工業(yè)以太網(wǎng)常見五大協(xié)議對比

    比較目前的五個主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(Ethernet/IP，PROFINET，POWERLINK，EtherCAT，SERCOSIII)，基于技術(shù)，實時性，標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)及市場方面的戰(zhàn)略考量，例如：是否有一個用戶組織在持續(xù)的進行著協(xié)議的開發(fā)？該協(xié)議是否遵循IEC標(biāo)準(zhǔn)，且是否系統(tǒng)滿足硬件實時的需求？

　　【實時性】

　　IEEE802.3以太網(wǎng)中存在的用于解決數(shù)據(jù)碰撞的機制帶來了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，為了達(dá)到實時性能，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用了不同的方法去避免這種碰撞，對于硬實時，信號傳輸時間必須精確的按照時間幀來進行，或者他們可以觸發(fā)一個錯誤機制。循環(huán)時間在數(shù)百個毫秒的系統(tǒng)應(yīng)用對于軟件實時是足夠的，例如溫度控制，而對于數(shù)字控制或運動控制應(yīng)用經(jīng)常需要其循環(huán)周期小于1mS。

　　【市場占有】

　　選擇何種工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)進行比較的另一關(guān)鍵因素，是其市場占有情況：IMS和ARC的調(diào)研表明，大約四分之三的工業(yè)以太網(wǎng)使用Ethernet/IP，PROFINET，或Modbus/TCP，其次為POWERLINK和EtherCAT，這兩個系統(tǒng)特別適合硬實時性要求。以下描述中不考慮Modbus/TCP，因其用戶組織ODVA已經(jīng)表明它將被集成到EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)中。對于SERCOSIII，盡管它的市場份額比較小，但是，它在高速運動控制領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。

　　【系統(tǒng)如何工作】

　　關(guān)于實時的不同方法，其中一個關(guān)鍵的區(qū)別在于，不同的工業(yè)以太網(wǎng)如何調(diào)度并管理數(shù)據(jù)傳輸使得網(wǎng)絡(luò)可以提供實時性，EtherCAT和SERCOSIII的通信采用了集束幀方式：在每個周期，網(wǎng)絡(luò)向所有的節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)報文，從一個節(jié)點到另一個沿環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行傳輸，同時采集每個節(jié)點的響應(yīng)數(shù)據(jù)。相比之下，其他通信協(xié)議則使用獨立報文給每個節(jié)點，而從站也通過獨立報文進行應(yīng)答。各系統(tǒng)使用三種不同的方法來實現(xiàn)實時性：1、一個主站控制網(wǎng)絡(luò)上的時隙，在POWERLINK環(huán)境，主站授權(quán)每個節(jié)點獨立發(fā)送數(shù)據(jù)，在EtherCAT和SERCOSIII網(wǎng)絡(luò)，集束幀報文的傳輸跟隨主站的時鐘。2、PROFINET IRT使用同步開關(guān)控制通信過程。3、EtherNet/IP通過采用CIP Sync同步分發(fā)IEEE1588兼容的時鐘信息給整個網(wǎng)絡(luò)。

　　【PROFINET 通信】

　　PROFINET(“過程現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)”)按照對確定性的等級需求不同而采用不同的實現(xiàn)方法：PROFINET RT通常用于軟實時或沒有實時性要求的應(yīng)用場合，而PROFINET IRT則針對硬實時應(yīng)用。該技術(shù)由SIEMENS和PROFIBUS用戶組織PNO的成員公司共同開發(fā)，它是基于以太網(wǎng)之上的PROFIBUS DP以及PROFINET I/O的成功應(yīng)用：指定所有I / O 控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸以及參數(shù)化，診斷，和網(wǎng)絡(luò)的布局。為了覆蓋不同的性能等級，PROFINET使得各協(xié)議和服務(wù)可自由采用生產(chǎn)者/消費者原則。高優(yōu)先級的有效載荷數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)協(xié)議并以以太網(wǎng)幀VLAN的優(yōu)先次序直接發(fā)送，而診斷和配置數(shù)據(jù)發(fā)送使用UDP/ IP。這使系統(tǒng)實現(xiàn)循環(huán)周期時間約10毫秒的I/O應(yīng)用。對于時鐘同步周期時間要求低于毫秒及運動控制應(yīng)用，則提供PROFINET IRT，它實現(xiàn)了一個分時復(fù)用的硬件同步開關(guān)-所謂的動態(tài)幀包裝(DFP)，為用戶提供一個新的PROFINET循環(huán)時間的優(yōu)化設(shè)計并于2009年發(fā)布此特性。

