1、主流實時以太網技術比較一、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發展，正在取代傳統現場總線技術(Profibus,CAN,Interbus,Fieldbus,DeviceNet，Modbus)，市場上出現了眾多實時通信技術，本文對其進行了比較，這些實時以太網均建立在uS級循環周期上，而不列入ModBusTCP/IP、EthernetTCP/IP這些mS級通信技術,并且也不將非主流以太網技術列入,純粹在實時以太網這個領域里進行比較(這里實時以太網遵循INONA所提出實時分類級別)。需要申明是,本文僅提供一

2、個全景式概覽,而非傾向性描述,旨在客觀公正對各種技術特點進行分析,以作為互相交流,不作為選擇網絡技術參考依據。1.1ProfiNetIRTProfiNet提供了三個不同版本，按照其實現和對應用實時性支持能力為ProfiNet/Cba,ProfiNetRT,ProfiNetIRT,其中ProfiNet/Cba是建立在SoftIP基礎上，采用交換機連接方式，由于交換機所帶來時間延遲，因此，無法支持較快同步速度，ProfiNet并不具備很高實時性，而RT也無法滿足高速運動控制需求，而ProfiNetIRT則是設計為更快速運動控制應用，因此，采用了專用芯片來實現，這使得其速度得到了大幅度提高，系統抖動

3、為1uS。OpenRTEchannel確定性通信奕晡以太網做據目前Profinet已經開始大量使用，而ProfiNetIRT尚未正式得到大量使用.1.2EthernetPOWERLINK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效率，支持標準Ethernet報文，應用層采用CANopen,EthernetPOWERLINK無需專用芯片，并且可運行在多種OS上。Cycle戶Aq-M配NH-M口n&耿n&Nffllc僅謂*自己共qrlCycle戶Aq-M配NH-M口

4、n&耿n&Nffllc僅謂*自己共qrl蜘e國lb.陽II口的5暄值dMnifiPReqCN3AsyncDatalRdChnMWilj$Ph3SPfiaseEeiycycle.1.2,3Muldplexed:4-118dateFramesIn3sinsCycleiICycle1*1Cycle1*2ICyclei*3-*三121456Powerlink多路復用技術從而使SourceEthernetPowerlink標準化組織EPSG在2007年宣布放棄對Powerlink所有專利擁有，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OpenTechnology”這意味著加入P

5、owerlink從而使Source1.3SERCOSIII通過主從結構設計來實現數據交換，在一個SERCOSIII數據中，主站及從站之間數據包傳輸M/S同步數據交換及CC直接交叉通信數據以及Safety數據，由Sync同步管理機制來控制各種數據傳輸方式進行。1.4EtherCAT，采取一種所謂“數據列車”方式設計，“邊傳輸邊處理”方式按照順序將數據包發送到各個從節點，然后再回到主站，這樣話，任務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，可以達到非常高數據交換，但是，這同時也意味著從站需要特殊硬件，ASIC或FPGA,由于EtherCAT

6、有ASIC，其并不主推FPGA方案。ttiernetHDRfh*iittiernetHDRfh*iiI!1I加LI14If1.5Ethernet/IPCIP采用消費者及生產者模式運行整個過程。Ethernet/IPCIP基于原有RockwellABDeviceNet,ControlNet控制和信息協議，采用了在OSI會話層和表示層修改，作為一種軟件形式協議，它顯然具有較高數據通過率，適應于大塊數據通信，因此，更適合作為網關和交換設備應用，其實時性卻受到一定限制，但是，它完全兼容標準以太網，因此，具有很好到工廠及企業IT層互聯能力。二、主要特點比較下表對主要實時以太網技術關鍵參數進行了比較，羅列

7、如下：比較項EthernetPOWERLINKProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IPCIP抖動1uS1uS1uS1uS1uS循環周期100uS(Max)1ms25us100uS100uS傳輸距離100m100m40m100m100m直接交叉通信YesYes介質雙絞線/M12/光纖雙絞線光纖雙絞線/M12光纖歷史2001.11IRT尚未發布20072007CIPSync尚未發布是否需特殊硬件無特殊硬件需求Yes/ASICFPGAOrASICYes:從站ASICASIC是否需要RTOSNoYesYesYesNo開放性開源技術需授權需授權需授權需授權原始技術C

