常用工业以太网协议性能及应用

随着工业4.0概念的不断深入，世界制造业正逐步从数字化领域转向智能化领域，其对于提高人员使用效率，最大化产能，节约生产成本以及无人现代化工厂建设有着重要意义。但无论是数字化工厂或智能化工厂，都离不开基本网络通讯的支持。目前的工业网络组态都是基于现有的工业以太网技术而实现的，其主流的工业以太网协议主要有：Modbus ,EtherNet/IP ,EtherCAT ,SERCOS Ⅲ ，PROFINET ，EtherNet Powerlink。本文主要用于讨论，不同工业以太网协议之间的性能差异以及适用的环境，并基于硬/软设施对网络环境应用需求，讨论不同工业协议应用。

工业以太网
工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件和技术，工业以太网采用TCP/IP协议，和IEEE 802.3标准兼容，通过在应用层加入特有的协议，以应用于不同的环境。以太网在工业程序的应用需要体现实时性，而许多以太网技术可以使以太网适用在工业应用之中，通过利用标准以太网，可以提升工厂内部不同设备之间的互连性。目前大多数工业应用对应的实时等级需求如图所示。
图1 实时等级和应用领域
工业以太网的通信架构通常都以主、从站的方式进行搭建，且通过标准的硬件接口以实现设备互连。但这样的方式通常受限于不兼容的通信协议，即主、从站都需要使用相同的通信协议，才能通信，并且不同的工业环境及设备对通讯传输性能的需求也不同，以下将从使用性能，适用环境，应用设备等角度，阐述常用的工业以太网通讯协议。
1. Modbus
Modbus是一种串行通信（方式：串行、并行）协议，由施耐德电气公司开发，采用master/slave架构及异步半双工通信方式，可以使一个主站对应多个从站进行双向通信。
特点在于Modbus协议完全公开，软硬件需求简易，且易于部署和维护。Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持IP协议的网络版本，大多数Modbus设备通信时基于串口EIA-485物理层进行。
 工作方式
Modbus是采用mater/slave的通信结构，在整个通讯架构的节点中有一个节点时mater节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点，每一个slave设备都有一个唯一的IP地址，在整个通讯网络中，只有被指定为主节点的设备可以发布启动指令。一个Modbus指令包含了slave设备的Modbus地址，指令传输过程中所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令（采用广播模式时，所有接受到指令的设备都会运行，且不会回应指令）。
 性能
Modbus通过采用master/slave通信架构最多可以支持约240个设备连接在同一个网络上通信，但可能会存在高延迟（串行通讯）和时序问题，其响应时间取决于slave节点的位置。
Modbus命令中都包含了检查代码，以确定发送的指令没有被破坏。通过master/slave方式定时收发数据，在实际使用中可以用于诊断故障断点，且通讯恢复后可以自动连接，可靠性较好。
 应用领域
Modbus最初的使用主要是为了实现PLC通信，目前被广泛用于基于PLC的运动控制系统、DCS分布式控制系统及工业电子设备控制等领域，也可以用于监控计算机与远程总段控制系统的通讯连接。具体应用如：伺服电机的运动控制，传输带计数器，编码器，电子看板，私服程序下载，自动化生产线等。

1. EtherNet/IP
   EtherNet/IP是一个开放的工业以太网通讯标准，是通用工业协议中的一部分，由洛克威尔自动化公司开发。EtherNet/IP是应用层的协议，将网络上的设备视为“物件”。EtherNet/IP以通用工业协定（CIP）为基础而架构，可以支持来自ControlNet及DeviceNet网络上的物件的存取（其也使用以太网物理层，架构在TCP/IP协议上）。
   特点在于EtherNet/IP设备可以采用UDP/IP（用户数据报文协议）隐式传送基本I/O资料；可以采用TCP/IP（传输控制协议）显示报文上传或下载数据；可以采用主站轮询、从站周期性更新或是状态改变(COS)时更新的方式，便于主站监控从站状态，讯息以UDP 报文的形式传输；可以采用一对一、一对多或是广播的方式，通过TCP报文进行数据传输。
    工作方式
   EtherNet/IP在标准以太网硬件上运行，并同时使用TCP/IP和UDP/IP进行数据传输。由于生产者/消费者模式为CIP协议所支持，EtherNet/IP采用不同的通信机制来处理，例如周期性轮询，时间或事件触发，多波或简单的点对点连接，CIP应用协议分为“隐性的”I / O消息和“显性的”用于配置和数据采集的请求/应答报文。当显性信息嵌入到TCP帧，实时应用数据通过UDP发送，因为后者格式更紧凑且开销小。采用星型网络拓扑结构，并通过交换机点以对点挂钩连接方式防止数据碰撞。
    性能
   EtherNet/IP网络采用商用以太网通信芯片、物理介质和星型拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点链接，能同时支持10Mbs和100Mbps传输速率(差别在于以太网标准和配线)。
   能够实现10ms左右的软实时性能，结合CIP sync和CIP Motion两种CIP派生协议，以及分布式时钟方法（精确节点同步）可使其达到极低的循环周期和抖动，以应用于伺服电机的驱动与控制（调研：最大响应时间应低于1ms）。
    应用领域
   EtherNet/IP可以用在一些可容许偶尔出现少量非决定性的自动化网络（即存在数据碰撞而引起的延时），一般应用于一些流程工业领域，其实时性等级一般在5ms-100ms。
   EtherNet/IP是一个工业使用的应用层通讯协定，可以使控制系统及其元件之间建立通讯，例如可编程逻辑控制器、I/O模组（伺服控制系统，传感系统）等，使得它能够用于伺服电机的控制与驱动（响应时间1ms以下）。
   此外，EtherNet/IP还用于ABB机器人、CNC、AGV小车（无线传输技术、TCP/IP协议，通过ping测试延时大约50ms能够满足需求。）

