精品資料（2021-2022年收藏）主流實時以太網(wǎng)技術比較

1、主流實時以太網(wǎng)技術的比較一、各個實時以太網(wǎng)技術概要 summay of different RT-Ethernet tehcnologies當前，工業(yè)實時以太網(wǎng)技術蓬勃發(fā)展，正在取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(Profibus，CAN，Interbus，F(xiàn)ieldbus，DeviceNet，Modbus)，市場上出現(xiàn)了眾多實時通信技術，本文對其進行了比較，這些實時以太網(wǎng)均建立在uS級的循環(huán)周期上，而不列入ModBus TCP/IP、Ethernet TCP/IP這些mS級的通信技術，并且也不將非主流的以太網(wǎng)技術列入，純粹在實時以太網(wǎng)這個領域里進行比較（這里的實時以太網(wǎng)遵循INONA所提出的實時分類級別

2、）。需要申明的是，本文僅提供一個全景式的概覽，而非傾向性的描述，旨在客觀公正的對各種技術的特點進行分析，以作為互相交流，不作為選擇網(wǎng)絡技術的參考依據(jù)。1.1ProfiNet IRTProfiNet提供了三個不同的版本，按照其實現(xiàn)和對應用的實時性支持能力為ProfiNet/Cba,ProfiNet RT,ProfiNet IRT,其中ProfiNet/Cba是建立在Soft IP基礎上，采用交換機連接方式，由于交換機所帶來的時間延遲，因此，無法支持較快的同步速度，ProfiNet并不具備很高的實時性，而RT也無法滿足高速運動控制的需求，而ProfiNet IRT則是設計為更快速的運動控制應用，因

3、此，采用了專用的芯片來實現(xiàn)，這使得其速度得到了大幅度的提高，系統(tǒng)抖動為1uS。目前Profinet已經(jīng)開始大量使用，而ProfiNet IRT尚未正式得到大量使用.1.2Ethernet POWERLINK采用輪詢方式，由主站MN和CN構成，系統(tǒng)由SoC開始啟動等時同步傳輸，由主站為每個CN分配固定時間槽，通過這一機制來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換，同時也通過多路復用和節(jié)點序列方式來優(yōu)化網(wǎng)絡的效率，支持標準的Ethernet報文，應用層采用CANopen,Ethernet POWERLINK無需專用的芯片，并且可運行在多種OS上。Powerlink多路復用技術Ethernet Powerlink標準化組織

4、EPSG在2007年宣布放棄對Powerlink所有專利的擁有，從而使得Powerlink技術成為了目前實時以太網(wǎng)技術里第一個也是唯一一個”O(jiān)pen Source Technology”這意味著加入Powerlink組織的成員均擁有此技術。1.3SERCOSIII通過主從結構的設計來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，在一個SERCOSIII的數(shù)據(jù)中，主站與從站之間的數(shù)據(jù)包傳輸M/S同步數(shù)據(jù)交換與CC直接交叉通信數(shù)據(jù)以及Safety數(shù)據(jù)，由Sync同步管理機制來控制各種數(shù)據(jù)傳輸方式的進行。1.4EtherCAT，采取一種所謂“數(shù)據(jù)列車”的方式設計，“邊傳輸邊處理”的方式按照順序將數(shù)據(jù)包發(fā)送到各個從節(jié)點，然后再回到主

5、站，這樣的話，任務的處理將在下一個周期里完成，主節(jié)點通常采用PC，而從節(jié)點背板間采用LVDS-低壓差分驅動信號傳輸方式，可以達到非常高的數(shù)據(jù)交換，但是，這同時也意味著從站需要特殊的硬件，ASIC或FPGA,由于EtherCAT有ASIC，其并不主推FPGA方案。1.5Ethernet/IP CIP采用消費者與生產(chǎn)者模式運行整個過程。Ethernet/IP CIP基于原有的Rockwell AB的DeviceNet,ControlNet的控制和信息協(xié)議，采用了在OSI的會話層和表示層的修改，作為一種軟件形式的協(xié)議，它顯然具有較高的數(shù)據(jù)通過率，適應于大塊的數(shù)據(jù)通信，因此，更適合作為網(wǎng)關和交換設備的

