主流工业以太网介绍和比较（EtherCAT、EtherNet/IP、ProfiNet、Modbus-TCP、Powerlink）

1）EtherCAT是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EterCAT名称中的CAT为Control Automation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。

EtherCAT主要特点有:
   (1)完全符合以太网标准。普通以太网相关的技术都可以应用于EtherCAT网络中。EtherCAT设备可以与其他的以太网设备共存于同一网络中。普通的以太网卡、交换机、路 由器等标准组件都可以在EtherCAT中使用。
   (2)支持多种拓扑结构:线型、星型、树型。可以使用普通以太网使用的电缆或光缆。当使用1OOBase-TX电缆时允许两个设备之间的通信距离达100m。当使用100BASE-FX模式，使用两对光纤在全双工模式下，单模光纤能够达到40千米的传输距离，多模光纤能够达到2千米的传输距离。EtherCAT还能够使用Beckhoff公司自己设计的低压差分信号LUDS ( Low Voltage Differential Signaling，低压差分信号)线来低延时地通信，通信距离能够达到10米。
    (3)广泛的适用性，任何带有普通以太网控制器的设备都有条件作为EtherCAT主站，比如嵌入式系统、普通的PC机、控制板卡等。

   (4)高效率、刷新周期短。EtherCAT从站对数据帧的读取、解析、过程数据的提取与插入完全由硬件来实现，这使得数据帧的处理不受CPU的性能、软件的实现方式等影响，时间延迟极小、实时性很高。同时EtherCAT可以达到小于100us的数据刷新周期。

    （5）EtherCAT以太网帧中能够压缩大量的设备数据，这使得EtherCAT网络有效数据率可达到90%以上。据官方测试1000个I/O更新时间仅仅30us，其中还包括I/O周期时间。而容纳1486个字节(相当于12000个I/O)的单个以太网帧的刷新时间紧紧300us。
    （6)同步性能很好。EtherCAT使用高分辨率的分布式时钟使各从站节点间的同步精度能够远小于lus。
    （7)无须从属子网。很复杂的节点或只有一两位的数字I/O都能被用作EtherCAT从站。
      (8)拥有多种应用层协议接口来支持多种工业设备行规:CoE ( CANopen over EtherCAT)用来支持CANopen协议，SOE (SERCOE over EtherCAT)用来支持SERCOE 协议，EOE ( Ethernetover EtherCAT)用来支持普通的以太网协议，FOE ( File over EtherCAT）用于上传和下载固件程序或文件;AOE (ADS over EtherCAT)用于主从站之间非周期的数据访问服务。对多种行规的支持使得用户和设备制造商很容易从现场总线向EtherCAT转换。
 

 

2）Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。

       Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODVA( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。
       Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术，在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。UDP是一种非面向连接的协议，它能够工作在单播和多播的方式，只提供设备间发送数据报的能力。对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据，使用UDP/IP协议来发送。而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。
       Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。这样数据源只需一次性地把数据传到网上，其它节点有选择地接收数据，这样提高了通信的效率。
       Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议，且独立于物理层及数据链路层，这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。另外，为了获得更好的时钟同步性能，2003年ODVA将IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。

 

3）PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

        PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

        现在PROFINET有三个版本，能够实现3种类型的通信：TCP/IP标准通信和两类实时通信。在这些版本中，PROFINET提出了对IEEE802.1 D和IEEE1588进行实时性扩展的技术方案，同时，根据不同的实时性要求采用不同的实时通道技术。
        PROFINET提供的标准通道使用TCP/IP协议来进行非实时通信，用于设备参数化、组态和诊断数据的传输。两个实时通道:实时通道RT和实时通道IRT。实时通道RT是一种软实时(software real time方案，一般响应时间为l0ms，主要用于工厂自动化领域中的过程数据高xìng能循环传输、事件控制的信号与报警信号灯。实时通道IRT(IsochronousReal-time)使用了专用的ASIC芯片来对数据帧进行了解析，这样缩短了处理时间。该方案特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输及需要快 速时钟同步的运动控制领域。另外根据应用对象的不同，PROFINET有两种组网方式:PROFINETIO和PROFINET CBA。

 

4）MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的 “Intranet”和“Internet”环境中MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。
        MODBUS/TCP协议是作为一种（实际的）自动化标准发行的。既然MODBUS已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而，本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是MODBUS作为可编程的协议交替用于PLC’s的“多余部分”。
　　它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用的和可选的，特别是那些适用于特殊设备如PLC’s的报文。

 

5）POWERLINK=CANopen+Ethernet

       鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础，EthernetPOWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO和PDO数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO和PDO对象字典的结构。

