工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)全面解析

高性能、工廠設(shè)備和IT系統(tǒng)集成，以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求驅(qū)動促進(jìn)了工業(yè)以太網(wǎng)的增長。在實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)中，EPA、 EtherCAT、 RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的競爭者。下面對它們進(jìn)行簡單比較。

Ethernet/IP

Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODVA( Open DevicenetVendorsAssociation共同開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的方法

Ethernet/IP實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的方法是在TCP/IP層之上增加了用于實(shí)時數(shù)據(jù)交換和運(yùn)行實(shí)時應(yīng)用的CIP協(xié)議(Common Industrial Protocol )。

Ethernet/IP在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層使用IP協(xié)議和TCP、 UDP協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。UDP是一種非面向連接的協(xié)議，它能夠工作在單播和多播的方式，只提供設(shè)備間發(fā)送數(shù)據(jù)報的能力。對于實(shí)時性很高的I/O數(shù)據(jù)、運(yùn)動控制數(shù)據(jù)和功能行安全數(shù)據(jù)，使用UDP/IP協(xié)議來發(fā)送。而TCP是一種可靠的、面向連接的協(xié)議。對于實(shí)時性要求不是很高的數(shù)據(jù)(如參數(shù)設(shè)置、組態(tài)和診斷等)采用TCP/IP協(xié)議來發(fā)送。

Ethernet/IP采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者數(shù)據(jù)交換模式。生產(chǎn)者向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送有唯一標(biāo)識符的數(shù)據(jù)包。消費(fèi)者根據(jù)需要通過標(biāo)識符從網(wǎng)絡(luò)中接收需要的數(shù)據(jù)。這樣數(shù)據(jù)源只需一次性地把數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)上，其它節(jié)點(diǎn)有選擇地接收數(shù)據(jù)，這樣提高了通信的效率。

Ethernet/IP是在CIP這個協(xié)議的控制下實(shí)現(xiàn)非實(shí)時數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸。CIP是一個提供工業(yè)設(shè)備端到端的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，且獨(dú)立于物理層及數(shù)據(jù)鏈路層，這使得不同供應(yīng)商提供的設(shè)備能夠很好的交互。另外，為了獲得更好的時鐘同步性能，2003年ODVA將IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync標(biāo)準(zhǔn)以提高Ethernet/IP的時鐘同步精度。

EPA

EPA是在“863”計劃的支持下，由浙江大學(xué)、清華大學(xué)、浙江中控技術(shù)公司、大連理工大學(xué)、中科院自動化所等單位聯(lián)合制定，是用于工業(yè)測量和控制系統(tǒng)的實(shí)時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的方法

EPA實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的方法是在ISO/IEC8802.3協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層之上增加了一個EPA-CSME ( communication scheduling management entity，通信管理實(shí)體)。

增加EPA-CSME，EPA-C SME用于對數(shù)據(jù)報文的調(diào)度管理，它支持兩種通信調(diào)度方式：非實(shí)時的通信使用CSMA/CD通信機(jī)制，非實(shí)時數(shù)據(jù)直接在DLE層和DLS-Use：之間傳輸，不進(jìn)行任何緩沖和處理;實(shí)時性使用確定性調(diào)度方式，EPA將DLS-User數(shù)據(jù)根據(jù)控制時序和優(yōu)先級大小傳送給DLE，然后經(jīng)過PHY發(fā)送出去，這樣避免了網(wǎng)絡(luò)中報文的碰撞。

另外，EPA網(wǎng)絡(luò)為了避免沖突的發(fā)生將控制網(wǎng)絡(luò)分成了若干個由網(wǎng)橋相互隔離的控制區(qū)域一一微網(wǎng)段。各微網(wǎng)段內(nèi)通信互不干擾。不同微網(wǎng)段的設(shè)備的通信需要通過網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)。這使得網(wǎng)絡(luò)中的任何報文都被嚴(yán)格的監(jiān)控，從而避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。

目前，一些公司，比如浙大中控，己經(jīng)開發(fā)了多種產(chǎn)品EPA產(chǎn)品，包括基于EPA的控制系統(tǒng)、基于EPA的變送器、執(zhí)行器、遠(yuǎn)程分散控制站、數(shù)據(jù)采集器、現(xiàn)場控制器、無紙記錄儀。基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)己在工廠得到成功應(yīng)用。

Ethernet Powerlink

Ethernet Powerlink(簡稱EPL)是由奧地利B&R(貝加萊)公司于2001年開發(fā)出來的實(shí)時以太網(wǎng)解決方案。2003年，由全球自動化和驅(qū)動行業(yè)的領(lǐng)軍公司成立了EPSGC EthernetPowerlink標(biāo)準(zhǔn)化組織，來標(biāo)準(zhǔn)化和強(qiáng)化Powerlink技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的方法

EPL標(biāo)準(zhǔn)是在CANopen基礎(chǔ)上發(fā)展來的。它實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的方法是對TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了實(shí)時擴(kuò)展，引入了SCNM ( slot communication network management，時間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理)機(jī)制來消除C SMA/CD的不確定性。

