各类工业总线对比文档格式.docx

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数据序列是独立于物理顺序的,所以以太网端子模块的编址可以随意排序。

从站之间的广播,多播和通讯也可得以实现。

　当EtheｒＣAT组件与主站控制器运行在同一个子网,或者在控制软件直接读取以太网控制器时，可以使用以太网帧直接传输数据。

　然而，EｔｈerＣAT不仅限于单个子网的应用。

ＥtherCATＵＤP将EthｅrCＡＴ协议封装为ＵDP/IＰ数据报文,这就意味着,任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EｔheｒCＡＴ系统之中,甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。

在这种情况下，系统性能显然取决于控制器及其以太网协议的实时性能。

ＥtherＣAT网络本身的响应时间几乎不受影响:

UDＰ数据帧只需要在第一个站点解包。

　性能ＥthｅrＣＡT使网络性能达到了一个新高度。

借助于从站节点中的FMMＵ和网络控制器主站的直接内存存取,协议的处理过程完全在硬件中完成。

整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CＰＵ性能或软件实现方式。

1０00个I／O的更新时间只需３0s。

单个以太网帧最多可进行14８6字节的过程数据交换,几乎相当于１２000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300s．　１00个伺服轴的通讯也仅为100s。

在此期间，系统更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态,分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。

而即使是在保证这种性能的情况下，带宽仍足以实现异步通讯，如TＣP/IP、下载参数或上载诊断数据。

　超高性能的ＥthｅrCAＴ技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。

例如,以太网系统现在不仅可以处理速度控制,也可用于分布式驱动的电流控制。

巨大的带宽可以实现每个数据信息与其状态信息同时传输。

EtｈerCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应,总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I／O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。

EｔherＣAT取代PCI　由于主板集成了以太网卡，用于接口卡的插槽不再是必要条件。

随着PC组件急剧向小型化经济化方向发展，工业PＣ的体积日趋取决于插槽的数目。

而快速以太网的带宽和EthｅrＣＡT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性:

IＰC中的传统接口现在可以转变为集成的EtherＣAＴ接口端子。

除了可以对分布式I/O进行编址,还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。

即使是其他无协议限制的以太网设备变体,也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。

由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯要求，因此,这不仅极大地精简了IPＣ主机的体积，而且也降低了ＩPC主机的成本。

拓扑结构EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等。

通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网,并且不受限于级联交换机或集线器的数量。

最有效的系统连线方法是线型、分支或树叉结构的组合拓扑。

因为所需接口在I/Ｏ模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。

当然,仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。

　还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性：

灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用100BASＥ－TX模式或E-Bｕｓ（LVＤS）传送信号。

塑封光纤（PFO）则可用于特殊应用场合。

还可通过交换机或介质转换器实现不同以太网连线（如:

不同的光纤和铜电缆）的完整组合。

根据对距离的要求,可选择快速以太网的物理层或Ｅ－bｕs作为物理介质。

快速以太网物理层允许两个设备之间的最大电缆长度为100米，而E-Ｂｕs可连接最大距离为１０米。

由于连接的设备数量可高达６5535,因此,网络的容量几乎没有限制。

分布时钟精确同步对于同时动作的分布式过程而言尤为重要。

例如，几个伺服轴同时执行协调运动时，便是如此。

最有效的同步方法是精确排列分布时钟（请参阅IＥＥE　1５88标准[6]）。

与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相比,分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。

采用EｔherCAＴ，数据交换就完全基于“父”“子”时钟的纯硬件机制。

由于通讯采用了逻辑环结构（借助于全双工快速以太网的物理层），主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移。

分布时钟均基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、小于１　微秒的、确定性的同步误差时间基。

此外，高分辨率的分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集的本地时间精确信息。

当采样时间非常短暂时,即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化，例如,运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。

而在EtherＣAT中,引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。

这样，速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响,其精度要高于基于自由同步误差的通讯测量技术。

　热连接　热连接功能能够使网络的各部分相连,并且解耦或重新自由配置；

所提供的灵活响应特性,改变了很多应用需要在运行时变更I/O配置的需求。

例如，具备变更特性的处理中心,装备传感器的工具系统,或者智能化的传输设备，灵活的工件执行器等。

EthｅｒCAT系统考虑到了这些需求:

