各類工業(yè)總線對比

1、各類工業(yè)總線對比EtherCAT （以太網(wǎng)控制自動化技術）是一個以以太網(wǎng)為基礎的開放架構的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，EterCAT 名稱中的 CAT為ControlAutomation Technology （控制自動化技術） 首字母的縮 寫。最初由德國倍福自動化有限公司 （Beckhoff Automati on GmbH）研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng) 的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了 現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議（SIL3）。EtherCAT EtherCAT 技術突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過

2、該項技術，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù) 包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經(jīng)過其節(jié)點時處理以太網(wǎng)幀：嵌入在每個從站中的 FMMU （現(xiàn)場總線存儲管理單元）在幀經(jīng)過該節(jié)點時讀取相應的編址數(shù)據(jù)，并同 時將報文傳輸?shù)较乱粋€設備。同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中。整個過程中，報文只有幾 納秒的時間延遲。主站方面也非常經(jīng)濟，商用的標準網(wǎng)卡（ NIC ）或任何主板集成的 以太網(wǎng)控制器可以用作硬件接口。這些接口的共性就是數(shù)據(jù)通過DMA （直接內存讀?。﹤鬏斨?PC，即網(wǎng)絡讀取時無需占用CPU資源。協(xié)議EtherCAT協(xié)議在以太網(wǎng)幀內采用官方指定的以太類型。采用這種以

3、太類型即可允許在 以太網(wǎng)幀內直接傳輸控制數(shù)據(jù)，而無需重新定義標準以太網(wǎng)幀。該以太網(wǎng)幀可由多種子報文組成，每個子 報文服務于邏輯過程映像區(qū)的特定內存區(qū)，該區(qū)域最大可達4GB。數(shù)據(jù)序列是獨立于物理順序的，所以以太網(wǎng)端子模塊的編址可以隨意排序。從站之間的廣播，多播和通訊也可得以實現(xiàn)。當EtherCAT組件與主站控制器運行在同一個子網(wǎng)，或者在控制軟件直接讀取以太網(wǎng)控制器時，可以使用以太網(wǎng)幀直接傳輸數(shù)據(jù)。然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應用。EtherCAT UDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文，這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還

4、可以通過 路由器跨接到其它子網(wǎng)中。在這種情況下，系統(tǒng)性能顯然取決于控制器及其以太網(wǎng)協(xié)議的實時性能。EtherCAT網(wǎng)絡本身的響應時間幾乎不受影響：UDP數(shù)據(jù)幀只需要在第一個站點解包。性能EtherCAT使網(wǎng)絡性能達到了一個新高度。借助于從站節(jié)點中的FMMU和網(wǎng)絡控制器主站的直接內存存取，協(xié)議的處理過程完全在硬件中完成。整個協(xié)議的處理過程都在硬件中得以實現(xiàn)，因此，完全獨立于協(xié)議堆棧的實時運行系統(tǒng)、CPU性能或軟件實現(xiàn)方式。1000個I/O的更新時間只需30 s。單個以太網(wǎng)幀最多可進行 1486字節(jié)的過 程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當于 12000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為300 S. 100

5、個伺服軸的通訊也僅為100s。在此期間，系統(tǒng)更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實際位置及狀態(tài)，分布時鐘技術 使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在保證這種性能的情況下，帶寬仍足以實現(xiàn)異步通訊，女口TCP/IP、下載參數(shù)或上載診斷數(shù)據(jù)。超高性能的EtherCAT技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。例如，以太網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)在不僅可以處理速度控制，也可用于分布式驅動的電流控制。巨大的帶寬可以實現(xiàn)每 個數(shù)據(jù)信息與其狀態(tài)信息同時傳輸。EtherCAT使通訊技術和現(xiàn)代工業(yè) PC所具有的超強計算能力相適應，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運行速度更快。EtherCA

6、T取代PCI由于主板集成了以太網(wǎng)卡，用于接口卡的插槽不再是必要條件。隨著PC組件急劇向小型化經(jīng)濟化方向發(fā)展，工業(yè)PC的體積日趨取決于插槽的數(shù)目。而快速以太網(wǎng)的帶寬和EtherCAT通訊硬件的過程數(shù)據(jù)長度則為該領域的發(fā)展提供了新的可能性：IPC中的傳統(tǒng)接口現(xiàn)在可以轉變?yōu)榧傻腅therCAT接口端子。除了可以對分布式I/O進行編址，還可以對驅動和控制單元以及現(xiàn)場總線主站、快速串行接口、網(wǎng)關和其 它通訊接口等復合系統(tǒng)進行編址。即使是其他無協(xié)議限制的以太網(wǎng)設備變體，也可以通過分布式交換機端 口設備進行連接。由于一個以太網(wǎng)接口足以滿足整個外圍設備的通訊要求，因此，這不僅極大地精簡了 IPC主機的體積，

