)送傳感器觀測數(shù)據(jù)和致動器控制數(shù)據(jù)等。不過，通信會話的確立利用的是TCP/IP通信。
利用IEEE1588同步時間
控制致動器等所需的同步利用以太網(wǎng)水平的時間同步協(xié)議“IEEE1588”完成。該協(xié)議在主時鐘側(cè)和從時鐘側(cè)互發(fā)時間戳，利用該數(shù)據(jù)測量網(wǎng)絡的傳輸延遲（圖5）。掌握了傳輸延遲，就能在考慮該網(wǎng)絡延遲的情況下發(fā)送控制信號，從而實現(xiàn)同步動作。
圖5：通過互發(fā)時間戳進行同步的IEEE 1588
通過從主設(shè)備和從設(shè)備互發(fā)時間戳，可觀測通信線路等的延遲情況。
直接利用以太網(wǎng)時令人擔心的問題是，在大量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡時能否確保實時性。對此，稻山表示，“雖然還取決于交換機性能，但通過利用優(yōu)先控制（QoS），不會破壞實時性”。
PROFINET：為確保低延遲準備專用交換機
PROFINET：為確保低延遲準備專用交換機
與EherNet/IP展開激烈的份額之爭的，是西門子主導的PROFINET。在IHS公司2011年實施的市場份額調(diào)查中，PROFINET占13.4％，與EherNet/IP基本相同。
PROFINET的設(shè)計思想與EherNet/IP相似，目標是使構(gòu)成制造系統(tǒng)的所有設(shè)備連接至一個網(wǎng)絡。
PROFINET與EherNet/IP的不同之處是，采用了更重視實時性的設(shè)計（圖6）。比如，在要求實時性的通信中，規(guī)定不使用會產(chǎn)生處理延遲的TCP/IP協(xié)議棧，而是直接在以太網(wǎng)幀內(nèi)打包數(shù)據(jù)進行交換。不過，在設(shè)備的參數(shù)設(shè)定、固件升級及自我診斷用轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)的收發(fā)等不要求具備實時性的方面，還是積極利用TCP/IP。
圖6：為確保實時性，準備了自主規(guī)格的PROFINET
PROFINET在不考慮實時性的通信中使用TCP/IP（a）。針對需要實時性的情況，準備了使用普通以太網(wǎng)交換機的RT，以及可通過特殊以太網(wǎng)交換機進行小抖動通信的IRT（b）。支持IRT的交換機備有IRT用通信時序（c）。（圖（a）和（c）由《日經(jīng)電子》根據(jù)日本PROFIBUS協(xié)會的資料制作）
實時通信分兩種模式
作為在以太網(wǎng)幀中直接保存數(shù)據(jù)的機制，PROFINET規(guī)定了RT和IRT兩種模式。RT利用通用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)。由于同一網(wǎng)絡中可能會有TCP/IP等其他通信，因此RT與其他通信可能會爭奪通信頻帶。可以說，這是能在一定程度上容許傳輸延遲抖動的盡力（Best Effort）型實時控制通信方式。
而IRT利用PROFINET專用的以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)。嚴密劃分傳輸時間（通信周期），在該時間內(nèi)發(fā)送IRT通信幀。抖動可控制在1μs以下。另外還準備了TCP/IP用和RT通信用頻帶，在不妨礙IRT通信的范圍內(nèi)為其分配頻帶。
集中利用IRT交換機
由于采用了這樣的機制，所以在利用IRT通信的范圍內(nèi),必須全部使用支持IRT的交換機。不過，IRT交換機還支持RT和TCP/IP通信，因此，在通用以太網(wǎng)的網(wǎng)絡之間，可設(shè)置用IRT交換機構(gòu)成的網(wǎng)絡，比較靈活。
以前利用IRT構(gòu)成的最小通信周期是250μs，但2010年公開的2.3版本規(guī)定最小通信周期為31.25μs。這是為了對抗下面介紹的EtherCAT等現(xiàn)場網(wǎng)絡專用標準。以前設(shè)想把以太網(wǎng)的最大有效負載長度（1500B）的幀分配給IRT通信以外的用途，準備了約為1500B的發(fā)送時間2倍的250μs注3）。但隨著最小通信周期縮短至31.25μs，把以太網(wǎng)的有效負載長度限制為375B注4）。
注3）以100Mbit/秒發(fā)送1500B的數(shù)據(jù)需要120μs。再加上前導碼（Preamble）和以太網(wǎng)報頭（Ethernet Header）等，約為125μs。一個周期為IRT和其他通信各分配一幀，就是250μs。
注4）不過，即使把有效負載容量限制為375B，由于會在接收處重新構(gòu)成數(shù)據(jù)，因此對通信沒有影響。
EtherCAT：以環(huán)型拓撲實現(xiàn)小抖動和高速循環(huán)
EtherCAT是倍福自動化（Beckhoff Automation）主導的定制型工業(yè)以太網(wǎng)標準，于2003年公開。
IHS的調(diào)查顯示，EtherCAT本身的份額在2011年只有2.3％。但實際上，“在制造裝置內(nèi)使用而沒有體現(xiàn)在統(tǒng)計上的情況很多，實際使用率超過了表面數(shù)字”（EtherCAT技術(shù)協(xié)會的村山）。
EtherCAT設(shè)想用于致動器等連接的現(xiàn)場網(wǎng)絡，采用可實現(xiàn)1μs以下小抖動通信的設(shè)計。循環(huán)時間最小為12.5μs，通信采用以太網(wǎng)幀，但聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要具備專用ASIC或FPGA注5）。因此，前提是只有支持EtherCAT的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
注5） 主設(shè)備可利用配備IEEE802.3通用以太網(wǎng)芯片的個人電腦實現(xiàn)。因為主設(shè)備不要求進行高速以太網(wǎng)傳輸。
采用“不會停止的環(huán)狀線”
EtherCAT的特點是采用了環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)。從PLC和DSC等主設(shè)備發(fā)送以太網(wǎng)的幀，繞環(huán)形網(wǎng)絡一周，完成與主設(shè)備和從設(shè)備（傳感器和致動器）的通信。
這種通信機制“就像是不在車站停車的環(huán)狀線路一樣”（EtherCAT技術(shù)協(xié)會的村山）。各個從設(shè)備在內(nèi)存上展開發(fā)送來的以太網(wǎng)幀，讀取發(fā)給自己的數(shù)據(jù)領(lǐng)域，把發(fā)送給主設(shè)備的數(shù)據(jù)寫入分配給自己的領(lǐng)域后立即發(fā)出。采用把讀取和發(fā)送處理的時間控制在數(shù)ns內(nèi)的設(shè)計（圖7）。
圖7：定期巡視數(shù)據(jù)包的EtherCAT
EtherCAT利用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)（a）。發(fā)送含有從主設(shè)備到所有從設(shè)備的通信數(shù)據(jù)的幀。從設(shè)備依次接收，在讀取自身領(lǐng)域的同時向主設(shè)備寫入數(shù)據(jù)（b）。（圖（b）由《日經(jīng)電子》根據(jù)ETG的資料制作）
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