各类工业总线对比.docx

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各类工业总线对比

各类工业总线对比

EtherCAT（以太网控制自动化技术）就是一个以以太网为基础得开放架构得现场总线系统，EterCAT名称中得CAT为ControlAutomationTechnology（控制自动化技术）首字母得缩写。

最初由德国倍福自动化有限公司（BeckhoffAutomationGmbH）研发。

EtherCAT为系统得实时性能与拓扑得灵活性树立了新得标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线得使用成本。

EtherCAT得特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，与功能性安全协议（SIL3）。

 EtherCATEtherCAT技术突破了其她以太网解决方案得系统限制：

通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。

EtherCAT从站设备在报文经过其节点时处理以太网帧：

嵌入在每个从站中得FMMU（现场总线存储管理单元）在帧经过该节点时读取相应得编址数据，并同时将报文传输到下一个设备。

同样，输入数据也就是在报文经过时插入至报文中。

整个过程中，报文只有几纳秒得时间延迟。

主站方面也非常经济，商用得标准网卡（NIC）或任何主板集成得以太网控制器可以用作硬件接口。

这些接口得共性就就是数据通过DMA（直接内存读取）传输至PC，即网络读取时无需占用CPU资源。

协议EtherCAT协议在以太网帧内采用官方指定得以太类型。

采用这种以太类型即可允许在以太网帧内直接传输控制数据，而无需重新定义标准以太网帧。

该以太网帧可由多种子报文组成，每个子报文服务于逻辑过程映像区得特定内存区，该区域最大可达4GB。

数据序列就是独立于物理顺序得，所以以太网端子模块得编址可以随意排序。

从站之间得广播，多播与通讯也可得以实现。

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不仅限于单个子网得应用。

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得控制均可编址到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得实时性能。

EtherCAT网络本身得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。

借助于从站节点中得FMMU与网络控制器主站得直接内存存取，协议得处理过程完全在硬件中完成。

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

1000个I/O得更新时间只需30s。

单个以太网帧最多可进行1486字节得过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入与输出，而传送这些数据耗时仅为300s、100个伺服轴得通讯也仅为100s。

在此期间，系统更新带有命令值与控制数据得所有轴得实际位置及状态，分布时钟技术使轴得同步偏差小于1微秒。

而即使就是在保证这种性能得情况下，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。

超高性能得EtherCAT技术可以实现传统得现场总线系统无法迄及得控制理念。

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得电流控制。

巨大得带宽可以实现每个数据信息与其状态信息同时传输。

EtherCAT使通讯技术与现代工业PC所具有得超强计算能力相适应，总线系统不再就是控制理念得瓶颈，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，用于接口卡得插槽不再就是必要条件。

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

而快速以太网得带宽与EtherCAT通讯硬件得过程数据长度则为该领域得发展提供了新得可能性：

IPC中得传统接口现在可以转变为集成得EtherCAT接口端子。

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

即使就是其她无协议限制得以太网设备变体，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得通讯要求，因此，这不仅极大地精简了IPC主机得体积，而且也降低了IPC主机得成本。

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得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得数量。

最有效得系统连线方法就是线型、分支或树叉结构得组合拓扑。

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，仍然可以使用传统得、基于以太网得星型拓扑结构。

还可以选择不同得电缆以提升连线得灵活性：

灵活、经济得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：

不同得光纤与铜电缆）得完整组合。

根据对距离得要求，可选择快速以太网得物理层或E-bus作为物理介质。

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

由于连接得设备数量可高达65535，因此，网络得容量几乎没有限制。

分布时钟精确同步对于同时动作得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，便就是如此。

最有效得同步方法就是精确排列分布时钟（请参阅IEEE1588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得情况相比，分布排列得时钟对于通讯系统中可能存在得相关故障延迟具有极好得容错性。

采用EtherCAT，数据交换就完全基于“父”“子”时钟得纯硬件机制。

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

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得、小于1微秒得、确定性得同步误差时间基。

此外，高分辨率得分布时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集得本地时间精确信息。

当采样时间非常短暂时，即使就是出现一个很小得位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大得阶跃变化，例如，运动控制器通过顺序检测得位置计算速度便就是如此。

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

这样，速度得精确计算就不再受到通讯系统得同步误差值影响，其精度要高于基于自由同步误差得通讯测量技术。

热连接热连接功能能够使网络得各部分相连，并且解耦或重新自由配置；所提供得灵活响应特性，改变了很多应用需要在运行时变更I/O配置得需求。

例如，具备变更特性得处理中心，装备传感器得工具系统，或者智能化得传输设备，灵活得工件执行器等。

EtherCAT系统考虑到了这些需求：

任意配置。

EtherCAT功能安全传统上，安全功能就是独立于自动化网络实现得，使用专用硬件或专门得安全总线系统。

EtherCAT安全功能使安全相关通信与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。

数据长度就是可变得，所以可以用于安全I/O与安全伺服驱动技术。

与其它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功能安全认证得产品已经上市。

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

开放性EtherCAT技术就是完全兼容以太网并真正开放得。

该协议可与其她提供各种服务得以太网协议并存，并且所有得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得影响。

