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1、主流实时以太网技术的比较主流实时以太网技术的比较一、各个实时以太网技术概要 summay of different RT-Ethernet tehcnologies当前，工业实时以太网技术蓬勃发展，正在取代传统的现场总线技术(Profibus，CAN，Interbus，Fieldbus，DeviceNet，Modbus)，市场上出现了众多实时通信技术，本文对其进行了比较，这些实时以太网均建立在 uS 级的循环周期上，而不列入 ModBus TCP/IP、 Ethernet TCP/IP 这些 mS 级的通信技术，并且也不将非主流的以太网技术列入，纯粹在实时以太网这个领域里进行比较（这里的实时以
2、太网遵循 INONA 所提出的实时分类级别） 。需要申明的是，本文仅提供一个全景式的概览，而非倾向性的描述，旨在客观公正的对各种技术的特点进行分析，以作为互相交流，不作为选择网络技术的参考依据。1.1 ProfiNet IRTProfiNet 提供了三个不同的版本，按照其实现和对应用的实时性支持能力为 ProfiNet/Cba,ProfiNet RT,ProfiNet IRT,其中 ProfiNet/Cba 是建立在 Soft IP 基础上，采用交换机连接方式，由于交换机所带来的时间延迟，因此，无法支持较快的同步速度，ProfiNet 并不具备很高的实时性，而 RT 也无法满足高速运动控制的需
3、求，而 ProfiNet IRT 则是设计为更快速的运动控制应用，因此，采用了专用的芯片来实现，这使得其速度得到了大幅度的提高，系统抖动为 1uS。目前 Profinet 已经开始大量使用，而 ProfiNet IRT 尚未正式得到大量使用.1.2 Ethernet POWERLINK采用轮询方式，由主站 MN 和 CN 构成，系统由 SoC 开始启动等时同步传输，由主站为每个 CN 分配固定时间槽，通过这一机制来实现实时数据交换，同时也通过多路复用和节点序列方式来优化网络的效率，支持标准的 Ethernet 报文，应用层采用 CANopen,Ethernet POWERLINK 无需专用的芯
4、片，并且可运行在多种 OS 上。Powerlink 多路复用技术Ethernet Powerlink 标准化组织 EPSG 在 2007 年宣布放弃对 Powerlink 所有专利的拥有，从而使得 Powerlink 技术成为了目前实时以太网技术里第一个也是唯一一个”Open Source Technology”这意味着加入 Powerlink 组织的成员均拥有此技术。1.3 SERCOSIII通过主从结构的设计来实现数据交换，在一个 SERCOSIII 的数据中，主站与从站之间的数据包传输 M/S 同步数据交换与 CC 直接交叉通信数据以及 Safety 数据，由 Sync 同步管理机制来控
5、制各种数据传输方式的进行。1.4 EtherCAT，采取一种所谓“数据列车”的方式设计， “边传输边处理”的方式按照顺序将数据包发送到各个从节点，然后再回到主站，这样的话，任务的处理将在下一个周期里完成，主节点通常采用 PC，而从节点背板间采用 LVDS-低压差分驱动信号传输方式，可以达到非常高的数据交换，但是，这同时也意味着从站需要特殊的硬件，ASIC 或 FPGA,由于 EtherCAT 有 ASIC，其并不主推 FPGA 方案。1.5 Ethernet/IP CIP采用消费者与生产者模式运行整个过程。Ethernet/IP CIP 基于原有的 Rockwell AB 的 DeviceNe
6、t,ControlNet 的控制和信息协议，采用了在 OSI 的会话层和表示层的修改，作为一种软件形式的协议，它显然具有较高的数据通过率，适应于大块的数据通信，因此，更适合作为网关和交换设备的应用，其实时性却受到一定的限制，但是，它完全兼容标准以太网，因此，具有很好的到工厂与企业的 IT 层互联的能力。二、主要特点比较下表对主要的实时以太网技术的关键参数进行了比较，罗列如下：比较项Ethernet POWERLINK ProfiNet IRT SERCOSIII EtherCAT Ethernet/IP CIP抖动 1uS 1uS 1uS 1uS 1uS循环周期 100uS(Max) 1ms
7、25us 100uS 100uS传输距离 100m 100m 40m 100m 100m直接交叉通信 Yes Yes 介质 双绞线/M12/ 光纤 双绞线 光纤 双绞线/M12 光纤历史 2001.11 IRT 尚未发布 2007 2007 CIP Sync 尚未发布是否需特殊硬件 无特殊硬件需求 Yes/ASIC FPGA Or ASIC Yes:从站 ASIC ASIC是否需要 RTOS No Yes Yes Yes No开放性 开源技术 需授权 需授权 需授权 需授权原始技术 CANopen ProfiBus SERCOSCANopenSERCOSDeviceNetControlNet硬
8、件实现 简单 复杂 复杂 简单 简单软件实现 简单 简单 复杂 复杂 复杂始创公司 B&R SIEMENS Rexroth Beckhoff Rockwell AB推广组织 EPSG PNO IGS ETG ODVA节点安装数 大于 600,000 Unvaliable 未知 未知 Unvaliable拓扑结构 任意拓扑 受限 受限（环形） 受限（环形） 任意拓扑同步方式 IEEE1588 时钟同步 IEEE1588 时钟同步 分布时钟 IEEE1588 时钟同步网络编程 简单 复杂 复杂 复杂 简单网络关注 I/O,运动控制,Safety现场总线运动控制 运动控制I/O运动控制,Safety
