标签: 工业以太网

PROFINET是一个开放式的工业以太网通讯，具有兼容性强，速度快，实时性高的特点，在风力发电过程工业应用中发挥重要作用。齿轮箱是风力发电机组中一个重要的机械部件，齿轮箱内的温度可以反映齿轮箱的工作状态。本文介绍一种采用无线方式采集齿轮箱内部的温度，并将温度记录装置集成到Profinet网络中实现实时温度监测和故障预警的系统方案，确保始终掌握齿轮箱的最新状态，并在发生严重损坏之前采取措施，还可通过数据分析，提出维护建议，延长齿轮箱的使用寿命。 Profinet网络技术概述 PROFINET是一个开放式的工业以太网通讯协定，是由PROFIBUS & PROFINET国际协会所提出。PROFINET应用TCP/IP及信息技术的相关标准，是实时的工业以太网。PROFINET具有兼容性强，速度快，实时性高的特点，其通讯速率高达100Mb/s，一般数据传输的总线循环时间约在数百微秒以内。Profinet在过程工业中的多种应用发挥着重要的作用，包括：风力发电，锅炉控制，石油开采，消防与气体系统等。PROFINET技术为工业自动化领域提供一种全新的通信解决方案，即整个工厂全部使用一个网络连接在一起。 齿轮箱的功能概述 齿轮箱是在风力发电机组中应用很广泛的一个重要的机械部件。其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。齿轮喷油不足、油温过高、轴承损坏、摩擦或者盘根过紧等都会导致齿轮箱内部温度过高，实时采集和监测齿轮箱内的温度，可以帮助及时发现问题，排除故障，避免齿轮箱进一步损坏。齿轮箱内部既有自转又有公转，温度数据无线传输方式无疑是最佳的选择。 MSR无线温度记录仪功能概述 MSR无线温度记录仪，通过868MHz/915MHz频段无线方式与MSR无线温度发射器进行通信，采集发射器探头的温度，并保存起来。MSR无线温度记录仪可以同时跟10个发射器进行通信，精确采集和存储多个点的温度，存储容量高达1百万个测量值，支持长时间的温度记录。MSR无线温度记录仪具有扩展的Modbus RTU接口，支持将MSR无线温度记录仪由网关接入Profinet网络，实现实时在线温度监测。 其中，配套的无线温度发射器的防护等级高达IP67防水防尘防油设计，最高耐温125℃，适合齿轮箱内部非常复杂苛刻的工作环境，其体积小巧（35 x 25 x 55 mm）重量轻（40g），可以固定在难以接近的齿轮箱内的缝隙中。 系统架构 基于Profinet网络的风力发电机组齿轮箱温度采集系统的工作流程：内置在齿轮箱中的无线温度发射器感受温度变化并定期将温度信号发送到MSR无线温度记录仪中，MSR无线温度记录仪通过Modbus RTU接口连接网关设备，外设Profinet主站使用Modbus通信协议，通过访问寄存器地址有线&远程获得MSR无线温度记录仪的温度值，然后在上位机中显示温度数据，根据需要，当温度超过设定值时，还可设定报警。 本系统的架构如下图1所示，包括： ① 齿轮箱内置MSR无线温度发射器： 通过温度探头精确感应齿轮箱内关键部位的温度变化，通过868MHz/915MHz无线频段定期将温度数据发射出去。 ② MSR无线温度记录仪： 安置在齿轮箱外，无线接收、采集和记录发射器的温度数据，通过Modbus RTU接口与通信模块进行通信。 ③ Profinet转RS485网关设备： 与MSR无线温度记录仪的Modbus RTU接口连接，采用了网关转化协议，将底层的采集的Modbus数据转化成Profinet数据，接入到Profinet网络，作为从站。 ④ Profinet主站： 控制器，比如PLC，作为主站。 ⑤ HMI，SCADA： 显示温度或者其他参数数据*。 齿轮箱温度采集系统架构 *可搭配油压压力传感器和超声传感器等扩展为更完善的齿轮箱检测维护系统。 小结 Profinet作为新一代工业以太网技术，具有抗干扰能力强，传输速度快的特点，解决了数据实时传输和传输稳定的问题。基于Profinet网络的风力发电机组齿轮箱温度采集系统将齿轮箱内部重要的温度数据集成到上位机以及可视化，方便及时了解齿轮箱的工作状态，提前发出预警，节省人力成本，避免故障进一步恶化导致的重大损失。