7、而且也降低了IPC主機的成本。 拓撲結構EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等。通過現(xiàn)場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機或 集線器的數(shù)量。最有效的系統(tǒng)連線方法是線型、分支或樹叉結構的組合拓撲。因為所需接口在I/O模塊等很多設備中都已存在，所以無需附加交換機。當然，仍然可以使用傳統(tǒng)的、基于以太網(wǎng)的星型拓撲結構。還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、經(jīng)濟的標準超五類以太網(wǎng)電纜可采用100BASE-TX模式或E-Bus（ LVDS ）傳送信號。塑封光纖（PFO ）則可用于特殊應用場合。還可通過交換機或介質轉換器實 現(xiàn)不同以太網(wǎng)連線（如

8、：不同的光纖和銅電纜）的完整組合。根據(jù)對距離的要求，可選擇快速以太網(wǎng)的物理層或E-bus作為物理介質?？焖僖蕴W(wǎng)物理層允許兩個設備之間的最大電纜長度為100米，而E-Bus可連接最大距離為10米。由于連接的設備數(shù)量可高達65535，因此，網(wǎng)絡的容量幾乎沒有限制。分布時鐘精確同步對于同時動作的分布式過程而言尤為重要。例如，幾個伺服軸同時執(zhí)行協(xié)調運動時，便是如此。最有效的同步方法是精確排列分布時鐘（請參閱IEEE 1588標準6）。與完全同步通訊中通訊出現(xiàn)故障會立刻影響同步品質的情況相比，分布排列的時鐘對于通訊系統(tǒng)中可能存在的相關故障延遲具有極好的容錯 性。采用EtherCAT，數(shù)據(jù)交換就完全基于

9、“父”“子”時鐘的純硬件機制。由于通訊采用了邏輯環(huán)結構（借助于全雙工快速以太網(wǎng)的物理層），主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘傳播的延遲偏移。分布時鐘均基于該值進行調整，這意味著可以在網(wǎng)絡范圍內使用非常精確的、小于1微秒的、確定性的同步誤差時間基。此外，高分辨率的分布時鐘不僅可以用于同步，還可以提供數(shù)據(jù)采集的本地時間精確信息。當采樣時間非常短暫時，即使是岀現(xiàn)一個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導致速度計算岀現(xiàn)較大的階 躍變化，例如，運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時間戳數(shù)據(jù)類型作為一個邏輯擴展，以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統(tǒng)時間得以與測量

10、值進行鏈接。這樣，速度的精確計算就不再受到通訊系統(tǒng)的同步誤差值影響，其精度要高于基于自由同步誤差的通訊測量技術。熱連接熱連接功能能夠使網(wǎng)絡的各部分相連，并且解耦或重新自由配置；所提供的靈活響應特性，改變了很多應用需要在運行時變更I/O配置的需求。例如，具備變更特性的處理中心，裝備傳感器的工具系統(tǒng)，或者智能化的傳輸設備，靈活的工件執(zhí)行器等。EtherCAT系統(tǒng)考慮到了這些需求：任意配置。EtherCAT 功能安全 傳統(tǒng)上，安全功能是獨立于自動化網(wǎng)絡實現(xiàn)的，使用專用硬件或專門的安全總線系統(tǒng)。EtherCAT安全功能使安全相關通信和控制通信可以在同一網(wǎng)絡上實現(xiàn)。安全協(xié)議基于EtherCAT應用層，而

11、不會影響底層運行。它由IEC61508標準認證，并滿足整體安全等級（SIL） 3。數(shù)據(jù)長度是可變的，所以可以用于安全I/O和安全伺服驅動技術。和其它EtherCAT數(shù)據(jù)相同，安全數(shù)據(jù)可以不使用安全路由器或網(wǎng)關傳輸。完全符合EtherCAT 功能安全認證的產(chǎn)品已經(jīng)上市。Safety over EtherCAT 協(xié)議符合IEC 61748-3 標準中的FSCP 12 （功能安全通訊設備行規(guī)）。開放性EtherCAT技術是完全兼容以太網(wǎng)并真正開放的。該協(xié)議可與其他提供各種服務的以太網(wǎng)協(xié)議并存，并且所有的協(xié)議都并存于同一物理介質中一一通常只會 對整個網(wǎng)絡性能有很小程度的影響。標準的以太網(wǎng)設備可通過集線

12、器端子連接至一個EtherCAT系統(tǒng)，該端子并不會影響循環(huán)時間。配備傳統(tǒng)現(xiàn)場總線接口的設備可通過EtherCAT現(xiàn)場總線主站端子的連接集成到網(wǎng)絡中。UDP協(xié)議變體允許設備整合于任何插槽接口中。EtherCAT技術組確保每個感興趣的組織可以實施并使用該項網(wǎng)絡。EtherCAT協(xié)議將在作出最后的技術規(guī)范后發(fā)布Ethernet/IP 是一個面向工業(yè)自動化應用的工業(yè)應用層 協(xié)議。它建立在標準 UDP/IP與TCP/IP協(xié)議之上，禾U用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業(yè)自動化設備定義了 一個應用層協(xié)議西蒙公司開發(fā)PROFINET 由 PROFIBUS 國際組織（PROFIBUS Intern