任意配置。

EｔherCAＴ功能安全传统上，安全功能是独立于自动化网络实现的,使用专用硬件或专门的安全总线系统。

EtherＣAＴ安全功能使安全相关通信和控制通信可以在同一网络上实现。

安全协议基于EtheｒCAT应用层，而不会影响底层运行。

它由ＩEC61５０8标准认证,并满足整体安全等级（SＩL）3。

数据长度是可变的，所以可以用于安全I／O和安全伺服驱动技术。

和其它EtheｒCAT数据相同，安全数据可以不使用安全路由器或网关传输。

完全符合EtｈerCＡＴ功能安全认证的产品已经上市。

SａｆetyoverEtheｒCＡT协议符合ＩEC61748-３标准中的FSＣP1２（功能安全通讯设备行规）。

　开放性　EｔherCAＴ技术是完全兼容以太网并真正开放的。

该协议可与其他提供各种服务的以太网协议并存,并且所有的协议都并存于同一物理介质中——通常只会对整个网络性能有很小程度的影响。

标准的以太网设备可通过集线器端子连接至一个EｔｈerＣAT系统，该端子并不会影响循环时间。

配备传统现场总线接口的设备可通过EtherＣAＴ现场总线主站端子的连接集成到网络中。

ＵDP协议变体允许设备整合于任何插槽接口中。

ＥtherＣAT技术组确保每个感兴趣的组织可以实施并使用该项网络。

ＥtｈeｒCＡT协议将在作出最后的技术规范后发布

Ethｅrnet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。

它建立在标准UDP/IP与ＴCＰ/ＩP协议之上,利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议西蒙公司开发

PROFＩＮET由PROFＩBUＳ国际组织（PROＦIBＵSInterｎatiｏnal，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

作为一项战略性的技术创新,PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且,作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如ＰRＯFIBUS）技术,保护现有投资。

PROFIＮＥT是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块,依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

MODＢUＳ/ＴＣP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODＢＵＳ系列通讯协议的派生产品。

显而易见,它覆盖了使用TＣP/IP协议的 

“Intranet”和“Ｉnterneｔ”环境中ＭODBＵＳ 

报文的用途。

协议的最通用用途是为诸如PLC’s,I/Ｏ模块，以及连接其它简单域总线或I/Ｏ模块的网关服务的。

ＭODBUS／ＴCP协议是作为一种（实际的）自动化标准发行的。

既然MOＤBＵＳ已经广为人知,该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。

然而,本规范力图阐明ＭODＢUＳ中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值,哪些部分是MODＢUS作为可编程的协议交替用于PＬC’s的“多余部分”。

ﻫ　它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用的和可选的,特别是那些适用于特殊设备如PLＣ’s的报文。

PＯWERＬINＫ=ＣANopen+Ethｅrnet

鉴于以太网的蓬勃发展和ＣANopen在自动化领域里的广阔应用基础，EｔherneｔPOWEＲＬINＫ 

融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口,以及ＣANopeｎ在工业领域良好的SDO和PDＯ　数据定义，在某种意义上说ＰＯWＥRLINK就是Etｈerｎet 

上的CANoｐen，物理层、数据链路层使用了Eｔheｒｎｅt介质，而应用层则保留了原有的SDO和PDO对象字典的结构

虽然这些工业以太网都是国际标准，但是指的是ＩEC 

６1784里的标准,但是这些工业以太网不都是标准的以太网。

即这些工业以太网并不都是符合IEEE802.3U的标准,这当中只有Modbus－TCP和EｔｈerNet／IP是符合ＩEＥＥ802.3U的,只有符合IEＥE８0２．3Ｕ标准的,才能与IT和以太网将来的发展相兼容。

而不符合IEEE80２.３Ｕ标准的,基本上可以讲不是以太网，它们都对以太网进行了修改，或者是硬件或者是软件，已经不是以太网了。

各种工业以太网的区别其实主要就是协议的区别，其中最主要的还是应用层协议的区别，我们知道,按照ＩSO的参考模型,网络被划分为7层。

ａ. 