       Ethernet Powerlink(简称EPL)是由奥地利B&R(贝加莱)公司于2001年开发出来的实时以太网解决方案。2003年，由全球自动化和驱动行业的领军公司成立了EPSGC EthernetPowerlink标准化组织)来标准化和强化Powerlink技术，EPL标准是在CANopen基础上发展来的。它实现实时性的方法是对TCP/IP协议栈进行了实时扩展，引入了SCNM ( slot communication network management，时间槽通信网络管理）机制来消除CSMA/CD的不确定性。SCNM原理是网络按照一个固定的周期进行通信。每个周期分为三个时间槽:同步时间槽、异步时间槽、空闲时间槽。实时性要求严格的数据在同步时间槽中传输。时间不苛刻的数据在异步时间槽中传输。在三种时间槽中又根据网络中通信节点的数目划分为不同的子时间槽。这样保证了实时数据的实时性传输，又杜绝了网络冲突的发生。

 

6） EPA是在“863”计划的支持下，由浙江大学、清华大学、浙江中控技术公司、大连理工大学、中科院自动化所等单位联合制定，是用于工业测量和控制系统的实时以太网标准。EPA实现实时性的方法是在ISO/IEC8802.3协议所规定的数据链路层之上增加了一个EPA-CSME ( communication schedulingmanagement entity，通信管理实体)。增加EPA-CSME，EPA-C SME用于对数据报文的调度管理，它支持两种通信调度方式:非实时的通信使用CSMA/CD通信机制，非实时数据直接在DLE层和DLS-Use:之间传输，不进行任何缓冲和处理;实时性使用确定性调度方式，EPA将DLS-User数据根据控制时序和优先级大小传送给DLE，然后经过PHY发送出去，这样避免了网络中报文的碰撞。另外，EPA网络为了避免冲突的发生将控制网络分成了若干个由网桥相互隔离的控制区域一一微网段。各微网段内通信互不干扰。不同微网段的设备的通信需要通过网桥转发来实现。这使得网络中的任何报文都被严格的监控，从而避免了广播风暴的产生。目前，一些公司，比如浙大中控，己经开发了多种产品EPA产品，包括基于EPA的控制系统、基于EPA的变送器、执行器、远程分散控制站、数据采集器、现场控制器、无纸记录仪。基于EPA的分布式网络控制系统己在工厂得到成功应用。
 3  Ethernet Powerlink
  
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       虽然这些工业以太网都是国际标准，但是指的是IEC 61784里的标准，但是这些工业以太网不都是标准的以太网。即这些工业以太网并不都是符合IEEE802.3U的标准，这当中只有Modbus-TCP和EtherNet/IP是符合IEEE802.3U的，只有符合IEEE802.3U标准的，才能与IT和以太网将来的发展相兼容。而不符合IEEE802.3U标准的，基本上可以讲不是以太网，它们都对以太网进行了修改，或者是硬件或者是软件，已经不是以太网了。

各种工业以太网的区别其实主要就是协议的区别，其中最主要的还是应用层协议的区别，我们知道，按照ISO的参考模型，网络被划分为7层。

a.     Modbus TCP和EtherNet/IP的区别主要是应用层不相同，ModbusTCP的应用层采用Modbus协议，而EtherNet/IP采用CIP协议，这两种工业以太网的数据链路层采用的是CSMA/CD，因此是标准的以太网，另外，这两种工业以太网的网络层和传输层采用TCP/IP协议族。还有一个区别是，Modbus协议中迄今没有协议来完成功能安全、高精度同步和运功控制等，而EtherNet/IP有CIPSafety、CIP Sync和CIP Motion来完成上述功能，所以才有Schneider加入ODVA，成为ODVA的核心成员来推广EtherNet/IP。由于这两种网络都是标准的TCP/IP以太网，所以所有标准以太网节点都可以接入这两种网络。

b.    至于EthernetPowerLink(EPL), Ethernet PowerLink就是个怪胎，PowerLink虽然在物理层和数据链路层还是采用标准的以太网，但是它又添加了另一个数据链路层，此EPL数据链路层在结构上为于以太网数据链路层之上。我们知道数据链路层的一个子层的MAC(介质访问)层的作用是[color=#FF0000]决定哪一个节点可以占有总线，也即决定哪个节点一个发送数据[/color]。所以本来由以太网的数据链路层来决定哪一个节点占用总线，现在它被位于它之上的EPL数据链路层给架空了，由这个EPL数据链路层通过软件的方式来决定哪个节点发送数据。所有在这样的一个EPL工业以太网系统中，不能使用交换机，只能使用HUB，所以对100M的网络，EPL总的带宽是小于100m,一盘情况下只有40－50M，而如果采用交换机的工业以太网，它的带宽可以达到大几百M,另外在EPL网络上，所有的节点都要实现EPL数据链路。没有实现EPL数据链路层的节点不能接入此网络。

