現(xiàn)階段，我們經(jīng)常使用的支持TCP/IP的以太網(wǎng)通信反應(yīng)時間通常為100ms，還需要進一步解決實時性和確定性問題才能廣泛適用于工業(yè)場景。在一些工業(yè)設(shè)備制造商的推動下，產(chǎn)生了很多不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，昌暉儀表在本文分別介紹EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP、FF-HSE、EtherCAT、POWERLINK、Sercos III、CC-Link IE TSN和TSN這九種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議特點。
1、EtherNet/IP(特點：先進、成熟、兼容、開放)
Ethernet/IP(EtherNet Industry Protocol)是一個適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系。它建立在標準UDP/IP與TCP/IP協(xié)議之上，利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業(yè)自動化設(shè)備定義了一個應(yīng)用層協(xié)議，是通用工業(yè)協(xié)定(CIP, Control Information Protocol)中的一部分，由主推ControlNet現(xiàn)場總線的羅克韋爾自動化(Rockwell Automation)為以太網(wǎng)進入自動化領(lǐng)域所開發(fā)，ODVA協(xié)會(Open DeviceNet Vendors Association)主要管理。
EtherNet/IP協(xié)議是一種優(yōu)良的工業(yè)以太網(wǎng)方案。由于它采用了和DeviceNet以及ControlNet相同的應(yīng)用層協(xié)議及新的生產(chǎn)者/消費者的通信模式，使得控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠更有效地傳輸數(shù)據(jù)，更容易與Internet/Intranet集成。EtherNet/IP的OSI參考模型物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層均與標準以太網(wǎng)相同，特點在于其在傳輸層之上增添了一個封裝層，對來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進行報文格式的封裝，而應(yīng)用層采用的是CIP協(xié)議，滿足其在工業(yè)自動化領(lǐng)域的一些功能和服務(wù)。
Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓撲結(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設(shè)備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品，Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP等3個部分組成，前面兩部分為標準的以太網(wǎng)技術(shù)，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。
EtherNet/IP通過一個TCP連接、多個CIP連接建立從一個應(yīng)用節(jié)點到另一個應(yīng)用節(jié)點的通信，可通過一個TCP連接來建立多個CIP連接。由于EtherNet/IP使用以太網(wǎng)的物理層網(wǎng)絡(luò)，并架構(gòu)了TCP/IP的通信協(xié)議上，因此用微處理器上的軟件即可實現(xiàn)，不需要特別的ASIC或FPGA。EtherNet/IP使用標準以太網(wǎng)和交換機，因此它在系統(tǒng)中擁有的節(jié)點數(shù)不受限制，可以跨工廠車間的多個不同終點部署一個網(wǎng)絡(luò)。
2、PROFINET(特點：快速、安全、兼容、易用)
PROFINET是PROFIBUS & PROFINET國際組織(PROFIBUS International,PI)定義的開放式工業(yè)以太網(wǎng)標準，通過西門子控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域，符合IEEE 802.3規(guī)范下的內(nèi)容，具備自動協(xié)商、自動交叉的功能，其通常被認為是PROFIBUS的繼承者，多年的PROFIBUS經(jīng)驗確保了向全球通用的以太網(wǎng)通信技術(shù)(PROFINET)的平穩(wěn)過渡。