MｏｄbuｓTCP和EｔhｅrNet/IＰ的区别主要是应用层不相同,ModbusTＣP的应用层采用Ｍodbus协议,而ＥthｅrNeｔ/IＰ采用ＣIP协议，这两种工业以太网的数据链路层采用的是CSMＡ／ＣD,因此是标准的以太网，另外，这两种工业以太网的网络层和传输层采用TCP/IP协议族。

还有一个区别是，Modbus协议中迄今没有协议来完成功能安全、高精度同步和运功控制等，而EtherNeｔ/IP有CIPＳafety、CIPSyｎｃ和CＩＰMｏｔion来完成上述功能，所以才有Schneiｄer加入ODVA,成为OＤVA的核心成员来推广EｔｈeｒＮeｔ/IP。

由于这两种网络都是标准的TCＰ／IP以太网,所以所有标准以太网节点都可以接入这两种网络。

b. 

至于EｔｈernetPoｗerLｉnk（EPL）,EtherｎetPoｗerＬinｋ就是个怪胎，PｏｗerLiｎｋ虽然在物理层和数据链路层还是采用标准的以太网,但是它又添加了另一个数据链路层,此ＥPＬ数据链路层在结构上为于以太网数据链路层之上。

我们知道数据链路层的一个子层的MＡC（介质访问）层的作用是[ｃoｌｏｒ=#FF0０00]决定哪一个节点可以占有总线,也即决定哪个节点一个发送数据［/coloｒ］。

所以本来由以太网的数据链路层来决定哪一个节点占用总线，现在它被位于它之上的ＥPL数据链路层给架空了,由这个EＰL数据链路层通过软件的方式来决定哪个节点发送数据。

所有在这样的一个EＰＬ工业以太网系统中，不能使用交换机,只能使用HUＢ，所以对１０0M的网络,EPL总的带宽是小于１00m,一盘情况下只有40－5０M，而如果采用交换机的工业以太网,它的带宽可以达到大几百M,另外在ＥＰL网络上,所有的节点都要实现EPL数据链路。

没有实现EPＬ数据链路层的节点不能接入此网络。

c.ＰROFINET分为原来划分为v１,ｖ2,v3,现在一般称为ProfiNｅtＣBA、PrｏｆｉNetIO和ProfiNeｔ　IRT.也就是通过以太网来实现对等通讯、实时控制和运动控制。

v1采用TCP/IP协议,采用标准的以太网,而V2和V3不采用tｃp/ip协议,这两种都绕过tcp/iｐ协议,采用另外的网络层和传输层协议,开发PｒoｆｉNet采用开发人员人员认为ｔcp/ip协议增加了数据在网络中的传输延迟,其实这是一种误解,据美国密歇根大学的教授研究后认为数据在TCP/IＰ中的传输延迟很小，他们研究得出数据在经过ＴCP,IP栈时延迟只有不到100微秒，如果采用UDP／IP时就更小，同时他们研究也得出数据在不同应用层延时比较大，不同的协议延迟不一样,但是相差不是很大，从2００uｓ-8０0us不等，他们经过实验后认为以太网的基础设施（指交换机、网卡等）和TＣP/ＩP协议并不是影响工业以太网实时性的主要原因,而认为应用层协议才是主要原因。

所以密歇根大学的教授认为绕开ＴCP／IP协议没有丝毫的意义,反而由于缺少了TCＰ/IＰ协议，使得设备也就缺少了IT功能,与其它现场总线没有区别。

ProｆiNetV3就更特别了，它不完全采用标准以太网的数据链路层,有一不时间采用以太网的数据链路层（ＣＳＭA/ＣD），而另外一部分时间采用自己的数据链路层，通过一个高精度的时间来完成。

所以PｒofiNetV3也就不是标准的以太网了，也就给Ｐrofinetv3带来如下的问题:

不能采用标准的交换机、不能采用标准的以太网芯片、与企业网相连可能会出现问题,与标准以太网相连还要特殊的网关、添加和删除一个节点都需要重新组态网络和重新启动网络、至今没有千兆网络，还有最重要的是,当标准以太网以后发展了后，它不能与标准以太网相兼容，不具有将来以太网所应具有的功能。

d.ＥthｅrCat这种工业以太网也很奇怪,它们不使用标准的芯片，一般不使用交换机，软件也不是标准的,对以太网的数据帧进行了一些修改,我们知道一个数据帧只有一个源节点，但是对于EｔherCaｔ一个数据可能有多个源节点，即一个数据是由多个节点发送的数据组合而成的。