图2 应用CIP的EtherNet/IP
3. EtherCAT
EtherCAT（Control Automation Technology），也被称为以太网控制自动化技术，是一个开放架构。EtherCAT是确定性的工业以太网，由德国的Beckhoff公司研发。自动化对通讯一般会要求较短的资料更新时间（或称为周期时间）、资料同步时的通讯抖动量低，而且硬件的成本要低，EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中。
 工作原理
EtherCAT采用“飞速传输”（processing on the fly）的技术，基于集束帧方法：由EtherCAT主站发送包含网络所有从站数据的数据包。在EtherCAT网络中，当资料帧帧通过每一个设备（直达 I/O 端子模块）时，EtherCAT 从站控制器读取与该设备相关的数据。同样，输入数据可以飞速插入至数据流中（或从数据流中交换数据到节点设备）。帧被传递（仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行相应处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的 Run-Time 系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT 从站将经过充分处理的报文发回，这样该报文就作为一种响应报文由第一个从站返回到主站。且为了支持100 Mbit/s的波特率，必须使用专用的ASIC或基于FPGA的硬件来高速处理数据。因此，EtherCAT网络拓扑最终构成一个逻辑环。

EtherCAT运行原理
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/EthercatOperatingPrinciple.svg
 性能
EtherCAT的周期时间短，是因从站的微处理器不需处理以太网的封包。所有程序资料都是由从站控制器的硬件来处理。每个节点接收及传送资料的时间少于1微秒，一般而言只用一个帧的资料就可以供所有的网络上的节点传送及接收资料。此特性再配合EtherCAT的机能原理，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统，例如：
 包含1000个分布式数位I/O出的程序资料交换只需30us，其中包括端子模块的周期时间。
 通过一个以太网帧，可以交换高达 1486 字节的过程数据，几乎相当于 12000 个数字量 I/O。而这一数据量的传输仅用 300 μs。
 与 100 个伺服轴的通讯只需 100 μs。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。其中分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步抖动小于 1 微秒。
并且EtherCAT技术的原理具备拓展性，并不局限于快速以太网（100Mbit/s），可以扩展至1000Mbit/s。
 应用领域
伺服控制系统（低于1ms）,实时控制系统；分布式 I/O系统、；轴和控制单元；现场总线主站，高速串行接口。未来EtherCAT会更加偏重应用于智能电网、航空航天、产业机械、医疗等领域。

1. SERCOS Ⅲ
   Sercos III是一个免费提供的全球标准化开放式的数字接口实时通信标准，SERCOSIII不仅有特定的物理层连接的硬件架构，同时SERCOS接口的协议结构和应用规范的定义也是特定的。SERCOSIII是SERCOS的第三代，SERCOS于1985年被推向市场，是一个标准的遵循IEEE802.3的数据传输协议，这个通信系统最初使用在基于运动控制的自动化系统，一个已注册的协会-SERCOS国际协会，支持这项技术的发展并保持标准的一致性。
    工作方式
   Sercos是一种确定性的基于以太网的自动化总线，它使用集束帧方式进行高效通信。网络节点必须采用菊花链或封闭的环形拓扑，由于以太网具有全双工能力，菊花链实际上已经构成一个独立的环。因此对于一个环形拓扑实际上相当于提供一个双环，使得它允许冗余数据传输。直接交叉通信能力是由每个节点上的两个端口来实现，在菊花链和环形网络，实时报文在他们向前和向后时经过每个节点，因此，节点具有在每个通信周期中相互通信两次而无需经过主站的能力，无需经过主站对数据进行路由。除了实时通道，它也使用时间槽方式进行无碰撞的数据传输，SERCOSIII也提供可选的非实时通道来传递异步数据。
    性能
   极高的硬实时性能以及同步通信要求，一般循环周期在25μs左右，抖动限制在纳秒级。
   在跨Sercos III网络的通信中严格严格控制循环间隔，为给定的应用选择循环时间，范围从31.25μs到65ms。
   SERCOSⅢ基本循环周期
    应用领域
   Sercos III是是全球标准化的开放式数字接口，用于工业控制，运动设备，输入/输出设备（I / O）和标准以太网节点之间的通信。具体在传统CNC和机器人领域，工程系统，人机界面等，其中在CNC的应用中更侧重于控制。