　　【POWERLINK 通信】

　　POWERLINK最初由B&R開發(fā)并于2001年使用，EthernetPOWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組織(EPSG)是一個獨立的用戶組織并且遵循民主章程“，自2003年以來，負(fù)責(zé)該技術(shù)的進一步發(fā)展。POWERLINK是一個完全免專利費的技術(shù)，獨立于供應(yīng)商，采用純軟件方式的協(xié)議，卻可達(dá)到硬實時的性能。在2008年，EPSG提供了該技術(shù)的開源版本。POWERLINK集成了完整的CANopen機制，并充分滿足IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即該協(xié)議提供了所有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)功能特點包括交叉通信和熱插拔，允許網(wǎng)絡(luò)以任意方式進行拓?fù)?。它是如何工作？POWERLINK使用時隙和輪詢混合方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸。為進行協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)中指定PLC或工業(yè)PC作為管理節(jié)點(MN)。該管理節(jié)點運行周期性時隙的調(diào)度并據(jù)此來同步所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并控制周期性數(shù)據(jù)通信。所有其他設(shè)備運行為受控節(jié)點(CN)。在每個同步周期階段，MN以固定的時間序列逐次向CN發(fā)送“輪詢請求幀PReq”。每個CN以PRes方式立即響應(yīng)這個請求并傳輸數(shù)據(jù)，”所有其他節(jié)點可以偵聽這個響應(yīng)。一個POWERLINK的周期包括三個部

　　分。在開始階段，MN發(fā)送了循環(huán)啟動SoC幀給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，以同步網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。抖動大約20納秒。周期性同步數(shù)據(jù)交換發(fā)生在第二個階段，多路復(fù)用技術(shù)在這個階段中可用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬。第三個階段的標(biāo)志是異步啟動信號SoA，用于傳輸大容量，非時間苛刻的數(shù)據(jù)包。例如：用戶數(shù)據(jù)或TCP/IP幀，均可在異步階段進行傳輸。POWERLINK分為實時和非實時域。在異步階段的數(shù)據(jù)傳輸支持標(biāo)準(zhǔn)的IP幀，通過路由器將實時域和非實時域數(shù)據(jù)隔離以確保數(shù)據(jù)安全。 POWERLINK非常適合各種自動化應(yīng)用，包括I/O，運動控制，機器人任務(wù)，PLC與PLC間的通信，以及顯示任務(wù)。多種共享特性：CANopen和POWERLINK OSI模型。                                                        

