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实用文档主主流流实实时时以以太太网网技技术术的的比比较较一、各个实时以太网技术概要summayofdifferentRT-Ethernettehcnologies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ModBusTCP/IP、EthernetTCP/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。1.1ProfiNetIRTProfiNet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,ProfiNetRT,ProfiNetIRT,其中ProfiNet/Cba是建立在SoftIP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求，而ProfiNetIRT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，可以达到100个伺服100uS的数据刷新能力，系统抖动为1uS。目前Profinet已经开始大量使用，而ProfiNetIRT尚未正式得到大量使用.1.2EthernetPOWERLINK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,EthernetPOWERLINK无需专用的芯片，并且可运行在多种OS上。实用文档Powerlink多路复用技术EthernetPowerlink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”OpenSourceTechnology”－这意味着加入Powerlink组织的成员均拥有此技术。1.3SERCOSIII通过主从结构的设计来实现数据交换，在一个SERCOSIII的数嵌入式系统单片机FPGA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同步管理机制来控制各种数据传输方式的进行。1.4EtherCAT，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。由于采用集束帧的方式，该数据传输方式只能采用环形冗余或星形冗余方式，在拓扑结构上会受到一定的限制，另外，由于其传输是一个循环而处理是一个循环，这就使得它通常需要两个周期才能完成一次交换，其效率较低，通常对于小数据量的系统比较快速，而对大数据量节点数较多时该网络速度反倒较低。实用文档1.5Ethernet/IPCIP采用消费者与生产者模式运行整个过程。Ethernet/IPCIP基于原有的RockwellAB的Devi工业自动化DCS高压变频器的控制和信息协议，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EthernetPOWERLINKProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IPCIP抖动1uS1uS1uS1uS1uS循环周期100uS(Max)1ms25us100uS100uS传输距离100m100m40m100m100m直接交叉通信YesYes介质双绞线/M12/光纤双绞线光纤双绞线/M12光纤历史2001.11IRT尚未发布20072007CIPSync尚未发布是否需特殊硬件无特殊硬件需求Yes/ASICFPGAOrASICYes:从站ASICASIC是否需要RTOSNoYesYesYesNo开放性开源技术需授权需授权需授权需授权原始技术CANopenProfiBusSERCOSCANopenDeviceNet实用文档SERCOSControlNet硬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&RSIEMENSRexrothBeckhoffRockwellAB推广组织EPSGPNOIGSETGODVA节点安装数大于600,000Unvaliable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,SafetyI/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-EthernetPowerlink,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BoschRexroth的SERCOS,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这种现场总线的局限性，BoschRexroth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5mS～100mS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ProfinetIRT，而为了实现这一网络的高实时性，则采用了ASIC技术来修改MAC层，IRT尚未得到大量的使用。3.4.Ethernet/IP，RockwellAB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/IPCIP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/IPCIP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实用文档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，EthernetTCP/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ModbusTCP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5mS～100mS等级，而真正的实时以太网应用则是EthernetPOWERLINK,EtherCAT,SERCOSIII,CC-LinkIE,由这一数据统计可以看出，EthernetPOWERLINK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“OpenSourceTechnology”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。SERCOS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EthernetPowerlink、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。实用文档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场预测，由此可以看出，ProfiNet和Ethernet/IP将占据较大的份额，而Powerlink、EtherCAT、SERCOSIII同样占据一定的市场份额。五、性能与功能分析5.1“短板理论”-通信速度已经不是系统瓶颈，按照短板理论，系统的速度取决于最短的一块板，而非最长的一块板，举例来说，一个系统由多个自动化组件构成，PLC的CPU处理速度、