幾種主流的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議介紹

（文/程文智）所謂的工業(yè)以太網(wǎng)，就是指應用于工業(yè)自動化領域的以太網(wǎng)技術。它在技術上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在產(chǎn)品設計時，其材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面均能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，即達到了環(huán)境適應性、可靠性、安全性、安裝方便等工業(yè)需求標準。

以太網(wǎng)無處不在，并且具有成本效益，它采用了公共物理鏈路且速度更快。但支持TCP/IP的以太網(wǎng)通信通常具有不確定性，反應時間通常為100ms。因此，工業(yè)以太網(wǎng)需要做一些修改，以滿足工業(yè)標準需求，比如工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議使用的是經(jīng)過修改的介質(zhì)訪問控制（MAC）層來實現(xiàn)非常低的延遲和確定性響應。再加上以太網(wǎng)使系統(tǒng)具備靈活的網(wǎng)絡拓撲和更多的節(jié)點數(shù)量，近幾年來，它在工業(yè)中的應用逐漸得到普及，應用范圍變得越來越廣泛。

但在不同工業(yè)設備制造商的推動下，多種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議呈現(xiàn)出了百家爭鳴的局面，這些協(xié)議包括EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Sercos Ⅲ，以及時間敏感網(wǎng)絡（TSN）等。下面我就來看一看這幾種主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的詳細情況。

EtherCAT：近期發(fā)展迅速

EtherCAT 最初由德國倍福自動化公司（Beckhoff Automation）開發(fā)，自從2003年以來，它一直處于EtherCAT技術協(xié)會（ETG）框架之下，而EtherCAT技術協(xié)會是一個由大約7000家成員公司組成的工業(yè)現(xiàn)場總線組織。它是一項開放但不開源的技術，也就是說，你可以任意適用該項技術，但如果要進行相關設備的開發(fā)，需要向倍福自動化公司獲取相關授權。

EtherCAT技術突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中（參見圖1）。由于這個過程在硬件中處理，因此，整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲，從而可以實現(xiàn)極短的響應時間。

圖1：過程數(shù)據(jù)插入至報文中（來源：ETG）

EtherCAT是MAC層協(xié)議，對于如TCP/IP、UDP、Web 服務器等任何更高級別的以太網(wǎng)協(xié)議而言都是透明的。

在拓撲方面，EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等。通過現(xiàn)場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器數(shù)量。也就是說，EtherCAT可連接系統(tǒng)中多達65,535個節(jié)點，而EtherCAT主站可以是標準以太網(wǎng)控制器，從而簡化網(wǎng)絡配置。每個從節(jié)點延遲較低，因此，EtherCAT 可提供靈活、低成本，且兼容網(wǎng)絡的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。

圖2：近9年來EtherCAT節(jié)點數(shù)量增長情況（來源：ETG）

這幾年EtherCAT發(fā)展迅速，據(jù)ETG最新的數(shù)據(jù)，除模塊化I/O設備外，ETG估計全球EtherCAT節(jié)點數(shù)量為5910萬個，而近期增長尤為明顯。自2014年以來，EtherCAT節(jié)點數(shù)量呈指數(shù)級增長，僅2022年就增加了1840萬個節(jié)點。

EtherNet/IP：用微處理器即可實現(xiàn)

EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議最初由羅克韋爾自動化公司（Rockwell）研發(fā)，由ODVA管理，可應用在程序控制及其他自動化的應用中。與作為MAC層協(xié)議的EtherCAT不同，EtherNet/IP是TCP/IP上的應用層協(xié)議。EtherNet/IP 使用標準以太網(wǎng)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層，也就是說，它采用的是商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星型拓撲結構，采用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品。

EtherNet／IP協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP／IP協(xié)議組和通用工業(yè)協(xié)議（CIP）等3個部分組成。CIP為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)提供一組通用的消息和服務，可用于多種物理介質(zhì)。例如，CAN總線上的CIP稱為DeviceNet，專用網(wǎng)絡上的CIP 稱為ControlNet，而以太網(wǎng)上的CIP稱為 EtherNet/IP。 EtherNet/IP 通過一個TCP連接、多個CIP連接建立從一個應用節(jié)點到另一個應用節(jié)點的通信，可通過一個 TCP 連接來建立多個CIP連接。

由于EtherNet/IP使用以太網(wǎng)的物理層網(wǎng)絡，并架構了TCP/IP的通信協(xié)議上，因此用微處理器上的軟件即可實現(xiàn)，不需要特別的ASIC或FPGA。

EtherNet/IP 使用標準以太網(wǎng)和交換機，因此它在系統(tǒng)中擁有的節(jié)點數(shù)不受限制。這樣，就可以跨工廠車間的多個不同終點部署一個網(wǎng)絡。EtherNet/IP 提供完整的生產(chǎn)者-消費者服務，并可實現(xiàn)非常高效的從站對等通信。