　　【EtherNet/IP 通信】

　　2000年初始發(fā)布，EtherNet / IP是一個開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它由艾倫-布拉德(羅克韋爾自動化)和ODVA的開發(fā)(開放DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會)?！肮I(yè)以太網(wǎng)協(xié)議“本質(zhì)上是一個CIP(通用工業(yè)協(xié)議)-已被使用的ControlNet和DeviceNet上的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。EtherNet/IP通常是在美國市場上得到非常好的應(yīng)用，主要是使用羅克韋爾控制系統(tǒng)。它如何工作？EtherNet/IP在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件上運行，并同時使用TCP/IP和UDP/IP進行數(shù)據(jù)傳輸。由于CIP協(xié)議支持生產(chǎn)者/消費者模式，EtherNet/IP采用不同的通信機制來處理，例如周期性輪詢，時間或事件觸發(fā)，多波或簡單的點對點連接，CIP應(yīng)用協(xié)議分為“隱性的”I/O信息和“顯性的”用于配置和數(shù)據(jù)采集的請求/應(yīng)答報文。當(dāng)顯性信息嵌入到TCP幀，實時應(yīng)用數(shù)據(jù)通過UDP發(fā)送，因為后者格式更緊湊且開銷小。形成一個中心星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機通過點對點掛鉤連接方式防止數(shù)據(jù)碰撞。EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)通常實現(xiàn)10mS左右的軟實時性能，而CIP Sync和CIP Motion及精確的節(jié)點同步則通過在IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)定義的分布式時鐘方法可以達(dá)到極低的循環(huán)周期和抖動，使得它能夠用于伺服電機的控制與驅(qū)動。

　　【EtherCAT 通信】

　　EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術(shù))Beckhoff自動化。這項技術(shù)的所有用戶自動成為EtherCAT技術(shù)協(xié)會(ETG)的成員。它是如何工作？EtherCAT是基于集束幀方法：EtherCAT主站發(fā)送包含網(wǎng)絡(luò)所有從站數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，這個幀按照順序通過網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，當(dāng)它到達(dá)最后一個幀，幀將被再次返回。當(dāng)它在一個方向上通過時節(jié)點處理幀中的數(shù)據(jù)。每個節(jié)點讀出數(shù)據(jù)并將響應(yīng)數(shù)據(jù)插入到幀中。為了支持100 Mbit/s的波特率，必須使用專用的ASIC或基于FPGA的硬件來高速處理數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偸菢?gòu)成一個邏輯環(huán)。一個EtherCAT幀結(jié)構(gòu)所有給每個節(jié)點的指令都被包含在一個EtherCAT數(shù)據(jù)報文的有效載荷區(qū)。每個EtherCAT幀由一個頭和幾個EtherCAT的命令構(gòu)成。每個命令包括它自己的頭，給節(jié)點的指令數(shù)據(jù)，及一個工作計數(shù)器。高達(dá)64 KB的可配置地址空間來配置從站。尋址處理通過自動遞增方式，即每個從站可以處理16位地址域，從站也可以在網(wǎng)絡(luò)初始階段以指派方式來實現(xiàn)分布式的站點尋址。EtherCAT過程同步：每個從站連接由主站提供的一個類似于IEEE1588的實時時鐘技術(shù)進行同步。從站設(shè)備可以是實時也可以是非實時機制，這更多取決于硬件?；趯崟r時，控制信號可以高精度同步。在物理層，EtherCAT協(xié)議不僅在以太網(wǎng)上運行，也可以采用LVDS(低壓差分信號傳輸)。這個標(biāo)準(zhǔn)被Beckhoff使用在其端子技術(shù)上，典型的是采用帶有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的PC作為一個EtherCAT主站。相較于POWERLINK或PROFINET等協(xié)議，EtherCAT僅貫穿OSI 7層模型中的1-3層，因此，為了實現(xiàn)與其它系統(tǒng)相同的應(yīng)用功能，必須加載額外的協(xié)議層(CoE，EoE)。