13、ational ，PI）推出，是新一代基于 工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化 總線標準。作為一項戰(zhàn)略性的技術創(chuàng)新，PROFINET為自動化通信領域提供了一個完整的網(wǎng)絡解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并且，作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng) 和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS ）技術，保護現(xiàn)有投資。PROFINET是適用于不同需求的完整解決方案，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設備、 運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡安裝、 IT標準和信息安全、故障 安全和過程自動化。MODBUS/TCP是簡單的、中立廠商的用

14、于管理和控制自動化設備的MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。顯而易見，它覆蓋了使用TCP/IP協(xié)議的“ Intranet和“ In ternet環(huán)境中MODBUS報文的用途。協(xié)議的最通用用途是為諸如PLC s，I/O模塊，以及連接其它簡單域總線或I/O模塊的網(wǎng)關服務的。MODBUS/TCP 協(xié)議是作為一種（實際的）自動化標準發(fā)行的。既然MODBUS已經(jīng)廣為人知，該規(guī)范只將別處沒有收錄的少量信息列入其中。然而，本規(guī)范力圖闡明MODBUS中哪種功能對于普通自動化設備的互用性有價值，哪些部分是MODBUS作為可編程的協(xié)議交替用于PLC s的多余部分”。它通過將配套報文類型 一致性等級”，區(qū)別那些普遍

15、適用的和可選的，特別是那些適用 于特殊設備如PLC s的報文。POWERLINK=CANope n+Ethernet鑒于以太網(wǎng)的蓬勃發(fā)展和 CANopen在自動化領域里的廣闊應用基礎，EthernetPOWERLINK融合了這兩項技術的優(yōu)點和缺點，即擁有了Ethernet的高速、開放性接口，以及 CANopen在工業(yè)領域良好的 SDO和PDO數(shù)據(jù)定義，在某種意義上說POWERLINK 就是Ethernet上的CANopen，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層使用了 Ethernet介質，而應用層則保留了原有的 SDO和PDO對象字典的結構雖然這些工業(yè)以太網(wǎng)都是國際標準，但是指的是IEC 61784里的標準，但

16、是這些工業(yè)以太網(wǎng)不都是標準的以太網(wǎng)。即這些工業(yè)以太網(wǎng)并不都是符合IEEE802.3U 的標準，這當中只有Modbus-TCP 和 EtherNet/IP 是符合 IEEE802.3U 的，只有符合 IEEE802.3U 標準的，才能 與IT和以太網(wǎng)將來的發(fā)展相兼容。而不符合IEEE802.3U標準的，基本上可以講不是以太網(wǎng)，它們都對以太網(wǎng)進行了修改，或者是硬件或者是軟件，已經(jīng)不是以太網(wǎng)了。各種工業(yè)以太網(wǎng)的區(qū)別其實主要就是協(xié)議的區(qū)別，其中最主要的還是 應用層協(xié)議的區(qū)別，我們知道，按照ISO的參考模型，網(wǎng)絡被劃分為7層。a. Modbus TCP和EtherNet/IP的區(qū)別主要是應用層不相同，M

17、odbusTCP的應用層采用Modbus協(xié)議，而EtherNet/IP采用CIP協(xié)議，這兩種工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層采用的是CSMA/CD，因此是標準的以太網(wǎng)，另外，這兩種工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡層和傳輸層采用TCP/IP協(xié)議族。還有一個區(qū)別是，Modbus協(xié)議中迄今沒有協(xié)議來完成功能安全、高精度同步和運功控制等，而 EtherNet/IP 有CIPSafety、CIP Sync和CIP Motion來完成上述功能，所以 才有Schneider加入 ODVA，成為ODVA的核心成員來推廣 EtherNet/IP。由于這兩種網(wǎng)絡 都是標準的TCP/IP以太網(wǎng)，所以所有標準以太網(wǎng)節(jié)點都可以接入這兩種網(wǎng)絡。b

18、. b.至于 EthernetPowerLink（EPL）, Ethernet PowerLink 就是個怪胎，PowerLink 雖然在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層還是采用標準的以太網(wǎng)，但是它又添加了另一個數(shù)據(jù)鏈路層，此EPL數(shù)據(jù)鏈路層在結構上為于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層之上。我們知道數(shù)據(jù)鏈路層的一個子層的MAC（介質訪問）層的作用是color=#FF0000決定哪一個節(jié)點可以占有總線，也即決定哪個節(jié)點一個發(fā)送數(shù)據(jù)/color。所以本來由以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層來決定哪一個節(jié)點占用總線，現(xiàn)在它被位于它之上的 EPL數(shù)據(jù)鏈路層給架空了，由這個EPL數(shù)據(jù)鏈路層通過軟件的方式來決定哪個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。所有在這樣的一個EPL

