比較目前的五個(gè)主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(ethernet/ip，profinet，powerlink，ethercat，sercosiii)，基于技術(shù)，實(shí)時(shí)性，標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)及市場(chǎng)方面的戰(zhàn)略考量，例如：是否有一個(gè)用戶組織在持續(xù)的進(jìn)行著協(xié)議的開發(fā)？該協(xié)議是否遵循iec標(biāo)準(zhǔn)，且是否系統(tǒng)滿足硬件實(shí)時(shí)的需求？
【實(shí)時(shí)性】
ieee802.3以太網(wǎng)中存在的用于解決數(shù)據(jù)碰撞的機(jī)制帶來了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，為了達(dá)到實(shí)時(shí)性能，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用了不同的方法去避免這種碰撞，對(duì)于硬實(shí)時(shí)，信號(hào)傳輸時(shí)間必須精確的按照時(shí)間幀來進(jìn)行，或者他們可以觸發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤機(jī)制。循環(huán)時(shí)間在數(shù)百個(gè)毫秒的系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)于軟件實(shí)時(shí)是足夠的，例如溫度控制，而對(duì)于數(shù)字控制或運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用經(jīng)常需要其循環(huán)周期小于1ms。
【市場(chǎng)占有】
選擇何種工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行比較的另一關(guān)鍵因素，是其市場(chǎng)占有情況：ims和arc的調(diào)研表明，大約四分之三的工業(yè)以太網(wǎng)使用ethernet/ip，profinet，或modbus/tcp，其次為powerlink和ethercat，這兩個(gè)系統(tǒng)特別適合硬實(shí)時(shí)性要求。以下描述中不考慮modbus/tcp，因其用戶組織odva已經(jīng)表明它將被集成到ethernet/ip網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)于sercosiii，盡管它的市場(chǎng)份額比較小，但是，它在高速運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。
【系統(tǒng)如何工作】
關(guān)于實(shí)時(shí)的不同方法，其中一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別在于，不同的工業(yè)以太網(wǎng)如何調(diào)度并管理數(shù)據(jù)傳輸使得網(wǎng)絡(luò)可以提供實(shí)時(shí)性，ethercat和sercosiii的通信采用了集束幀方式：在每個(gè)周期，網(wǎng)絡(luò)向所有的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)沿環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸，同時(shí)采集每個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)。相比之下，其他通信協(xié)議則使用獨(dú)立報(bào)文給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，而從站也通過獨(dú)立報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答。各系統(tǒng)使用三種不同的方法來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性：1、一個(gè)主站控制網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)隙，在powerlink環(huán)境，主站授權(quán)每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立發(fā)送數(shù)據(jù)，在ethercat和sercosiii網(wǎng)絡(luò)，集束幀報(bào)文的傳輸跟隨主站的時(shí)鐘。2、profinet irt使用同步開關(guān)控制通信過程。3、ethernet/ip通過采用cip sync同步分發(fā)ieee1588兼容的時(shí)鐘信息給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
【profinet 通信】
profinet(“過程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)”)按照對(duì)確定性的等級(jí)需求不同而采用不同的實(shí)現(xiàn)方法：profinet rt通常用于軟實(shí)時(shí)或沒有實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用場(chǎng)合，而profinet irt則針對(duì)硬實(shí)時(shí)應(yīng)用。該技術(shù)由siemens和profibus用戶組織pno的成員公司共同開發(fā)，它是基于以太網(wǎng)之上的profibus dp以及profinet i/o的成功應(yīng)用：指定所有i / o 控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸以及參數(shù)化，診斷，和網(wǎng)絡(luò)的布局。為了覆蓋不同的性能等級(jí)，profinet使得各協(xié)議和服務(wù)可自由采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者原則。