EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、POWERLINK、Sercos III和TSN這六種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用較多，昌暉在本文介紹這幾種常見工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議特點和應(yīng)用。
工業(yè)以太網(wǎng)指應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)。它在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，其材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面均能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，即達(dá)到了環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性、安裝方便等工業(yè)需求標(biāo)準(zhǔn)。
以太網(wǎng)無處不在，并且具有成本效益，它采用了公共物理鏈路且速度更快。但支持TCP/IP的以太網(wǎng)通信通常具有不確定性，反應(yīng)時間通常為100ms。因此，工業(yè)以太網(wǎng)需要做一些修改，以滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需求，比如工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議使用的是經(jīng)過修改的介質(zhì)訪問控制(MAC)層來實現(xiàn)非常低的延遲和確定性響應(yīng)。再加上以太網(wǎng)使系統(tǒng)具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透嗟墓?jié)點數(shù)量，近幾年來，它在工業(yè)中的應(yīng)用逐漸得到普及，應(yīng)用范圍變得越來越廣泛。
但在不同工業(yè)設(shè)備制造商的推動下，多種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議呈現(xiàn)出了百家爭鳴的局面，這些協(xié)議包括EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Sercos Ⅲ以及時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)等。下面大家隨昌暉儀表來一起看一看這幾種主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的詳細(xì)情況。
EtherCAT：近期發(fā)展迅速
EtherCAT最初由德國倍福自動化公司(Beckhoff Automation)開發(fā)，自從2003年以來，它一直處于EtherCAT技術(shù)協(xié)會(ETG)框架之下，而EtherCAT技術(shù)協(xié)會是一個由大約7000家成員公司組成的工業(yè)現(xiàn)場總線組織。它是一項開放但不開源的技術(shù)，也就是說，你可以任意適用該項技術(shù)，但如果要進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的開發(fā)，需要向倍福自動化公司獲取相關(guān)授權(quán)。
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，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(參見圖1)。由于這個過程在硬件中處理，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。
圖1 過程數(shù)據(jù)插入至報文中
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?fù)浞矫妫珽therCAT幾乎支持任何拓?fù)漕愋停ň€型、樹型、星型等。通過現(xiàn)場總線而得名的總線結(jié)構(gòu)或線型結(jié)構(gòu)也可用于以太網(wǎng)，并且不受限于級聯(lián)交換機(jī)或集線器數(shù)量。也就是說，EtherCAT可連接系統(tǒng)中多達(dá)65,535個節(jié)點，而EtherCAT主站可以是標(biāo)準(zhǔn)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。
圖2 近9年來EtherCAT節(jié)點數(shù)量增長情況
這幾年EtherCAT發(fā)展迅速，據(jù)ETG最新的數(shù)據(jù)，除模塊化I/O設(shè)備外，ETG估計全球EtherCAT節(jié)點數(shù)量為5910萬個，而近期增長尤為明顯。自2014年以來，EtherCAT節(jié)點數(shù)量呈指數(shù)級增長，僅2022年就增加了1840萬個節(jié)點。
EtherNet/IP：用微處理器即可實現(xiàn)
EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議最初由羅克韋爾自動化公司(Rockwell)研發(fā)，由ODVA管理，可應(yīng)用在程序控制及其他自動化的應(yīng)用中。與作為MAC層協(xié)議的EtherCAT不同，EtherNet/IP是TCP/IP上的應(yīng)用層協(xié)議。EtherNet/IP使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，也就是說，它采用的是商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機(jī)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協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組和通用工業(yè)協(xié)議(CIP)等3個部分組成。CIP為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)提供一組通用的消息和服務(wù)，可用于多種物理介質(zhì)。例如，CAN總線上的CIP稱為DeviceNet，專用網(wǎng)絡(luò)上的CIP稱為ControlNet，而以太網(wǎng)上的CIP稱為EtherNet/IP。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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和交換機(jī)，因此它在系統(tǒng)中擁有的節(jié)點數(shù)不受限制。這樣，就可以跨工廠車間的多個不同終點部署一個網(wǎng)絡(luò)。
EtherNet/IP提供完整的生產(chǎn)者-消費者服務(wù)，并可實現(xiàn)非常高效的從站對等通信。
EtherNet/IP兼容多個標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)協(xié)議，但其實時和確定性功能比較有限。因此，它可以用在一些可容許偶爾出現(xiàn)少量非確定性的自動化網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。
PROFINET：標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容，可一同組網(wǎng)
PROFINET是一個開放式的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，主要由西門子和PROFIBUS&PROFINET國際協(xié)會所提出。PROFINET應(yīng)用TCP/IP及信息科技的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是實時的工業(yè)以太網(wǎng)，自2003年起，它就是IEC 61158及IEC 61784標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(PROFINET RT)，它引進(jìn)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(PROFINET IRT)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。
另外，由于PROFINET是基于以太網(wǎng)的，所以可以有以太網(wǎng)的星型、樹型、總線型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而PROFIbus只有總線型，所以PROFINET就是把PROFIbus的主從結(jié)構(gòu)和etherNET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的產(chǎn)物。