9、I/O,运动控制，Safety动态配置 可以 可以 否 否 可以三、各以太网技术发展历史实时通信技术的历史渊源将为我们展示各种技术的起源，每项技术都有其继承性，因此，带有其原有的烙印：3.1.第一个实时以太网-Ethernet Powerlink,在 2001 年 11 月，该技术即投入使用，由 B&R 开发，作为 OEM 业界领先的控制技术提供商，B&R 将其所具有的灵活架构设计、开放性和持续的创新理念融入其中，因此，Powerlink 技术便具有了其灵活拓扑结构、功能强大而易用使用、具有未来的可持续发展能力。3.2.SERCOSIII 起始于 Bosch Rexroth 的 SERCOS,
10、SERCOS 在 1996 年即推出的一种适用于 CNC 和机器人领域的现场总线，该公司传统在 CNC 和 Robotics 等应用上，因此，其设计基于 CNC 应用的设备描述文件，更为侧重运动控制，在初始的 SERCOS 设计里其拓扑仅支持环形网络，并且只用于传输伺服数据，而不用于传输高速 I/O 数据，这使得在其应用中通常采用两个不同的总线来处理数据通信，用 I/O 总线如 Profibus,Interbus 做逻辑信号传输，而 SERCOS 则处理伺服间数据，并且第一代的 SERCOS 并不支持双绞线的连接，而采用了光纤传输，速度为 12Mbps 最大，为了克服 SERCOS 这种现场总
11、线的局限性， Bosch Rexroth 开发了基于以太网技术的SERCOSIII，并在 2007 年发布。3.3.Profinet 则建立在 Profibus 基础上，由于其始创公司 SIEMENS 在过程控制领域的强大实力，使得其广泛应用于 DCS 系统、现场仪表层、事件控制等流程工业领域，而 2007 年 Profinet 被推出，但是，是一个基于软实现方案，其刷新时间在 5mS100mS 等级，因此其实时性并未达到 INONA 所定义的实时以太网级别，而为了解决在运动控制领域的高实时性要求，SIEMENS 计划推出 Profinet IRT，而为了实现这一网络的高实时性，则采用了 AS
12、IC 技术来修改 MAC 层，IRT 尚未得到大量的使用。3.4.Ethernet/IP， Rockwell AB 作为传统的自动化厂商，并且在过程控制领域具有较强的影响力，其传统的 Devicenet 是一个专业的现场总线，在此基础上的 Ethernet/IP 并未强调极高的实时性-由于传统的过程控制领域对于实时性的要求并非像高速数据采样、运动控制与CNC 那么高，因此，其 Ethernet/IP 并不具备高实时性，只在 mS 等级的循环周期，为了解决这个问题，RA 在其系统中采用了SERCOSIII,EtherCAT 接口，但是，未来其仍然聚焦在其自主开发的 Ethernet/IP CIP
13、 技术，而 DeviceNet 在使用方面较之 Profibus 编程和网络配置较为复杂，这也使得其基础上的 Ethernet/IP CIP 面临这样的问题。3.5.EtherCAT,其始创公司 Beckhoff 是一个以 PC 技术为导向的公司，建立在 Windows 平台上的技术具有良好的操作性设计，但是Windows 本身不具备高实时性，因此，在 PC 上添加一个实时操作系统来运行实时网络。四、节点安装现状与未来发展4.1.当前安装状况：各以太网技术的发展历史说明其技术的成熟度，Powerlink 技术具有最大的市场应用，来自 IMS 的数据显示如下：在这份报告中，Ethernet TC
14、P/IP 的标准以太网安装节点数最多，这些通常应用于与上位的管理系统的连接，如 PLC、IPC 与ERP、MRP 系统的连接，通过标准以太网，由于数据没有严格的实时性要求，因此，普通的以太网即可使用，而 Modbus 基础上升级的Modbus TCP 借助传统的 Modbus 占据了较大的安装量，但是，这些通常应用于 PC 到 PLC、伺服的程序下载，与 HMI 的连接或者仪表层的接口，因此，其应用也非是实时性较高的领域，而 Ethernet/IP 和 ProfiNet 都是应用于流程工业领域的，其实时性并不是特别高，一般在 5mS100mS 等级，而真正的实时以太网应用则是 Ethernet
15、 POWERLINK,EtherCAT,SERCOSIII,CC-Link IE,由这一数据统计可以看出，Ethernet POWERLINK 具有最大的节点安装数，这与 Powerlink 技术推出较早有较大的关系，也与 Powerlink 产品在实时性要求较高的数据采样、运动控制应用有关。4.2 支持厂商目前 EtherCAT 由超过 1000 个支持厂商，而 POWERLINK 则有超过 800 个支持厂商，在中国 POWERLINK 技术因为其“OpenSource Technology”的原因取得了广泛认可，而 EtherCAT 则由于其先行的市场推广而同样具有众多的开发厂商。 SE
16、RCOS 则在传统的 CNC和机器人领域有一定的市场拥护者，ProfiNet 由于 SIEMENS 的强大市场号召力，虽然其推广目前受到 ProfiBus 的使用而未进行大规模的实际推广，但是，依赖于 SIEMENS 本身产品如 S7-1200，S7-300 系列带有 ProfiNet 接口产品的应用而会快速成长。4.3 未来分析：根据 ARC 对于未来实时通信的预测，将划分为两大方向，一种是由先天的市场占有而引起的市场发展例如：ProfiNet,Ethernet/IP 其主流支持厂商具有较强的市场地位，因此，这类总线将在广泛市场上占据主导，而 Ethernet Powerlink、SERCOSIII 、EtherCAT 则更为偏重于专业市场如智能电网、航空航天、产业机械、医疗等领域各自发挥其专业性。 、Powerlink 的开源技术理念将带给该项技术更多的未来市场支持，尤其是在中国，这一举措将赢得更多的公司信任并加入 Powerlink 阵营。来自中立机构的预测也显示这几种实时以太网技术的未来市