SCNM原理是網(wǎng)絡(luò)按照一個固定的周期進(jìn)行通信。每個周期分為三個時間槽：同步時間槽、異步時間槽、空閑時間槽。實(shí)時性要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)在同步時間槽中傳輸。時間不苛刻的數(shù)據(jù)在異步時間槽中傳輸。在三種時間槽中又根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)目劃分為不同的子時間槽。這樣保證了實(shí)時數(shù)據(jù)的實(shí)時性傳輸，又杜絕了網(wǎng)絡(luò)沖突的發(fā)生。

PROFINET

PROFINET是由PI ( Profibus International)組織提出的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。從2004年4月開始，PI與Interbus Club ( Interbus總線俱樂部)聯(lián)手，負(fù)責(zé)合作開發(fā)與制定PROFINET的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS技術(shù)和INTERBUS技術(shù)可以在整個控制系統(tǒng)中無縫地集成。

現(xiàn)在PROFINET有三個版本，能夠?qū)崿F(xiàn)3種類型的通信：TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信和兩類實(shí)時通信。在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE802.1 D和IEEE1588進(jìn)行實(shí)時性擴(kuò)展的技術(shù)方案，同時，根據(jù)不同的實(shí)時性要求采用不同的實(shí)時通道技術(shù)。

PROFINET提供的標(biāo)準(zhǔn)通道使用TCP/IP協(xié)議來進(jìn)行非實(shí)時通信，用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和診斷數(shù)據(jù)的傳輸。兩個實(shí)時通道：實(shí)時通道RT和實(shí)時通道IRT。

實(shí)時通道RT是一種軟實(shí)時(software real time）方案，一般響應(yīng)時間為lOms，主要用于工廠自動化領(lǐng)域中的過程數(shù)據(jù)高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號與報警信號燈。

實(shí)時通道IRT(IsochronousReal-time)使用了專用的ASIC芯片來對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了解析，這樣縮短了處理時間。該方案特別適用于高性能傳輸、過程數(shù)據(jù)的等時同步傳輸及需要快速時鐘同步的運(yùn)動控制領(lǐng)域。

另外根據(jù)應(yīng)用對象的不同，PROFINET有兩種組網(wǎng)方式：PROFINETIO和PROFINETCBA。

SERCOS III

SERCOS ( Serial Real Time Communication System，串行實(shí)時通信系統(tǒng))在1989年誕生，并在1995年成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61491 }26}。到目前為止，SERCOS己經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展:SERCOS I, SERCOS II, SERCOS III，其中SERCOSI和SERCOS II統(tǒng)稱為SERCOS 。SERCO S III是SERCOS成熟的通信機(jī)制和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)物，它既具有 SERCOS的實(shí)時特性，又具有以太網(wǎng)的特性。相對于SERCOS， SERCOS III具有的優(yōu)點(diǎn)有：

基于工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1OOMbit/s；

能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通信；

能夠使用CATSE雙絞銅纜和光纖通信；

具有線型和環(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

支持從站與從站之間的jiāo叉通信；

支持從站的熱插拔;支持與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸；

向下兼容以前的SERCO S總線協(xié)議。

實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的方法

SERCOSS III采用TDMA(時分多路復(fù)用)的通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時性和確定性。它能夠使用線型或環(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與驅(qū)動器、I/O設(shè)備、傳感器相連接，但是不支持星形結(jié)構(gòu)。

RTEX

RTEX是松下為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制高速實(shí)時性要求獨(dú)自開發(fā)的高端總線技術(shù)，早于2004年便已經(jīng)被提出了。作為一款為運(yùn)動控制量身定做的高端實(shí)時運(yùn)動控制總線，RTEX總線經(jīng)過多年打磨，已經(jīng)形成集運(yùn)動控制器、伺服、步進(jìn)、遠(yuǎn)程IO、變頻器等的整體運(yùn)動控制系統(tǒng)生態(tài)圈，并以其高速、高精、高抗干擾、高性價比、簡單可靠性、易開發(fā)的特點(diǎn)在各行各業(yè)為用戶創(chuàng)造了巨大的價值。

RTEX主要特點(diǎn)：

高速且高精：RTEX通過采用絕對值式位置指令、指令更新周期通過參數(shù)可選、增加單位距離內(nèi)指令點(diǎn)數(shù)，以及高達(dá)4Gpulse的指令傳輸速率，實(shí)現(xiàn)了高速與高精完美的統(tǒng)一；

高抗干擾能力：憑借著更短的數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)幀冗余、數(shù)據(jù)幀修復(fù)功能、環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特色，RTEX充分保障了通信網(wǎng)絡(luò)的抗躁性，防止因通信干擾引發(fā)的設(shè)備停機(jī)；