　　【SERCOSIII 通信】

　　這是一個免費提供的面向數(shù)字驅(qū)動接口的實時通信標(biāo)準(zhǔn)，SERCOSIII不僅有特定的物理層連接的硬件架構(gòu)，同時SERCOS接口的協(xié)議結(jié)構(gòu)和應(yīng)用規(guī)范的定義也是特定的。SERCOSIII是SERCOS的第三代，SERCOS于1985年被推向市場，是一個標(biāo)準(zhǔn)的遵循IEEE802.3的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這個通信系統(tǒng)最初使用在基于運動控制的自動化系統(tǒng)，一個已注冊的協(xié)會：SERCOS國際協(xié)會，支持這項技術(shù)的發(fā)展并保持標(biāo)準(zhǔn)的一致性。它如何工作？SERCOSIII在主站和從站均采用特定硬件，這些SERCOSIII硬件減輕了主CPU的通信任務(wù)，并確保了快速的實時數(shù)據(jù)處理和基于硬件的同步，從站需要特殊的硬件，而主站可以基于軟件方案，SERCOS用戶組織提供SERCOSIII的IP Core給基于FPGA的SERCOSIII硬件開發(fā)者。SERCOSIII采用集束幀方式來傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須采用菊花鏈或封閉的環(huán)形拓?fù)?，由于以太網(wǎng)具有全雙工能力，菊花鏈實際上已經(jīng)構(gòu)成一個獨立的環(huán)。因此對于一個環(huán)形拓?fù)鋵嶋H上相當(dāng)于提供一個雙環(huán)，使得它允許冗余數(shù)據(jù)傳輸。直接交叉通信能力是由每個節(jié)點上的兩個端口來實現(xiàn)，在菊花鏈和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，實時報文在他們向前和向后時經(jīng)過每個節(jié)點，因此，節(jié)點具有在每個通信周期中相互通信兩次而無需通過主站的能力，無需經(jīng)過主站對數(shù)據(jù)進行路由。除了實時通道，它也使用時間槽方式進行無碰撞的數(shù)據(jù)傳輸，SERCOSIII也提供可選的非實時通道來傳遞異步數(shù)據(jù)。節(jié)點通過硬件層進行同步，在通信循環(huán)的第一個報文初期，主站同步報文MST被嵌入到第一個報文來達(dá)到這個目的，確保在100nS以下的高精度時鐘同步偏移，基于硬件的過程補償了運行延遲和以太網(wǎng)硬件所造成的偏差，不同的網(wǎng)段使用不同的循環(huán)時鐘仍然可實現(xiàn)所有的同步運行。

　　【用戶組織】

　　用戶獨立是總體評價一個系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵因素，任何與品牌權(quán)益或?qū)＠嚓P(guān)的懸而未決的問題都可能會限制用戶自己的開發(fā)，這是決定是否使用系統(tǒng)的一個關(guān)鍵考量因素。今后會引發(fā)的法律問題應(yīng)予以預(yù)先規(guī)避：這需要深入了解始創(chuàng)者與用戶組織的不同解決方案。PROFINET用戶組織PNO，拼寫為PROFIBUS Nutzerorganisatione. V.運行一個機構(gòu)來管理合作項目并向成員傳遞信息及其它感興趣的內(nèi)容。PROFIBUS和PROFINET產(chǎn)品認(rèn)證中心隸屬于該機構(gòu)，并于1996年4月24日通過章程-定義其權(quán)利和義務(wù)，且開放給所有成員公司、協(xié)會和機構(gòu)、那些對于PNO感興趣的設(shè)備供應(yīng)商、用戶、系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商或PROFIBUS及PROFINET網(wǎng)絡(luò)運營商。POWERLINK - EPSG：Ethernet POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組(EPSG)成立于2003年。作為一個獨立的組織，是由在驅(qū)動器和自動化領(lǐng)域的各個廠商共同發(fā)起建立的。該組織的目標(biāo)是將由B&R在2001年推出的這項技術(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化和持續(xù)的開發(fā)。EPSG也與標(biāo)準(zhǔn)化組織如CiA及IEC等合作。EPSG是一個按照瑞士民法注冊的協(xié)會組織。EtherNet / IP網(wǎng)絡(luò) - ODVA：ODVA是所有DeviceNet和EtherNet/IP的用戶聯(lián)盟。該組織參與這一總線的持續(xù)發(fā)展和進一步的推廣。主要在美國和亞洲，也包括歐洲。該組織活動的主旨是開發(fā)和推廣CIP及其它基于此的協(xié)議。每個用戶不僅可以應(yīng)用這項技術(shù)，也可受邀加入對其持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)的特別興趣小組(SIG)。 ODVA還積極參加其他標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)和行業(yè)協(xié)會。該組織的章程相對復(fù)雜。EtherCAT技術(shù) - ETG：EtherCAT技術(shù)協(xié)會是由用戶、OEM廠商以及其它自動化組件供應(yīng)商共同建立的一個論壇。該組織的目的是提供支持和將EtherCAT作為一個開放技術(shù)對其收益進行宣傳。所有的合作協(xié)議必須與Beckhoff自動化直接簽署。EtherCAT技術(shù)協(xié)會位于德國紐倫堡，是一個“非注冊協(xié)會”，它是一個沒有按照德國民法法典注冊的機構(gòu)。SERCOS III – sercos International e.V.：是一個在德國美因河畔法蘭克福聯(lián)邦注冊的協(xié)會，這個協(xié)會的成員是由制造商和控制、驅(qū)動系統(tǒng)的用戶，以及其它自動化組件廠商、研究機構(gòu)和其它協(xié)會共同成立的。在北美及亞洲有分支機構(gòu)，總部設(shè)在斯圖加特大學(xué)并且有一個認(rèn)證實驗室。                                                          

