高性能、工廠設備和IT系統(tǒng)集成，以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求驅(qū)動促進了工業(yè)以太網(wǎng)的增長。根據(jù)HMS發(fā)布2017年工業(yè)網(wǎng)絡市場份額報告顯示，工業(yè)以太網(wǎng)的增長速度比往年更快，增長率為22％。工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)在占全球市場的46％，而去年為38％。在具體的通信中，EtherNet/IP和PROFINET份額最大，其中PROFINET主要市場在中歐，EtherNet/IP在北美占主導地位。緊跟其后的是EtherCAT、Modbus-TCP和EthernetPOWERLINK。

在實時工業(yè)以太網(wǎng)中，EPA、EtherCAT、EthernetPowerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOSIII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ControlNetInternational和ODVA(OpenDevicenetVendorsAssociation）共同開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)標準

實現(xiàn)實時性的方法

Ethernet/IP

Ethernet/IP是2000年3月由ControlNetInternational和ODVA(OpenDevicenetVendorsAssociation）共同開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)標準。

Ethernet/IP實現(xiàn)實時性的方法是在TCP/IP層之上增加了用于實時數(shù)據(jù)交換和運行實時應用的CIP協(xié)議(CommonIndustrialProtocol)。

Ethernet/IP在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用標準的以太網(wǎng)技術，在網(wǎng)絡層和傳輸層使用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，只提供設備間發(fā)送數(shù)據(jù)報的能力。對于實時性很高的I/O數(shù)據(jù)、運動控制數(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。對于實時性要求不是很高的數(shù)據(jù)(如參數(shù)設置、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/消費者數(shù)據(jù)交換模式。生產(chǎn)者向網(wǎng)絡中發(fā)送有唯一標識符的數(shù)據(jù)包。消費者根據(jù)需要通過標識符從網(wǎng)絡中接收需要的數(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)議的控制下實現(xiàn)非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的傳輸。CIP是一個提供工業(yè)設備端到端的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，且獨立于物理層及數(shù)據(jù)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IEEE15888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(lián)合制定，是用于工業(yè)測量和控制系統(tǒng)的實時以太網(wǎng)標準。

實現(xiàn)實時性的方法

EPA實現(xiàn)實時性的方法是在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(communicationschedulingmanagemententity，通信管理實體)。

增加EPA-CSME，EPA-CSME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：非實時的通信使用CSMA/CD通信機制，非實時數(shù)據(jù)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(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)絡中報文的碰撞。

另外，EPA網(wǎng)絡為了避免沖突的發(fā)生將控制網(wǎng)絡分成了若干個由網(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)段的設備的通信需要通過網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)。這使得網(wǎng)絡中的任何報文都被嚴格的監(jiān)控，從而避免了廣播風暴的產(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)絡控制系統(tǒng)己在工廠得到成功應用。

EthernetPowerlink

EthernetPowerlink(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)的領軍公司成立了EPSGCEthernetPowerlink標準化組織，來標準化和強化Powerlink技術。

實現(xiàn)實時性的方法

EPL標準是在CANopen基礎上發(fā)展來的。它實現(xiàn)實時性的方法是對TCP/IP協(xié)議棧進行了實時擴展，引入了SCNM(slotcommunicationnetworkmanagement，時間槽通信網(wǎng)絡管理)機制來消除CSMA/CD的不確定性。

SCNM原理是網(wǎng)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(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)絡中通信節(jié)點的數(shù)目劃分為不同的子時間槽。這樣保證了實時數(shù)據(jù)的實時性傳輸，又杜絕了網(wǎng)絡沖突的發(fā)生。

PROFINET

PROFINET是由PI(ProfibusInternational)組織提出的工業(yè)以太網(wǎng)標準。從2004年4月開始，PI與InterbusClub(Interbus總線俱樂部)聯(lián)手，負責合作開發(fā)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(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標準通信和兩類實時通信。在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE802.1D和IEEE1588進行實時性擴展的技術方案，同時，根據(jù)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(xié)議來進行非實時通信，用于設備參數(shù)化、組態(tài)和診斷數(shù)據(jù)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(softwarerealtime）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(shù)據(jù)高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號與報警信號燈。

實時通道IRT(IsochronousReal-time)使用了專用的ASIC芯片來對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)應用對象的不同，PROFINET有兩種組網(wǎng)方式：PROFINETIO和PROFINETCBA。

SERCOSIII

SERCOS(SerialRealTimeCommunicationSystem，串行實時通信系統(tǒng))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(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展:SERCOSI,SERCOSII,SERCOSIII，其中SERCOSI和SERCOSII統(tǒng)稱為SERCOS。SERCOSIII是SERCOS成熟的通信機制和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)物，它既具有SERCOS的實時特性，又具有以太網(wǎng)的特性。相對于SERCOS，SERCOSIII具有的優(yōu)點有：

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

能夠?qū)崿F(xiàn)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(huán)型的拓撲結(jié)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(shù)據(jù)傳輸；

向下兼容以前的SERCOS總線協(xié)議。

實現(xiàn)實時性的方法

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

EtherCAT

EtherCAT是由德國倍福(Beckhoff)公司于2003年提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術。為了給來自全球的自動化人員和產(chǎn)品供應商提供EtherCAT技術支持，2003年底ETG(EtherCATTechnologyGroup）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技術在工控領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)過廣泛的認可，現(xiàn)在它己經(jīng)進入多種相關的國際標準：IEC61158中Type12;IEC61784的CPF12;在IEC61800中，EtherCAT支持CANopenDS402和SERCOS規(guī)范;在IS015745中，EtherCAT支持DS301。

EtherCAT主要特點

完全符合以太網(wǎng)標準

1

普通以太網(wǎng)相關的技術都可以應用于EtherCAT網(wǎng)絡中。EtherCAT設備可以與其他的以太網(wǎng)設備共存于同一網(wǎng)絡中。普通的以太網(wǎng)卡、交換機、路由器等標準組件都可以在EtherCAT中使用。

支持多種拓撲結(jié)構:線型、星型、樹型

2

可以使用普通以太網(wǎng)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(LowVoltageDifferentialSignaling，低壓差分信號)線來低延時地通信，通信距離能夠達到10米

廣泛的適用性

3

任何帶有普通以太網(wǎng)控制器的設備都有條件作為EtherCAT主站，比如嵌入式系統(tǒng)、普通的PC機、控制板卡等。

高效率、刷新周期短

4

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現(xiàn)，這使得數(shù)據(jù)幀的處理不受CPU的性能、軟件的實現(xiàn)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(shù)據(jù)刷新周期。

能夠壓縮大量設備數(shù)據(jù)

5

EtherCAT以太網(wǎng)幀中能夠壓縮大量的設備數(shù)據(jù)，這使得EtherCAT網(wǎng)絡有效數(shù)據(jù)率可達到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)(相當于12000個I/O)的單個以太網(wǎng)幀的刷新時間緊緊300us。

同步性能很好

6

EtherCAT使用高分辨率的分布式時鐘使各從站節(jié)點間的同步精度能夠遠小于lus。

無須從屬子網(wǎng)

7

很復雜的節(jié)點或只有一兩位的數(shù)字I/O都能被用作EtherCAT從站。

多種應用層協(xié)議接口

8

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