6、應用，其實時性卻受到一定的限制，但是，它完全兼容標準以太網(wǎng)，因此，具有很好的到工廠與企業(yè)的IT層互聯(lián)的能力。二、主要特點比較下表對主要的實時以太網(wǎng)技術的關鍵參數(shù)進行了比較，羅列如下：比較項Ethernet POWERLINKProfiNet IRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IP CIP抖動<<1uS1uS<1uS<<1uS<1uS循環(huán)周期100uS(Max)1ms25us100uS100uS傳輸距離100m100m40m100m100m直接交叉通信YesYes介質(zhì)雙絞線/M12/光纖雙絞線光纖雙絞線/M12光纖歷史2001.11IR

7、T尚未發(fā)布20072007CIP Sync尚未發(fā)布是否需特殊硬件無特殊硬件需求Yes/ASICFPGA Or ASICYes:從站 ASICASIC是否需要RTOSNoYesYesYesNo開放性開源技術需授權需授權需授權需授權原始技術CANopenProfiBusSERCOSCANopenSERCOSDeviceNetControlNet硬件實現(xiàn)簡單復雜復雜簡單簡單軟件實現(xiàn)簡單簡單復雜復雜復雜始創(chuàng)公司B&RSIEMENSRexrothBeckhoffRockwell AB推廣組織EPSGPNOIGSETGODVA節(jié)點安裝數(shù)大于600,000Unvaliable未知未知Unvaliab

8、le拓撲結構任意拓撲受限受限（環(huán)形）受限（環(huán)形）任意拓撲同步方式IEEE1588時鐘同步IEEE1588時鐘同步分布時鐘IEEE1588時鐘同步網(wǎng)絡編程簡單復雜復雜復雜簡單網(wǎng)絡關注I/O,運動控制,Safety現(xiàn)場總線運動控制運動控制I/O運動控制,SafetyI/O,運動控制，Safety動態(tài)配置可以可以否否可以三、各以太網(wǎng)技術發(fā)展歷史實時通信技術的歷史淵源將為我們展示各種技術的起源，每項技術都有其繼承性，因此，帶有其原有的烙印：3.1.第一個實時以太網(wǎng)-Ethernet Powerlink,在2001年11月，該技術即投入使用，由B&R開發(fā)，作為OEM業(yè)界領先的控制技術提供商，B&

9、amp;R將其所具有的靈活架構設計、開放性和持續(xù)的創(chuàng)新理念融入其中，因此，Powerlink技術便具有了其靈活拓撲結構、功能強大而易用使用、具有未來的可持續(xù)發(fā)展能力。3.2.SERCOSIII起始于Bosch Rexroth的SERCOS,SERCOS在1996年即推出的一種適用于CNC和機器人領域的現(xiàn)場總線，該公司傳統(tǒng)在CNC和Robotics等應用上，因此，其設計基于CNC應用的設備描述文件，更為側重運動控制，在初始的SERCOS設計里其拓撲僅支持環(huán)形網(wǎng)絡，并且只用于傳輸伺服數(shù)據(jù)，而不用于傳輸高速I/O數(shù)據(jù)，這使得在其應用中通常采用兩個不同的總線來處理數(shù)據(jù)通信，用I/O總線如Profibu

10、s,Interbus做邏輯信號傳輸，而SERCOS則處理伺服間數(shù)據(jù)，并且第一代的SERCOS并不支持雙絞線的連接，而采用了光纖傳輸，速度為12Mbps最大，為了克服SERCOS這種現(xiàn)場總線的局限性，Bosch Rexroth開發(fā)了基于以太網(wǎng)技術的SERCOSIII，并在2007年發(fā)布。3.3.Profinet則建立在Profibus基礎上，由于其始創(chuàng)公司SIEMENS在過程控制領域的強大實力，使得其廣泛應用于DCS系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表層、事件控制等流程工業(yè)領域，而2007年Profinet被推出，但是，是一個基于軟實現(xiàn)方案，其刷新時間在5mS100mS等級，因此其實時性并未達到INONA所定義的實時

