几种主流的工业以太网协议介绍

电子发烧友网报道（文/程文智）所谓的工业以太网，就是指应用于工业自动化领域的以太网技术。它在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，其材质的选用、产品的强度和适用性方面均能满足工业现场的需要，即达到了环境适应性、可靠性、安全性、安装方便等工业需求标准。以太网无处不在，并且具有成本效益，它采用了公共物理链路且速度更快。但支持TCP/IP的以太网通信通常具有不确定性，反应时间通常为100ms。因此，工业以太网需要做一些修改，以满足工业标准需求，比如工业以太网协议使用的是经过修改的介质访问控制（MAC）层来实现非常低的延迟和确定性响应。再加上以太网使系统具备灵活的网络拓扑和更多的节点数量，近几年来，它在工业中的应用逐渐得到普及，应用范围变得越来越广泛。但在不同工业设备制造商的推动下，多种不同的工业以太网协议呈现出了百家争鸣的局面，这些协议包括EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Sercos Ⅲ，以及时间敏感网络（TSN）等。下面我就来看一看这几种主流工业以太网协议的详细情况。
EtherCAT：近期发展迅速

EtherCAT 最初由德国倍福自动化公司（Beckhoff Automation）开发，自从2003年以来，它一直处于EtherCAT技术协会（ETG）框架之下，而EtherCAT技术协会是一个由大约7000家成员公司组成的工业现场总线组织。它是一项开放但不开源的技术，也就是说，你可以任意适用该项技术，但如果要进行相关设备的开发，需要向倍福自动化公司获取相关授权。EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中（参见图1）。由于这个过程在硬件中处理，因此，整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟，从而可以实现极短的响应时间。


图1：过程数据插入至报文中（来源：ETG）EtherCAT是MAC层协议，对于如TCP/IP、UDP、Web 服务器等任何更高级别的以太网协议而言都是透明的。在拓扑方面，EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器数量。也就是说，EtherCAT可连接系统中多达65,535个节点，而EtherCAT主站可以是标准以太网控制器，从而简化网络配置。每个从节点延迟较低，因此，EtherCAT 可提供灵活、低成本，且兼容网络的工业以太网解决方案。


图2：近9年来EtherCAT节点数量增长情况（来源：ETG）这几年EtherCAT发展迅速，据ETG最新的数据，除模块化I/O设备外，ETG估计全球EtherCAT节点数量为5910万个，而近期增长尤为明显。自2014年以来，EtherCAT节点数量呈指数级增长，仅2022年就增加了1840万个节点。
EtherNet/IP：用微处理器即可实现

EtherNet/IP工业以太网协议最初由罗克韦尔自动化公司（Rockwell）研发，由ODVA管理，可应用在程序控制及其他自动化的应用中。与作为MAC层协议的EtherCAT不同，EtherNet/IP是TCP/IP上的应用层协议。EtherNet/IP 使用标准以太网物理层、数据链路层、网络层和传输层，也就是说，它采用的是商业以太网通信芯片、物理介质和星型拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品。EtherNet／IP协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP／IP协议组和通用工业协议（CIP）等3个部分组成。CIP为工业自动化控制系统提供一组通用的消息和服务，可用于多种物理介质。例如，CAN总线上的CIP称为DeviceNet，专用网络上的CIP 称为ControlNet，而以太网上的CIP称为 EtherNet/IP。EtherNet/IP 通过一个TCP连接、多个CIP连接建立从一个应用节点到另一个应用节点的通信，可通过一个 TCP 连接来建立多个CIP连接。由于EtherNet/IP使用以太网的物理层网络，并架构了TCP/IP的通信协议上，因此用微处理器上的软件即可实现，不需要特别的ASIC或FPGA。EtherNet/IP 使用标准以太网和交换机，因此它在系统中拥有的节点数不受限制。这样，就可以跨工厂车间的多个不同终点部署一个网络。EtherNet/IP 提供完整的生产者-消费者服务，并可实现非常高效的从站对等通信。EtherNet/IP 兼容多个标准互联网和以太网协议，但其实时和确定性功能比较有限。因此，它可以用在一些可容许偶尔出现少量非确定性的自动化网络当中。
PROFINET：标准以太网兼容，可一同组网

PROFINET 是一个开放式的工业以太网通信协议，主要由西门子和PROFIBUS&PROFINET国际协会所提出。PROFINET应用TCP/IP及信息科技的相关标准，是实时的工业以太网，自2003年起，它就是IEC 61158及IEC 61784标准中的一部分。PROFINET=PROFIbus+etherNET，把Profibus的主从结构移植到以太网上，所以PROFINET会有Controller和Device，他们的关系可以简单的对应于PROFIbus的Master和Slave。它具有三种不同类别：PROFINET A 类可通过代理访问PROFIBUS网络，借助TCP/IP上的远程过程调用来桥接以太网和 PROFIBUS。其周期时间约为 100ms，主要用于参数数据和循环I/O，典型应用包括基础设施和楼宇自动化；PROFINET B类也称为PROFINET实时(PROFINET RT)，它引进了基于软件的实时方法并将周期时间减少至大约10ms，B类通常用于工厂自动化和过程自动化；PROFINET C类(PROFINET IRT)是等时实时传输，需要使用专用硬件才可将周期时间减少至1ms以下，从而在实时工业以太网中提供运动控制操作所需的性能。另外，由于PROFINET是基于以太网的，所以可以有以太网的星型、树型、总线型等拓扑结构，而PROFIbus只有总线型，所以PROFINET就是把PROFIbus的主从结构和etherNET的拓扑结构相结合的产物。PROFINET RT 可用于PLC型应用，而PROFINET IRT非常适合运动应用。分支和星型是PROFINET的常用拓扑结构。若要使 PROFINET 网络实现所需的系统性能，就需要谨慎进行拓扑规划。
POWERLINK：真正的开源工业以太网协议