高優(yōu)先級(jí)的有效載荷數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)協(xié)議并以以太網(wǎng)幀vlan的優(yōu)先次序直接發(fā)送，而診斷和配置數(shù)據(jù)發(fā)送使用udp/ ip。這使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)周期時(shí)間約10毫秒的i/o應(yīng)用。對(duì)于時(shí)鐘同步周期時(shí)間要求低于毫秒及運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，則提供profinet irt，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分時(shí)復(fù)用的硬件同步開關(guān)-所謂的動(dòng)態(tài)幀包裝(dfp)，為用戶提供一個(gè)新的profinet循環(huán)時(shí)間的優(yōu)化設(shè)計(jì)并于2009年發(fā)布此特性。
【powerlink 通信】
powerlink最初由b&r開發(fā)并于2001年使用，ethernetpowerlink標(biāo)準(zhǔn)化組織(epsg)是一個(gè)獨(dú)立的用戶組織并且遵循民主章程“，自2003年以來，負(fù)責(zé)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。powerlink是一個(gè)完全免專利費(fèi)的技術(shù)，獨(dú)立于供應(yīng)商，采用純軟件方式的協(xié)議，卻可達(dá)到硬實(shí)時(shí)的性能。在2008年，epsg提供了該技術(shù)的開源版本。powerlink集成了完整的canopen機(jī)制，并充分滿足ieee802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即該協(xié)議提供了所有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)功能特點(diǎn)包括交叉通信和熱插拔，允許網(wǎng)絡(luò)以任意方式進(jìn)行拓?fù)?。它是如何工作？powerlink使用時(shí)隙和輪詢混合方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸。為進(jìn)行協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)中指定plc或工業(yè)pc作為管理節(jié)點(diǎn)(mn)。該管理節(jié)點(diǎn)運(yùn)行周期性時(shí)隙的調(diào)度并據(jù)此來同步所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并控制周期性數(shù)據(jù)通信。所有其他設(shè)備運(yùn)行為受控節(jié)點(diǎn)(cn)。在每個(gè)同步周期階段，mn以固定的時(shí)間序列逐次向cn發(fā)送“輪詢請(qǐng)求幀preq”。每個(gè)cn以pres方式立即響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求并傳輸數(shù)據(jù)，”所有其他節(jié)點(diǎn)可以偵聽這個(gè)響應(yīng)。一個(gè)powerlink的周期包括三個(gè)部
分。在開始階段，mn發(fā)送了循環(huán)啟動(dòng)soc幀給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，以同步網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。抖動(dòng)大約20納秒。周期性同步數(shù)據(jù)交換發(fā)生在第二個(gè)階段，多路復(fù)用技術(shù)在這個(gè)階段中可用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬。第三個(gè)階段的標(biāo)志是異步啟動(dòng)信號(hào)soa，用于傳輸大容量，非時(shí)間苛刻的數(shù)據(jù)包。例如：用戶數(shù)據(jù)或tcp/ip幀，均可在異步階段進(jìn)行傳輸。powerlink分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)域。在異步階段的數(shù)據(jù)傳輸支持標(biāo)準(zhǔn)的ip幀，通過路由器將實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域數(shù)據(jù)隔離以確保數(shù)據(jù)安全。 powerlink非常適合各種自動(dòng)化應(yīng)用，包括i/o，運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器人任務(wù)，plc與plc間的通信，以及顯示任務(wù)。多種共享特性：canopen和powerlink osi模型。
【ethernet/ip 通信】
2000年初始發(fā)布，ethernet / ip是一個(gè)開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它由艾倫-布拉德(羅克韋爾自動(dòng)化)和odva的開發(fā)(開放devicenet供應(yīng)商協(xié)會(huì))?！肮I(yè)以太網(wǎng)協(xié)議“本質(zhì)上是一個(gè)cip(通用工業(yè)協(xié)議)-已被使用的controlnet和devicenet上的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。ethernet/ip通常是在美國(guó)市場(chǎng)上得到非常好的應(yīng)用，主要是使用羅克韋爾控制系統(tǒng)。它如何工作？ethernet/ip在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件上運(yùn)行，并同時(shí)使用tcp/ip和udp/ip進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于cip協(xié)議支持生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，ethernet/ip采用不同的通信機(jī)制來處理，例如周期性輪詢，時(shí)間或事件觸發(fā)，多波或簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，cip應(yīng)用協(xié)議分為“隱性的”i/o信息和“顯性的”用于配置和數(shù)據(jù)采集的請(qǐng)求/應(yīng)答報(bào)文。