通过后期的数据分析，可定向提供维护建议，延长齿轮箱的使用寿命。此外，系统还具有如下优点： 模块化设计： 齿轮箱、温度采集和记录装置、网关设备（从站）、主站和上位机软件各自独立，可根据实际的情况替换。 布线简单： 系统前端采用无线传输方式布线简单。新一代工业以太网技术Profinet直接通过网线连接设备，简化布线流程，降低布线和人力成本。 自动化程度高，维护成本低： 系统自动读取温度数据，根据需要设置故障预判条件，提示报警。内置在齿轮箱内部无线温度发射器采用电池供电，长达10年的电池续航能力，减少维护时间、成本和停机时间。 兼容性强： 将齿轮箱的温度数据集成到Profinet网络，增加了系统向上的兼容能力，便于数据管理和分析，利于精准技术维护。

EtherCAT 是一种高性能、低成本的确定性以太网技术，其节点对以太网数据帧的处理方式能够提高带宽利用率，使得每个周期通常用一个数据帧就足以实现整个系统的数据刷新，无需交换机或集线器，从而确保实时性。 虹科在现场总线和工业以太网领域有着多年的技术经验，在 EtherCAT 方面，虹科为国内用户提供 EtherCAT 主从站源代码、 EtherCAT 配置与诊断工具、 EtherCAT 主站芯片、 EtherCAT IO 模块，以及用于 EtherCAT 与其他协议互转的板卡、网关等硬件设备。 接下来，本文将介绍虹科的 EtherCAT demo 。 该 demo 包括一个主机单元和从站，这个主机单元是一个基于 I7 处理器的 IPC 单元，包含实时操作系统 INtime 和专有软件协议栈 EtherCAT Master 。此外，还包括一个支持 EtherCAT 和 Modbus 协议的可编程逻辑控制器、六个来自韩国制造商 Crevis 的 I/O 设备和一个用于 EtherCAT 和 CAN 协议的网关。 该 demo 受控于外围设备，这些外围设备向网络发送总大小为 800 字节的模拟和数字数据，这能够包含 300 个模拟信号和 1600 个数字信号。对于某些受控对象足够大的行业来说，如能源、化工、炼油等，这样的性能是典型的。 该 demo 的设备收集到的所有数据都组合成一个命令或数据报文，并依次从一个设备传递到另一个设备。在同时启动设备之后，必要的信息被传输并存储在数据报的相应寄存器中。这样，可以避免冲突，尽可能高效地利用传输数据的通道，实现工业循环的高速化。 EtherCAT 总线具有高达 100 兆的带宽。在虹科的这个 EtherCAT demo 中，我们实现了 500 微秒的稳定循环时间，通道利用率在 13% 以内。在虹科 EtherCAT 网关的帮助下，可以将基于 EtherCAT 协议的工业网络与运行在此类协议上的其他系统，如 CANopen 、 Profibus 、 Profinet 、 Modbus 等结合起来。 此配置可用作从其他协议过渡到 EtherCAT 的中间选项，并让您优化购买设备的成本。在 EtherCAT Master 的帮助下，您可以获得所有必要的分析数据，从而确定相关性。若您需要在您的项目中部署 EtherCAT 技术，请随时联系虹科工业通讯专家。

EtherCAT是一项高性能、低成本、应用简单、拓扑灵活且开源的确定性工业以太网技术。在OSI 7层模型中，EtherCAT主要实现的是数据链路层，其关键工作原理在于其节点对以太网数据帧的处理：在数据帧向下游传输的过程中，每个节点读取寻址到该节点的数据，并将它的数据写入数据帧。 这种传输方式提高了带宽利用率，使得每个周期通常用一个数据帧就足以实现整个系统的数据刷新，同时，网络无需使用交换机或集线器，从而确保了实时操作并避免延迟。 EtherCAT的运行机制决定了它比其他标准以太网具备更大的优势：响应时间快，每台设备的数据要求最低，和低实施成本。此外，EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构，使得带有成百上千个节点的纯总线型或线性拓扑结构成为可能。 因此，EtherCAT成为高性能的分散式I/O系统的理想选择。 