以太網(wǎng)是工業(yè)應(yīng)用中日益重要的網(wǎng)絡(luò)

在運(yùn)動(dòng)控制方面，以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線和其他技術(shù)（如外圍組件互連）歷來(lái)相互競(jìng)爭(zhēng)，以處理工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中一些最苛刻的工作負(fù)載。運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用需要確定性（保證網(wǎng)絡(luò)將工作負(fù)載按時(shí)到達(dá)其預(yù)期節(jié)點(diǎn)），這是確保位置保持所必需的，這反過(guò)來(lái)又會(huì)停止驅(qū)動(dòng)器的精度和適當(dāng)?shù)募铀?減速，以及其他任務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3 以太網(wǎng)在這方面從未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。即使CSMA/CD數(shù)據(jù)鏈路層由于全雙工交換和隔離沖突域而變得過(guò)時(shí)，它也缺乏可預(yù)測(cè)性。此外，典型堆棧中較高的 TCP/IP 復(fù)雜性并未針對(duì)實(shí)時(shí)流量的可靠交付進(jìn)行優(yōu)化。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線以及帶有基于 ASIC 的 PCI 卡的面向 PC 的控制架構(gòu)一直是運(yùn)動(dòng)控制的流行解決方案。

從EtherNet/IP到EtherCAT的以太網(wǎng)解決方案以自己獨(dú)特的方式解決了這些缺點(diǎn)。盡管如此，工業(yè)以太網(wǎng)在運(yùn)動(dòng)控制中遠(yuǎn)非占主導(dǎo)地位，盡管它與替代方案相比具有其他一些優(yōu)勢(shì)。讓我們來(lái)看看為什么它可以而且應(yīng)該在未來(lái)幾年的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地的三個(gè)原因。??

1. 趨同而不是復(fù)雜性

隨著時(shí)間的推移，企業(yè)IT和工廠車(chē)間之間的互連不斷增加，導(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)經(jīng)常將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線混合在一起。例如，計(jì)算機(jī)可能利用：

用于與伺服系統(tǒng)通信的 SERCOS1

用于聯(lián)網(wǎng)變頻驅(qū)動(dòng)器的 PROFIBUS?

用于故障安全現(xiàn)場(chǎng)總線通信的 SafetyBUS p

用于連接傳感器的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)，用于向最終用戶發(fā)送數(shù)據(jù)

這樣的網(wǎng)絡(luò)很復(fù)雜，設(shè)置和維護(hù)成本也很高。每個(gè)協(xié)議都需要自己的實(shí)施過(guò)程、安裝程序和培訓(xùn)。相比之下，以太網(wǎng)提供了將用于運(yùn)動(dòng)、安全等的不同網(wǎng)絡(luò)融合到經(jīng)濟(jì)高效的基礎(chǔ)設(shè)施上的可能性，這些基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)容易布線，得到供應(yīng)商的廣泛支持，并且面向未來(lái)。

以太網(wǎng)提供了融合不同網(wǎng)絡(luò)的可能性。

EtherNet/IP 協(xié)議舉例說(shuō)明了融合在實(shí)踐中是如何工作的。集成的交換系統(tǒng)通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)（如 TCP/IP 和 UDP/IP）以及用于實(shí)現(xiàn)分布式時(shí)鐘的 IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議同步的 CIP Sync 等功能，可以適應(yīng)商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。2

2. 運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的確定性

運(yùn)動(dòng)控制依賴于精確的通信。這種精度得到了基于時(shí)隙的調(diào)度的支持，其中每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)與其他設(shè)備通信的時(shí)間表。當(dāng)這些伺服驅(qū)動(dòng)器和控制器計(jì)算出各自的時(shí)序時(shí)，會(huì)計(jì)算控制功能的 ΔT 值。但是，如果數(shù)據(jù)傳輸變得不可預(yù)測(cè)，則可能會(huì)被拋棄，因此需要確定性來(lái)確保循環(huán)穩(wěn)定性。

以太網(wǎng)可以支持工廠中要求苛刻的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用

IEEE 1588 在 EtherNet/IP 中的實(shí)施，在某些情況下通過(guò)直接安裝在英特爾芯片上的加速器電路，只是以太網(wǎng)解決方案用于實(shí)施確定性的一種常見(jiàn)機(jī)制。EtherCAT的動(dòng)態(tài)處理是運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用如何實(shí)現(xiàn)始終如一的可預(yù)測(cè)性能的另一個(gè)例子。EtherCAT超越了基于PCI的集中式通信的嚴(yán)格物理限制，雖然速度很快，但機(jī)器處理單元和伺服處理器之間的距離仍然很短。?

“基于 EtherCAT 的分布式處理器架構(gòu)具有帶寬、同步和物理靈活性，可與集中控制的強(qiáng)大功能以及分布式網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)相匹配，”3Jason Goerges在2010年為Machine Design撰寫(xiě)的一篇文章中解釋道?！笆聦?shí)上，一些使用這種方法的處理器可以控制多達(dá)64個(gè)高度協(xié)調(diào)的軸，采樣和更新速率為20 kHz，包括位置、速度和電流環(huán)路，以及換向。

3. IIoT 的長(zhǎng)期可行性

以太網(wǎng)自作為 LAN 技術(shù)開(kāi)始以來(lái)已經(jīng)經(jīng)歷了許多排列。雖然傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線組件目前以小規(guī)模制造，PCI風(fēng)險(xiǎn)正在走向過(guò)時(shí)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，但以太網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展，現(xiàn)在處于有利地位，可以為以IP為中心的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)。

即將進(jìn)行的改進(jìn)，如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，將完善IEEE 1588并增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)融合的可能性，也使以太網(wǎng)成為現(xiàn)在和未來(lái)運(yùn)動(dòng)控制的合理選擇。這并不是說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線和PCI將會(huì)消失，只是隨著自動(dòng)化行業(yè)向IIoT邁進(jìn)，以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)將繼續(xù)增加。

審核編輯：郭婷