19、工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中，不能使用交換機，只能使用HUB，所以對100M的網(wǎng)絡，EPL總的帶寬是小于100m, 一盤情況下只有 40 50M，而 如果采用交換機的工業(yè)以太網(wǎng)，它的帶寬可以達到大幾百M,另外在EPL網(wǎng)絡上，所有的節(jié)點都要實現(xiàn)EPL數(shù)據(jù)鏈路。沒有實現(xiàn)EPL數(shù)據(jù)鏈路層的節(jié)點不能接入此網(wǎng)絡。c. PROFINET 分為原來劃分為 v1,v2,v3，現(xiàn)在一般稱為 ProfiNetCBA、ProfiNet IO 和 ProfiNet IRT.也就是通過以太網(wǎng)來實現(xiàn)對等通訊、實時控制和運動控制。v1采用TCP/IP協(xié)議，采用標準的以太網(wǎng)，而V2和V3不采用tcp/ip協(xié)議，這兩種都繞過 tcp/ip

20、協(xié)議，采用另外的網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議，開發(fā)ProfiNet采用開發(fā)人員人員認為tcp/ip協(xié)議增加了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸延遲，其實這是一種誤解，據(jù)美國密歇根大學的教授研究后認為數(shù)據(jù)在TCP/IP中的傳輸延遲很小，他們研究得出數(shù)據(jù)在經(jīng)過TCP,IP棧時延遲只有不到100微秒，如果采用UDP/IP時就更小，同時他們研究也得出數(shù)據(jù)在不同應用層延時比較大，不同的協(xié)議延遲不一樣，但是相差不是很大，從200us-800us不等，他們經(jīng)過實驗后認為以太網(wǎng)的基礎設施（指交換機、網(wǎng)卡等）和 TCP/IP協(xié)議并不是影響工業(yè)以太網(wǎng)實時性的主要原因，而認為應用層 協(xié)議才是主要原因。所以密歇根大學的教授認為繞開TCP/IP

21、協(xié)議沒有絲毫的意義，反而由于缺少了 TCP/IP協(xié)議，使得設備也就缺少了IT功能，與其它現(xiàn)場總線沒有區(qū)別。ProfiNet V3就更特別了，它不完全采用標準以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層，有一不時間采用以太網(wǎng)的數(shù)據(jù) 鏈路層（CSMA/CD），而另外一部分時間采用自己的數(shù)據(jù)鏈路層，通過一個高精度的時間來 完成。所以ProfiNet V3也就不是標準的以太網(wǎng)了，也就給 Profinet v3帶來如下的問題： 不能采用標準的交換機、不能采用標準的以太網(wǎng)芯片、與企業(yè)網(wǎng)相連可能會出現(xiàn)問題，與標準以太網(wǎng)相連還要特殊的網(wǎng)關、添加和刪除一個節(jié)點都需要重新組態(tài)網(wǎng)絡和重新啟動網(wǎng)絡、 至今沒有千兆網(wǎng)絡， 還有最重要的是，當標準

22、以太網(wǎng)以后發(fā)展了后，它不能與標準以太網(wǎng)相兼容，不具有將來以太網(wǎng)所應具有的功能。d. EtherCat這種工業(yè)以太網(wǎng)也很奇怪，它們不使用標準的芯片，一般不使用交換機，軟件 也不是標準的，對以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進行了一些修改，我們知道一個數(shù)據(jù)幀只有一個源節(jié)點， 但是對于EtherCat 一個數(shù)據(jù)可能有多個源節(jié)點，即一個數(shù)據(jù)是由多個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)組合 而成的。所以對于這樣的網(wǎng)絡，標準的以太網(wǎng)設備也不能接入這樣的網(wǎng)絡。我認為Ethernet/IP和ProfiNet這兩種工業(yè)以太網(wǎng)都適合各個行業(yè)，并不象heidai講的應用的行業(yè)不一樣。首先這兩種工業(yè)以太網(wǎng)都用于傳輸非實時數(shù)據(jù)，還可傳輸實時數(shù)據(jù)，即可以用于離散

23、控制，也可用于過程控制（當然現(xiàn)在還不能用于本安應用）。其次，這兩種工業(yè)以太網(wǎng)都可用于網(wǎng)絡功能安全傳輸，Ethernet/IP 有CIP Safety協(xié)議，而ProfiNet有Profisafe 協(xié)議,還有在運動控制方面 ProfiNet有ProfiNet IRT，而EtherNet/IP 則有CIP Safety,二者 都可以用于中高端的運動控制。最后兩者都有基于IEEE1588的高精度時鐘同步。而 Modbus TCP,EtherCat 和PowerLink,都只能完成部分控制任務，如Modbus TCP 一般只作常規(guī)IO實時和非實時數(shù)據(jù)。而EtherCat和PowerLink則更象是為運動

24、控制而開發(fā)的，這二者好像沒有功能安全、在 PLC和DCS控制方面也沒有得到大自動化公司的支持，況且這兩者 又對以太網(wǎng)進行修改，一個在軟件，另一個在軟件和硬件方面都進行了修改，都不能兼容標準的以太網(wǎng)設備，個人認為這樣做得不償失，為滿足運動控制而不能兼容已有的標準的以太 網(wǎng)設備而開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)并不是以太網(wǎng)，與其說是工業(yè)以太網(wǎng)還不如說是另一種現(xiàn)場總線。我認為工業(yè)以太網(wǎng)的競爭將會在Ethernet/IP和ProfiNet間進行，而其它工業(yè)以太網(wǎng)都是這兩者的陪襯，將會逐漸退出市場。EtherNet/IP 以后將由羅克韋爾自動化、Omron、施耐德和思科公司來推動，而ProfiNet將由業(yè)界老大西門子公