EtherCAT 网络可连接多达 65535 个设备，网络容量几乎没有限制，因此可以将模块化的 I/O 设备设计为每个 I/O 片都是一个独立的 EtherCAT 从站，而包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us，相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。 目前国内已有经过市场验证的EtherCAT IO方案，以虹科HK-MXB系列为例，HK-MXB是一款EtherCAT工业以太网总线接口，集成数字量输入和输出的混合I/O模块，可以为更高层级的EtherCAT主站控制器提供理想通道。HK-MXB采用工业现场24V NPN/PNP型数字逻辑输入信号，并对捕获的信号进行限流、电气隔离的安全保护。 同时，HK-MXB还可以将主站控制器发出的指令信号转换为NPN/PNP型工业24V数字逻辑信号输出，最大具备0.5A/CH的驱动电流，可用于对继电器、指示灯以及数字逻辑信号的驱动。 HK-MXB的输入通道与输出通道，EtherCAT通信接口以及电源接口，都拥有对应的LED指示灯，用于快速观察和诊断信号与指令状态。 若想了解更多信息或进行技术交流，欢迎私信或评论。

工业以太网对于工业发展至关重要，能实现以太网通信的产品才是符合发展需求的好产品。 那么，关于工业以太网（industrial Ethernet），你知道多少？了解它和以太网的不同之处吗？接触过的产品是否有用到工业以太网接口？它的发展趋势你注意到了吗？ 这篇文章，带你了解工业以太网的起源、三种主流工业以太网及其应用。 1.工业以太网的来源 由于信息技术的飞速发展，通信已经成为实时控制邻域的关键，建立一个统一、开放的通信标准的需求已经迫在眉睫，但是已有的现场总线并不能满足这一需求。虽然同一种现场总线是具有互换性和互操作性的，但是不同现场总线之间的兼容性是较差的、之间的通信是比较困难的，中间还需要网关来实现两种协议的转换。这样下来，成本较高，设备复杂，带来很大的不便。工业以太网由此应运而生。 众所周知，工业以太网来源于以太网。普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫做工业以太网。更专业具体地来说，工业以太网是建立在IEEE802.3系列标准和TCP/IP上的分布式实时控制通讯网络，适用于数据量传输量大，传输速度要求较高的场合。 它采用CSMA/CD协议，同时兼容TCP/IP协议。与普通的以太网相比，工业以太网需要解决开放性、实时性、同步性、可靠性、抗干扰性及安全性等诸多方面的问题。因此，它在自动化生产中的呼声越来越高。 据相关资料显示，工业以太网主要有四大优势： 2.三种主流工业以太网 目前领域内有几种主流工业以太网，如：PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII等。本文主要介绍三种。 1） EtherCAT :EtherCAT的关键要素是所有联网从机都能够从数据包中仅提取所需的相关信息，并在向下游传输时将数据插入帧中。EtherCAT协议本身决定了它无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。它具有主从数据交换原理，需要主站和从站配合完成工作，因而，EtherCAT非常适合主从控制器之间的通讯。它提高了系统的实时性能和拓扑的灵活性的同时，成本不高于现场总线的使用成本。 2) EtherNET/IP :采用以太网的物理层、数据链路层及TCP/IP协议。是一种主要由罗克韦尔自动化公司提供的广泛应用的应用层工业以太网协议。允许工业设备交换时间紧要的应用信息，如传感器，执行器，机器人等。由于其采用标准以太网交换，可支持无限数量的节点。其主要功能有3个，一是实时控制：基于控制器或智能设备内所存储的组态信息，通过网络通信中的状态变化来实现实时控制；二是网络组态：通过总线即可实现对同层网络的组态，也可以实现对下层网络的组态；三是数据采集：可基于既定节拍或应用需要来方便地实现数据采集。 