EtherNet/IP 兼容多個標準互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)協(xié)議，但其實時和確定性功能比較有限。因此，它可以用在一些可容許偶爾出現(xiàn)少量非確定性的自動化網(wǎng)絡當中。

PROFINET：標準以太網(wǎng)兼容，可一同組網(wǎng)

PROFINET 是一個開放式的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，主要由西門子和PROFIBUS&PROFINET國際協(xié)會所提出。PROFINET應用TCP/IP及信息科技的相關標準，是實時的工業(yè)以太網(wǎng)，自2003年起，它就是IEC 61158及IEC 61784標準中的一部分。PROFINET=PROFIbus+etherNET，把Profibus的主從結構移植到以太網(wǎng)上，所以PROFINET會有Controller和Device，他們的關系可以簡單的對應于PROFIbus的Master和Slave。

它具有三種不同類別：PROFINET A 類可通過代理訪問PROFIBUS網(wǎng)絡，借助TCP/IP上的遠程過程調(diào)用來橋接以太網(wǎng)和 PROFIBUS。其周期時間約為 100ms，主要用于參數(shù)數(shù)據(jù)和循環(huán)I/O，典型應用包括基礎設施和樓宇自動化；PROFINET B類也稱為PROFINET實時(PROFINET RT)，它引進了基于軟件的實時方法并將周期時間減少至大約10ms，B類通常用于工廠自動化和過程自動化；PROFINET C類(PROFINET IRT)是等時實時傳輸，需要使用專用硬件才可將周期時間減少至1ms以下，從而在實時工業(yè)以太網(wǎng)中提供運動控制操作所需的性能。

另外，由于PROFINET是基于以太網(wǎng)的，所以可以有以太網(wǎng)的星型、樹型、總線型等拓撲結構，而PROFIbus只有總線型，所以PROFINET就是把PROFIbus的主從結構和etherNET的拓撲結構相結合的產(chǎn)物。

PROFINET RT 可用于PLC型應用，而PROFINET IRT非常適合運動應用。分支和星型是PROFINET的常用拓撲結構。若要使 PROFINET 網(wǎng)絡實現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能，就需要謹慎進行拓撲規(guī)劃。

POWERLINK：真正的開源工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

POWERLINK是在標準以太網(wǎng)上的實時通信協(xié)議，是由Ethernet POWERLINK標準化組（EPSG）管理的開放通信協(xié)議，是由奧地利自動化公司貝加萊集成自動化公司（Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik，B&R）開發(fā)，在2001年11月推出第一版。以太網(wǎng)POWERLINK 在IEEE 802.3 上采用，因此可自由選擇網(wǎng)絡拓撲、交叉連接和熱插拔。

POWERLINK是Ethernet的擴展，混合了輪詢以及時間切片（timeslicing）機制，可以提供：

?時間關鍵資料可以確保在非常短的等時（isochronic）周期中發(fā)送，具有可規(guī)劃的回應時間。

?網(wǎng)絡上的所有節(jié)點都可以時間同步（Time-synchronisation），精度可以到微秒以下。

?比較沒有時間關鍵性的資料傳輸是在一個專屬的異步通道中傳輸。

?目前的實現(xiàn)方式其循環(huán)時間可以到200 μs以下，其時間精度（jitter）小于1 μs。

POWERLINK 主站或“托管節(jié)點”通過數(shù)據(jù)包抖動將時間同步控制在數(shù)十納秒范圍內(nèi)。此類系統(tǒng)適用于從 PLC與 PLC 通信和可視化到運動和 I/O 控制的各種自動化系統(tǒng)。

值得一提的是，POWERLINK 是一個可以在普通以太網(wǎng)上實現(xiàn)的方案，無需 ASIC 芯片，用戶可以在各種平臺上實現(xiàn) POWERLINK，如 FPGA、Arm、x86 CPU等，只要有以太網(wǎng)的地方，就可以實現(xiàn)POWERLINK。而且它所有的源碼都是公開的，任何人都可以免費下載和使用（就像 Linux一樣）。因此，實施POWERLINK的障礙很小。

POWERLINK 的源碼里包含了物理層（標準以太網(wǎng)）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL ）、應用層（CANopen）三層完整的代碼，用戶只需將 POWERLINK 的程序在已有的硬件平臺上編譯運行，就可以在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn) POWERLINK。

它定義了一個精簡的、實時性極高的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，同時定義了 CANopen為應用層協(xié)議。這樣用戶在實現(xiàn)了 POWERLINK 的同時，也實現(xiàn)了 CANopen。也就是說，CANopen 是標準的構成部分，可以方便客戶從以前的現(xiàn)場總線協(xié)議輕松進行系統(tǒng)升級。