11、以太網(wǎng)級別，而為了解決在運動控制領域的高實時性要求，SIEMENS計劃推出Profinet IRT，而為了實現(xiàn)這一網(wǎng)絡的高實時性，則采用了ASIC技術來修改MAC層，IRT尚未得到大量的使用。3.4.Ethernet/IP，Rockwell AB作為傳統(tǒng)的自動化廠商，并且在過程控制領域具有較強的影響力，其傳統(tǒng)的Devicenet是一個專業(yè)的現(xiàn)場總線，在此基礎上的Ethernet/IP并未強調(diào)極高的實時性-由于傳統(tǒng)的過程控制領域對于實時性的要求并非像高速數(shù)據(jù)采樣、運動控制與CNC那么高，因此，其Ethernet/IP并不具備高實時性，只在mS等級的循環(huán)周期，為了解決這個問題，RA在其系統(tǒng)中采用了

12、SERCOSIII,EtherCAT接口，但是，未來其仍然聚焦在其自主開發(fā)的Ethernet/IP CIP技術，而DeviceNet在使用方面較之Profibus編程和網(wǎng)絡配置較為復雜，這也使得其基礎上的Ethernet/IP CIP面臨這樣的問題。3.5.EtherCAT,其始創(chuàng)公司Beckhoff是一個以PC技術為導向的公司，建立在Windows平臺上的技術具有良好的操作性設計，但是Windows本身不具備高實時性，因此，在PC上添加一個實時操作系統(tǒng)來運行實時網(wǎng)絡。四、節(jié)點安裝現(xiàn)狀與未來發(fā)展4.1.當前安裝狀況：各以太網(wǎng)技術的發(fā)展歷史說明其技術的成熟度，Powerlink技術具有最大的市場

13、應用，來自IMS的數(shù)據(jù)顯示如下：在這份報告中，Ethernet TCP/IP的標準以太網(wǎng)安裝節(jié)點數(shù)最多，這些通常應用于與上位的管理系統(tǒng)的連接，如PLC、IPC與ERP、MRP系統(tǒng)的連接，通過標準以太網(wǎng)，由于數(shù)據(jù)沒有嚴格的實時性要求，因此，普通的以太網(wǎng)即可使用，而Modbus基礎上升級的Modbus TCP借助傳統(tǒng)的Modbus占據(jù)了較大的安裝量，但是，這些通常應用于PC到PLC、伺服的程序下載，與HMI的連接或者儀表層的接口，因此，其應用也非是實時性較高的領域，而Ethernet/IP和ProfiNet都是應用于流程工業(yè)領域的，其實時性并不是特別高，一般在5mS100mS等級，而真正的實時以太

14、網(wǎng)應用則是Ethernet POWERLINK,EtherCAT,SERCOSIII,CC-Link IE,由這一數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，Ethernet POWERLINK具有最大的節(jié)點安裝數(shù)，這與Powerlink技術推出較早有較大的關系，也與Powerlink產(chǎn)品在實時性要求較高的數(shù)據(jù)采樣、運動控制應用有關。4.2支持廠商目前EtherCAT由超過1000個支持廠商，而POWERLINK則有超過800個支持廠商，在中國POWERLINK技術因為其“OpenSource Technology”的原因取得了廣泛認可，而EtherCAT則由于其先行的市場推廣而同樣具有眾多的開發(fā)廠商。SERCOS則在