當(dāng)顯性信息嵌入到tcp幀，實(shí)時(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)通過udp發(fā)送，因?yàn)楹笳吒袷礁o湊且開銷小。形成一個(gè)中心星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掛鉤連接方式防止數(shù)據(jù)碰撞。ethernet/ip網(wǎng)絡(luò)通常實(shí)現(xiàn)10ms左右的軟實(shí)時(shí)性能，而cip sync和cip motion及精確的節(jié)點(diǎn)同步則通過在ieee1588標(biāo)準(zhǔn)定義的分布式時(shí)鐘方法可以達(dá)到極低的循環(huán)周期和抖動(dòng)，使得它能夠用于伺服電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)。
【ethercat 通信】
ethercat(以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù))beckhoff自動(dòng)化。這項(xiàng)技術(shù)的所有用戶自動(dòng)成為ethercat技術(shù)協(xié)會(huì)(etg)的成員。它是如何工作？ethercat是基于集束幀方法：ethercat主站發(fā)送包含網(wǎng)絡(luò)所有從站數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，這個(gè)幀按照順序通過網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)，當(dāng)它到達(dá)最后一個(gè)幀，幀將被再次返回。當(dāng)它在一個(gè)方向上通過時(shí)節(jié)點(diǎn)處理幀中的數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)讀出數(shù)據(jù)并將響應(yīng)數(shù)據(jù)插入到幀中。為了支持100 mbit/s的波特率，必須使用專用的asic或基于fpga的硬件來高速處理數(shù)據(jù)。因此，ethercat網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偸菢?gòu)成一個(gè)邏輯環(huán)。一個(gè)ethercat幀結(jié)構(gòu)所有給每個(gè)節(jié)點(diǎn)的指令都被包含在一個(gè)ethercat數(shù)據(jù)報(bào)文的有效載荷區(qū)。每個(gè)ethercat幀由一個(gè)頭和幾個(gè)ethercat的命令構(gòu)成。每個(gè)命令包括它自己的頭，給節(jié)點(diǎn)的指令數(shù)據(jù)，及一個(gè)工作計(jì)數(shù)器。高達(dá)64 kb的可配置地址空間來配置從站。尋址處理通過自動(dòng)遞增方式，即每個(gè)從站可以處理16位地址域，從站也可以在網(wǎng)絡(luò)初始階段以指派方式來實(shí)現(xiàn)分布式的站點(diǎn)尋址。ethercat過程同步：每個(gè)從站連接由主站提供的一個(gè)類似于ieee1588的實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)進(jìn)行同步。從站設(shè)備可以是實(shí)時(shí)也可以是非實(shí)時(shí)機(jī)制，這更多取決于硬件。基于實(shí)時(shí)時(shí)，控制信號(hào)可以高精度同步。在物理層，ethercat協(xié)議不僅在以太網(wǎng)上運(yùn)行，也可以采用lvds(低壓差分信號(hào)傳輸)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被beckhoff使用在其端子技術(shù)上，典型的是采用帶有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的pc作為一個(gè)ethercat主站。相較于powerlink或profinet等協(xié)議，ethercat僅貫穿osi 7層模型中的1-3層，因此，為了實(shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)相同的應(yīng)用功能，必須加載額外的協(xié)議層(coe，eoe)。
【sercosiii 通信】
這是一個(gè)免費(fèi)提供的面向數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口的實(shí)時(shí)通信標(biāo)準(zhǔn)，sercosiii不僅有特定的物理層連接的硬件架構(gòu)，同時(shí)sercos接口的協(xié)議結(jié)構(gòu)和應(yīng)用規(guī)范的定義也是特定的。sercosiii是sercos的第三代，sercos于1985年被推向市場(chǎng)，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的遵循ieee802.3的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這個(gè)通信系統(tǒng)最初使用在基于運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)，一個(gè)已注冊(cè)的協(xié)會(huì)：sercos國(guó)際協(xié)會(huì)，支持這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展并保持標(biāo)準(zhǔn)的一致性。它如何工作？sercosiii在主站和從站均采用特定硬件，這些sercosiii硬件減輕了主cpu的通信任務(wù)，并確保了快速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和基于硬件的同步，從站需要特殊的硬件，而主站可以基于軟件方案，sercos用戶組織提供sercosiii的ip core給基于fpga的sercosiii硬件開發(fā)者。sercosiii采用集束