工业以太网通信协议

以太网无处不在，并且具有成本效益，它采用公共物理链路且速度更快。正因如此，多种工业通信协议正转移到基于以太网的解决方案上。支持 TCP/IP 的以太网通信通常具有不确定性，反应时间通常约为 100ms。工业以太网协议使用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。以太网还使系统具备灵活的网络拓扑和灵活的节点数量。我们来详细了解一些流行的工业以太网通信协议。

EtherCAT 最初由 Beckhoff 开发，支持高速数据包处理并可为自动化应用提供实时以太网，它还为从大型 PLC 直至 I/O 和传感器级别的整个自动化系统提供可扩展的连接。

EtherCAT 是一种针对过程数据进行优化的协议，使用标准 IEEE 802.3 以太网帧。每个从节点将处理数据电报并在每个帧通过之时将新数据插入到帧中。这个过程在硬件中处理，因此每个节点需要的处理延迟极小，从而可实现极短的响应时间。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。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。

EtherNet/IP 是最初由 Rockwell 研发的工业以太网协议。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，并使用 TCP/IP 上的通用工业协议 (CIP)。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。

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。

PROFINET 是 Siemens 和 GE 等主要工业设备制造商广泛使用的工业以太网。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。

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 最初由 B&R 开发。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。它使用轮询和时间分片机制来实现实时数据交换。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。可使用开源堆栈软件，因此实施 POWERLINK 时遇到的障碍很小。此外，CANopen 是标准的构成部分，方便从以前的现场总线协议轻松进行系统升级。

Sercos III 是第三代串行实时通信系统 (Sercos)。它结合了高速数据包处理功能，可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。Sercos III 支持环型或线型拓扑。使用环型拓扑的一个主要优点是通信冗余。即使因一个从节点故障导致环断开，所有其他从节点仍然可获得包含输入/输出数据的 Sercos III 帧。Sercos III 在一个网络中可拥有 511 个从节点，主要用于伺服驱动器控制。

时间敏感型网络 (TSN) 是由电气和电子工程师学会 (IEEE) 定义的对以太网的一种扩展，旨在使基于以太网的网络更具确定性。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。您可以根据 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。