15、傳統(tǒng)的CNC和機器人領域有一定的市場擁護者，ProfiNet由于SIEMENS的強大市場號召力，雖然其推廣目前受到ProfiBus的使用而未進行大規(guī)模的實際推廣，但是，依賴于SIEMENS本身產(chǎn)品如S7-1200，S7-300系列帶有ProfiNet接口產(chǎn)品的應用而會快速成長。4.3未來分析：根據(jù)ARC對于未來實時通信的預測，將劃分為兩大方向，一種是由先天的市場占有而引起的市場發(fā)展例如：ProfiNet,Ethernet/IP其主流支持廠商具有較強的市場地位，因此，這類總線將在廣泛市場上占據(jù)主導，而Ethernet Powerlink、SERCOSIII、EtherCAT則更為偏重于專業(yè)市場如

16、智能電網(wǎng)、航空航天、產(chǎn)業(yè)機械、醫(yī)療等領域各自發(fā)揮其專業(yè)性。、Powerlink的開源技術理念將帶給該項技術更多的未來市場支持，尤其是在中國，這一舉措將贏得更多的公司信任并加入Powerlink陣營。來自中立機構的預測也顯示這幾種實時以太網(wǎng)技術的未來市場預測，由此可以看出，ProfiNet和Ethernet/IP將占據(jù)較大的份額，而Powerlink、EtherCAT、SERCOSIII同樣占據(jù)一定的市場份額。五、性能與功能分析5.1“短板理論”-通信速度已經(jīng)不是系統(tǒng)瓶頸，按照短板理論，系統(tǒng)的速度取決于最短的一塊板，而非最長的一塊板，舉例來說，一個系統(tǒng)由多個自動化組件構成，PLC的CPU處理速度

17、、I/O自身的延遲、伺服系統(tǒng)的位置環(huán)刷新速度，從目前的技術來看，似乎以太網(wǎng)本身的速度基本上能滿足各種應用的需求，各個以太網(wǎng)技術基本上都能夠達到100Mbps的傳輸、100m的傳輸距離需要、小于1uS的抖動，對于I/O采樣而言這個速度是毫無疑問足夠的，而對于CNC插補計算、機器人的坐標轉換而言，目前國內(nèi)的水平維持在5mS左右的應用水平，而歐美的主要廠商如KUKA、ABB、Staubli的機器人系統(tǒng)則要求更高的速度處理，小于100uS，但是，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，由于這些傳統(tǒng)的機器人系統(tǒng)采用的均是簡單的伺服驅動器，不具備速度環(huán)自身處理能力，因此，速度環(huán)必須放在主站來處理，這使得主站既要處理速度環(huán)，也要進行

18、插補計算，并且插補計算發(fā)送給各個伺服軸，而伺服軸的速度環(huán)位置環(huán)又運行在主站上，這使得對于實時性的要求變得非常苛刻，而今天，隨著智能伺服技術的發(fā)展，速度環(huán)與位置環(huán)計算完全可以在驅動器上來完成，這也使得原有的對于極高刷新速度的要求降低，這也是為什么這些傳統(tǒng)的機器人系統(tǒng)平臺開始轉向通用平臺，而逐漸不再使用原有的專用總線的原因。評估項PowerlinkProfiNet IRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IP CIP傳輸速率100Mbps100Mbps100Mbps100Mbps100Mbps傳輸距離100m100m40m100m100m抖動<<1uS1uS1uS1u

19、S1uS循環(huán)時間100uS(Min)1mS(min)25uS(min)125uS(max)100uS下一代技術Gbps/10GbpsGbpsGbps5.2確定性與能觀系統(tǒng)對于一些應用，如測試系統(tǒng)，需要掛接外部的輸入信號，從中進行數(shù)據(jù)分析來判斷問題的引發(fā)與導向，從而判斷系統(tǒng)的改善與設計的調(diào)整，這樣的測試系統(tǒng)往往具有較高，而這一點體現(xiàn)了系統(tǒng)的客觀性，由于采用IEEE1588分布式時鐘系統(tǒng)，每個Ethernet的數(shù)據(jù)包均有時間戳，而這一時間戳可以在現(xiàn)有的以太網(wǎng)測試工具下進行直觀的判斷，例如Wireshark即是這樣一款工具。5.3功能分析5.3.1直接交叉通信的實現(xiàn)目前SERCOSIII、Ether

