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EtherCAT和Profinet總線對(duì)比

時(shí)間:2023-06-15 10:46:38來(lái)源:自動(dòng)化與工程技術(shù)

導(dǎo)語(yǔ):?工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT和Profinet的比較。

  前言

  說(shuō)到工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng),目前最風(fēng)光和流行的莫過(guò)于EtherCAT了。EtherCAT是一種開(kāi)放式總線,憑借其良好的以太網(wǎng)特性和硬實(shí)時(shí)功能,目前各大主流工控廠商都相繼開(kāi)發(fā)了基于EtherCAT技術(shù)的產(chǎn)品。工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)當(dāng)然不止EtherCAT一種,主流的包括西門(mén)子Profinet, 貝加萊的PowerLink,其他如SERCOS, Ethernet/IP, EPA等等,今天我們主要探討一下BECKHOFF公司的EtherCAT和西門(mén)子公司的Profinet兩種典型實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的對(duì)比。

EtherCAT和Profinet總線.png 


  (一)Profinet

  下圖顯示了帶SIPLUS極端組件的TIA Portal硬件目錄。首先我們看一下Profinet,從下圖可以看出,Profinet分成了三個(gè)版本:

  Profinet CbA

  Profinet RT

  Profinet IRT

  

)Profinet.jpg

這三個(gè)不同的版本對(duì)應(yīng)了Profinet三種不同的實(shí)時(shí)特性,CbA指的是基于組件的自動(dòng)化,其實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間是100ms, 通常用于實(shí)時(shí)性要求不高的一般工業(yè)控制場(chǎng)合,RT指的是軟實(shí)時(shí),用于工廠自動(dòng)化的PLC層面控制,響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了10ms,而IRT指的是同步實(shí)時(shí),也可以說(shuō)成是硬件實(shí)時(shí),響應(yīng)時(shí)間小于1ms,可以滿足大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的實(shí)時(shí)和同步要求。Profinet的RT和IRT可以很形象的用下圖來(lái)說(shuō)明:

Profinet的RT和IRT可以很形象.jpg

  

Profinet IRT為了保證絕對(duì)的實(shí)時(shí)性,在數(shù)據(jù)傳輸通道上是做了和普通以太網(wǎng)隔離的,所謂的隔離指的是在IRT并不采用TCP/IP協(xié)議來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),這和EtherCAT類似。


  (二)EtherCAT

  EtherCAT是由BECKHOFF研發(fā)并在2003年推向市場(chǎng)的,目前通過(guò)ETG(EtherCAT Technology Group)組織運(yùn)營(yíng)。EtherCAT是一種高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng),不分不同的版本,它直接對(duì)標(biāo)的是Profinet IRT, 同樣通過(guò)硬件芯片來(lái)保證其實(shí)時(shí)性。EtherCAT總線性能優(yōu)越,響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了微秒級(jí):

 
 

EtherCAT1.jpg

通過(guò)分布式時(shí)鐘的運(yùn)用,EtherCAT總線的時(shí)鐘同步可以做到納秒級(jí),這也正是各大運(yùn)動(dòng)控制廠商對(duì)EtherCAT技術(shù)趨之若鶩的原因。EtherCAT分布式時(shí)鐘應(yīng)用:

EtherCAT分布式時(shí)鐘應(yīng)用.jpg

 

  (三)EtherCAT與Profinet IRT

  (1)運(yùn)行原理

  EtherCAT采用的是一種可以形象的稱之為“on the fly”的技術(shù),將以太網(wǎng)的報(bào)文結(jié)構(gòu)優(yōu)化以適用于分布式IO,通訊完全是通過(guò)硬件芯片來(lái)支持以保證最大性能,如果是純粹的EtherCAT網(wǎng)絡(luò),根本就不需要交換機(jī),而且診斷功能非常強(qiáng)大。

  Profinet采用的是時(shí)間片技術(shù),通過(guò)內(nèi)置在設(shè)備內(nèi)的特定交換機(jī)芯片來(lái)完成硬實(shí)時(shí),循環(huán)時(shí)間250微秒到4毫秒,抖動(dòng)大約1微秒。下圖說(shuō)明了在循環(huán)中IRT數(shù)據(jù)是如何得到實(shí)時(shí)保證的:

在循環(huán)中IRT數(shù)據(jù)是如何得到實(shí)時(shí)保證.jpg 

    (2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

  EtherCAT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常靈活,可以是線性、星型、樹(shù)型、混合型等等,幾乎可以用于任何一種連接方式,同時(shí)EtherCAT支持線纜冗余,每個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)理論上可以支持65535個(gè)節(jié)點(diǎn),而且不受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。