2. PROFINET
   PROFINET是一个开放式的工业以太网通讯协定，由SIEMENS和PROFIBUS用户组织PNO的成员公司共同开发。可分为PROFINET CBA及PROFINET IO二种：PROFINET CBA适合经由TCP/IP，以元件为基础的通讯，PROFINET IO 则使用在需要实时通讯的系统，且两种模式可以在一个网络中同时出现。其中PROFINET IO是为分散式周边的实时（RT）及等时实时（IRT）通讯方式两种。
    工作原理
   采用生产/消费者模型结合总线循环时间分配技术，通过分配传输通道，来保证非实时传输与实时传输过程的相对的独立，以独特的时间控制器，来进一步分配每个循环周期的时间，进而保证通信循环周期的高度稳定性。

数据传输模式

总线循环时间分配技术
 性能
PROFINET TCP/IP是针对PROFINET CBA及工厂调试用，其反应时间约为100ms。
PROFINET RT（实时）通讯协定是针对PROFINET CBA及PROFINET IO的应用，其反应时间小于10ms。
PROFINET IRT（等时实时）通讯协定是针对驱动系统的PROFINET IO通讯，其反应时间小于1ms。其采用了专用的芯片来实现，可以达到 100 个伺服 100uS 的数据刷新能力，系统抖动为 1uS。
 应用领域
主要应用于Siemens产品，但由于profinet自身的三种传输等级特性，以及市场的主导地位，目前被应用在I/O控制系统（自动化控制）、I/O监控系统。具体在数控机床（西门子）控制、同时应用在机器人控制、电气控制系统等领域。
6. EtherNet Powerlink
Ethernet Powerlink是标准以太网的确定性实时协议。它是由以太网POWERLINK标准化组织（EPSG）管理的开放协议。由奥地利自动化公司B＆R于2001年开发。Powerlink 的优势在于采用纯软件方式的协议，却可达到硬实时的性能。提并且供了所有标准的以太网功能特点包括交叉通信和热插拔，允许网络以任意方式进行拓扑。
 工作方式
POWERLINK的基本传输周期分为实时和非实时域，其采用时隙和轮询混合方式来实现数据的同步传输。为进行协调，网络中指定PLC或工业PC作为管理节点（MN）。该管理节点运行周期性时隙的调度并据此来同步所有网络设备，并控制周期性数据通信。所有其他设备运行为受控节点（CN）。在每个同步周期阶段，MN以固定的时间序列逐次向CN发送 “轮询请求桢PReq”。每个CN以PRes方式立即响应这个请求并传输数据，所有其他节点可以侦听这个响应。

Powerlink基本传输周期
 性能
一个POWERLINK的周期包括三个部分。在开始阶段，MN发送了循环启动SoC帧给网络中的所有节点，以同步网络中的所有设备，抖动大约20纳秒。
目前实现的周期时间小于200μs，时间精度（抖动）小于1μs。
 应用领域
POWERLINK非常适合各种自动化应用，包括I / O，运动控制，机器人任务，PLC与PLC间的通信，以及显示任务。

 当前主流协议性能对比
PS：真正的实时以太网应用是指Ethernet POWERLINK、EtherCAT、SERCOSIII。

文章链接：
http://d1.amobbs.com/bbs_upload782111/files_42/ourdev_656235U1LZCT.pdf
https://wenku.baidu.com/view/ab2e3a156edb6f1aff001f26.html

 相关参考数据
高性能同步处理、电子传动实时性需求1μs-1ms;
CNC、机器人、高速处理过程50μs-10ms;
传输系统、简单控制过程、软实时自动化控制过程1ms-100ms；
楼宇控制技术（灯光，温控等系统）、仓储系统、控制和自动化生产系统不低于10ms；
标准工业应用的实时性要求5ms以下；
运动控制，要求参与通讯的终端设备周期同步，且周期小于1ms；
伺服控制与驱动（响应时间1ms以下）；
AGV无线通讯（通讯延时50ms可以满足需求）；
CNC 插补计算、机器人的坐标转换，目前国内的水平维持在 5mS 左右的应用水 平，而欧美的主要厂商如 KUKA、ABB、Staubli 的机器人系统则要求更高的速度处理，小于 100uS；