8、ANopenProfiBusSERCOSCANopenSERCOSDeviceNetControlNet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,運動控制，Safety現場總線運動控制運動控制I/O運動控制

9、，SafetyI/O,運動控制，Safety動態配置可以可以否否可以三、各以太網技術發展歷史實時通信技術歷史淵源將為我們展示各種技術起源，每項技術都有其繼承性，因此，帶有其原有烙印：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OEM業界領先控制技術提供商，B&R將其所具有靈活架構設計、開放性和持續創新理念融入其中，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、具有未來可持續發展能力。ETHERNETBII1POWERLINKopensourcetechnology2.SERCOSIII起始于BoschR

10、exrothSERCOS,SERCOS在1996年即推出一種適用于CNC和機器人領域現場總線，該公司傳統在CNC和Robotics等應用上，因此，其設計基于CNC應用設備描述文件，更為側重運動控制，在初始SERCOS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常采用兩個不同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SERCOS則處理伺服間數據，并且第一代SERCOS并不支持雙絞線連接，而采用了光纖傳輸，速度為12Mbps最大，為了克服SERCOS這種現場總線局限性，BoschRexroth開發了基

11、于以太網技術SERCOSIII，并在2007年發布。Profinet則建立在Profibus基礎上，由于其始創公司SIEMENS在過程控制領域強大實力，使得其廣泛應用于DCS系統、現場儀表層、事件控制等流程工業領域，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5mS100ms等級，因此其實時性并未達到INONA所定義實時以太網級別，而為了解決在運動控制領域高實時性要求，SIEMENS計劃推出ProfinetIRT，而為了實現這一網絡高實時性，則采用了ASIC技術來修改MAC層，IRT尚未得到大量使用。Ethernet/IP,RockwellAB作為傳統自動化廠商

12、，并且在過程控制領域具有較強影響力，其傳統Devicenet是一個專業現場總線，在此基礎上Ethernet/IP并未強調極高實時性-由于傳統過程控制領域對于實時性要求并非像高速數據采樣、運動控制及CNC那么高，因此，其Ethernet/IP并不具備高實時性，只在mS等級循環周期，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，這也使得其基礎上Ethernet/IPCIP面臨這樣問題。EtherCAT,其始創公司Beckhof

13、f是一個以PC技術為導向公司，建立在Windows平臺上技術具有良好操作性設計，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、節點安裝現狀及未來發展.當前安裝狀況：各以太網技術發展歷史說明其技術成熟度，Powerlink技術具有最大市場應用，來自IMS數據顯示如下:在這份報告中，EthernetTCP/IP標準以太網安裝節點數最多，這些通常應用于及上位管理系統連接，如PLC、IPC及ERP、MRP系統連接，通過標準以太網，由于數據沒有嚴格實時性要求，因此，普通以太網即可使用，而Modbus基礎上升級ModbusTCP借助傳統Modbus占據了較大安

14、裝量，但是，這些通常應用于PC到PLC、伺服程序下載，及HMI連接或者儀表層接口，因此，其應用也非是實時性較高領域，而Ethernet/IP和ProfiNet都是應用于流程工業領域，其實時性并不是特別高，一般在5mS100ms等級，而真正實時以太網應用則是EthernetPOWERLINK,EtherCAT,SERCOSIH,CC-LinkIE,由這一數據統計可以看出，EthernetPOWERLINK具有最大節點安裝數，這及Powerlink技術推出較早有較大關系，也及Powerlink產品在實時性要求較高數據采樣、運動控制應用有關。支持廠商目前EtherCAT由超過1000個支持廠商，而P

15、OWERLINK則有超過800個支持廠商，在中國POWERLINK技術因為其“OpenSourceTechnology”原因取得了廣泛認可，而EtherCAT則由于其先行市場推廣而同樣具有眾多開發廠商。SERCOS則在傳統CNC和機器人領域有一定市場擁護者，ProfiNet由于SIEMENS強大市場號召力，雖然其推廣目前受到ProfiBus使用而未進行大規模實際推廣，但是，依賴于SIEMENS本身產品如S7-1200,S7-300系列帶有ProfiNet接口產品應用而會快速成長。未來分析：根據ARC對于未來實時通信預測，將劃分為兩大方向，一種是由先天市場占有而引起市場發展例如：ProfiNet