PROFINET應(yīng)用TCP/IP及信息科技的相關(guān)標準，是實時的工業(yè)以太網(wǎng)，自2003年起，它就是IEC61158及IEC61784標準中的一部分。PROFINET=PROFIBUS+EtherNet，把PROFIBUS的主從結(jié)構(gòu)移植到以太網(wǎng)上，所以PROFINET會有Controller和Device，他們的關(guān)系可以簡單的對應(yīng)于PROFIBUS的Master和Slave。它具有三種不同類別：PROFINET A類可通過代理訪問PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，借助TCP/IP上的遠程過程調(diào)用來橋接以太網(wǎng)和PROFIBUS。其周期時間約為100ms，主要用于參數(shù)數(shù)據(jù)和循環(huán)I/O，典型應(yīng)用包括基礎(chǔ)設(shè)施和樓宇自動化；PROFINET B類也稱為PROFINET實時(PROFINETRT)，它引進了基于軟件的實時方法并將周期時間減少至大約10ms，B類通常用于工廠自動化和過程自動化；PROFINET C類 (PROFINETIRT) 是等時實時傳輸，需要使用專用硬件才可將周期時間減少至1ms以下，從而在實時工業(yè)以太網(wǎng)中提供運動控制操作所需的性能。
PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)。為了減少布線費用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便的實現(xiàn)PROFINET的安裝。特別設(shè)計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標準化，保證了不同制造商設(shè)備之間的兼容性。
PROFINET的一個重要特征就是可以同時傳遞實時數(shù)據(jù)和標準的TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗證的IT技術(shù)都可以使用(如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)。在使用PROFINET的時候，我們可以使用這些IT標準服務(wù)加強對整個網(wǎng)絡(luò)的管理和維護，這意味著調(diào)試和維護中的成本的節(jié)省。
3、Modbus TCP(特點：靈活、可靠、高效、擴展)
Modbus TCP協(xié)議是基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的Modbus協(xié)議的一種變體，1996年由施耐德公司 (Schneider Electric) 推出。它將Modbus協(xié)議封裝在TCP/IP協(xié)議棧中，使用以太網(wǎng)作為物理層，通過TCP連接來實現(xiàn)設(shè)備之間的通信。
Modbus TCP是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(shè)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Internet環(huán)境中Modbus報文的用途。協(xié)議的最通用用途是為諸如PLC的遠程I/O模塊，以及連接其它簡單域總線或I/O模塊的網(wǎng)關(guān)服務(wù)的。
Modbus TCP協(xié)議支持點對點通信，即一對一的通信方式。每個Modbus TCP設(shè)備都有一個唯一的IP地址，利用這個IP地址可以直接與特定設(shè)備進行通信。Modbus TCP支持多種數(shù)據(jù)類型，包括整數(shù)、浮點數(shù)、布爾值等。同時，它也支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如單個寄存器、多個寄存器和位寄存器等。無論變體如何，所有標準ModBus通信都遵循相同的消息傳遞結(jié)構(gòu)。一切都圍繞著將值存儲在寄存器中然后讀取它們。
Modbus TCP使用TCP/IP以太網(wǎng)在站點間傳送Modbus報文，Modbus TCP結(jié)合了以太網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)標準TCP/IP以及以Modbus作為應(yīng)用協(xié)議標準的數(shù)據(jù)表示方法。Modbus TCP通信報文包在以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)包中。Modbus TCP在Modbus串行通信的基礎(chǔ)上，去除了校驗(由于TCP本身就帶有校驗和)和設(shè)備地址(Modbus TCP弱化了設(shè)備地址，用IP地址來取代)，再加上MBAP報文頭(占7bytes)。
Modbus TCP提供了一種優(yōu)雅的解決方案，可促進現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上的Modbus通信，從而增強該協(xié)議在當今數(shù)字化工業(yè)環(huán)境中的相關(guān)性。
4、FF-HSE(特點：開放、通用、模塊、冗余)