20、net POWERLINK技術均具有直接交叉通信的能力，而這一能力主要體現(xiàn)在從站之間的數(shù)據(jù)交換，在一個運動控制系統(tǒng)中，可以由此技術來為各個從站之間建立其數(shù)學關系，通過兩個軸或多個軸之間的直接通信來實現(xiàn)同步關系、補償關系等，對于運動控制及多個CPU的處理而言，這一技術將帶來極大的便利。而EtherCAT由于采用的是“邊傳輸邊處理”方式，而非采用廣播形式發(fā)布數(shù)據(jù)，使得它不具備這一能力，同樣，采用該機制的Ethernet/IP CIP也不具備這一能力。5.3.2拓撲結構由于采用標準的以太網(wǎng)結構，因此，Ethernet/IP CIP和Ethernet POWERLINK技術則可以實現(xiàn)任意的拓撲結構，而

21、EtherCAT由于是采用數(shù)據(jù)列車的結構，因此，其無法實現(xiàn)靈活的拓撲結構，僅在環(huán)形網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)的傳輸，這也同時造成了系統(tǒng)的無法動態(tài)配置，而必須重新啟動網(wǎng)絡配置。5.3.3對于熱插拔的支持能力，各個網(wǎng)絡由于本身所需要的設計，因此，需要進行熱插拔設計。5.3.4冗余支持能力Ethernet POWERLINK支持環(huán)形冗余設計，這得益于其HUB方式的連接，通常POWERLINK被設計為雙口HUB，這也使得它能夠通過串聯(lián)方式與最后的電纜回到主節(jié)點的方式構成一個環(huán)形冗余網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡中的某個節(jié)點斷裂時，則系統(tǒng)動態(tài)配置為線性網(wǎng)絡繼續(xù)保持數(shù)據(jù)通信，EtherCAT則具有冗余的支持能力，這也得益于其環(huán)形拓撲設

22、計。5.4未來的發(fā)展5.4.1對待任何一項技術，我們同樣需要一種更為長遠的眼光去看問題，這樣我們就可以更為客觀的看問題，從而作出判斷與選擇，采用ASIC設計的以太網(wǎng)技術由于ASIC本身目前沒有一個較為完整的方法來實現(xiàn)高速例如1Gbps的網(wǎng)絡支持，因此，將無法實現(xiàn)更高速度的開發(fā)，若需要開發(fā)則將意味著巨大的成本投入，而POWERLINK由于采用通用的MAC層，因此，可以采用更高速的以太網(wǎng)技術，例如10G網(wǎng)絡，這將使得POWERLINK邁入“萬兆以太網(wǎng)”時代。5.4.2開放性支持由于可以支持各種流行的芯片技術，POWERLINK將在未來能夠獲得更為經(jīng)濟的技術支持，隨著IT技術的發(fā)展，采用X86架構、

23、FPGA等新技術產(chǎn)品的推出，使得POWERLINK始終處于較為有利的方案設計方面的能力。6.開發(fā)與實現(xiàn)6.1.軟件開發(fā)的簡便性CANopen之所以被廣為使用，是因為它具有最為簡單的設備描述文件，而相對而言，ProfiBus、SERCOS總線則具有更為復雜的設備描述和應用層的編程能力，因此，對于CANopen支持的POWERLINK與EtherCAT技術將在開發(fā)方面更為簡便，應用程序的設計更為快捷，而由于采用復雜的設備描述應用層協(xié)議，ProfiNet、Ethernet/IP CIP將使得編程變得更加復雜。6.2.硬件開發(fā)6.2.1專用芯片-又回到從前嗎？然而，Ethernet技術之所以得到蓬勃發(fā)

