工業以太網技術全面解析

高性能、工廠設備和IT系統集成，以及工業物聯網的需求驅動促進了工業以太網的增長。在實時工業以太網中，EPA、 EtherCAT、 RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的競爭者。下面對它們進行簡單比較。

Ethernet/IP

Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODVA( Open DevicenetVendorsAssociation共同開發的工業以太網標準。

實現實時性的方法

Ethernet/IP實現實時性的方法是在TCP/IP層之上增加了用于實時數據交換和運行實時應用的CIP協議(Common Industrial Protocol )。

Ethernet/IP在物理層和數據鏈路層采用標準的以太網技術，在網絡層和傳輸層使用IP協議和TCP、 UDP協議來傳輸數據。UDP是一種非面向連接的協議，它能夠工作在單播和多播的方式，只提供設備間發送數據報的能力。對于實時性很高的I/O數據、運動控制數據和功能行安全數據，使用UDP/IP協議來發送。而TCP是一種可靠的、面向連接的協議。對于實時性要求不是很高的數據(如參數設置、組態和診斷等)采用TCP/IP協議來發送。

Ethernet/IP采用生產者/消費者數據交換模式。生產者向網絡中發送有唯一標識符的數據包。消費者根據需要通過標識符從網絡中接收需要的數據。這樣數據源只需一次性地把數據傳到網上，其它節點有選擇地接收數據，這樣提高了通信的效率。

Ethernet/IP是在CIP這個協議的控制下實現非實時數據和實時數據的傳輸。CIP是一個提供工業設備端到端的面向對象的協議，且獨立于物理層及數據鏈路層，這使得不同供應商提供的設備能夠很好的交互。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標準以提高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、清華大學、浙江中控技術公司、大連理工大學、中科院自動化所等單位聯合制定，是用于工業測量和控制系統的實時以太網標準。

實現實時性的方法

EPA實現實時性的方法是在ISO/IEC8802.3協議所規定的數據鏈路層之上增加了一個EPA-CSME ( communication scheduling management entity，通信管理實體)。

增加EPA-CSME，EPA-C SME用于對數據報文的調度管理，它支持兩種通信調度方式：非實時的通信使用CSMA/CD通信機制，非實時數據直接在DLE層和DLS-Use：之間傳輸，不進行任何緩沖和處理;實時性使用確定性調度方式，EPA將DLS-User數據根據控制時序和優先級大小傳送給DLE，然后經過PHY發送出去，這樣避免了網絡中報文的碰撞。

另外，EPA網絡為了避免沖突的發生將控制網絡分成了若干個由網橋相互隔離的控制區域一一微網段。各微網段內通信互不干擾。不同微網段的設備的通信需要通過網橋轉發來實現。這使得網絡中的任何報文都被嚴格的監控，從而避免了廣播風暴的產生。

目前，一些公司，比如浙大中控，己經開發了多種產品EPA產品，包括基于EPA的控制系統、基于EPA的變送器、執行器、遠程分散控制站、數據采集器、現場控制器、無紙記錄儀?；贓PA的分布式網絡控制系統己在工廠得到成功應用。

Ethernet Powerlink

Ethernet Powerlink(簡稱EPL)是由奧地利B&R(貝加萊)公司于2001年開發出來的實時以太網解決方案。2003年，由全球自動化和驅動行業的領軍公司成立了EPSGC EthernetPowerlink標準化組織，來標準化和強化Powerlink技術。

實現實時性的方法

EPL標準是在CANopen基礎上發展來的。它實現實時性的方法是對TCP/IP協議棧進行了實時擴展，引入了SCNM ( slot communication network management，時間槽通信網絡管理)機制來消除C SMA/CD的不確定性。

SCNM原理是網絡按照一個固定的周期進行通信。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。實時性要求嚴格的數據在同步時間槽中傳輸。時間不苛刻的數據在異步時間槽中傳輸。在三種時間槽中又根據網絡中通信節點的數目劃分為不同的子時間槽。這樣保證了實時數據的實時性傳輸，又杜絕了網絡沖突的發生。

PROFINET

PROFINET是由PI ( Profibus International)組織提出的工業以太網標準。從2004年4月開始，PI與Interbus Club ( Interbus總線俱樂部)聯手，負責合作開發與制定PROFINET的相關標準。PROFIBUS技術和INTERBUS技術可以在整個控制系統中無縫地集成。

現在PROFINET有三個版本，能夠實現3種類型的通信：TCP/IP標準通信和兩類實時通信。在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE802.1 D和IEEE1588進行實時性擴展的技術方案，同時，根據不同的實時性要求采用不同的實時通道技術。

PROFINET提供的標準通道使用TCP/IP協議來進行非實時通信，用于設備參數化、組態和診斷數據的傳輸。兩個實時通道：實時通道RT和實時通道IRT。

實時通道RT是一種軟實時(software real time）方案，一般響應時間為lOms，主要用于工廠自動化領域中的過程數據高性能循環傳輸、事件控制的信號與報警信號燈。