基金會現(xiàn)場總線FF(Foundation Fieldbus)最初包含低速總線H1與高速總線H2兩部分，H2的傳輸速率有1Mbps與2.5Mbps兩種，傳輸距離分別為750m與500m。由于技術(shù)的低速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向控制網(wǎng)絡(luò)的滲透，H2還未正式出臺就已經(jīng)顯得不適應(yīng)應(yīng)用的需求而改為高速以太網(wǎng)HSE(High Speed Ethernet)，其傳輸速率為100Mbps，它能支持低速總線H1的所有功能，是對H1的補充和增強，于2000年3月29日發(fā)布了HSE的規(guī)范。
HSE是一種基于Ethernet+TCP/IP協(xié)議、運行在100Base-T以太網(wǎng)上的高速現(xiàn)場總線。其模型采用了OSI參考模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。HSE 的結(jié)構(gòu)是一個增強型的標準以太網(wǎng)模式，底層采用標準以太網(wǎng)IEEE802.3μ的最新技術(shù)和CS-MA/CD鏈路控制協(xié)議來進行介質(zhì)的訪問控制。TCP/IP協(xié)議位于網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，實現(xiàn)面向連接和無連接的數(shù)據(jù)傳送，并為分布式主機控制協(xié)議(DHCP)、簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)和現(xiàn)場設(shè)備訪問代理(FDAAgent)提供傳輸服務(wù)。HSE系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理代理、功能塊、HSE管理代理和現(xiàn)場設(shè)備訪問代理都位于用戶層和應(yīng)用層中，提供設(shè)備的描述和訪問、功能塊應(yīng)需添加任何專用設(shè)備即可直接連入高速網(wǎng)絡(luò)，同時也從另一方面增強了HSE設(shè)備的互操作性。
HSE除了具有高帶寬和更好的開放性之外，靈活的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備冗余形式以及靈活功能塊技術(shù)是其特色技術(shù)。HSE充分體現(xiàn)了現(xiàn)場總線不僅是通訊協(xié)議，也是一種編程語言的概念，使得系統(tǒng)的組態(tài)、設(shè)備維護和診斷用統(tǒng)一的語言即可實現(xiàn)。HSE和H1相結(jié)合，使得基金會現(xiàn)場總線覆蓋了更寬廣的控制應(yīng)用領(lǐng)域。
5、EtherCAT(特點：經(jīng)濟、靈活、兼容、安全)
EtherCAT全稱EtherNet Control Automation Technology(以太網(wǎng)控制自動化技術(shù))，是由德國倍福(Beckhoff)公司提出的一種實時以太網(wǎng)技術(shù)，是一種用于確定性以太網(wǎng)的高性能工業(yè)通信協(xié)議，它擴展了IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，使得數(shù)據(jù)傳輸中具有可預(yù)測性定時及高精度同步等特點。
EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制，通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，先將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中。由于這個過程完全在硬件中處理，因此，整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲，從而可以實現(xiàn)極短的響應(yīng)時間。
EtherCAT支持幾乎所有拓撲結(jié)構(gòu)。因此，源于現(xiàn)場總線的總線形結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)。將總線和分支結(jié)構(gòu)相結(jié)合特別有助于系統(tǒng)布線。所有接口都位于耦合器上，無需使用附加交換機。當然，也可以使用傳統(tǒng)的基于交換機的星形以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。
EtherCAT是MAC層協(xié)議，對于如TCP/IP、UDP、Web服務(wù)器等任何更高級別的以太網(wǎng)協(xié)議而言都是透明的。在拓撲方面，EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線形、樹形、環(huán)形和星形等所有設(shè)備連接拓撲結(jié)構(gòu)，并且不受限于級聯(lián)交換機或集線器數(shù)量。也就是說，EtherCAT可連接系統(tǒng)中多達65,535個節(jié)點，而EtherCAT主站可以是標準以太網(wǎng)控制器，從而簡化網(wǎng)絡(luò)配置。每個從節(jié)點延遲較低，因此，EtherCAT可提供靈活、低成本，且兼容網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。作為一個“年輕”的通訊協(xié)議，近幾年發(fā)展尤其迅猛，節(jié)點數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級增長。