25、司帶領一些小公司去奮斗，由國內PLC廠商中的老二、老三和老五對老大，不知誰將引導未來。其實，工業(yè)以太網(wǎng)里還有幾個怪胎，舉兩個例吧：SynqNet:丹納赫主導的，幾乎只用在運動控制，而且據(jù)說只用在了半導體機械行業(yè)（奇怪 的是，不才也搞半導體機械很久了，卻從來沒看到過SynqNet，孤陋寡聞?。?。只用了以太網(wǎng)的硬件，完全和我們平常說的以太網(wǎng)沒有任何關系，連MAC層都沒有。當然如此運用，速度性能當然好，但未來難說。Sercos III:光纖Sercosll的新一代以太網(wǎng)版本，背后推手是博世力士樂，只用在運動控制。 也基本上是只用了以太網(wǎng)底層硬件，系統(tǒng)里竟然連switch都不允許用。速度當然快，但只比

26、SercoslI快了一倍。估計用了Sercosll的用戶，誰會去更新到一個沒快了多少的新系統(tǒng)啊，還沒問世，就已經(jīng)不被業(yè)界看好了。我個人認為，最后一定是大西洋兩岸的兩大巨人之間的角力，就像以前的現(xiàn)場總線戰(zhàn)爭，最后還不是Profibus和DeviceNet，另啲都只能當陪襯的角色?當然，現(xiàn)在大家都在看中國這個大西洋兩岸以外的單一最大市場，中國把砝碼放在誰這一邊，可能會使天平傾斜一點。但最后，肯定兩者都會存在的。我個人認為，咱們應該選Ethernet/IP這一邊站中國用戶和制造商應選擇 Ethernet/IP還是ProfiNet，各人的看法有所不同，不過我認為firstrazor所說的沒錯，有于 P

27、rofiNet采用了專門的芯片、網(wǎng)卡、交換機等以太網(wǎng)基礎設施， 雖然ProfiNet應用層協(xié)議是公開的，但這些芯片卻是專用，國內的制造商要想開發(fā)符合ProfiNet標準的設備，確要依賴于這些芯片，受制于提供芯片的公司，也就是西門子公司，因 此可以將ProfiNet并不是完全開放的。而相反，Ethernet/IP不論是在軟件還是硬件上都是標準和開放的，國內的工業(yè)以太網(wǎng)制造商還是選擇EtherNet/IP為好，至于最終用戶的選擇，當然是從可靠性、價格、兼容性和可替換性方面考慮，可靠性方面，二者沒有明顯區(qū)別，在 其它方面Ethernet/IP具有明顯的優(yōu)勢一第一部分EtherCAT協(xié)議系統(tǒng)整體組成德

28、國倍福公司提出了以太網(wǎng)控制自動化技術，即EtherCAT技術，在數(shù)據(jù)鏈路層使用實時性調度的軟核，并采用了雙端口 RAM傳輸過程數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)的實時性主站由帶有 普通網(wǎng)卡的計算機組成，主要負責向從站的發(fā)送EtherCAT數(shù)據(jù)幀，從而進行與從站的互動。主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有的從站設備，每個從站設備在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時，處理尋址到本站的數(shù)據(jù)，根據(jù)報文頭中的命令從報文中指定的位置讀或寫數(shù)據(jù)，并且從站硬件把該報文的工作計數(shù)器（WKC）加1,表示該數(shù)據(jù)被從站處理；數(shù)據(jù)幀訪問完整個系統(tǒng)的最后一個從站時，該從站把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站。主站收到從站處理的數(shù)據(jù)幀后，處理返回的數(shù)據(jù)，一幀通信結束。1 E

29、therCAT協(xié)議系統(tǒng)主站組成EtherCAT協(xié)議系統(tǒng)的主站可以是任何可以控制標準以太網(wǎng)的工業(yè)設備； 主站可以是小型嵌入式控制器、小型PLG任何基于 PC的應用等 以太網(wǎng)控制芯片（Retaltek RTL8102集成了物理數(shù)據(jù)收發(fā)器，使用起來比較方便電信號傳輸可以采用100BASE-TX標準連接以太網(wǎng) （最長為 100m,帶變壓器耦合 ），也可以使用 LVDS（LowVoltageDifferential Signaling)在物理層上傳輸。LVDS 是基于 ANSI/TIA/EIA-644 的差分信號，同樣適用 IEEE802.3ae標準(10G以太網(wǎng))2 EtherCAT協(xié)議系統(tǒng)從站組成從

