[工业互联-12]：主流的工业以太网技术简介（PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE）
目录
前言：
1、工业通信要求
1.1 工业通信网络分层模型
1.2 工业控制的实时性要求
2. 以太网技术
2.1 协议分层
2.2 实时应用
3. 常见工业以太网技术
3.1 PROFINET通信
3.2 POWERLINK通信
3.3 EtherNet/IP通信
3.4 EtherCAT通信
3.5 SERCOSIII通信
4. 工业以太网技术比较
4.1 市场占有
4.2 实时性
4.3 协议栈比较
前言：
无线基站通信系统，出于效率、安全、可控的考虑，采用了中央集权和中央统一调度的系统架构。
以太网和TCP IP通信，完全遵循了民主、自由竞争的基本思想，没有统一的中央控制和调度机制，交换机和路由器完全是按照某种规则运行的服务性机构。
然而，普通的以太网技术，也具备民主制内生的低效的缺点，面对高实时性和高度可控和可预见性的工业现场的诉求，以民主和自由著称的以太网技术终究还是放弃了自己最初的原则和立场，采用了无线基站通信才有的中央集权控制和调度器，etherCat等不同的高实时性工业总线，不过是中央集权的不同形态而已。
这就是现实，在需求面前，适应的才是最好的。
1、工业通信要求
工业以太网适用于工厂自动化与控制、流程自动化、楼宇自动化以及许多其它工业应用。和标准以太网相比，工业以太网的优势之一就是确定性、实时数据交换和不到1ms的同步周期时间。
有超过20种工业以太网协议被作为标准进行了部署并在工业应用中使用：这些包括EtherCAT、Sercos III、PROFINET、EtherNet/IP和以太网Powerlink.
为什么会有如此多的标准可供选择？原因是工业设备的每家制造商似乎都知道：相对于传统的工业现场总线，通过以太网进行实时数据交换更好一些，并已根据它们对过去串行现场总线领域的了解制定了自己的标准。
因为无法通过标准以太网介质访问控制（MAC）来实施大多数工业以太网标准；它们需要应用专用集成电路（ASIC）或专门的现场可编程门阵列（FPGA）//主要针对的是以太网中间节点。这是因为以太网帧是被即时（也称为“用捷径法”）接收的，意思是：当在第一个以太网端口接收到该帧时，该帧已得到处理并由专用工业以太网MAC硬件块传输到了第二个以太网端口。采用捷径法，可为以太网帧实现不到1μs的端口到端口延迟。
另一方面，标准以太网MAC采用存储和转发的方法。首先必须接收到完整的以太网帧，然后以太网MAC才能接着对该帧进行任何处理或转发。这会为该帧增加抖动和延迟，所以对工业设备制造而言它不是一个很好的选择。
1.1 工业通信网络分层模型
从传感器/执行器通讯，到现场总线，再到实时以太网，以及办公网络，不同的层级与环境可以采用不同的通讯方式，本文主要内容就是图中红色部分，实时以太网~
自动化部件之间的高效通讯一直是生产系统必不可少的的前提之一，典型的自动化部件有以下几类：PLC控制器，HMI面板、驱动、远程IO、传感器与执行器等，正是由于通讯系统连接了各种各样的自动化部件，使他们构成一个有机的整体~
- 非实时控制器网络：计算机网络、办公网络、云服务器网络、数据库网络
- 现场总线网络：工业现场主控制网络，以PLC为核心的工业现场总线，实现PLC读取传感器的信息，并对执行器进行控制。
- 传感器网络（读）：收集数据的网络，该网络中传输信号有模拟数据信号和IO数据信号两种类型。
- 运动控制网络（写）：实时运动控制网络，该网络实现对运动设备的实时运动控制，传送的是模拟或数字控制信号！！！
1.2 工业控制的实时性要求
IEEE802.3以太网中存在的用于解决数据碰撞的机制带来了数据传输的延迟，为了达到实时性能，工业以太网协议采用了不同的方法去避免这种碰撞，对于硬实时，信号传输时间必须精确的按照时间帧来进行，或者他们可以触发一个错误机制。
像温度控制这样的应用，循环时间（一来一回的时间）在数百个毫秒的系统应用对于软件实时是足够的。
而对于数字控制或运动控制的应用，经常需要其循环周期小于1mS。
2. 以太网技术
2.1 协议分层
2.2 实时应用
3. 常见工业以太网技术
3.1 PROFINET通信
PROFINET(“过程现场网络”)按照对确定性的等级需求不同而采用不同的实现方法：PROFINETRT通常用于软实时或没有实时性要求的应用场合，而PROFINETIRT则针对硬实时应用。
该技术由SIEMENS和PROFIBUS用户组织PNO的成员公司共同开发，它是基于以太网之上的PROFIBUSDP以及PROFINETI/O的成功应用：指定所有I/O控制器之间的数据传输以及参数化，诊断，和网络的布局。
为了覆盖不同的性能等级，PROFINET使得各协议和服务可自由采用生产者/消费者原则。
高优先级的有效载荷数据通过以太网协议并以以太网帧VLAN的优先次序直接发送，而诊断和配置数据发送使用UDP/IP。
这使系统实现循环周期时间约10毫秒的I/O应用。
对于时钟同步周期时间要求低于毫秒及运动控制应用，则提供PROFINETIRT，它实现了一个分时复用的硬件同步开关-所谓的动态帧包装(DFP)，为用户提供一个新的PROFINET循环时间的优化设计并于2009年发布此特性。
PROFINET协议运行在TCP/IP协议之上。
3.2 POWERLINK通信
