1、主流實時以太網技術的比擬一、各個實時以太網技術概要summayofdifferentRT-Ethernettehcnologies當前,工業實時以太網技術蓬勃開展,正在取代傳統的現場總線技術(Profibus,CANInterbus,Fieldbus,DeviceNet,Modbus),市場上出現了眾多實時通信技術,本文對其進行了比擬,這些實時以太網均建立在uS級的循環周期上,而不列入ModBusTCP/IP、EthernetTCP/IP這些mS!的通信技術,并且也不將非主流的以太網技術列入,純粹在實時以太網這個領域里進行比擬(這里的實時以太網遵循INONAW提出的實時分類級別).需要申明的是

2、,本文僅提供一個全景式的概覽,而非傾向性的描述,旨在客觀公正的對各種技術的特點進行分析,以作為互相交流,不作為選擇網絡技術的參考依據.1.1 ProfiNetIRTProfiNet提供了三個不同的版本,根據其實現和對應用的實時性支持水平為ProfiNet/Cba,ProfiNetRT,ProfiNetIRT,其中ProfiNet/Cba是建立在SoftIP根底上,采用交換機連接方式,由于交換機所帶來的時間延遲,因此,無法支持較快的同步速度,ProfiNet并不具備很高的實時性,而RT也無法滿足高速運動限制的需求,而ProfiNetIRT那么是設計為更快速的運動限制應用,因此,采用了專用的芯片來

3、實現,這使得其速度得到了大幅度的提升,可以到達100個伺服100uS的數據刷新水平,系統抖動為1uSoupenOpsnRTEchannelRTEchannel(IP)channel|I|I|I*周期1*周期2周期n例如1ma定位限制周期目前Profinet已經開始大量使用,而ProfiNetIRT尚未正式得到大量使用1.2 EthernetPOWERLINK采用輪詢方式,由主站MN和CN構成,系統由SoC開始啟動等時同步傳輸,由主站為每個CN分配固定時間槽,通過這一機制來實現實時數據交換,同時也通過多路復用和節點序列方式來優化網絡的效率,支持標準的Ethernet報文,應用層采用CANopen

4、,EthernetPOWERLINK無需專用的芯片,并且可運行在多種OS上.帛HrtQF6"修SgA-StartoffefncPRq-PerilRequeslPRs-PollResponseMlN-MHnHgingNodeCNI-CaiwcriledNodeIsochrDnousPhaseMNAsynchronousPhasePowerlink多路復用技術EthernetPowerlink標準化組織EPSGft2007年宣布放棄對Powerlink所有專利的擁有,從而使得Powerlink技術成為了目前實時以太網技術里第一個也是唯一一個"OpenSourceTechnolo

5、gy"這意味著參加Powerlink組織的成員均擁有此技術.1.3SERCOSIII通過主從結構的設計來實現數據交換,在一個SERCOSIII的數嵌入式系統單片機FPGA:/ee.ofweek/據中,主站與從站之間的數據包傳輸M/S同步數據交換與CC直接交叉通信數據以及Safety數據,由Sync同步治理機制來限制各種數據傳XppH3Pgn輸方式的進行.-CLfitQmersolutionCpnimunlcattonlfwl."P總巾濫1皿pg德閭pittltM咨EtiiemM占MicammliVS£ROSIIIcommumcatlariccriitrdUC

6、9;P/KPDuplex餐口Cthern(IM1.4EtherCAT,采取一種所謂“數據列車的方式設計,“邊傳輸邊處理的方式根據順序將數據包發送到各個從節點,然后再回到主站,這樣的話,任務的處理將在下一個周期里完成,主節點通常采用PC,而從節點背板間采用LVDS-低壓差分驅動信號傳輸方式,可以到達非常高的數據交換,但是,這同時也意味著從站需要特殊的硬件,ASIC或FPGA,由于EtherCAT有ASIC,其并不主推FPGAT案.由于采用集束幀的方式,該數據傳輸方式只能采用環形冗余或星形冗余方式,在拓撲結構上會受到一定的限制,另外,由于其傳輸是一個循環而處理是一個循環,這就使得它通常需要兩個周期