标准得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得设备可通过EtherCAT现场总线主站端子得连接集成到网络中。

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得组织可以实施并使用该项网络。

EtherCAT协议将在作出最后得技术规范后发布

Ethernet/IP就是一个面向工业自动化应用得工业应用层协议。

它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定得以太网硬件与软件，为配置、访问与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，就是新一代基于工业以太网技术得自动化总线标准。

作为一项战略性得技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整得网络解决方案，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得热点话题，并且，作为跨供应商得技术，可以完全兼容工业以太网与现有得现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

PROFINET就是适用于不同需求得完整解决方案，其功能包括8个主要得模块，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标准与信息安全、故障安全与过程自动化。

MODBUS/TCP就是简单得、中立厂商得用于管理与控制自动化设备得MODBUS系列通讯协议得派生产品。

显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议得 “Intranet”与“Internet”环境中MODBUS 报文得用途。

协议得最通用用途就是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块得网关服务得。

MODBUS/TCP协议就是作为一种（实际得）自动化标准发行得。

既然MODBUS已经广为人知，该规范只将别处没有收录得少量信息列入其中。

然而，本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备得互用性有价值，哪些部分就是MODBUS作为可编程得协议交替用于PLC’s得“多余部分”。

　　它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用得与可选得，特别就是那些适用于特殊设备如PLC’s得报文。

POWERLINK=CANopen+Ethernet

鉴于以太网得蓬勃发展与CANopen在自动化领域里得广阔应用基础，EthernetPOWERLINK 融合了这两项技术得优点与缺点，即拥有了Ethernet得高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好得SDO与PDO数据定义，在某种意义上说POWERLINK就就是Ethernet 上得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得SDO与PDO对象字典得结构

虽然这些工业以太网都就是国际标准，但就是指得就是IEC 61784里得标准，但就是这些工业以太网不都就是标准得以太网。

即这些工业以太网并不都就是符合IEEE802、3U得标准，这当中只有Modbus-TCP与EtherNet/IP就是符合IEEE802、3U得，只有符合IEEE802、3U标准得，才能与IT与以太网将来得发展相兼容。

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

各种工业以太网得区别其实主要就就是协议得区别，其中最主要得还就是应用层协议得区别，我们知道，按照ISO得参考模型，网络被划分为7层。

a、     ModbusTCP与EtherNet/IP得区别主要就是应用层不相同，ModbusTCP得应用层采用Modbus协议，而EtherNet/IP采用CIP协议，这两种工业以太网得数据链路层采用得就是CSMA/CD，因此就是标准得以太网，另外，这两种工业以太网得网络层与传输层采用TCP/IP协议族。

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

由于这两种网络都就是标准得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、     b、 至于EthernetPowerLink（EPL）,EthernetPowerLink就就是个怪胎，PowerLink虽然在物理层与数据链路层还就是采用标准得以太网，但就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得一个子层得MAC（介质访问）层得作用就是[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]。

所以本来由以太网得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得EPL数据链路层给架空了，由这个EPL数据链路层通过软件得方式来决定哪个节点发送数据。

所有在这样得一个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得网络，EPL总得带宽就是小于100m,一盘情况下只有40－50M，而如果采用交换机得工业以太网，它得带宽可以达到大几百M,另外在EPL网络上，所有得节点都要实现EPL数据链路。

没有实现EPL数据链路层得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与ProfiNetIRT、也就就是通过以太网来实现对等通讯、实时控制与运动控制。

v1采用TCP/IP协议，采用标准得以太网，而V2与V3不采用tcp/ip协议，这两种都绕过tcp/ip协议，采用另外得网络层与传输层协议，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得传输延迟，其实这就是一种误解，据美国密歇根大学得教授研究后认为数据在TCP/IP中得传输延迟很小，她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，同时她们研究也得出数据在不同应用层延时比较大，不同得协议延迟不一样，但就是相差不就是很大，从200us-800us不等，她们经过实验后认为以太网得基础设施（指交换机、网卡等）与TCP/IP协议并不就是影响工业以太网实时性得主要原因，而认为应用层协议才就是主要原因。

所以密歇根大学得教授认为绕开TCP/IP协议没有丝毫得意义，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得数据链路层，有一不时间采用以太网得数据链路层（CSMA/CD），而另外一部分时间采用自己得数据链路层，通过一个高精度得时间来完成。

所以ProfiNetV3也就不就是标准得以太网了，也就给Profinetv3带来如下得问题：

不能采用标准得交换机、不能采用标准得以太网芯片、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得网关、添加与删除一个节点都需要重新组态网络与重新启动网络、至今没有千兆网络，还有最重要得就是，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得功能。

 d、EtherCat这种工业以太网也很奇怪，它们不使用标准得芯片，一般不使用交换机，软件也不就是标准得，对以太网得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，但就是对于EtherCat一个数据可能有多个源节点，即一个数据就是由多个节点发送得数据组合而成得。