  Profinet支持線性、樹(shù)型等結(jié)構(gòu),每個(gè)Profinet網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)是60個(gè),而且必須使用特定的Profinet IRT交換機(jī)。交換機(jī)級(jí)聯(lián)的數(shù)量也有限制,不能超過(guò)20-25個(gè),也就意味著無(wú)論你愿意不愿意,星型連接是最常規(guī)的設(shè)計(jì),既保證了性能又降低了成本,但是顯然其拓?fù)洳粔蜢`活。(3)易用性

  EtherCAT不受從站和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響,網(wǎng)絡(luò)部署靈活。不需要手動(dòng)設(shè)置從站地址,也不需要管理IP或MAC地址。從站地址都是自動(dòng)生成的,而且如果有新的從站加入也不需要手動(dòng)進(jìn)行地址更新,這樣地址沖突也就無(wú)從說(shuō)起了,EtherCAT因此具有良好的用戶體驗(yàn)。

  Profinet需要手動(dòng)設(shè)定每個(gè)從站的地址,而且如果插入了新的從站,對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的從站地址都會(huì)產(chǎn)生影響,地址管理比較復(fù)雜,需要專業(yè)人士來(lái)操作,通常機(jī)器設(shè)備供應(yīng)商無(wú)法完成。如果某些非Porfinet網(wǎng)絡(luò)發(fā)生例如高強(qiáng)度ARP請(qǐng)求這類情況時(shí),Profinet網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得脆弱,為此,PI組織還專門(mén)發(fā)布了Profinet IO網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的建議書(shū),以便用戶去把握自己網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載限制,這明顯對(duì)用戶是不太友好的。(4)穩(wěn)定性

  EtherCAT自2005年第一次起草IEC61158標(biāo)準(zhǔn)以來(lái),一共進(jìn)行了46此的技術(shù)變更,多數(shù)情況是勘誤。每一次變更都可以用勘誤表來(lái)追溯,文檔可以在ETG官網(wǎng)下載。維護(hù)測(cè)試工具一直在加強(qiáng),但是未發(fā)生根本改變。EtherCAT進(jìn)行了一些參數(shù)變更,但是其技術(shù)版本自其發(fā)布以來(lái)未發(fā)生變化。

  Profinet沒(méi)有詳細(xì)的勘誤表提供,同時(shí)Profinet有三個(gè)版本,其IRT版本也一直在發(fā)生變化。因?yàn)镻rofinet并不是一種開(kāi)放式總線,在發(fā)生參數(shù)更改或者技術(shù)變革的時(shí)候,不提供詳細(xì)資料給用戶也是可以理解的。但是從技術(shù)穩(wěn)定性上來(lái)說(shuō),開(kāi)放式總線對(duì)用戶更加友好。

  (四)總結(jié)

  由于總線技術(shù)以及應(yīng)用背景的差異,我們不能說(shuō)某一種總線的性能要優(yōu)于另外一種總線,一般來(lái)說(shuō),市場(chǎng)用戶可以說(shuō)明問(wèn)題。EtherCAT由于其開(kāi)放性而獲得了大量用戶的青睞,從這個(gè)角度來(lái)說(shuō),Profinet暫時(shí)還不太可能取得Profibus那樣的輝煌,作為一種傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線,Profibus也是開(kāi)放的。EtherCAT快速增長(zhǎng)的用戶數(shù)量:

  

EtherCAT快速增長(zhǎng)的用戶數(shù)量.jpg

 

  結(jié)合時(shí)下流行趨勢(shì),EtherCAT也開(kāi)始和IoT技術(shù)結(jié)合起來(lái),從概念上來(lái)說(shuō),EtherCAT把自己融入到IoT技術(shù)中去了,甚至ETG自稱EtherCAT本身就是IoT。工業(yè)以太網(wǎng)總線的未來(lái)非常光明,傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線在數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸速度上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工業(yè)以太網(wǎng)。舉例說(shuō),CAN通常被用于汽車工業(yè),隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車越來(lái)越被看成是一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端,CAN還能滿足高速和大量的數(shù)據(jù)傳輸要求嗎?有些汽車廠商已經(jīng)走在了技術(shù)的前沿,比如豐田就已經(jīng)開(kāi)始采用EtherCAT技術(shù)了。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)傳統(tǒng)意義上的總線之爭(zhēng),會(huì)隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)生根本性的變化。


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