Sercos III：主要用于伺服控制器

Sercos已在工廠自動化應用（適合機械工程和建筑）領域風靡了30多年。Sercos III是其第三代協(xié)議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協(xié)議可將Sercos接口的實時數(shù)據(jù)交換與以太網(wǎng)相融合，提供實時以太網(wǎng)和標準TCP/IP通信，以打造低延遲工業(yè)以太網(wǎng)。

與 EtherCAT 非常相似，從 Sercos III 通過快速提取數(shù)據(jù)并將其插入以太網(wǎng)幀的方法來處理數(shù)據(jù)包，從而實現(xiàn)低延遲。Sercos III 將輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)分成兩個幀。周期時間從 31.25 微秒開始，與 EtherCAT 和 PROFINET IRT 一樣快。

一個Sercos III主器件可控制多個Sercos III從屬器件（如驅動器、傳感器以及模擬和數(shù)字I/O器件），如圖3所示，一個主器件可控制多達511個從屬器件（即從節(jié)點），它主要用于伺服驅動器控制。

圖3：范例性Sercos Ⅲ網(wǎng)絡環(huán)形拓撲結構（來源：TI）

Sercos III 支持環(huán)型或線型拓撲，它的一個關鍵優(yōu)勢是支持線型拓撲結構旁的環(huán)型拓撲結構，使用環(huán)型拓撲的一個主要優(yōu)點是通信冗余。如果以太網(wǎng)線纜發(fā)生故障，那么Sercos III網(wǎng)絡可切換到線型拓撲結構，使主器件能繼續(xù)與網(wǎng)絡中的所有從屬器件進行通信。一旦以太網(wǎng)線纜已修復，主器件就可以把Sercos III網(wǎng)絡從線型拓撲結構切換到環(huán)型拓撲結構。

TSN：有望取代總線的技術

2006年，IEEE 802.1工作組成立了AVB音視頻橋接任務組，主要解決以太網(wǎng)中音頻視頻數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應用需求和適用范圍，同時將任務組名稱更名為：TSN工作組。

時間敏感型網(wǎng)絡 (TSN) 就是TSN工作組開發(fā)的一套協(xié)議標準，旨在非確定性的以太網(wǎng)絡中實現(xiàn)確定性的最小時間延遲，它定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，為標準以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保數(shù)據(jù)實時、確定和可靠地傳輸。

圖4：TSN標準（來源：ADI）

除了實時能力和確定性之外，TSN還有另一項巨大技術優(yōu)勢，那就是網(wǎng)絡擴展能力，這使得TSN能以10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps或10 Gbps的速率運行。不過，這需要細致（因而更復雜）的網(wǎng)絡配置。1 Gbps及以上的傳輸速率是當今網(wǎng)絡的邏輯演進。1 Gbps為新型（物聯(lián)網(wǎng)）應用開辟了道路，有助于克服數(shù)據(jù)密集型應用中的性能瓶頸。但是，只有當終端和以太網(wǎng)交換機均支持TSN功能時，TSN作為一個系統(tǒng)才能發(fā)揮全部效用。

TSN 是一種局域網(wǎng) (LAN) 級解決方案，可與非TSN 以太網(wǎng)一起工作，但只有在 TSN LAN 內(nèi)部才能保證及時性。用戶可以根據(jù) TSN 解決的用例對 TSN 標準進行分組：通用的時間視圖、保證極大延遲，或與背景流量或其他流量共存。與任何流行的標準一樣，TSN 的標準工具箱也在不斷發(fā)展。

圖5：ISO/OSI參考模型（來源ADI）

其實，TSN調(diào)節(jié)的是ISO/OS參考模型第2層中的數(shù)據(jù)通信，嚴格地說，TSN代表以太網(wǎng)中支持實時性的第2層，不是完整的實時協(xié)議。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網(wǎng)協(xié)議。相反，這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議長期而言將支持第2層TSN，因此傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會消失，但未來將建立在TSN之上。但是，現(xiàn)場總線則可能會被以太網(wǎng)永久性取代。

結語

工業(yè)自動化的成功依賴于高可靠且高效的通信網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡可將公尺長的所有部分都連接起來，以實現(xiàn)更高效運轉。以太網(wǎng)的普及度和適用性將持續(xù)次級傳統(tǒng)工廠升級到工業(yè)以太網(wǎng)。

現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議并沒有統(tǒng)一的標準，每種協(xié)議都各有利弊。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，將來工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有望不斷發(fā)展融合，適應工廠設備的連網(wǎng)和自動化。為了簡化工業(yè)以太網(wǎng)的設計，不少半導體廠商推出了更加集成化的芯片產(chǎn)品，下一篇我們將會介紹工業(yè)以太網(wǎng)所需要的芯片，及硬件解決方案，歡迎關注。