30、層次上劃分,EtherCAT協(xié)議一般劃分為三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層；其中，物理層的主要器件有物理層 PHY(Port Physical Layer)芯片、網(wǎng)絡變壓器和RJ45接口組成。數(shù)據(jù)鏈路層的主要器件是ESC(EtherCATSlave Controlle專用器件。應用層主要根據(jù)需要選擇合適的微處理器芯 片ESC物理層使用的接口模式分為兩種：一種是 Mil (Media Independentlnterface)接口，另一種是EBUS接口。從站控制器：從站控制器 (ESC主要有 ASIC芯片、IP-Core和ESC20 ASIC芯片主要由德國倍福公司提供，主要有 ET1100和E

31、T1200 ； IP-Core可以從德國倍福公司、Xilinx公司和Altera公司獲得。每種形式的 ESC都由MII/EBUS接口、邏輯管理單元 FMMU(Fielldbus MemoryMa nageme nt Un it)、同步存儲管理SM(S yn cMa nager)、雙端口 RAM、分布時鐘、過程數(shù)據(jù) PDI(Process Data In terface)接口等組成【整理】工業(yè)自動化現(xiàn)場總線：EtherCAT現(xiàn)在詳細解釋其特點:EtherCAT協(xié)議處理完全在硬件中進行協(xié)議ASIC可靈活配置。過程接口可從1位擴展到64 kbyte。詳見:三l!WiClhctCAtlUWiOM位于E

32、-bM 茨堵J83壬魅7 卡 | 旳 UO Vit F? Ujp也力;匕ElhrfCAT 1 1霸氓fl SA為所以使得以太網(wǎng)可以直達端子模塊：符合IEEE 802.3標準的以太網(wǎng)協(xié)議無需附加任何總線即可訪問各個設備。耦合設備中的物理層由 100BASE-TX 或卡X轉換為E-bus，以滿足電子端子排等模塊化設備的需求。端子排內的E-bus信號類型(LVDS )并不是專用的，它還可用于10 Gbit以太網(wǎng)。在端子排末端，物理總線特性被轉換回100BASE-TX 標準。主板集成的以太網(wǎng)MAC足以作為主站設備中的硬件使用。DMA （直接存儲器存?。┯糜趯?shù)據(jù)傳輸?shù)街鲀却妫獬?CPU存取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)

33、的負擔。Beckhoff的多端口插卡中運用了相同的原理，它在一個PCI插槽中最多捆綁了 4個以太網(wǎng)通道。Illi 1111tnwC/E 富站 4? 1 IKJ t：1-器知剳落立世睚JT.耳丄肚起惟弋IrJtftl -. *厲衛(wèi)臨吋R：址注!Tfl課+ :HI Ofl| W( 12 FMMU：報文處理完全在碇件中進行EtherCAT 的性能EtherCAT使網(wǎng)絡性能達到了一個新境界。1000個I/O的更新時間只需30 JS，其中還包括I/O周期時間。單個以太網(wǎng)幀最多可進行I486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當于12000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為300 gSo與100個伺服軸的通訊

34、每100 gs執(zhí)行一次?？稍谶@一周期時間內更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸 的實際位置及狀態(tài)，分布式時鐘技術使軸的同步偏差小于1微秒。超高性能的EtherCAT技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使得狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠與任何數(shù)據(jù)并行傳輸。EtherCAT使通訊技術和現(xiàn)代工業(yè) PC所具有的超強計算能力相適應，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運行速度更快。這種網(wǎng)絡性能優(yōu)勢在具有相對中等運算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT周期時間如此之短

35、，使得它可以在兩個控制周期之間完成。因此，控制器總是能夠獲取最新的輸入數(shù)據(jù)；輸岀以最小的延遲尋 址。無需增強本身的運算能力，控制器的響應行為就能夠得到顯著改善。借助于從站硬件集成和網(wǎng)絡控制器主站的直接內存存取，整個協(xié)議的處理過程都在硬件中得以實現(xiàn)，因 此，完全獨立于協(xié)議堆棧的實時運行系統(tǒng)、CPU性能或軟件實現(xiàn)方式。1000個I/O的更新時間只需30 g，其中還包括I/O周期時間。ProceSi D卸怡Upd-ftl? Timedistributed digital I/O11 ps = 0.0 msiooo d J it rJbu ted digital J/05300 analog IfO

36、i&btt;o|js * jo kHi100 5ervo Axhj,with 5 inputoirtpEit dmta eahi Fieldbus Md iter Gate way(t4B6 Bytci Input and i486 Bytes Output Data)單個以太網(wǎng)幀最多可進行 1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當于12000個數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時僅為300 gs。100個伺服軸的通訊也非常快速： 可在每100 gs中更新帶有命令值和控制數(shù)據(jù)的所有軸的實際位置及狀 態(tài)，分布時鐘技術使軸的同步偏差小于1微秒。而即使是在保證這種性能的情況下，帶寬仍足以實現(xiàn)異步通訊，如T