7、才能完成一次交換,其效率較低,通常對于小數據量的系統比擬快速,而對大數據量節點數較多時該網絡速度反倒較低.1.5Ethernet/IPCIP采用消費者與生產者模式運行整個過程.ApplicationPrwtntitJonSessionTriinsportNetworkUnkPhysic*1Ethernet/IPCIP基于原有的RockwellAB的Devi工業自動化DCS高壓變頻器:gongkong.ofWeek/ceNet,ControlNet的限制和信息協議,采用了在OSI的會話層和表示層的修改,作為一種軟件形式的協議,它顯然具有較高的數據通過率,適應于大塊的數據通信,因此,更適合作為網關

8、和交換設備的應用,其實時性卻受到一定的限制,但是,它完全兼容標準以太網,因此,具有很好的到工廠與企業的IT層互聯的水平.、主要特點比擬下表對主要的實時以太網技術的關鍵參數進行了比擬,羅列如下:比擬項抖動循環周期傳輸距離直接交叉通信介質歷史是否需特殊硬件是否需要RTOS開放性原始技術EthernetPOWERLINKProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IPCIP<<1uS1uS<1uS<<1uS<1uS100uS(Max)1ms25us100uS100uS100m100m40m100m100mYesYes雙絞線/M12/光

9、纖雙絞線光纖雙絞線/M12光纖2001.11IRT尚未發布20072007CIPSync尚未發布無特殊硬件需求Yes/ASICFPGAOrASICYes:從站ASICASICNoYesYesYesNo開源技術需授權需授權需授權需授權CANopenProfiBusSERCOSCANopenDeviceNetSERCOSControlNet硬件實現簡單復雜復雜簡單簡單軟件實現簡單簡單復雜復雜復雜始創公司B&RSIEMENSRexrothBeckhoffRockwellAB推廣組織EPSGPNOIGSETGODVA節點安裝數大于600,000Unvaliable未知未知Unvaliable拓

10、撲結構任意拓撲受限受限環形受限環形任意拓撲同步方式IEEE1588時鐘同步IEEE1588時鐘同步分布時鐘IEEE1588時鐘同步網絡編程簡單復雜復雜復雜簡單網絡關注I/O,運動限制,Safety現場總線運動限制運動限制I/O運動限制,SafetyI/O,運動限制,Safety動態配置可以可以否否可以三、各以太網技術開展歷史實時通信技術的歷史淵源將為我們展示各種技術的起源,每項技術都有其繼承性,因此,帶有其原有的烙印：3.1. 第一個實時以太網-EthernetPowerlink,在2001年11月,該技術即投入使用,由B&R開發,作為OEMlk界領先的限制技術提供商,B&R將

11、其所具有的靈活架構設計、開放性和持續的創新理念融入其中,因此,Powerlink技術便具有了其靈活拓撲結構、功能強大而易用使用、具有未來的可持續開展水平.ETHERNETBII1POWERLINKopensourcetechnology3.2. .SERCOSIII起始于BoschRexroth的SERCOS,SERCOS1996年即推出的一種適用于CN5口機器人領域的現場總線,該公司傳統在CNC和Robotics等應用上,因此,其設計基于CN用的設備描述文件,更為側重運動限制,在初始的SERCO設計里其拓撲僅支持環形網絡,并且只用于傳輸伺服數據,而不用于傳輸高速I/O數據,這使得在其應用中通

12、常采用兩個不同的總線來處理數據通信,用I/O總線如Profibus,Interbus做邏輯信號傳輸,而SERCOSU處理伺服間數據,并且第一代的SERCO肝不支持雙絞線的連接,而采用了光纖傳輸,速度為12Mbps最大,為了克服SERCO越種現場總線的局限性,BoschRexroth開發了基于以太網技術的SERCOSIII,并在2007年發布.3.3. Profinet那么建立在Profibus根底上,由于其始創公司SIEMENS過程限制領域的強大實力,使得其廣泛應用于DCS系統、現場儀表層、事件限制等流程工業領域,而2007年Profinet被推出,但是,是一個基于軟實現方案,其刷新時間在5m

13、S-100m湃級,因此其實時性并未到達INONAW定義的實時以太網級別,而為了解決在運動限制領域的高實時性要求,SIEMEN曲戈I推出ProfinetIRT,而為了實現這一網絡的高實時性,那么采用了ASIC技術來修改MAC1,IRT尚未得到大量的使用.3.4. Ethernet/IP,RockwellAB作為傳統的自動化廠商,并且在過程限制領域具有較強的影響力,其傳統的Devicenet是一個專業的現場總線,在此根底上的Ethernet/IP并未強調極高的實時性-由于傳統的過程限制領域對于實時性的要求并非像高速數據采樣、運動限制與CNC那么高,因此,其Ethernet/IP并不具備高實時性,只