24、展的原因就在于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線的封閉性，而今天，采用專用芯片的技術將使得實時以太網(wǎng)又回到技術壁壘與利益陣營之中，這使得Ethernet發(fā)展的初衷無法得到良好的響應，這也使得這些技術必然又面臨著新的阻礙。6.2.2傳統(tǒng)的認為ASIC具有更高的性能和快速實現(xiàn)的能力，但是，由于協(xié)議本身的應用層軟件接口的復雜性，以及通信協(xié)議處理與主控制器的標準硬件接口的設計這些因素導致了芯片開發(fā)的難度。6.2.3 Profinet IRT和Ethernet/IP CIP尚未發(fā)布其ASIC，而SERCOSIII則提供了多家FPGA芯片的支持，如下： 6.2.4Ethernet POWERLINK則由EPSG組織的成員如S

25、ystec、IXXAT、PORT等提供了FPGA Slave方案，可以基于ALTERA和XILINX的標準芯片，而非專門的ASIC技術，在中國本土，Ethernet POWERLINK中國用戶組織則與本土軟件中間服務商共同為開發(fā)者提供相應的技術支持服務，以使得能夠在開源技術與實現(xiàn)之間建立起一個橋梁，低成本的方式實現(xiàn)高性能以太網(wǎng)技術。6.2.5EtherCAT采用ASIC技術6.3成本比較分析6.3.1芯片價格目前EtherCAT提供的芯片價格為10美元30美元不等，由于客戶采購量的不同價格具有較大的差異，而FPGA芯片由于其價格相對競爭廠商較多而產(chǎn)生價格的優(yōu)勢，一般實現(xiàn)POWERLINK的FP

26、GA芯片價格大約在510美元之間，具有一定的成本優(yōu)勢。6.3.2License費用由于采用ASIC技術的IP Core需要一定的授權，這帶來了巨大的費用支出，并且，這些代碼無法修改，而通用的芯片技術則可以帶來更為便捷的擴展和代碼修改能力，從而滿足客戶的個性化需求。Ethernet POWERLINK則無需License費用。6.4潛在風險ASIC由于屬于私有技術，掌握在某個公司而造成了潛在的投資風險，這些風險包括：6.4.1供貨風險-在產(chǎn)品供應緊張情況下，尤其是2010年整個自動化行業(yè)出現(xiàn)的大面積芯片斷貨情況，這具有一定的不確定性。6.4.2技術壟斷-技術是否按照客戶的意愿發(fā)展并非可控，在未來

27、，隨著需求的變化，個性化的需求逐漸變大的情況下，技術向哪個方向發(fā)展將無法得到確定。6.4.3政治壁壘造成潛在的供貨，例如：由于戰(zhàn)爭與技術封鎖造成的潛在風險。七、實時以太網(wǎng)的開放性分析開放性不僅僅是互聯(lián)性設計，也包括了對開放的以太網(wǎng)標準的支持、源代碼的開放性、標準硬件實現(xiàn)、標準操作系統(tǒng)平臺的支持能力方面來進行評估。7.1是否支持標準以太網(wǎng)？是否支持標準以太網(wǎng)的關鍵在于：7.1.1.與管理層的互聯(lián)能力-在未來實現(xiàn)“管控一體化“設計時的連接能力;7.1.2.是否支持標準以太網(wǎng)同時也是影響其設備未來的生命力的關鍵，因為-為了突破技術壁壘而采用開放性更好的標準以太網(wǎng)是各種技術出現(xiàn)的初衷，是否支持標準以太網(wǎng)也意味著是否支持未來。Powerlink提供針對標準以太網(wǎng)的支持能力，ProfiNet& Profinet RT采用軟實現(xiàn)的方法可支持標準以太網(wǎng)，而SERCOSIII修改了MAC,雖然物理介質(zhì)是RJ45,但是其已非標準以太網(wǎng)技術，而EtherCAT的主站支持標準以太網(wǎng)，而從站則不支持以太網(wǎng)技術，Ethernet/IP CIP僅僅是在會話層和表示層的添加