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

另外根據應用對象的不同，PROFINET有兩種組網方式：PROFINETIO和PROFINETCBA。

SERCOS III

SERCOS ( Serial Real Time Communication System，串行實時通信系統)在1989年誕生，并在1995年成為國際標準IEC61491 }26}。到目前為止，SERCOS己經經歷了三代的發展:SERCOS I, SERCOS II, SERCOS III，其中SERCOSI和SERCOS II統稱為SERCOS 。SERCO S III是SERCOS成熟的通信機制和工業以太網相結合的產物，它既具有 SERCOS的實時特性，又具有以太網的特性。相對于SERCOS， SERCOS III具有的優點有：

基于工業以太網，數據傳輸速率高達1OOMbit/s；

能夠實現標準的TCP/IP通信；

能夠使用CATSE雙絞銅纜和光纖通信；

具有線型和環型的拓撲結構；

支持從站與從站之間的jiāo叉通信；

支持從站的熱插拔;支持與安全相關的數據傳輸；

向下兼容以前的SERCO S總線協議。

實現實時性的方法

SERCOSS III采用TDMA(時分多路復用)的通信機制實現以太網的實時性和確定性。它能夠使用線型或環型的拓撲結構與驅動器、I/O設備、傳感器相連接，但是不支持星形結構。

RTEX

RTEX是松下為實現運動控制高速實時性要求獨自開發的高端總線技術，早于2004年便已經被提出了。作為一款為運動控制量身定做的高端實時運動控制總線，RTEX總線經過多年打磨，已經形成集運動控制器、伺服、步進、遠程IO、變頻器等的整體運動控制系統生態圈，并以其高速、高精、高抗干擾、高性價比、簡單可靠性、易開發的特點在各行各業為用戶創造了巨大的價值。

RTEX主要特點：

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可選、增加單位距離內指令點數，以及高達4Gpulse的指令傳輸速率，實現了高速與高精完美的統一；

高抗干擾能力：憑借著更短的數據幀、數據幀冗余、數據幀修復功能、環形拓撲結構等特色，RTEX充分保障了通信網絡的抗躁性，防止因通信干擾引發的設備停機；

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

開發難度低：RTEX芯片解決方案提供了豐富的運動控制算法和功能模塊，并且內置數據幀修復等特殊功能，開發難度低，且大幅縮短開發周期，可快速實現輔助功能開發及產品升級；

實施設備預診斷：依托RTEX總線的數據通訊方式，設備能更為快速的進行診斷與維護，并通過數據收集分析，可對設備故障實施預診斷。

EtherCAT

EtherCAT是由德國倍福(Beckhoff)公司于2003年提出的實時工業以太網技術。為了給來自全球的自動化人員和產品供應商提供EtherCAT技術支持，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以太網組織且己擁有2705個會員，而且成員越來越多，由此可以看出EtherCAT技術在工控領域中的地位和作用將越來越重要。經過幾年的發展，EtherCAT經過廣泛的認可，現在它己經進入多種相關的國際標準：IEC61158中Type12; IEC61784的CPF12;在IEC61800中，EtherCAT支持CANopen DS402和SERCO S規范;在IS015745中，EtherCAT支持DS301。

EtherCAT主要特點：

1.完全符合以太網標準：普通以太網相關的技術都可以應用于EtherCAT網絡中。EtherCAT設備可以與其他的以太網設備共存于同一網絡中。普通的以太網卡、交換機、路由器等標準組件都可以在EtherCAT中使用。

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

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

4.高效率、刷新周期短：EtherCAT從站對數據幀的讀取、解析、過程數據的提取與插入完全由硬件來實現，這使得數據幀的處理不受CPU的性能、軟件的實現方式等影響，時間延遲極小、實時性很高。同時EtherCAT可以達到小于100us的數據刷新周期。

5.能夠壓縮大量設備數據：EtherCAT以太網幀中能夠壓縮大量的設備數據，這使得EtherCAT網絡有效數據率可達到90%以上。據官方測試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(相當于12000個I/O)的單個以太網幀的刷新時間緊緊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點間的同步精度能夠遠小于lus。

7.無須從屬子網：很復雜的節點或只有一兩位的數字I/O都能被用作EtherCAT從站。

8.多種應用層協議接口：EtherCAT擁有多種應用層協議接口來支持多種工業設備行規：CoE ( CANopen overEtherCAT)用來支持CANopen協議，SOE (SERCOE over EtherCAT)用來支持SERCOE協議，EOE ( Ethernetover EtherCAT)用來支持普通的以太網協議，FOE ( 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據訪問服務。對多種行規的支持使得用戶和設備制造商很容易從現場總線向EtherCAT轉換。