14、在mS等級的循環周期,為了解決這個問題,RA在其系統中采用了SERCOSIII,EtherCAT接口,但是,未來其仍然聚焦在其自主開發的Ethernet/IPCIP技術,而DeviceNet在使用方面較之Profibus編程和網絡配置較為復雜,這也使得其根底上的Ethernet/IPCIP面臨這樣的問題.3.5. EtherCAT,其始創公司Beckhoff是一個以PC技術為導向的公司,建立在Windows平臺上的技術具有良好的操作性設計,但是Windows本身不具備高實時性,因此,在PC上添加一個實時操作系統來運行實時網絡.四、節點安裝現狀與未來開展4.1.當前安裝狀況：各以太網技術的開展歷

15、史說明其技術的成熟度,Powerlink技術具有最大的市場應用,來自IMS的數據顯示如下:ByProtocol2021202120212021CAGR202108132148jO311.9Etne1*(TCP；IPNadbiETOP246230PFOF二HFEt、電4IIlkEtbgQTHihSpeedEthernet2,2SERCOSmQ.4DCLinkIE06EPA0.1OthersB.3TotalNewNadesCaiiiriected417471.4%Growth13>%SourceM$ResearchMar-09在這份報告中,EthernetTCP/IP的標準以太網安裝節點數最

16、多,這些通常應用于與上位的治理系統的連接,如PLCIPC與ERPMRPK統的連接,通過標準以太網,由于數據沒有嚴格的實時性要求,因此,普通的以太網即可使用,而Modbus根底上升級的ModbusTCP借助傳統的Modbus占據了較大的安裝量,但是,這些通常應用于PC到PLC伺服的程序下載,與HMI的連接或者儀表層的接口,因此,其應用也非是實時性較高的領域,而Ethernet/IP和ProfiNet都是應用于流程工業領域的,其實時性并不是特別高,一般在5mS-100ms等級,而真正的實時以太網應用那么是EthernetPOWERLINK,EtherCAT,SERCOSIII,CC-LinkIE,

17、由這一數據統計可以看出,EthernetPOWERLINK具有最大的節點安裝數,這與Powerlink技術推出較早有較大的關系,也與Powerlink產品在實時性要求較高的數據采樣、運動限制應用有關.4.2 支持廠商目前EtherCAT由超過1000個支持廠商,而POWERLINK有超過800個支持廠商,在中國POWERLINK術由于其“OpenSourceTechnologyw的原因取得了廣泛認可,而EtherCAT那么由于其先行的市場推廣而同樣具有眾多的開發廠商.SERCOSU在傳統的CNCW機器人領域有一定的市場擁護者,ProfiNet由于SIEMENS勺強大市場號召力,雖然其推廣目前受

18、到ProfiBus的使用而未進行大規模的實際推廣,但是,依賴于SIEMEN鄰身產品如S7-1200,S7-300系列帶有ProfiNet接口產品的應用而會快速成長.4.3 未來分析：根據ARC對于未來實時通信的預測,將劃分為兩大方向,一種是由先天的市場占有而引起的市場開展例如：ProfiNet,Ethernet/IP其主流支持廠商具有較強的市場地位,因此,這類總線將在廣泛市場上占據主導,而EthernetPowerlink、SERCOSIII、EtherCAT那么更為偏重于專業市場如智能電網、航空航天、產業機械、醫療等領域各自發揮其專業性.、Powerlink的開源技術理念將帶給該項技術更多的

19、未來市場支持,尤其是在中國,這一舉措將贏得更多的公司信任并參加Powerlink陣營.UPROFInet EtherNet/IP EPL EtherCATSERCOSIII-OthersProfiNet和Ethernet/IP將占據較大的份額,而來自中立機構的預測也顯示這幾種實時以太網技術的未來市場預測,由此可以看出,Powerlink、EtherCAT、SERCOSIII同樣占據一定的市場份額.五、性能與功能分析5.1 “短板理論-通信速度已經不是系統瓶頸,根據短板理論,系統的速度取決于最短的一塊板,而非最長的一塊板,舉例來說,一個系統由多個自動化組件構成,PLC的CPU處理速度、I/O自身