POWERLINK是在标准以太网上的实时通信协议，是由Ethernet POWERLINK标准化组（EPSG）管理的开放通信协议，是由奥地利自动化公司贝加莱集成自动化公司（Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik，B&R）开发，在2001年11月推出第一版。以太网POWERLINK 在IEEE 802.3 上采用，因此可自由选择网络拓扑、交叉连接和热插拔。POWERLINK是Ethernet的扩展，混合了轮询以及时间切片（timeslicing）机制，可以提供：

时间关键资料可以确保在非常短的等时（isochronic）周期中发送，具有可规划的回应时间。网络上的所有节点都可以时间同步（Time-synchronisation），精度可以到微秒以下。比较没有时间关键性的资料传输是在一个专属的异步通道中传输。
目前的实现方式其循环时间可以到200 µs以下，其时间精度（jitter）小于1 µs。

POWERLINK 主站或“托管节点”通过数据包抖动将时间同步控制在数十纳秒范围内。此类系统适用于从 PLC与 PLC 通信和可视化到运动和 I/O 控制的各种自动化系统。值得一提的是，POWERLINK 是一个可以在普通以太网上实现的方案，无需 ASIC 芯片，用户可以在各种平台上实现 POWERLINK，如 FPGA、Arm、x86 CPU等，只要有以太网的地方，就可以实现POWERLINK。而且它所有的源码都是公开的，任何人都可以免费下载和使用（就像 Linux一样）。因此，实施POWERLINK的障碍很小。POWERLINK 的源码里包含了物理层（标准以太网）、数据链路层（DLL ）、应用层（CANopen）三层完整的代码，用户只需将 POWERLINK 的程序在已有的硬件平台上编译运行，就可以在几分钟内实现 POWERLINK。它定义了一个精简的、实时性极高的数据链路层协议，同时定义了 CANopen为应用层协议。这样用户在实现了 POWERLINK 的同时，也实现了 CANopen。也就是说，CANopen 是标准的构成部分，可以方便客户从以前的现场总线协议轻松进行系统升级。
Sercos III：主要用于伺服控制器

Sercos已在工厂自动化应用（适合机械工程和建筑）领域风靡了30多年。Sercos III是其第三代协议，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，提供实时以太网和标准TCP/IP通信，以打造低延迟工业以太网。与 EtherCAT 非常相似，从 Sercos III 通过快速提取数据并将其插入以太网帧的方法来处理数据包，从而实现低延迟。Sercos III 将输入数据和输出数据分成两个帧。周期时间从 31.25 微秒开始，与 EtherCAT 和 PROFINET IRT 一样快。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），如图3所示，一个主器件可控制多达511个从属器件（即从节点），它主要用于伺服驱动器控制。


图3：范例性Sercos Ⅲ网络环形拓扑结构（来源：TI）Sercos III 支持环型或线型拓扑，它的一个关键优势是支持线型拓扑结构旁的环型拓扑结构，使用环型拓扑的一个主要优点是通信冗余。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。
TSN：有望取代总线的技术

2006年，IEEE 802.1工作组成立了AVB音视频桥接任务组，主要解决以太网中音频视频数据实时同步传输的问题。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，同时将任务组名称更名为：TSN工作组。时间敏感型网络 (TSN) 就是TSN工作组开发的一套协议标准，旨在非确定性的以太网络中实现确定性的最小时间延迟，它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输。


图4：TSN标准（来源：ADI）除了实时能力和确定性之外，TSN还有另一项巨大技术优势，那就是网络扩展能力，这使得TSN能以10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps或10 Gbps的速率运行。不过，这需要细致（因而更复杂）的网络配置。1 Gbps及以上的传输速率是当今网络的逻辑演进。1 Gbps为新型（物联网）应用开辟了道路，有助于克服数据密集型应用中的性能瓶颈。但是，只有当终端和以太网交换机均支持TSN功能时，TSN作为一个系统才能发挥全部效用。TSN 是一种局域网 (LAN) 级解决方案，可与非TSN 以太网一起工作，但只有在 TSN LAN 内部才能保证及时性。用户可以根据 TSN 解决的用例对 TSN 标准进行分组：通用的时间视图、保证极大延迟，或与背景流量或其他流量共存。与任何流行的标准一样，TSN 的标准工具箱也在不断发展。


图5：ISO/OSI参考模型（来源ADI）其实，TSN调节的是ISO/OS参考模型第2层中的数据通信，严格地说，TSN代表以太网中支持实时性的第2层，不是完整的实时协议。也就是说，TSN不会取代PROFINET、EtherNet/IP及类似的以太网协议。相反，这些工业以太网协议长期而言将支持第2层TSN，因此传统工业以太网协议不会消失，但未来将建立在TSN之上。但是，现场总线则可能会被以太网永久性取代。
结语

工业自动化的成功依赖于高可靠且高效的通信网络，这种网络可将公尺长的所有部分都连接起来，以实现更高效运转。以太网的普及度和适用性将持续次级传统工厂升级到工业以太网。现在的工业以太网协议并没有统一的标准，每种协议都各有利弊。随着工业自动化的发展，将来工业以太网协议有望不断发展融合，适应工厂设备的连网和自动化。为了简化工业以太网的设计，不少半导体厂商推出了更加集成化的芯片产品，下一篇我们将会介绍工业以太网所需要的芯片，及硬件解决方案，欢迎关注。






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