工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT和Profinet的對(duì)比

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，主流的包括西門子Porfinet, 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和西門子公司的Profibus兩種典型實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的對(duì)比。

（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

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 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)：

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：

（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：

（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組織還專門發(fā)布了Profinet IO網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的建議書，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也是開放的。EtherCAT快速增長(zhǎng)的用戶數(shù)量：

結(jié)合時(shí)下流行趨勢(shì)，EtherCAT也開始和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。

編輯：黃飛