所以对于这样的网络,标准的以太网设备也不能接入这样的网络。

我认为Etherneｔ／ＩＰ和ProfiNeｔ这两种工业以太网都适合各个行业，并不象heidai讲的应用的行业不一样。

首先这两种工业以太网都用于传输非实时数据，还可传输实时数据，即可以用于离散控制，也可用于过程控制（当然现在还不能用于本安应用）。

其次,这两种工业以太网都可用于网络功能安全传输,Etheｒnｅt/ＩＰ有CIP 

Safeｔｙ协议,而PrｏfiNet有Ｐｒofisaｆｅ协议，还有在运动控制方面ＰｒｏfｉＮet有 

ＰrｏｆｉNet 

ＩRT，而ＥtherNet／IP则有CIP 

Safｅty,二者都可以用于中高端的运动控制。

最后两者都有基于IＥＥE1588的高精度时钟同步。

而Modbus 

ＴCP,EtｈerCaｔ和PowerLink,都只能完成部分控制任务,如Modbus 

TCP一般只作常规ＩＯ实时和非实时数据。

而EtheｒＣａt和PｏｗeｒLｉnk则更象是为运动控制而开发的,这二者好像没有功能安全、在ＰLC和DCS控制方面也没有得到大自动化公司的支持,况且这两者又对以太网进行修改，一个在软件,另一个在软件和硬件方面都进行了修改，都不能兼容标准的以太网设备,个人认为这样做得不偿失,为满足运动控制而不能兼容已有的标准的以太网设备而开发的工业以太网并不是以太网,与其说是工业以太网还不如说是另一种现场总线。

ﻫ 

我认为工业以太网的竞争将会在Ethｅｒnｅt/IＰ和PｒｏｆiNet间进行，而其它工业以太网都是这两者的陪衬，将会逐渐退出市场。

ＥtherNet／IＰ以后将由罗克韦尔自动化、Omｒoｎ、施耐德和思科公司来推动,而ProfiNeｔ将由业界老大西门子公司带领一些小公司去奋斗,由国内PＬC厂商中的老二、老三和老五对老大,不知谁将引导未来。

ﻫ

其实,工业以太网里还有几个怪胎,举两个例吧：

SｙnqNet:

丹纳赫主导的，几乎只用在运动控制，而且据说只用在了半导体机械行业（奇怪的是，不才也搞半导体机械很久了,却从来没看到过SynqＮet,孤陋寡闻啊）。

只用了以太网的硬件,完全和我们平常说的以太网没有任何关系,连MAC层都没有。

当然如此运用，速度性能当然好,但未来难说。

Sercos 

III:

光纤ＳeｒcｏsII的新一代以太网版本，背后推手是博世力士乐，只用在运动控制。

也基本上是只用了以太网底层硬件，系统里竟然连switcｈ都不允许用。

速度当然快,但只比SeｒcosＩI快了一倍。

估计用了SercｏsＩI的用户，谁会去更新到一个没快了多少的新系统啊,还没问世，就已经不被业界看好了。

ﻫ我个人认为,最后一定是大西洋两岸的两大巨人之间的角力,就像以前的现场总线战争，最后还不是Pｒofibus和DｅvｉceNｅt,别的都只能当陪衬的角色？

当然，现在大家都在看中国这个大西洋两岸以外的单一最大市场,中国把砝码放在谁这一边,可能会使天平倾斜一点。

但最后，肯定两者都会存在的。

我个人认为，咱们应该选Etheｒneｔ/IP这一边站

中国用户和制造商应选择Ethｅrneｔ/IP还是PｒoｆiNｅt，各人的看法有所不同，不过我认为ｆirｓtｒazｏｒ所说的没错,有于PｒoｆｉNet采用了专门的芯片、网卡、交换机等以太网基础设施,虽然ProfiNeｔ应用层协议是公开的，但这些芯片却是专用，国内的制造商要想开发符合ＰrofiＮｅt标准的设备，确要依赖于这些芯片,受制于提供芯片的公司,也就是西门子公司，因此可以将ＰrofiNet并不是完全开放的。

而相反,Etheｒnet／IP不论是在软件还是硬件上都是标准和开放的,国内的工业以太网制造商还是选择EthｅrNet/IP为好,至于最终用户的选择,当然是从可靠性、价格、兼容性和可替换性方面考虑,可靠性方面，二者没有明显区别，在其它方面Ethｅrnet／IP具有明显的优势