　　【狀態(tài)、權(quán)利和授權(quán)】

　　不同的用戶組織哪個是合法的？誰擁有這項技術(shù)？何種法律關(guān)系取決于綁定開發(fā)者使用該項技術(shù)的授權(quán)機制，以下提供了一個就此問題的概覽：1、實際性能較量：實際上，比較系統(tǒng)性能是件困難的事情，因為不同系統(tǒng)的特定性能存在差異，Ethernet/IP和PROFINET RT從開始就被排除在外，因為，這些系統(tǒng)僅僅適用于軟實時需求而設(shè)計，PROFINET IRT由于采用了不同的交換機，這導(dǎo)致了應(yīng)用架構(gòu)的復(fù)雜性，直接的比較與測量顯然不適合，下面的值是建立在公開的計算機制上的：測試場景如下：1、小型機器：一個主站和33個I/O模塊(64模擬量和136數(shù)字量通道)2、I/O系統(tǒng)，一個主站，12個Ethernet從站帶有33個模塊(2000個數(shù)字量和500個模擬量通道)3、運動控制系統(tǒng)，帶有24個伺服軸和1個I/O站，110數(shù)字量和30個模擬量。實際上，POWERLINK在大部分應(yīng)用是較之EtherCAT更快的，EtherCAT僅僅是為低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載而優(yōu)化的，對于重負(fù)載系統(tǒng)而言，EtherCAT環(huán)境下有著極不相稱的循環(huán)周期提升，如果用于實現(xiàn)一個分布式架構(gòu)(例如分布式運動控制)，Ether-CAT由于缺乏直接交叉通信而導(dǎo)致巨大的性能降低。一個直接的EtherCAT I/O集成將導(dǎo)致非常低的采樣率(I/O系統(tǒng))，由于時間信號必須經(jīng)過每個I/O從而直接的影響了整個循環(huán)周期。Prytz(2008)發(fā)布的方法可用于計算EtherCAT的參考，信號通過EtherCAT ASIC的信號延遲也被再次驗證。對于POWERLINK，其實際應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)置并進行實際測試-這使得它引用的測試數(shù)據(jù)毋庸置疑。沒有測試數(shù)據(jù)用于SERCOSIII，然而，SERCOSIII可以預(yù)期與POWERLINK提供相同等級的實時性，事實上，在很多領(lǐng)域SERCOSIII同樣較之EtherCAT更快的系統(tǒng)速度。