6、POWERLINK(特點：實時、可靠、安全、擴展)
POWERLINK是奧地利自動化公司貝加萊集成自動化公司(Bernecker&Rainer Industrie-Elektronik，B&R)開發(fā)的一種基于普通以太網(wǎng)，卻無需專業(yè)芯片，可以在各種平臺(例如 FPGA,ARM 等)上實現(xiàn)的，高實時性的、開源的現(xiàn)場總線方案。
POWERLINK是在標準以太網(wǎng)上的實時通信協(xié)議，在IEEE802.3上采用，因此可自由選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲、交叉連接和熱插拔。POWERLINK是Ethernet的擴展，混合了輪詢以及時間切片(timeslicing)機制，可以提供：時間關(guān)鍵資料可以確保在非常短的等時(Isochronic)周期中發(fā)送，具有可規(guī)劃的回應(yīng)時間；網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點都可以時間同步(Time-synchronisation)，精度可以到微秒以下；比較沒有時間關(guān)鍵性的資料傳輸是在一個專屬的異步通道中傳輸。目前的實現(xiàn)方式其循環(huán)時間可以到200μs以下，其時間精度(Jitter)小于1μs。POWERLINK主站或“托管節(jié)點”通過數(shù)據(jù)包抖動將時間同步控制在數(shù)十納秒范圍內(nèi)。此類系統(tǒng)適用于從PLC與PLC通信和可視化到運動和I/O控制的各種自動化系統(tǒng)。
POWERLINK安全技術(shù)是目前已經(jīng)投入使用的安全系統(tǒng)中最為完整的，這里包括了SafeLOGIC，Safety I/O，SafeMotion，SafePOWERLINK一體的完整安全系統(tǒng)，滿足IEC61508 SIL3和PL e等級的安全安全一致性認證標準。
7、Sercos III(特點：安全、高速、開放、可靠)
Sercos III(Serial Realtime Communication System)是一種硬實時全雙工總線，能夠為控制器、運動設(shè)備(如伺服驅(qū)動器或變頻器)、輸入設(shè)備(如總線耦合器)、其他設(shè)備(如編碼器或其他傳感器)以及標準以太網(wǎng)節(jié)點之間的通訊提供100 Mbit/s的傳輸速率。Sercos基于以太網(wǎng)標準IEEE 802.3和ISO/IEC 8802-3。接口定義、協(xié)議規(guī)范以及協(xié)議到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的映射在IEC 61800-7系列中進行了統(tǒng)一規(guī)定。
Sercos已在工廠自動化應(yīng)用(適合機械工程和建筑)領(lǐng)域風(fēng)靡了30多年。Sercos III是其第三代協(xié)議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協(xié)議可將Sercos接口的實時數(shù)據(jù)交換與以太網(wǎng)相融合，提供實時以太網(wǎng)和標準TCP/IP通信，以打造低延遲工業(yè)以太網(wǎng)。與EtherCAT非常相似，從SercosIII通過快速提取數(shù)據(jù)并將其插入以太網(wǎng)幀的方法來處理數(shù)據(jù)包，從而實現(xiàn)低延遲。SercosIII將輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)分成兩個幀。周期時間從31.25微秒開始，與EtherCAT和PROFINETIRT一樣快。一個SercosIII主器件可控制多個SercosIII從屬器件(如驅(qū)動器、傳感器以及模擬和數(shù)字I/O器件)，一個主器件可控制多達511個從屬器件(即從節(jié)點)，它主要用于伺服驅(qū)動器控制。
Sercos III的新特性包括線型拓樸結(jié)構(gòu)(之前有環(huán)形拓樸結(jié)構(gòu))、同一環(huán)或同一線上的從設(shè)備之間的直接交叉通信、用于多組運動控制之間同步和通信的界面、用于在環(huán)路中斷時容錯的硬件冗余、用于連接和去除運行中節(jié)點的熱插拔、用于驅(qū)動器集成的安全功能的安全通信、以及只有之前的SERCOS接口的最小值一半的周期時間(31.25微秒 vs 62.5微秒)。
8、CC-Link IE TSN(特點：融合、經(jīng)濟、可靠、高速)
CC Link IE TSN是一個基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信標準。它以早期的CC Link IE概念為基礎(chǔ)，將它們與時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 的理念結(jié)合起來，從而改進通信功能和同步精度，這些標準由CC-Link合作伙伴協(xié)會(CLPA)維護。