20、的延遲、伺服系統的位置環刷新速度,從目前的技術來看,似乎以太網本身的速度根本上能滿足各種應用的需求,各個以太網技術根本上都能夠到達100Mbps的傳輸、100m的傳輸距離需要、小于1uS的抖動,對于I/O采樣而言這個速度是毫無疑問足夠的,而對于CNCffi補計算、機器人的坐標轉換而言,目前國內的水平維持在5mS左右的應用水平,而歐美的主要廠商如KUKAABBStaubli的機器人系統那么要求更高的速度處理,小于100uS,但是,經過分析發現,由于這些傳統的機器人系統采用的均是簡單的伺服驅動器,不具備速度環自身處理水平,因此,速度環必須放在主站來處理,這使得主站既要處理速度環,也要進行插補計算,

21、并且插補計算發送給各個伺服軸,而伺服軸的速度環位置環又運行在主站上,這使得對于實時性的要求變得非常苛刻,而今天,隨著智能伺服技術的開展,速度環與位置環計算完全可以在驅動器上來完成,這也使得原有的對于極高刷新速度的要求降低,這也是為什么這些傳統的機器人系統平臺開始轉向通用平臺,而逐漸不再使用原有的專用總線的原因.評估項PowerlinkProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IPCIP傳輸速率100Mbps100Mbps100Mbps100Mbps100Mbps傳輸距離100m100m40m100m100m抖動<<1uS1uS1uS1uS1uS循環時

22、間100uS(Min)1mS(min)25uS(min)125uS(max)100uS下一代技術Gbps/10GbpsGbpsGbps5.2 確定性與能觀系統對于一些應用,如測試系統,需要掛接外部的輸入信號,從中進行數據分析來判斷問題的引發與導向,從而判斷系統的改善與設計的調整,這樣的測試系統往往具有較高,而這一點表達了系統的客觀性,由于采用IEEE1588分布式時鐘系統,每個Ethernet的數據包均有時間戳,而這一時間戳可以在現有的以太網測試工具下進行直觀的判斷,例如Wireshark即是這樣一款工具.5.3 功能分析5.3.1 直接交叉通信的實現目前SERCOSIII、EthernetP

23、OWERLINK技術均具有直接交叉通信的水平,而這一水平主要表達在從站之間的數據交換,在一個運動限制系統中,可以由此技術來為各個從站之間建立其數學關系,通過兩個軸或多個軸之間的直接通信來實現同步關系、補償關系等,對于運動控制及多個CPU勺處理而言,這一技術將帶來極大的便利.而EtherCAT由于采用的是“邊傳輸邊處理方式,而非采用播送形式發布數據,使得它不具備這一水平,同樣,采用該機制的Ethernet/IPCIP也不具備這一水平.5.3.2 拓撲結構由于采用標準的以太網結構,因此,Ethernet/IPCIP和EthernetPOWERLINK技術那么可以實現任意的拓撲結構,而EtherCA

24、T由于是采用數據列車的結構,因此,其無法實現靈活的拓撲結構,僅在環形網絡中進行數據的傳輸,這也同時造成了系統的無法動態配置,而必須重新啟動網絡配置.5.3.3 對于熱插拔的支持水平,各個網絡由于本身所需要的設計,因此,需要進行熱插拔設計.5.3.4 冗余支持水平EthernetPOWERLINK支持環形冗余設計,這得益于其HUB方式的連接,通常POWERLIN被設計為雙口HUB這也使得它能夠通過串聯方式與最后的電纜回到主節點的方式構成一個環形冗余網絡,當網絡中的某個節點斷裂時,那么系統動態配置為線性網絡繼續保持數據通信,EtherCAT那么具有冗余的支持水平,這也得益于其環形拓撲設計.5.4

25、未來的開展5.4.1 對待任何一項技術,我們同樣需要一種更為長遠的眼光去看問題,這樣我們就可以更為客觀的看問題,從而作出判斷與選擇,采用ASIC設計的以太網技術由于ASIC本身目前沒有一個較為完整的方法來實現高速例如1Gbps的網絡支持,因此,將無法實現更高速度的開發,假設需要開發那么將意味著巨大的本錢投入,而POWERLIN曲于采用通用的MAC1,因此,可以采用更高速的以太網技術,例如10G網絡,這將使得POWERLINK入“萬兆以太網時代.5.4.2 開放性支持由于可以支持各種流行的芯片技術,POWERLIN恰在未來能夠獲得更為經濟的技術支持,隨著IT技術的開展,采用X86架構、FPGA?