16、,Ethernet/IP其主流支持廠商具有較強市場地位，因此，這類總線將在廣泛市場上占據主導，而EthernetPowerlink、SERCOSIII、EtherCAT則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。、口PROFInet|EtherNet/IP口EPL口PROFInet|EtherNet/IP口EPL匚EtherCATLSERCOSIII匚Others來自中立機構預測也顯示這幾種實時以太網技術未來市場預測，由此可以看出，ProfiNet和Ethernet/IP將占據較大份額，而Powerlink、EtherCAT、SERCOSIII同樣占據一定市

17、場份額。五、性能及功能分析“短板理論”-通信速度已經不是系統瓶頸，按照短板理論，系統速度取決于最短一塊板，而非最長一塊板，舉例來說，一個系統由多個自動化組件構成，PLCCPU處理速度、I/O自身延遲、伺服系統位置環刷新速度，從目前技術來看，似乎以太網本身速度基本上能滿足各種應用需求，各個以太網技術基本上都能夠達到100Mbps傳輸、100m傳輸距離需要、小于1uS抖動，對于I/O采樣而言這個速度是毫無疑問足夠，而對于CNC插補計算、機器人坐標轉換而言，目前國內水平維持在5mS左右應用水平，而歐美主要廠商如KUKA、ABB、Staubli機器人系統則要求更高速度處理，小于100uS，但是，經過分

18、析發現，由于這些傳統機器人系統采用均是簡單伺服驅動器，不具備速度環自身處理能力，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，并且插補計算發送給各個伺服軸，而伺服軸速度環位置環又運行在主站上，這使得對于實時性要求變得非常苛刻，而今天，隨著智能伺服技術發展，速度環及位置環計算完全可以在驅動器上來完成，這也使得原有對于極高刷新速度要求降低，這也是為什么這些傳統機器人系統平臺開始轉向通用平臺，而逐漸不再使用原有專用總線原因。評估項PowerlinkProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IPCIP傳輸速率100Mbps100Mbps10

19、0Mbps100Mbps100Mbps傳輸距離100m100m40m100m100m抖動1uS1uS1uS1uS1uS循環時間100uS(Min)1mS(min)25uS(min)125uS(max)100uS下一代技術Gbps/10GbpsGbpsGbps確定性及能觀系統對于一些應用，如測試系統，需要掛接外部輸入信號，從中進行數據分析來判斷問題引發及導向，從而判斷系統改善及設計調整，這樣測試系統往往具有較高，而這一點體現了系統客觀性，由于采用IEEE1588分布式時鐘系統，每個Ethernet數據包均有時間戳，而這一時間戳可以在現有以太網測試工具下進行直觀判斷，例如Wireshark即是這樣

20、一款工具。功能分析5.3.1直接交叉通信實現目前SERCOSI、EthernetPOWERLINK技術均具有直接交叉通信能力，而這一能力主要體現在從站之間數據交換，在一個運動控制系統中，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處理而言，這一技術將帶來極大便利。而EtherCAT由于采用是“邊傳輸邊處理”方式，而非采用廣播形式發布數據，使得它不具備這一能力，同樣，采用該機制Ethernet/IPCIP也不具備這一能力。5.3.2拓撲結構由于采用標準以太網結構，因此，Ethernet/IPCIP和Ethernet

21、POWERLINK技術則可以實現任意拓撲結構，而EtherCAT由于是采用數據列車結構，因此，其無法實現靈活拓撲結構，僅在環形網絡中進行數據傳輸，這也同時造成了系統無法動態配置，而必須重新啟動網絡配置。對于熱插拔支持能力，各個網絡由于本身所需要設計，因此，需要進行熱插拔設計。冗余支持能力EthernetPOWERLINK支持環形冗余設計，這得益于其HUB方式連接，通常POWERLINK被設計為雙口HUB，這也使得它能夠通過串聯方式及最后電纜回到主節點方式構成一個環形冗余網絡，當網絡中某個節點斷裂時，則系統動態配置為線性網絡繼續保持數據通信，EtherCAT則具有冗余支持能力，這也得益于其環形拓