37、CP/IP、下載參數(shù)或上載診斷數(shù)據(jù)。超高性能的EtherCAT技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術和現(xiàn)代工業(yè)PC所具有的超強計算能力相適應，總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數(shù)本地I/O接口運行速度更快。EtherCAT技術原理具有可塑性，并不束縛于100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴展為1000 M bps的以太網(wǎng)。簡言之：EtherCAT的周期時間短，是因從站的微處理器不需處理以太網(wǎng)的封包。所有程序資料都是由從站控制 器的硬件來處理。此特性再配合EtherCAT的機能原理，使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統(tǒng)：

38、 包含一千個分散式數(shù)位輸入/輸出的程序資料交換只需 30us，相當于在100Mbit/s的以太網(wǎng)傳輸125個字節(jié)的資料。讀寫一百個伺服軸的系統(tǒng)可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率約為1-30 kHz，但也可以使用較低的更新速率，以避免太頻繁的直接內存存取影響主站個人電腦的運作。EtherCAT 的拓撲總線形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎任何類型的拓撲結構。因此，由于現(xiàn)場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的數(shù)量。最有效的系統(tǒng)連線方法是對線型、分支或樹叉結構進行拓撲組合。因為所需接口在I/O模塊等很多設備 中都已存在，所以無需附加交換機。當

39、然，仍然可以使用傳統(tǒng)的、基于以太網(wǎng)的星型拓撲結構。還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、經(jīng)濟的標準超五類以太網(wǎng)電纜可采用100BASE-TX模式傳送信號，兩臺設備之間的最大電纜長度為100 m。還可通過交換機或介質轉換器實現(xiàn)不同以太網(wǎng)連線（如不同的光纖和銅電纜）的完整組合。信號變量可以根據(jù)每個電纜間距單獨選擇。由于連接的設備數(shù)量可高達 65535，因此，網(wǎng)絡的容量幾乎沒有限制。1 -:土皿:.m二二ivrrttTfTnrtTfTVTrtk.-u333T3n_-ULEqaeftuMOtAn）a 學；n冊kq.z / v?ii . i； c： 叫m 此詛飢FiM址吊就例&無術曲從期弧簡言之

40、：EtherCAT使用全雙工的以太網(wǎng)實體層，從站可能有二個或二個以上的埠。 若設備沒偵測到其下游有其 他設備，從站的控制器會自動關閉對應的埠并回傳以太網(wǎng)幀。由于上述的特性，EtherCAT幾乎支援所有的網(wǎng)絡拓撲，包括總線式、樹狀或是星狀，現(xiàn)場總線常用的總線式拓撲也可以用在以太網(wǎng)中。EtherCAT的拓撲可以用網(wǎng)絡線、分枝或是短線（stub）作任意的組合。有三個或三個以上以太網(wǎng)接口的設備就可以當作分接器，不一定一定要用網(wǎng)絡交換器。由于使用100BASE-TX的以太網(wǎng)物理層，二個設備之間的距離可以到 100米，一個EtherCAT區(qū)段的網(wǎng)絡最多可以有 65535個設備。若EtherCAT網(wǎng)絡 是使

41、用環(huán)狀拓撲（主站設備需要有二個通訊埠），則此網(wǎng)絡還有纜線冗余的機能。EtherCAT 的速度EtherCAT技術原理具有可塑性，并不束縛于100 Mbaud的通訊速率，甚至有可能擴展為 Gbit的以太網(wǎng)。EtherCAT 取代 PCI隨著PC組件逐漸向小型化方向發(fā)展，工業(yè) PC的體積也日趨取決于插槽的數(shù)目。而高速以太網(wǎng)的帶寬和EtherCAT通訊硬件的過程數(shù)據(jù)長度則為該領域的發(fā)展提供了新的可能性：工業(yè) PC中的傳統(tǒng)接口現(xiàn)在可以轉變?yōu)榧傻?EtherCAT接口端子模塊。除了可以對分布式I/O進行編址，還可以對驅動和控制單元以及現(xiàn)場總線主站、快速串行接口、網(wǎng)關和 其它通訊接口等復合系統(tǒng)進行編址。

42、即使是其它無協(xié)議限制的以太網(wǎng)設備變體，也可以通過分布式交換機 端口設備進行連接。由于一個以太網(wǎng)接口足以滿足整個外圍設備的通訊。因此，這不僅極大地精簡了工業(yè)PC主機的體積和外觀，而且也降低了工業(yè)PC主機的成本。EtherCAT 的分布式時鐘精確同步對于同時動作的分布過程而言尤為重要，例如，幾個伺服軸在同時執(zhí)行協(xié)調運動時便是如 此。最有效的同步方法是精確排列分布時鐘。與完全同步通訊中通訊岀現(xiàn)故障會立刻影響同步品質的情況相反，分布排列的時鐘對于通訊系統(tǒng)中可能存在的相關故障延遲具有極好的容錯性。采用EtherCAT后，數(shù)據(jù)交換就完全基于純硬件機制。由于通訊采用了邏輯（借助于全雙工快速以太網(wǎng)的物理層）環(huán)

