高性能、工廠(chǎng)設備和IT系統集成，以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求驅動(dòng)促進(jìn)了工業(yè)以太網(wǎng)的增長(cháng)。在實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)中，EPA、 EtherCAT、 RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的競爭者。下面對它們進(jìn)行簡(jiǎn)單比較。
Ethernet/IP
Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODVA( Open DevicenetVendors Association共同開(kāi)發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)標準。
Ethernet/IP實(shí)現實(shí)時(shí)性的方法是在TCP/IP層之上增加了用于實(shí)時(shí)數據交換和運行實(shí)時(shí)應用的CIP協(xié)議(Common Industrial Protocol )。
Ethernet/IP在物理層和數據鏈路層采用標準的以太網(wǎng)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層使用IP協(xié)議和TCP、 UDP協(xié)議來(lái)傳輸數據。UDP是一種非面向連接的協(xié)議，它能夠工作在單播和多播的方式，只提供設備間發(fā)送數據報的能力。對于實(shí)時(shí)性很高的I/O數據、運動(dòng)控制數據和功能行安全數據，使用UDP/IP協(xié)議來(lái)發(fā)送。而TCP是一種可靠的、面向連接的協(xié)議。對于實(shí)時(shí)性要求不是很高的數據(如參數設置、組態(tài)和診斷等)采用TCP/IP協(xié)議來(lái)發(fā)送。
Ethernet/IP采用生產(chǎn)者/消費者數據交換模式。生產(chǎn)者向網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送有唯一標識符的數據包。消費者根據需要通過(guò)標識符從網(wǎng)絡(luò )中接收需要的數據。這樣數據源只需一次性地把數據傳到網(wǎng)上，其它節點(diǎn)有選擇地接收數據，這樣提高了通信的效率。
Ethernet/IP是在CIP這個(gè)協(xié)議的控制下實(shí)現非實(shí)時(shí)數據和實(shí)時(shí)數據的傳輸。CIP是一個(gè)提供工業(yè)設備端到端的面向對象的協(xié)議，且獨立于物理層及數據鏈路層，這使得不同供應商提供的設備能夠很好的交互。另外，為了獲得更好的時(shí)鐘同步性能，2003年ODVA將 IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync標準以提高Ethernet/IP的時(shí)鐘同步精度。
EPA
EPA是在“863”計劃的支持下，由浙江大學(xué)、清華大學(xué)、浙江中控技術(shù)公司、大連理工大學(xué)、中科院自動(dòng)化所等單位聯(lián)合制定，是用于工業(yè)測量和控制系統的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標準。
EPA實(shí)現實(shí)時(shí)性的方法是在ISO/IEC8802.3協(xié)議所規定的數據鏈路層之上增加了一個(gè)EPA-CSME ( communication scheduling management entity，通信管理實(shí)體)。
增加EPA-CSME，EPA-C SME用于對數據報文的調度管理，它支持兩種通信調度方式：非實(shí)時(shí)的通信使用CSMA/CD通信機制，非實(shí)時(shí)數據直接在DLE層和DLS-Use：之間傳輸，不進(jìn)行任何緩沖和處理;實(shí)時(shí)性使用確定性調度方式，EPA將DLS-User數據根據控制時(shí)序和優(yōu)先級大小傳送給DLE，然后經(jīng)過(guò)PHY發(fā)送出去，這樣避免了網(wǎng)絡(luò )中報文的碰撞。
另外，EPA網(wǎng)絡(luò )為了避免沖突的發(fā)生將控制網(wǎng)絡(luò )分成了若干個(gè)由網(wǎng)橋相互隔離的控制區域一一微網(wǎng)段。各微網(wǎng)段內通信互不干擾。不同微網(wǎng)段的設備的通信需要通過(guò)網(wǎng)橋轉發(fā)來(lái)實(shí)現。這使得網(wǎng)絡(luò )中的任何報文都被嚴格的監控，從而避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。
目前，一些公司，比如浙大中控，己經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種產(chǎn)品EPA產(chǎn)品，包括基于EPA的控制系統、基于EPA的變送器、執行器、遠程分散控制站、數據采集器、現場(chǎng)控制器、無(wú)紙記錄儀?；贓PA的分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統己在工廠(chǎng)得到成功應用。
Ethernet POWERLINK
Ethernet POWERLINK(簡(jiǎn)稱(chēng)EPL)是由奧地利B&R(貝加萊)公司于2001年開(kāi)發(fā)出來(lái)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案。2003年，由全球自動(dòng)化和驅動(dòng)行業(yè)的領(lǐng)軍公司成立了EPSG(Ethernet POWERLINK標準化組織)，來(lái)標準化和強化POWERLINK技術(shù)。