　　【實現(xiàn)】

　　實現(xiàn)成本包括開發(fā)費用、License費用和硬件費用，代碼可用性(程序或在硬件實現(xiàn)中的VHDL代碼)必須在這種情況中予以考慮。主站實現(xiàn)，從站實現(xiàn)：對于EtherCAT，SERCOSIII和PROFINET IRT，實現(xiàn)從站的總線協(xié)議需要使用硬件方案ASIC，對于POWERLINK，Ethernet/IP和PROFINET RT基于微處理的軟件方案可以使用，對于軟件方案而言，協(xié)議棧的License費用需要考慮，可能其它額外的費用例如使用更為強大的控制器，對于硬件方案，用戶可以使用FPGA或基于ASIC的通信接口，理論上，F(xiàn)PGA也可以被用于軟件方案。FPGA是一種集成電路，它允許開發(fā)者自主配置他們的硬件。它有邏輯器件構(gòu)成，即所謂的邏輯單元，一個層級可以用于重新配置電路。所有ASIC可以實現(xiàn)的功能FPGA均可實現(xiàn)。而且，它可以在調(diào)試前定制。相較于ASIC，F(xiàn)PGA的一次性開發(fā)成本較低，F(xiàn)PGA對于工業(yè)以太網(wǎng)方案是一個極具吸引力的技術(shù)-因為它成本更低，性能高并具有多種協(xié)議支持能力，并且它允許在組件內(nèi)實現(xiàn)預(yù)安裝組件功能來集成二級功能(Hub，交換機)，當(dāng)然，用戶需要清楚協(xié)議的代碼容量需求量及相應(yīng)地邏輯單元的數(shù)量，L2功能也對數(shù)量有較大的影響。交換機比HUB需要更多的塊，而復(fù)雜的管理交換則需要更多數(shù)量的邏輯單元。POWERLINK是一個較為簡單的實時以太網(wǎng)方案，由于POWERLINK網(wǎng)絡(luò)里僅需要Hub，因此，這個協(xié)議僅需要非常小的邏輯塊，較小的FPGA，相反，EtherCAT和SERCOSIII，則需要更多的邏輯單元不同實時以太網(wǎng)環(huán)境的節(jié)點間互聯(lián)成本對于每個節(jié)點間的互聯(lián)而言，其成本參照硬件的費用，而協(xié)議授權(quán)的成本尚未計算在內(nèi)。EtherCAT：這個計算是基于最便宜的EtherCAT ASIC方案，帶有2個以太網(wǎng)口(ET1100)，EtherCAT基于FPGA的方案成本更高，這個不同很大程度在于同步方案帶有實時時鐘。SERCOSIII：SERCOSIII的數(shù)字是基于典型的FPGA方案來實現(xiàn)的。

　　【運行成本】

　　運行成本在很大程度上由維護和網(wǎng)絡(luò)管理成本的費用構(gòu)成。一些技術(shù)例如IP Sync和PROFINET IRT非常復(fù)雜并且需要非常大的網(wǎng)絡(luò)管理成本，并且，使用交換機即需要網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗，在很多情況下，需要一個本地的網(wǎng)絡(luò)工程師來調(diào)試和維護系統(tǒng)。同步技術(shù)的應(yīng)用在實時通信方案中扮演著關(guān)鍵角色，POWERLINK和SERCOSIII確保了通過主站管理機制下的高同步性及精確性，且極少因干擾而出錯。PROFINET IRT & Ethernet/IP CIP Sync依賴于IEEE1588兼容同步機制，這導(dǎo)致了非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理，尤其是設(shè)備必須隔離，因為硬件或軟件問題將觸發(fā)同步錯誤。

　　【安全功能】

　　集成安全技術(shù)的全球標(biāo)準(zhǔn)，通過高效率的通信，顯著地降低了布線成本，縮短了調(diào)試時間，實現(xiàn)卓越機器性能。憑借經(jīng)過認(rèn)證的安全技術(shù)，最大限度地提高生產(chǎn)力，并確保與客戶工業(yè)以太網(wǎng)解決方案相兼容