CC-Link IE TSN融入了TSN技術(shù)，提高了整體的開放性，在CC-Link IE TSN協(xié)議中，OSI參考模型第2層以TSN技術(shù)為基礎(chǔ)，由在第3-第7層CC-Link IE TSN獨立協(xié)議和標準以太網(wǎng)協(xié)議組成，實現(xiàn)了從高層IT系統(tǒng)到生產(chǎn)現(xiàn)場的OT系統(tǒng)的無縫、順暢連接，從而使大量的應(yīng)用在生產(chǎn)中得到擴展使用。
CC-Link IE TSN使用IEEE 802.AS用于時間同步和IEEE 802.1Qbv用于調(diào)度管理，另外，IEEE 1588v2也可用于時間同步。實現(xiàn)標準組件CC-Link IE TSN(車間)可被集成到高級IT網(wǎng)絡(luò)(辦公室，例如ERP)以實現(xiàn)智能化工廠(工業(yè)4.0),具有1Gbit/s或100Mbit/s帶寬和時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)，允許傳輸確定性的實時數(shù)據(jù)流和標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流(Webserver, FTP, SNMP...)經(jīng)由相同網(wǎng)絡(luò)。
CC-Link IE TSN可以實現(xiàn)最小31.25μs的鏈接掃描周期，在工業(yè)現(xiàn)場能夠極大縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提升整廠的生產(chǎn)能力。不僅如此，CC-Link IE TSN通過使用時間分割(IEEE802.1Qbv)實現(xiàn)在同一個網(wǎng)絡(luò)中定義多種連接掃描周期，針對不同產(chǎn)品的特性設(shè)置相對應(yīng)的鏈接掃描周期，比如對伺服系統(tǒng)、安全設(shè)備等可以定義高速周期，而對溫濕度傳感器等可使用中速或低速周期，從而實現(xiàn)最大的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，提高整廠產(chǎn)能。
9、TSN(特點：規(guī)范、實時、確定、可靠)
TSN是時間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time-Sensitive Network)的英文縮寫，是IEEE 802.1 TSN工作組開發(fā)的一系列數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范的統(tǒng)稱，旨在非確定性的以太網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)確定性的最小時間延遲，它定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，為標準以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保數(shù)據(jù)實時、確定和可靠地傳輸。
TSN除了實時能力和確定性之外,還有另一項巨大技術(shù)優(yōu)勢，那就是網(wǎng)絡(luò)擴展能力，這使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率運行。不過，這需要細致(因而更復(fù)雜)的網(wǎng)絡(luò)配置。1Gbps及以上的傳輸速率是當今網(wǎng)絡(luò)的邏輯演進。1Gbps為新型(物聯(lián)網(wǎng))應(yīng)用開辟了道路，有助于克服數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中的性能瓶頸。但是，只有當終端和以太網(wǎng)交換機均支持TSN功能時，TSN作為一個系統(tǒng)才能發(fā)揮全部效用。TSN是一種局域網(wǎng)(LAN)級解決方案，可與非TSN以太網(wǎng)一起工作，但只有在TSNLAN內(nèi)部才能保證及時性。用戶可以根據(jù)TSN解決的用例對TSN標準進行分組：通用的時間視圖、保證極大延遲，或與背景流量或其他流量共存。與任何流行的標準一樣，TSN的標準工具箱也在不斷發(fā)展。
TSN調(diào)節(jié)的是ISO/OS參考模型第2層中的數(shù)據(jù)通信，嚴格地說，TSN代表以太網(wǎng)中支持實時性的第2層，不是完整的實時協(xié)議。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網(wǎng)協(xié)議。相反，這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議長期而言將支持第2層TSN，因此傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會消失，但未來將建立在TSN之上。但是，現(xiàn)場總線則可能會被以太網(wǎng)永久性取代。
相關(guān)閱讀
◆EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET等六種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議介紹