EPL標準是在CANopen基礎上發(fā)展來(lái)的。它實(shí)現實(shí)時(shí)性的方法是對TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了實(shí)時(shí)擴展，引入了SCNM ( slot communication network management，時(shí)間槽通信網(wǎng)絡(luò )管理)機制來(lái)消除C SMA/CD的不確定性。
SCNM原理是網(wǎng)絡(luò )按照一個(gè)固定的周期進(jìn)行通信。每個(gè)周期分為三個(gè)時(shí)間槽：同步時(shí)間槽、異步時(shí)間槽、空閑時(shí)間槽。實(shí)時(shí)性要求嚴格的數據在同步時(shí)間槽中傳輸。時(shí)間不苛刻的數據在異步時(shí)間槽中傳輸。在三種時(shí)間槽中又根據網(wǎng)絡(luò )中通信節點(diǎn)的數目劃分為不同的子時(shí)間槽。這樣保證了實(shí)時(shí)數據的實(shí)時(shí)性傳輸，又杜絕了網(wǎng)絡(luò )沖突的發(fā)生。
PROFINET
PROFINET是由PI ( Profibus International)組織提出的工業(yè)以太網(wǎng)標準。從2004年4月開(kāi)始，PI與Interbus Club ( Interbus總線(xiàn)俱樂(lè )部)聯(lián)手，負責合作開(kāi)發(fā)與制定PROFINET的相關(guān)標準。PROFIBUS技術(shù)和INTERBUS技術(shù)可以在整個(gè)控制系統中無(wú)縫地集成。
現在PROFINET有三個(gè)版本，能夠實(shí)現3種類(lèi)型的通信：TCP/IP標準通信和兩類(lèi)實(shí)時(shí)通信。在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE802.1 D和IEEE1588進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴展的技術(shù)方案，同時(shí)，根據不同的實(shí)時(shí)性要求采用不同的實(shí)時(shí)通道技術(shù)。
PROFINET提供的標準通道使用TCP/IP協(xié)議來(lái)進(jìn)行非實(shí)時(shí)通信，用于設備參數化、組態(tài)和診斷數據的傳輸。兩個(gè)實(shí)時(shí)通道：實(shí)時(shí)通道RT和實(shí)時(shí)通道IRT。
實(shí)時(shí)通道RT是一種軟實(shí)時(shí)(software real time）方案，一般響應時(shí)間為lOms，主要用于工廠(chǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域中的過(guò)程數據高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號與報警信號燈。
實(shí)時(shí)通道IRT(IsochronousReal-time)使用了專(zhuān)用的ASIC芯片來(lái)對數據幀進(jìn)行了解析，這樣縮短了處理時(shí)間。該方案特別適用于高性能傳輸、過(guò)程數據的等時(shí)同步傳輸及需要快 速時(shí)鐘同步的運動(dòng)控制領(lǐng)域。
另外根據應用對象的不同，PROFINET有兩種組網(wǎng)方式：PROFINETIO和PROFINET CBA。
SERCOS III
SERCOS ( Serial Real Time Communication System，串行實(shí)時(shí)通信系統)在1989年誕生，并在1995年成為國際標準IEC61491 }26}。到目前為止，SERCOS己經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展:SERCOS I, SERCOS II, SERCOS III，其中SERCOSI和SERCOS II統稱(chēng)為SERCOS 。SERCO S III是SERCOS成熟的通信機制和工業(yè)以太網(wǎng)相結合的產(chǎn)物，它既具有 SERCOS的實(shí)時(shí)特性，又具有以太網(wǎng)的特性。相對于SERCOS， SERCOS III具有的優(yōu)點(diǎn)有：
基于工業(yè)以太網(wǎng)，數據傳輸速率高達1OOMbit/s；
能夠實(shí)現標準的TCP/IP通信；
能夠使用CATSE 雙絞銅纜和光纖通信；
具有線(xiàn)型和環(huán)型的拓撲結構；
支持從站與從站之間的jiāo叉通信；
支持從站的熱插拔;支持與安全相關(guān)的數據傳輸；
向下兼容以前的SERCO S總線(xiàn)協(xié)議。
SERCOSS III采用TDMA(時(shí)分多路復用)的通信機制實(shí)現以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和確定性。它能夠使用線(xiàn)型或環(huán)型的拓撲結構與驅動(dòng)器、I/O設備、傳感器相連接，但是不支持星形結構。
RTEX
RTEX是松下為實(shí)現運動(dòng)控制高速實(shí)時(shí)性要求獨自開(kāi)發(fā)的高端總線(xiàn)技術(shù)，早于2004年便已經(jīng)被提出了。作為一款為運動(dòng)控制量身定做的高端實(shí)時(shí)運動(dòng)控制總線(xiàn)，RTEX總線(xiàn)經(jīng)過(guò)多年打磨，已經(jīng)形成集運動(dòng)控制器、伺服、步進(jìn)、遠程IO、變頻器等的整體運動(dòng)控制系統生態(tài)圈，并以其高速、高精、高抗干擾、高性?xún)r(jià)比、簡(jiǎn)單可靠性、易開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)在各行各業(yè)為用戶(hù)創(chuàng )造了巨大的價(jià)值。