3） PROFINET :是用于PROFIBUS纵向集成的、开放的、统一的完整系统解决方案，它能将现有的PROFIBUS网络通过代理服务器连接到以太网上，从而将工厂自动化和企业信息服务管理自动化有机地融为一体。能够满足用户机器和工厂更苛刻、更灵活、不断变化的新需求。PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，包括实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题。此外，它可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术，保护现有投资。 3.应用：激光测距传感器 这是一款可以选择工业以太网接口PROFINET、EtherNET/IP和EtherCAT的激光测距传感器。 目前测距类型传感器分为以下几类：超声波测距传感器，激光测距传感器，红外线测距传感器，24GHZ雷达传感器。 其中，激光测距传感器在工业生产领域带来很大的技术进步，尤其是需要高精度监测的时候，利用激光测距传感器可以轻松精准的检测肉眼无法分辨的距离 。激光测距传感器尤其是寻找能在远距离实现精密距离检测的传感器的工业用户的理想选择。它具有长距离，高精度，极稳定的性能，在严苛复杂的工业环境中也同样能展现其优异性能。 除了RS232、RS485等串行通信外，DIMETIX激光测距传感器还支持PROFINET、EtherNET/IP和EtherCAT等多种工业数据通讯接口，为各种不同的工业测量应用提供不同的解决方案！

本次测试使用广州创龙TL5728-IDK工业控制开发板进行PRU网口测试。 开发板特点： Ø 基于TI AM5728浮点双DSP C66x +双ARM Cortex-A15工业控制及高性能音视频处理器； Ø 双核PRU-ICSS工业实时控制子系统，支持EtherCAT、EtherNet/IP、PROFIBUS等工业协议； Ø 支持2路千兆网，用于网络调试、数据传输、工业以太网主站； Ø 支持4路PRU百兆网，用于网络调试、数据传输、工业以太网从站； 下面我们开始进行PRU网口测试： 因为"PRU1"的两个网口引脚和千兆网的引脚复用，所以若要使用4个PRU网口（如上图资源图解），需要在U-Boot命令行中设置环境变量，让U-Boot加载不同的dtb文件。 在测试前，先插好PRU四个网口的网线，启动系统，执行以下命令设置环境变量： Uboot# setenv idk_pru1_mii yes Uboot# saveenv 注：当"idk_pru1_mii"不等于yes时，加载的dtb文件是"am572x-idk.dtb"，当"idk_pru1_mii"等于yes时，加载的dtb文件是"am572x-idk-pru1-mii.dtb"。 如果需要使用千兆网，需要在U-Boot命令行执行以下命令： Uboot# setenv idk_pru1_mii no Uboot# saveenv 网卡对应关系： "pru2-mii1"测试： Target# ifconfig eth0 down Target# ifconfig eth2 down Target# ifconfig eth3 down Target# ifconfig eth1 up //根据网卡对应关系来设置对应网口为开的状态。 Target# ifconfig Target# ping http://www.baidu.com 其他三个网口测试方法同理。只需要将另外三个网口关掉，进行ping操作就行。如：需要测试"eth0"，将"eth1/eth2/eth3"关掉。 注：如果"ethX"之前已经关闭，在执行"ifconfig ethX up"（X为0,1,2,3）时，如果没有"link becomes ready"打印，请按以下操作重新关掉网口，再打开网口，直至打印"link becomes ready"。 Target# ifconfig ethX down Target# ifconfig ethX up 本例以"eth0"为例：