43、網(wǎng)結構，主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘傳播的延遲偏移，反之亦然。分布式時鐘基于該值進行調整，這意味著可以在網(wǎng)絡范圍內使用非常精確 的、信號抖動小于1微秒的、確定性的同步誤差時間基。而跨接工廠等外部同步則可以基于 IEEE 1588標準。詳情請參閱：【整理】工業(yè)自動化規(guī)范之時間同 步：IEEE 1588此外，高分辨率的分布式時鐘不僅可以用于同步，還可以提供數(shù)據(jù)采集的本地時間精確信息。當采樣時 間非常短暫時，即使是岀現(xiàn)一個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導致速度計算岀現(xiàn)較大的階躍變化， 例如，運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時間戳數(shù)據(jù)類型作為一個

44、邏輯擴展，以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統(tǒng)時間得以與測量值進行鏈接。這樣，速度的 精確計算就不再受到通訊系統(tǒng)的同步誤差值影響，其精度要高于基于自由同步誤差的通訊測量技術。由于采用了新的擴展數(shù)據(jù)類型，因此，可以給被測量值分配非常精確的時間戳。分布式時神CPU. IK）和加曲用九忙鬲爪陀k毎嶺；L為了系統(tǒng)的同步，EtherCAT協(xié)定中有提供分散式時鐘機制，即使通訊循環(huán)周期有抖動，時鐘的抖動遠 小于1gs，大約接近IEEE 1588精密時間協(xié)議的標準。因此 EtherCAT的主站設備不需針對時鐘使用特殊 的硬件，可以用軟件實現(xiàn)在任何標準的的以太網(wǎng)MAC，即使沒有特殊的通訊協(xié)處理器也沒有關系。

45、標準建立分散式時鐘的程序是由主站送岀一特定位址的廣播訊息給所有從站來啟動。若使用環(huán)狀拓撲， 所有從站會在收到訊息時 閂鎖內部時鐘，當訊息回來時會再閂鎖內部時鐘一次。主站會讀所有從站閂鎖 的值，計算各個從站的延遲。為了消除抖動的影響及求得平均值，主站會盡可能的多次進行上述的程序。所有的從站延遲會依各從站在從站環(huán)狀拓撲的位置來計算，并記錄在一個偏移寄存器中。最后主站送岀一 個讀寫系統(tǒng)時鐘的廣播訊息，會使第一個從站的時鐘為參考時鐘，其他從站的內部時鐘會調整到和第一個 從站相同。為了在初始化后保持時鐘的同步，主站或從站需定期的再送岀廣播訊號，以計算各個從站內部時鐘的速 度差異，若有需要時，從站需要可以

46、調整自身時鐘的速度，或是有其他調整時鐘的機制。系統(tǒng)時鐘是一個64位元的計時器，計數(shù)內容是從 2000年1月1日0點0分開始所經(jīng)過的時間，單位 是奈秒（ns ）?！靖形颉縀therCAT中提到的分布時鐘，同步時鐘，就相當于：兩個人（或多個人）拿著手表在一起，先：對點確保各自的時間，是一致的。這樣，在后續(xù)的某個約定的時間，一起做某事，才能確保是同步去做的。否則就會有時間的誤差，就會影響辦事。EtherCAT支持熱連接許多應用都需要在運行過程中改變I/O組態(tài)。例如，需求不斷變化的加工中心、裝備傳感器的刀具系統(tǒng)或智能化的傳輸系統(tǒng)、靈活的工件執(zhí)行機構或可單獨關閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT系統(tǒng)的

47、協(xié)議結構中已經(jīng)考慮到了這些需求：熱連接功能可以將網(wǎng)絡的各個部分連在一起或斷開，或兀速I進行重新組態(tài)，針對不斷變化的組態(tài)提供靈活的響應能力。EtherCAT的高可靠性選擇冗余電纜可以滿足快速增長的系統(tǒng)可靠性需求，以保證設備更換時不會導致網(wǎng)絡癱瘓。EtherCAT也支持熱備份的主站冗余。您可以很經(jīng)濟地增加冗余特性，僅需在主站設備端增加使用一個標準的以太網(wǎng) 端口（無需專用網(wǎng)卡或接口），并將單一的電纜從總線型拓撲結構轉變?yōu)榄h(huán)型拓撲結構即可。當設備或電纜發(fā)生故障時，也僅需一個周期即可完成切換。因此，即使是針對運動控制要求的應用，電纜出現(xiàn)故障時也不會有任何問題。EtherCAT也支持熱備份的主站冗余。由于在環(huán)路中斷時EtherCAT從站控制器芯片將立刻自動返回數(shù)據(jù)幀，一個設備的失敗不會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓。例如，拖鏈設備可以 配置為分支拓撲以防線纜斷開。EtherCAT 的安全性：Safety over EtherCATEtherCAT有一個加強的協(xié)定版本，稱為Safety over EtherCAT ，可以在同一個網(wǎng)絡上進行安全相關的通訊和一般的控制通訊。此安全通訊是以EtherCAT的應用層為基礎，不會影響底層的通訊協(xié)定。Safetyover EtherCAT 有通過