PROFINET RT 可用于PLC型應(yīng)用，而PROFINET IRT非常適合運動應(yīng)用。分支和星型是PROFINET的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。若要使 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能，就需要謹(jǐn)慎進(jìn)行拓?fù)湟?guī)劃。
POWERLINK：真正的開源工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議
POWERLINK是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上的實時通信協(xié)議，是由Ethernet POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組(EPSG)管理的開放通信協(xié)議，是由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)，在2001年11月推出第一版。以太網(wǎng)POWERLINK 在IEEE 802.3 上采用，因此可自由選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒔徊孢B接和熱插拔。
POWERLINK是Ethernet的擴(kuò)展，混合了輪詢以及時間切片(timeslicing)機(jī)制，可以提供：
①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。
②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。
③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。
④目前的實現(xiàn)方式其循環(huán)時間可以到200 μs以下，其時間精度(jitter)小于1 μs。
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)。
值得一提的是，POWERLINK是一個可以在普通以太網(wǎng)上實現(xiàn)的方案，無需ASIC芯片，用戶可以在各種平臺上實現(xiàn)POWERLINK，如FPGA、Arm、x86 CPU等，只要有以太網(wǎng)的地方，就可以實現(xiàn)POWERLINK。而且它所有的源碼都是公開的，任何人都可以免費下載和使用(就像 Linux一樣)。因此，實施POWERLINK的障礙很小。
POWERLINK的源碼里包含了物理層(標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng))、數(shù)據(jù)鏈路層(DLL )、應(yīng)用層(CANopen)三層完整的代碼，用戶只需將POWERLINK的程序在已有的硬件平臺上編譯運行，就可以在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)POWERLINK。
它定義了一個精簡的、實時性極高的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，同時定義了 CANopen為應(yīng)用層協(xié)議。這樣用戶在實現(xiàn)了POWERLINK的同時，也實現(xiàn)了CANopen。也就是說，CANopen是標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成部分，可以方便客戶從以前的現(xiàn)場總線協(xié)議輕松進(jìn)行系統(tǒng)升級。
Sercos III：主要用于伺服控制器
Sercos已在工廠自動化應(yīng)用(適合機(jī)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(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信，以打造低延遲工業(yè)以太網(wǎng)。
與EtherCAT非常相似，從Sercos III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。Sercos III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PROFINET IRT一樣快。
一個Sercos III主器件可控制多個Sercos III從屬器件(如驅(qū)動器、傳感器以及模擬和數(shù)字I/O器件)，如圖3所示，一個主器件可控制多達(dá)511個從屬器件(即從節(jié)點)，它主要用于伺服驅(qū)動器控制。
圖3 范例性Sercos Ⅲ網(wǎng)絡(luò)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
Sercos III支持環(huán)型或線型拓?fù)洌囊粋€關(guān)鍵優(yōu)勢是支持線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)旁的環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用環(huán)型拓?fù)涞囊粋€主要優(yōu)點是通信冗余。如果以太網(wǎng)線纜發(fā)生故障，那么Sercos III網(wǎng)絡(luò)可切換到線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使主器件能繼續(xù)與網(wǎng)絡(luò)中的所有從屬器件進(jìn)行通信。一旦以太網(wǎng)線纜已修復(fù)，主器件就可以把Sercos III網(wǎng)絡(luò)從線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換到環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
TSN：有望取代總線的技術(shù)
2006年，IEEE 802.1工作組成立了AVB音視頻橋接任務(wù)組，主要解決以太網(wǎng)中音頻視頻數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。2012年，AVB任務(wù)組在其章程中擴(kuò)大了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，同時將任務(wù)組名稱更名為：TSN工作組。
時間敏感型網(wǎng)絡(luò) (TSN) 就是TSN工作組開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)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。
圖4 TSN標(biāo)準(zhǔn)
除了實時能力和確定性之外，TSN還有另一項巨大技術(shù)優(yōu)勢，那就是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(xì)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(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的邏輯演進(jìn)。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(dāng)終端和以太網(wǎng)交換機(jī)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TSN LAN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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)一樣，TSN的標(biāo)準(zhǔn)工具箱也在不斷發(fā)展。
圖5 ISO/OSI參考模型
其實，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(yán)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。
結(jié)語
工業(yè)自動化的成功依賴于高可靠且高效的通信網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可將公尺長的所有部分都連接起來，以實現(xiàn)更高效運轉(zhuǎn)。以太網(wǎng)的普及度和適用性將持續(xù)次級傳統(tǒng)工廠升級到工業(yè)以太網(wǎng)。現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，每種協(xié)議都各有利弊。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，將來工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有望不斷發(fā)展融合，適應(yīng)工廠設(shè)備的連網(wǎng)和自動化。