所以对于这样得网络，标准得以太网设备也不能接入这样得网络。

我认为Ethernet/IP与ProfiNet这两种工业以太网都适合各个行业，并不象heidai讲得应用得行业不一样。

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得运动控制。

最后两者都有基于IEEE1588得高精度时钟同步。

而Modbus TCP,EtherCat与PowerLink,都只能完成部分控制任务，如Modbus TCP一般只作常规IO实时与非实时数据。

而EtherCat与PowerLink则更象就是为运动控制而开发得，这二者好像没有功能安全、在PLC与DCS控制方面也没有得到大自动化公司得支持，况且这两者又对以太网进行修改，一个在软件，另一个在软件与硬件方面都进行了修改，都不能兼容标准得以太网设备，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得标准得以太网设备而开发得工业以太网并不就是以太网，与其说就是工业以太网还不如说就是另一种现场总线。

   我认为工业以太网得竞争将会在Ethernet/IP与ProfiNet间进行，而其它工业以太网都就是这两者得陪衬，将会逐渐退出市场。

   EtherNet/IP以后将由罗克韦尔自动化、Omron、施耐德与思科公司来推动，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厂商中得老二、老三与老五对老大，不知谁将引导未来。

 其实，工业以太网里还有几个怪胎，举两个例吧：

SynqNet:

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

只用了以太网得硬件，完全与我们平常说得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得新一代以太网版本，背后推手就是博世力士乐，只用在运动控制。

也基本上就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得用户，谁会去更新到一个没快了多少得新系统啊，还没问世，就已经不被业界瞧好了。

我个人认为，最后一定就是大西洋两岸得两大巨人之间得角力，就像以前得现场总线战争，最后还不就是Profibus与DeviceNet，别得都只能当陪衬得角色？

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

但最后，肯定两者都会存在得。

我个人认为，咱们应该选Ethernet/IP这一边站

 中国用户与制造商应选择Ethernet/IP还就是ProfiNet，各人得瞧法有所不同，不过我认为firstrazor所说得没错，有于ProfiNet采用了专门得芯片、网卡、交换机等以太网基础设施，虽然ProfiNet应用层协议就是公开得，但这些芯片却就是专用，国内得制造商要想开发符合ProfiNet标准得设备，确要依赖于这些芯片，受制于提供芯片得公司，也就就是西门子公司，因此可以将ProfiNet并不就是完全开放得。

而相反，Ethernet/IP不论就是在软件还就是硬件上都就是标准与开放得，国内得工业以太网制造商还就是选择EtherNet/IP为好，至于最终用户得选择，当然就是从可靠性、价格、兼容性与可替换性方面考虑，可靠性方面，二者没有明显区别，在其它方面Ethernet/IP具有明显得优势

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得软核,并采用了双端口RAM传输过程数据传输,提高了系统得实时性、主站由带有普通网卡得计算机组成,主要负责向从站得发送EtherCAT数据帧,从而进行与从站得互动。

主站向从站发送数据帧经过所有得从站设备,每个从站设备在数据帧经过时,处理寻址到本站得数据,根据报文头中得命令从报文中指定得位置读或写数据,并且从站硬件把该报文得工作计数器（WKC）加1,表示该数据被从站处理;数据帧访问完整个系统得最后一个从站时,该从站把经过处理得数据帧发送给主站。

主站收到从站处理得数据帧后,处理返回得数据,一帧通信结束。

1EtherCAT协议系统主站组成EtherCAT协议系统得主站可以就是任何可以控制标准以太网得工业设备；主站可以就是小型嵌入式控制器、小型PLC、任何基于PC得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（LowVoltageDifferentialSignaling）在物理层上传输。

LVDS就是基于ANSI/TIA/EIA-644得差分信号,同样适用IEEE802、3ae标准（10G以太网）2EtherCAT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、数据链路层与应用层;其中,物理层得主要器件有物理层PHY（PortPhysicalLayer）芯片、网络变压器与RJ45接口组成。

数据链路层得主要器件就是ESC（EtherCATSlaveController）专用器件。

应用层主要根据需要选择合适得微处理器芯片ESC物理层使用得接口模式分为两种:

一种就是MII（MediaIndependentInterface）接口,另一种就是EBUS接口。

从站控制器：

从站控制器（ESC）主要有ASIC芯片、IP-Core与ESC20。

ASIC芯片主要由德国倍福公司提供，主要有ET1100与ET1200；IP-Core可以从德国倍福公司、Xilinx公司与Altera公司获得。

每种形式得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（ProcessDataInterface）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64kbyte。

详见：

所以使得以太网可以直达端子模块：

符合IEEE802、3标准得以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。

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

端子排内得E-bus信号类型（LVDS）并不就是专用得，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。

主板集成得以太网MAC足以作为主站设备中得硬件使用。

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

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

EtherCAT得性能

EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。

1000个I/O得更新时间只需30µs，其中还包括I/O周期时间。

单个以太网帧最多可进行1486字节得过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入与输出，而传送这些数据耗时仅为300µs。

与100个伺服轴得通讯每100µs执行一次。

可在这一周期时间内更新带有命令值与控制数据得所有轴得实际位置及状态，分布式时钟技术使轴得同步偏差小于1微秒。

超高性能得EtherCAT技