22、撲設計。未來發展對待任何一項技術，我們同樣需要一種更為長遠眼光去看問題，這樣我們就可以更為客觀看問題，從而作出判斷及選擇，采用ASIC設計以太網技術由于ASIC本身目前沒有一個較為完整方法來實現高速例如1Gbps網絡支持，因此，將無法實現更高速度開發，若需要開發則將意味著巨大成本投入，而POWERLINK由于采用通用MAC層，因此，可以采用更高速以太網技術，例如10G網絡，這將使得POWERLINK邁入“萬兆以太網”時代。開放性支持由于可以支持各種流行芯片技術，POWERLINK將在未來能夠獲得更為經濟技術支持，隨著IT技術發展，采用X86架構、FPGA等新技術產品推出，使得POWERLINK

23、始終處于較為有利方案設計方面能力。6.開發及實現.軟件開發簡便性CANopen之所以被廣為使用，是因為它具有最為簡單設備描述文件，而相對而言，ProfiBus、SERCOS總線則具有更為復雜設備描述和應用層編程能力，因此，對于CANopen支持POWERLINK及EtherCAT技術將在開發方面更為簡便，應用程序設計更為快捷，而由于采用復雜設備描述應用層協議，ProfiNet、Ethernet/IPCIP將使得編程變得更加復雜。.硬件開發專用芯片-又回到從前嗎？然而，Ethernet技術之所以得到蓬勃發展原因就在于傳統現場總線封閉性，而今天，采用專用芯片技術將使得實時以太網又回到技術壁壘及利益

24、陣營之中，這使得Ethernet發展初衷無法得到良好響應，這也使得這些技術必然又面臨著新阻礙。傳統認為ASIC具有更高性能和快速實現能力，但是，由于協議本身應用層軟件接口復雜性，以及通信協議處理及主控制器標準硬件接口設計這些因素導致了芯片開發難度。ProfinetIRT和Ethernet/IPCIP尚未發布其ASIC,而SERCOSIII則提供了多家FPGA芯片支持，如下：netnetrcl*yirX口!少ipHfTXMflfr1ARMEthernetPOWERLINK則由EPSG組織成員如Systec、IXXAT、PORT等提供了FPGASlave方案，可以基于ALTERA和XILINX標準

25、芯片，而非專門ASIC技術，在中國本土，EthernetPOWERLINK中國用戶組織則及本土軟件中間服務商共同為開發者提供相應技術支持服務，以使得能夠在開源技術及實現之間建立起一個橋梁，低成本方式實現高性能以太網技術。EtherCAT采用ASIC技術成本比較分析芯片價格目前EtherCAT提供芯片價格為10美元30美元不等，由于客戶采購量不同價格具有較大差異，而FPGA芯片由于其價格相對競爭廠商較多而產生價格優勢，一般實現POWERLINKFPGA芯片價格大約在510美元之間，具有一定成本優勢。License費用由于采用ASIC技術IPCore需要一定授權，這帶來了巨大費用支出，并且，這些代

26、碼無法修改，而通用芯片技術則可以帶來更為便捷擴展和代碼修改能力，從而滿足客戶個性化需求。EthernetPOWERLINK則無需License費用。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投資風險，這些風險包括：供貨風險-在產品供應緊張情況下，尤其是2010年整個自動化行業出現大面積芯片斷貨情況，這具有一定不確定性。技術壟斷-技術是否按照客戶意愿發展并非可控，在未來，隨著需求變化，個性化需求逐漸變大情況下，技術向哪個方向發展將無法得到確定。政治壁壘造成潛在供貨，例如：由于戰爭及技術封鎖造成潛在風險。七、實時以太網開放性分析開放性不僅僅是互聯性設計，也包括了對開放以太網標準支持、源代碼開放性、標準硬件實現、標準操作系統平臺支持能力方面來進行評估。是否支持標準以太網？是否支持標準以太網關鍵在于：及管理層互聯能力-在未來實現“管控一體化“設計時連接能力;是否支持標準以太網同時也是影響其設備未來生命力關鍵，因為-為了突破技術壁壘而采用開放性更好標準以太網是各種技術出現初衷，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支持能力，ProfiNet&ProfinetRT采用軟實現方法可支持標準以太網，而SERCOSIII修改了MAC,雖然物理介質是RJ45,但是其已非標準以太網技術，而