POWERLINK最初由B&R开发并于2001年使用，EthernetPOWERLINK标准化组织(EPSG)是一个独立的用户组织并且遵循民主章程“，自2003年以来，负责该技术的进一步发展。
POWERLINK: 应用层和MAC层都提供了改进
POWERLINK是一个完全免专利费的技术，独立于供应商，采用纯软件方式的协议，却可达到硬实时的性能。在2008年，EPSG提供了该技术的开源版本。POWERLINK集成了完整的CANopen机制，并充分满足IEEE802.3以太网标准，即该协议提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。
POWERLINK：对现有的以太网硬件没有进行任何改动，采用存软件的方式改进了TCP/IP协议栈，同时为POWERLINK的应用程序提供了访问的接口协议。
它是如何工作？POWERLINK使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(CNode)。在每个同步周期阶段，MN以固定的时间序列逐次向CN发送“轮询请求帧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。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。周期性同步数据交换发生在第二个阶段，多路复用技术在这个阶段中可用于优化网络带宽。第三个阶段的标志是异步启动信号SoA，用于传输大容量，非时间苛刻的数据包。例如：用户数据或TCP/IP帧，均可在异步阶段进行传输。
POWERLINK分为实时和非实时域。
在异步阶段的数据传输支持标准的IP帧，通过路由器将实时域和非实时域数据隔离以确保数据安全。
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。
多种共享特性：CANopen和POWERLINKOSI模型。
3.3 EtherNet/IP通信
2000年初始发布，EtherNet/IP是一个开放的工业标准，它由艾伦-布拉德(罗克韦尔自动化)和ODVA的开发(开放DeviceNet供应商协会)。“工业以太网协议“本质上是一个CIP(通用工业协议)-已被使用的ControlNet和DeviceNet上的以太网的数据传输协议。EtherNet/IP通常是在美国市场上得到非常好的应用，主要是使用罗克韦尔控制系统。
它如何工作？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CIP协议支持生产者/消费者模式，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信息和“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。形成一个中心星型网络拓扑结构，交换机通过点对点挂钩连接方式防止数据碰撞。
EtherNet/IP网络通常实现10ms左右的软实时性能，而CIPSync和CIPMotion及精确的节点同步则通过在IEEE1588标准定义的分布式时钟方法可以达到极低的循环周期和抖动，使得它能够用于伺服电机的控制与驱动。
3.4 EtherCAT通信
EtherCAT(以太网控制自动化技术)Beckhoff自动化。这项技术的所有用户自动成为EtherCAT技术协会(ETG)的成员。
它是如何工作？EtherCAT是基于集束帧方法：EtherCAT主站发送包含网络所有从站数据的数据包，这个帧按照顺序通过网络上的所有节点，当它到达最后一个帧，帧将被再次返回。
当它在一个方向上通过时节点处理帧中的数据。每个节点读出数据并将响应数据插入到帧中。
为了支持100Mbit/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网络拓扑总是构成一个逻辑环。一个EtherCAT帧结构所有给每个节点的指令都被包含在一个EtherCAT数据报文的有效载荷区。每个EtherCAT帧由一个头和几个EtherCAT的命令构成。每个命令包括它自己的头，给节点的指令数据，及一个工作计数器。高达64KB的可配置地址空间来配置从站。寻址处理通过自动递增方式，即每个从站可以处理16位地址域，从站也可以在网络初始阶段以指派方式来实现分布式的站点寻址。
EtherCAT过程同步：每个从站连接由主站提供的一个类似于IEEE1588的实时时钟技术进行同步。从站设备可以是实时、也可以是非实时机制，这更多取决于硬件。基于实时控制信号可以高精度同步。在物理层，EtherCAT协议不仅在以太网上运行，也可以采用LVDS(低压差分信号传输)。这个标准被Beckhoff使用在其端子技术上，典型的是采用带有标准以太网接口的PC作为一个EtherCAT主站。
相较于POWERLINK或PROFINET等协议，EtherCAT仅贯穿OSI7层模型中的1-3层，因此，为了实现与其它系统相同的应用功能，必须加载额外的协议层(CoE，EoE)。
3.5 SERCOSIII通信
这是一个免费提供的面向数字驱动接口的实时通信标准，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。