 c.  PROFINET分为原来划分为v1,v2,v3，现在一般称为ProfiNetCBA、ProfiNet IO和ProfiNet IRT。也就是通过以太网来实现对等通讯、实时控制和运动控制。v1采用TCP/IP协议，采用标准的以太网，而V2和V3不采用tcp/ip协议，这两种都绕过tcp/ip协议，采用另外的网络层和传输层协议，采用ProfiNet的开发人员人员认为tcp/ip协议增加了数据在网络中的传输延迟，其实这是一种误解，据美国密歇根大学的教授研究后认为数据在TCP/IP中的传输延迟很小，他们研究得出数据在经过TCP,IP栈时延迟只有不到100微秒，如果采用UDP/IP时就更小，同时他们研究也得出数据在不同应用层延时比较大，不同的协议延迟不一样，但是相差不是很大，从200us-800us不等，他们经过实验后认为以太网的基础设施(指交换机、网卡等）和TCP/IP协议并不是影响工业以太网实时性的主要原因，而认为应用层协议才是主要原因。所以密歇根大学的教授认为绕开TCP/IP协议没有丝毫的意义，反而由于缺少了TCP/IP协议，使得设备也就缺少了IT功能，与其它现场总线没有区别。 ProfiNet V3就更特别了，它不完全采用标准以太网的数据链路层，有一不时间采用以太网的数据链路层(CSMA/CD)，而另外一部分时间采用自己的数据链路层，通过一个高精度的时间来完成。所以ProfiNet V3也就不是标准的以太网了，也就给Profinet v3带来如下的问题：不能采用标准的交换机、不能采用标准的以太网芯片、与企业网相连可能会出现问题，与标准以太网相连还要特殊的网关、添加和删除一个节点都需要重新组态网络和重新启动网络、至今没有千兆网络，还有最重要的是，当标准以太网以后发展了后，它不能与标准以太网相兼容，不具有将来以太网所应具有的功能。

 d. EtherCat这种工业以太网也很奇怪，它们不使用标准的芯片，一般不使用交换机，软件也不是标准的，对以太网的数据帧进行了一些修改，我们知道一个数据帧只有一个源节点，但是对于EtherCat一个数据可能有多个源节点，即一个数据是由多个节点发送的数据组合而成的。所以对于这样的网络，标准的以太网设备也不能接入这样的网络。

我认为Ethernet/IP和ProfiNet这两种工业以太网都适合各个行业。首先这两种工业以太网都用于传输非实时数据，还可传输实时数据，即可以用于离散控制，也可用于过程控制(当然现在还不能用于本安应用)。其次，这两种工业以太网都可用于网络功能安全传输，Ethernet/IP有CIP Safety协议，而ProfiNet有Profisafe协议,还有在运动控制方面ProfiNet有 ProfiNet IRT，而EtherNet/IP则有CIP Safety,二者都可以用于中高端的运动控制。最后两者都有基于IEEE1588的高精度时钟同步。而Modbus TCP,EtherCat和PowerLink,都只能完成部分控制任务，如Modbus TCP一般只作常规IO实时和非实时数据。而EtherCat和PowerLink则更象是为运动控制而开发的，这二者好像没有功能安全、在PLC和DCS控制方面也没有得到大自动化公司的支持，况且这两者又对以太网进行修改，一个在软件，另一个在软件和硬件方面都进行了修改，都不能兼容标准的以太网设备，个人认为这样做得不偿失，为满足运动控制而不能兼容已有的标准的以太网设备而开发的工业以太网并不是以太网，与其说是工业以太网还不如说是另一种现场总线。
       Ethernet/IP和ProfiNet间进行，而其它工业以太网都是这两者的陪衬，将会逐渐退出市场。
       EtherNet/IP以后将由罗克韦尔自动化、Omron、施耐德和思科公司来推动，而ProfiNet将由业界老大西门子公司带领一些小公司去奋斗，由国内PLC厂商中的老二、老三和老五对老大，不知谁将引导未来。

 

 其实，工业以太网里还有几个怪胎，举两个例：
1）SynqNet: 丹纳赫主导的，几乎只用在运动控制，而且据说只用在了半导体机械行业（奇怪的是，不才也搞半导体机械很久了，却从来没看到过SynqNet，孤陋寡闻啊）。只用了以太网的硬件，完全和我们平常说的以太网没有任何关系，连MAC层都没有。当然如此运用，速度性能当然好，但未来难说。
2）Sercos III: 光纤SercosII的新一代以太网版本，背后推手是博世力士乐，只用在运动控制。也基本上是只用了以太网底层硬件，系统里竟然连switch都不允许用。速度当然快，但只比SercosII快了一倍。估计用了SercosII的用户，谁会去更新到一个没快了多少的新系统啊，还没问世，就已经不被业界看好了。