26、新技術產品的推出,使得POWERLINK終處于較為有利的方案設計方面的水平.6.開發與實現6.1 .軟件開發的簡便性CANopen所以被廣為使用,是由于它具有最為簡單的設備描述文件,而相對而言,Prof舊us、SERCOS、線那么具有更為復雜的設備描述和應用層的編程水平,因此,對于CANopen支持的POWERLINKEtherCAT技術將在開發方面更為簡便,應用程序的設計更為快捷,而由于采用復雜的設備描述應用層協議,ProfiNet、Ethernet/IPCIP將使得編程變得更加復雜.6.2 .硬件開發6.2.1 專用芯片-又回到從前嗎然而,Ethernet技術之所以得到蓬勃開展的原因就在于

27、傳統的現場總線的封閉性,而今天,采用專用芯片的技術將使得實時以太網又回到技術壁壘與利益陣營之中,這使得Ethernet開展的初衷無法得到良好的響應,這也使得這些技術必然又面臨著新的阻礙.6.2.2 傳統的認為ASIC具有更高的性能和快速實現的水平,但是,由于協議本身的應用層軟件接口的復雜性,以及通信協議處理與主限制器的標準硬件接口的設計這些因素導致了芯片開發的難度.6.2.3 ProfinetIRT和Ethernet/IPCIP尚未發布其ASIC,而SERCOSIII那么提供了多家FPGA芯片的支持,如下:6.2.4 EthernetPOWERLINK貝U由EPSG!織的成員如Systec、I

28、XXAT、PORTICI供了FPGASlave方案,可以基于ALTER街口XILINX的標準芯片,而非專門的ASIC技術,在中國外鄉,EthernetPOWERLINK中國用戶組織那么與外鄉軟件中間效勞商共同為開發者提供相應的技術支持效勞,以使得能夠在開源技術與實現之間建立起一個橋梁,低本錢的方式實現高性能以太網技術.6.2.5 EtherCAT采用ASIC技術6.3 本錢比擬分析6.3.1 芯片價格目前EtherCAT提供的芯片價格為10美元30美元不等,由于客戶采購量的不同價格具有較大的差異,而FPGA芯片由于其價格相對競爭廠商較多而產生價格的優勢,一般實現POWERLINKFPG砥片價格

29、大約在510美元之間,具有一定的本錢優勢.6.3.2 License費用由于采用ASIC技術的IPCore需要一定的授權,這帶來了巨大的費用支出,并且,這些代碼無法修改,而通用的芯片技術那么可以帶來更為便捷的擴展和代碼修改水平,從而滿足客戶的個性化需求.EthernetPOWERLINK貝U無需License費用.6.4 潛在風險ASIC由于屬于私有技術,掌握在某個公司而造成了潛在的投資風險,這些風險包括：6.4.1 供貨風險-在產品供給緊張情況下,尤其是2021年整個自動化行業出現的大面積芯片斷貨情況,這具有一定的不確定性.6.4.2 技術壟斷-技術是否根據客戶的意愿開展并非可控,在未來,隨

30、著需求的變化,個性化的需求逐漸變大的情況下,技術向哪個方向發展將無法得到確定.6.4.3 政治壁壘造成潛在的供貨,例如：由于戰爭與技術封鎖造成的潛在風險.七、實時以太網的開放性分析開放性不僅僅是互聯性設計,也包括了對開放的以太網標準的支持、源代碼的開放性、標準硬件實現、標準操作系統平臺的支持水平方面來進行評估.7.1 是否支持標準以太網是否支持標準以太網的關鍵在于：7.1.1. 與治理層的互聯水平-在未來實現“管控一體化“設計時的連接水平；7.1.2. 是否支持標準以太網同時也是影響其設備未來的生命力的關鍵,由于-為了突破技術壁壘而采用開放性更好的標準以太網是各種技術出現的初衷,是否支持標準以太網也意味著是否支持未來.Powerlink提供針對標準以太網的支持水平,ProfiNet&ProfinetRT采用軟實現的方法可支持標準以太網,而SERCOSII