RTEX主要特點(diǎn)：
高速且高精：RTEX通過(guò)采用絕對值式位置指令、指令更新周期通過(guò)參數可選、增加單位距離內指令點(diǎn)數，以及高達4Gpulse的指令傳輸速率，實(shí)現了高速與高精完美的統一；
高抗干擾能力：憑借著(zhù)更短的數據幀、數據幀冗余、數據幀修復功能、環(huán)形拓撲結構等特色，RTEX充分保障了通信網(wǎng)絡(luò )的抗躁性，防止因通信干擾引發(fā)的設備停機；
高實(shí)時(shí)性、同步性：RTEX總線(xiàn)最小通信周期可達到125us，在百微秒級的同步控制周期內，指令能夠被及時(shí)有效地發(fā)送到系統內的各個(gè)軸上，保證每個(gè)軸都有一致、精確的實(shí)時(shí)性和同步性；
開(kāi)發(fā)難度低：RTEX芯片解決方案提供了豐富的運動(dòng)控制算法和功能模塊，并且內置數據幀修復等特殊功能，開(kāi)發(fā)難度低，且大幅縮短開(kāi)發(fā)周期，可快速實(shí)現輔助功能開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品升級；
實(shí)施設備預診斷：依托RTEX總線(xiàn)的數據通訊方式，設備能更為快速的進(jìn)行診斷與維護，并通過(guò)數據收集分析，可對設備故障實(shí)施預診斷。
EtherCAT
EtherCAT是由德國倍福(Beckhoff)公司于2003年提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。為了給來(lái)自全球的自動(dòng)化人員和產(chǎn)品供應商提供EtherCAT技術(shù)支持，2003年底ETG (EtherCAT Technology Group）組織成立。到目前為止，該組織是全球最大的工業(yè)以太網(wǎng)組織且己擁有2705個(gè)會(huì )員，而且成員越來(lái)越多，由此可以看出EtherCAT技術(shù)在工控領(lǐng) 域中的地位和作用將越來(lái)越重要。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，EtherCAT經(jīng)過(guò)廣泛的認可，現在它己 經(jīng)進(jìn)入多種相關(guān)的國際標準：IEC61158中Type12; IEC61784的CPF12;在IEC61800中，EtherCAT支持CANopen DS402和SERCO S規范;在IS015745中，EtherCAT支持DS301。
EtherCAT主要特點(diǎn)：
1.完全符合以太網(wǎng)標準：普通以太網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)都可以應用于EtherCAT網(wǎng)絡(luò )中。EtherCAT設備可以與其他的以太網(wǎng)設備共存于同一網(wǎng)絡(luò )中。普通的以太網(wǎng)卡、交換機、路 由器等標準組件都可以在EtherCAT中使用。
2.支持多種拓撲結構:線(xiàn)型、星型、樹(shù)型：可以使用普通以太網(wǎng)使用的電纜或光纜。當使用1OOBase-TX電纜時(shí)允許兩個(gè)設備之間的通信距離達100m。當使用100BASE-FX模式，使用兩對光纖在全雙工模式下，單模光纖能夠達到40千米的傳輸距離，多模光纖能夠達到2千米的傳輸距離。EtherCAT還能夠使用Beckhoff公司自己設計的低壓差分信號LUDS ( Low Voltage Differential Signaling，低壓差分信號)線(xiàn)來(lái)低延時(shí)地通信，通信距離能夠達到10米。
3.廣泛的適用性：任何帶有普通以太網(wǎng)控制器的設備都有條件作為EtherCAT主站，比如嵌入式系統、普通的PC機、控制板卡等。
4.高效率、刷新周期短：EtherCAT從站對數據幀的讀取、解析、過(guò)程數據的提取與插入完全由硬件來(lái)實(shí)現，這使得數據幀的處理不受CPU的性能、軟件的實(shí)現方式等影響，時(shí)間延遲極小、實(shí)時(shí)性很高。同時(shí)EtherCAT可以達到小于100us的數據刷新周期。
5.能夠壓縮大量設備數據：EtherCAT以太網(wǎng)幀中能夠壓縮大量的設備數據，這使得EtherCAT網(wǎng)絡(luò )有效數據率可達到90%以上。據官方測試1000個(gè)I/O更新時(shí)間僅僅30us，其中還包括I/O周期時(shí)間。而容納1486個(gè)字節(相當于12000個(gè)I/O)的單個(gè)以太網(wǎng)幀的刷新時(shí)間緊緊300us。
6.同步性能很好：EtherCAT使用高分辨率的分布式時(shí)鐘使各從站節點(diǎn)間的同步精度能夠遠小于lus。
7.無(wú)須從屬子網(wǎng)：很復雜的節點(diǎn)或只有一兩位的數字I/O都能被用作EtherCAT從站。
8.多種應用層協(xié)議接口：EtherCAT擁有多種應用層協(xié)議接口來(lái)支持多種工業(yè)設備行規：CoE ( CANopen over EtherCAT)用來(lái)支持CANopen協(xié)議，SOE (SERCOE over EtherCAT)用來(lái)支持SERCOE 協(xié)議，EOE ( Ethernetover EtherCAT)用來(lái)支持普通的以太網(wǎng)協(xié)議，FOE ( File over EtherCAT）用于上傳和下載固件程序或文件;AOE (ADS over EtherCAT)用于主從站之間非周期的數據訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)。對多種行規的支持使得用戶(hù)和設備制造商很容易從現場(chǎng)總線(xiàn)向EtherCAT轉換。
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