它如何工作？SERCOSIII在主站和从站均采用特定硬件，这些SERCOSIII硬件减轻了主CPU的通信任务，并确保了快速的实时数据处理和基于硬件的同步，从站需要特殊的硬件，而主站可以基于软件方案，SERCOS用户组织提供SERCOSIII的IPCore给基于FPGA的SERCOSIII硬件开发者。SERCOSIII采用集束帧方式来传输，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通过主站的能力，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。节点通过硬件层进行同步，在通信循环的第一个报文初期，主站同步报文MST被嵌入到第一个报文来达到这个目的，确保在100nS以下的高精度时钟同步偏移，基于硬件的过程补偿了运行延迟和以太网硬件所造成的偏差，不同的网段使用不同的循环时钟仍然可实现所有的同步运行。
Modicon LMC078是一款具有多种强大控制功能的运动控制器。本体自带Canopen、SercosIII、Modbus TCP、串行通讯等多种通讯接口，并可扩展Ethernet IP、Profibus DP（slave）。
通过安全、高速的SercosIII总线可实现最多 24轴的同步控制功能，同步时间可控制在4ms以内。
下面具体介绍LMC078搭配LXM32S伺服的应用
Sercos已在工厂自动化应用（适合机械工程和建筑）领域风靡了25年。Sercos III是第三代协议，制定于2003年。这种具有高效性和确定性的通信协议可将Sercos接口的实时数据交换与以太网相融合。迄今为止，Sercos III技术集成只在FPGA中实施过。
一个Sercos III主器件可控制多个Sercos III从属器件（如驱动器、传感器以及模拟和数字I/O器件）——图1展示了这种情况。一个主器件可控制多达511个从属器件。
Sercos III的一个关键优势是它支持线型拓扑结构旁的环型拓扑结构。如果以太网线缆发生故障，那么Sercos III网络可切换到线型拓扑结构，使主器件能继续与网络中的所有从属器件进行通信。一旦以太网线缆已修复，主器件就可以把Sercos III网络从线型拓扑结构切换到环型拓扑结构。
该通信协议是时分多路复用的，如图2所示。在一个Sercos III通信周期内有一个专用于实时Sercos III帧、被称为实时（RT）通道的时间片。在这个时间片中，主器件和从属器件能交换在可编程逻辑控制器（PLC）内使用的进程数据。在被称为统一通信通道（UCC）的第二个时间片中，网络内的所有器件（主器件和从属器件）均可交换标准的互联网协议（IP）报文。UCC能用来交换Web服务器的信息，借助简单文件传输协议（TFTP）来更新器件软件，或为基于IP的应用（任何种类）传输以太网帧。
图2：Sercos III时分多路复用通信周期
将FPGA用于Sercos III会增加成本和电路板占用空间。可消除成本增加因素的一个替代解决方案是使用PRU-ICSS——在许多TI Sitara处理器中均可用的一种外设。例如，TI为AM335x处理器提供了PRU-ICSS固件，无需使用外部FPGA即可启用Sercos III从属器件。可使用在图3中所见的TMDSICE3359评估板来对该解决方案进行评估。
4. 工业以太网技术比较
4.1 市场占有
选择何种工业以太网系统进行比较的另一关键因素，是其市场占有情况：
IMS和ARC的调研表明，大约四分之三的工业以太网使用的Ethernet/IP，PROFINET，或Modbus/TCP，
其次为POWERLINK和EtherCAT，这两个系统特别适合硬实时性要求。
以下描述中不考虑Modbus/TCP，因其用户组织ODVA已经表明它将被集成到EtherNet/IP网络中。对于SERCOSIII，尽管它的市场份额比较小，但是，它在高速运动控制领域扮演着非常重要的角色。
4.2 实时性
关于实时的不同方法，其中一个关键的区别在于：不同的工业以太网如何调度并管理数据传输使得网络可以提供实时性。
EtherCAT和SERCOSIII的通信采用了集束帧方式：在每个调度周期，网络向所有的节点发送一个数据报文，从一个节点到另一个沿环形拓扑结构进行传输，同时采集每个节点的响应数据。
相比之下，其他通信协议则使用独立报文给每个节点，而从站也通过独立报文进行应答。
各系统使用三种不同的方法来实现实时性：
（1）一个主站控制网络上的时隙，在POWERLINK环境，主站授权每个节点独立发送数据，类似令牌的方式，避免发送冲突，在EtherCAT和SERCOSIII网络，集束帧报文的传输跟随主站的时钟。
（2）PROFINETIRT使用同步开关控制通信过程。
（3）EtherNet/IP通过采用CIPSync同步分发IEEE1588兼容的时钟信息给整个网络。
4.3 协议栈比较
（1）普通以太网：尽最大可能性投递。
（2）Modbus-TCP：把串行Modbus的数据封装在以太中进行传输，提升了modbus的实时性
（3）PROFINET V2：把实时性要求高的数据，使用RAW socket通信，跳过TCP/IP层。
（4）PROFINET V3、EPA、EthernetPowerLink：在MAC层增加了调度器，用于增加MAC层数据帧的实时性。
（5）EtherCat、SERCOS： 在MAC层增加了调度器，用于增加MAC层数据帧的实时性，支持总线拓扑结构。
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