一第一部分EｔherCＡT　协议系统整体组成

德国倍福公司提出了以太网控制自动化技术,即ＥthｅrCＡT技术,在数据链路层使用实时性调度的软核,并采用了双端口RAM传输过程数据传输，提高了系统的实时性．主站由带有普通网卡的计算机组成,主要负责向从站的发送EthｅrCAＴ数据帧，从而进行与从站的互动。

主站向从站发送数据帧经过所有的从站设备,每个从站设备在数据帧经过时,处理寻址到本站的数据，根据报文头中的命令从报文中指定的位置读或写数据,并且从站硬件把该报文的工作计数器（WKC）加1,表示该数据被从站处理；

数据帧访问完整个系统的最后一个从站时,该从站把经过处理的数据帧发送给主站。

主站收到从站处理的数据帧后，处理返回的数据,一帧通信结束。

　1EtｈerCAT　协议系统主站组成ＥtherCAT　协议系统的主站可以是任何可以控制标准以太网的工业设备;

主站可以是小型嵌入式控制器、小型PＬC、任何基于PC　的应用等以太网控制芯片（RｅtａlteｋRＴL8102）集成了物理数据收发器,使用起来比较方便电信号传输可以采用1００ＢASE-TＸ标准连接以太网（最长为10０ｍ,带变压器耦合），也可以使用LVＤS（Low　VｏltageDiffeｒenｔiａlＳignａlinｇ）在物理层上传输。

LVDS是基于　ANSI/TＩA/ＥIA－６４４的差分信号,同样适用IEＥE８０２.3aｅ标准（10G　以太网）2　ＥｔherCAT协议系统从站组成从层次上划分,EtｈeｒCAT　协议一般划分为三层，即物理层、数据链路层和应用层；

其中,物理层的主要器件有物理层PHY（ＰｏrｔPhysicａｌ　Lａyeｒ）芯片、网络变压器和　RJ4５　接口组成。

数据链路层的主要器件是ESC（ＥtｈerCATＳlａｖｅCoｎtｒoｌler）专用器件。

应用层主要根据需要选择合适的微处理器芯片　ESＣ物理层使用的接口模式分为两种:

一种是　MII（MediaＩndepenｄentInterface）接口,另一种是EBＵS　接口。

从站控制器:

从站控制器（EＳC）主要有　ASIC芯片、ＩP-Coｒe和　ＥSC20。

ASIＣ芯片主要由德国倍福公司提供,主要有　ＥＴ1１00和EＴ1２0０　；

ＩＰ－Cｏre可以从德国倍福公司、Xiｌinx公司和Aｌtera公司获得。

每种形式的ＥＳC都由ＭII/EBUS接口、逻辑管理单元FMＭU（FiellｄbuｓMemoｒyMaｎagｅmｅｎtＵｎit）、同步存储管理　ＳM（ＳynｃMａnager）、双端口ＲＡＭ、分布时钟、过程数据　PDI（Prｏceｓs　Data　Interfａce）接口等组成

【整理】工业自动化现场总线：

EtｈerCAT

现在详细解释其特点:

EtherCAＴ协议处理完全在硬件中进行

协议AＳIC可灵活配置。

过程接口可从1位扩展到64　kbytｅ。

详见:

所以使得以太网可以直达端子模块:

符合IEＥE802.３标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。

耦合设备中的物理层由10０ＢAＳＥ-TX或–FX转换为E-bus,以满足电子端子排等模块化设备的需求。

端子排内的Ｅ-bｕs信号类型（LVDS）并不是专用的,它还可用于1０Gbit以太网。

在端子排末端,物理总线特性被转换回１０0BASE－TX标准。

主板集成的以太网ＭAC足以作为主站设备中的硬件使用。

DＭＡ（直接存储器存取）用于将数据传输到主内存,解除了CＰＵ　存取网络数据的负担。

Beckｈｏｆｆ的多端口插卡中运用了相同的原理,它在一个PＣI插槽中最多捆绑了4　个以太网通道。

EｔherCAT的性能

EtherＣAT使网络性能达到了一个新境界。

1000个I/O的更新时间只需30　µ

s,其中还包括Ｉ／O周期时间。

单个以太网帧最多可进行148６字节的过程数据交换，几乎相当于12０00个数字输入和输出,而传送这些数据耗时仅为300µ

s。

与1０0　个伺服轴的通讯每100µ

s执行一次。

可在这一周期时间内更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布式时钟技术使轴的同步偏差小于1