高實(shí)時性、同步性：RTEX總線最小通信周期可達(dá)到125us，在百微秒級的同步控制周期內(nèi)，指令能夠被及時有效地發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)的各個軸上，保證每個軸都有一致、精確的實(shí)時性和同步性；

開發(fā)難度低：RTEX芯片解決方案提供了豐富的運(yùn)動控制算法和功能模塊，并且內(nèi)置數(shù)據(jù)幀修復(fù)等特殊功能，開發(fā)難度低，且大幅縮短開發(fā)周期，可快速實(shí)現(xiàn)輔助功能開發(fā)及產(chǎn)品升級；

實(shí)施設(shè)備預(yù)診斷：依托RTEX總線的數(shù)據(jù)通訊方式，設(shè)備能更為快速的進(jìn)行診斷與維護(hù)，并通過數(shù)據(jù)收集分析，可對設(shè)備故障實(shí)施預(yù)診斷。

EtherCAT

EtherCAT是由德國倍福(Beckhoff)公司于2003年提出的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。為了給來自全球的自動化人員和產(chǎn)品供應(yīng)商提供EtherCAT技術(shù)支持，2003年底ETG(EtherCAT Technology Group）組織成立。到目前為止，該組織是全球最大的工業(yè)以太網(wǎng)組織且己擁有2705個會員，而且成員越來越多，由此可以看出EtherCAT技術(shù)在工控領(lǐng)域中的地位和作用將越來越重要。經(jīng)過幾年的發(fā)展，EtherCAT經(jīng)過廣泛的認(rèn)可，現(xiàn)在它己經(jīng)進(jìn)入多種相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)：IEC61158中Type12; IEC61784的CPF12;在IEC61800中，EtherCAT支持CANopen DS402和SERCO S規(guī)范;在IS015745中，EtherCAT支持DS301。

EtherCAT主要特點(diǎn)：

1.完全符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：普通以太網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)都可以應(yīng)用于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中。EtherCAT設(shè)備可以與其他的以太網(wǎng)設(shè)備共存于同一網(wǎng)絡(luò)中。普通的以太網(wǎng)卡、交換機(jī)、路由器等標(biāo)準(zhǔn)組件都可以在EtherCAT中使用。

2.支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):線型、星型、樹型：可以使用普通以太網(wǎng)使用的電纜或光纜。當(dāng)使用1OOBase-TX電纜時允許兩個設(shè)備之間的通信距離達(dá)100m。當(dāng)使用100BASE-FX模式，使用兩對光纖在全雙工模式下，單模光纖能夠達(dá)到40千米的傳輸距離，多模光纖能夠達(dá)到2千米的傳輸距離。EtherCAT還能夠使用Beckhoff公司自己設(shè)計的低壓差分信號LUDS ( Low Voltage Differential Signaling，低壓差分信號)線來低延時地通信，通信距離能夠達(dá)到10米。

3.廣泛的適用性：任何帶有普通以太網(wǎng)控制器的設(shè)備都有條件作為EtherCAT主站，比如嵌入式系統(tǒng)、普通的PC機(jī)、控制板卡等。

4.高效率、刷新周期短：EtherCAT從站對數(shù)據(jù)幀的讀取、解析、過程數(shù)據(jù)的提取與插入完全由硬件來實(shí)現(xiàn)，這使得數(shù)據(jù)幀的處理不受CPU的性能、軟件的實(shí)現(xiàn)方式等影響，時間延遲極小、實(shí)時性很高。同時EtherCAT可以達(dá)到小于100us的數(shù)據(jù)刷新周期。

5.能夠壓縮大量設(shè)備數(shù)據(jù)：EtherCAT以太網(wǎng)幀中能夠壓縮大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，這使得EtherCAT網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)率可達(dá)到90%以上。據(jù)官方測試1000個I/O更新時間僅僅30us，其中還包括I/O周期時間。而容納1486個字節(jié)(相當(dāng)于12000個I/O)的單個以太網(wǎng)幀的刷新時間緊緊300us。

6.同步性能很好：EtherCAT使用高分辨率的分布式時鐘使各從站節(jié)點(diǎn)間的同步精度能夠遠(yuǎn)小于lus。

7.無須從屬子網(wǎng)：很復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)或只有一兩位的數(shù)字I/O都能被用作EtherCAT從站。

8.多種應(yīng)用層協(xié)議接口：EtherCAT擁有多種應(yīng)用層協(xié)議接口來支持多種工業(yè)設(shè)備行規(guī)：CoE ( CANopen overEtherCAT)用來支持CANopen協(xié)議，SOE (SERCOE over EtherCAT)用來支持SERCOE協(xié)議，EOE ( Ethernetover EtherCAT)用來支持普通的以太網(wǎng)協(xié)議，F(xiàn)OE ( File over EtherCAT）用于上傳和下載固件程序或文件;AOE (ADS over EtherCAT)用于主從站之間非周期的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。對多種行規(guī)的支持使得用戶和設(shè)備制造商很容易從現(xiàn)場總線向EtherCAT轉(zhuǎn)換。