各种工业以太网分类和应用

高性能、工厂设备和IT系统集成，以及工业物联网的需求驱动促进了工业以太网的增长。根据HMS发布2017年工业网络市场份额报告显示，工业以太网的增长速度比往年更快，增长率为22％。工业以太网现在占全球市场的46％，而去年为38％。在具体的通信中， EtherNet / IP和PROFINET份额最大，其中PROFINET主要市场在中欧，EtherNet / IP在北美占主导地位。紧跟其后的是EtherCAT、Modbus-TCP和Ethernet POWERLINK。

在实时工业以太网中，EPA、 EtherCAT、 Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的竞争者。下面对它们进行简单比较。

Ethernet/IP

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。

实现实时性的方法

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。

EPA

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。

实现实时性的方法

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。

Ethernet Powerlink

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。

实现实时性的方法

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C SMA/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。

PROFINET

PROFINET是由PI ( Profibus International)组织提出的工业以太网标准。从2004年4月开始，PI与Interbus Club ( Interbus总线俱乐部)联手，负责合作开发与制定PROFINET的相关标准。PROFIBUS技术和INTERBUS技术可以在整个控制系统中无缝地集成。

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lOms，主要用于工厂自动化领域中的过程数据高性能循环传输、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。

SERCOS III

SERCOS ( Serial Real Time Communication System，串行实时通信系统)在1989年诞生，并在1995年成为国际标准IEC61491 }26}。到目前为止，SERCOS己经经历了三代的发展:SERCOS I, SERCOS II, SERCOS III，其中SERCOSI和SERCOS II统称为SERCOS 。SERCO S III是SERCOS成熟的通信机制和工业以太网相结合的产物，它既具有 SERCOS的实时特性，又具有以太网的特性。相对于SERCOS， SERCOS III具有的优点有：

基于工业以太网，数据传输速率高达1OOMbit/s；

能够实现标准的TCP/IP通信；

能够使用CATSE 双绞铜缆和光纤通信；

具有线型和环型的拓扑结构；

支持从站与从站之间的jiāo叉通信；

支持从站的热插拔;支持与安全相关的数据传输；

向下兼容以前的SERCO S总线协议。

实现实时性的方法

SERCOSS III采用TDMA(时分多路复用)的通信机制实现以太网的实时性和确定性。它能够使用线型或环型的拓扑结构与驱动器、I/O设备、传感器相连接，但是不支持星形结构。

EtherCAT

EtherCAT是由德国倍福(Beckhoff)公司于2003年提出的实时工业以太网技术。为了给来自全球的自动化人员和产品供应商提供EtherCAT技术支持，2003年底ETG (EtherCAT Technology Group）组织成立。到目前为止，该组织是全球最大的工业以太网组织且己拥有2705个会员，而且成员越来越多，由此可以看出EtherCAT技术在工控领 域中的地位和作用将越来越重要。经过几年的发展，EtherCAT经过广泛的认可，现在它己 经进入多种相关的国际标准：IEC61158中Type12; IEC61784的CPF12;在IEC61800中，EtherCAT支持CANopen DS402和SERCO S规范;在IS015745中，EtherCAT支持DS301。

EtherCAT主要特点

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. 能够压缩大量设备数据

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. 多种应用层协议接口

EtherCAT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。