EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、POWERLINK、Sercos III和TSN這六種工業以太網協議在工業自動化領域應用較多，昌暉在本文介紹這幾種常見工業以太網協議特點和應用。

工業以太網指應用于工業自動化領域的以太網技術。它在技術上與商用以太網(即IEEE802.3標準)兼容，但在產品設計時，其材質的選用、產品的強度和適用性方面均能滿足工業現場的需要，即達到了環境適應性、可靠性、安全性、安裝方便等工業需求標準。

以太網無處不在，并且具有成本效益，它采用了公共物理鏈路且速度更快。但支持TCP/IP的以太網通信通常具有不確定性，反應時間通常為100ms。因此，工業以太網需要做一些修改，以滿足工業標準需求，比如工業以太網協議使用的是經過修改的介質訪問控制(MAC)層來實現非常低的延遲和確定性響應。再加上以太網使系統具備靈活的網絡拓撲和更多的節點數量，近幾年來，它在工業中的應用逐漸得到普及，應用范圍變得越來越廣泛。

但在不同工業設備制造商的推動下，多種不同的工業以太網協議呈現出了百家爭鳴的局面，這些協議包括EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Sercos Ⅲ以及時間敏感網絡(TSN)等。下面大家隨昌暉儀表來一起看一看這幾種主流工業以太網協議的詳細情況。

EtherCAT：近期發展迅速
EtherCAT最初由德國倍福自動化公司(Beckhoff Automation)開發，自從2003年以來，它一直處于EtherCAT技術協會(ETG)框架之下，而EtherCAT技術協會是一個由大約7000家成員公司組成的工業現場總線組織。它是一項開放但不開源的技術，也就是說，你可以任意適用該項技術，但如果要進行相關設備的開發，需要向倍福自動化公司獲取相關授權。

EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制：通過該項技術，無需接收以太網數據包，將其解碼，之后再將過程數據復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經過其節點時讀取相應的編址數據，同樣，輸入數據也是在報文經過時插入至報文中(參見圖1)。由于這個過程在硬件中處理，因此，整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲，從而可以實現極短的響應時間。


圖1 過程數據插入至報文中

EtherCAT是MAC層協議，對于如TCP/IP、UDP、Web服務器等任何更高級別的以太網協議而言都是透明的。

在拓撲方面，EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等。通過現場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網，并且不受限于級聯交換機或集線器數量。也就是說，EtherCAT可連接系統中多達65,535個節點，而EtherCAT主站可以是標準以太網控制器，從而簡化網絡配置。每個從節點延遲較低，因此，EtherCAT可提供靈活、低成本，且兼容網絡的工業以太網解決方案。


圖2 近9年來EtherCAT節點數量增長情況

這幾年EtherCAT發展迅速，據ETG最新的數據，除模塊化I/O設備外，ETG估計全球EtherCAT節點數量為5910萬個，而近期增長尤為明顯。自2014年以來，EtherCAT節點數量呈指數級增長，僅2022年就增加了1840萬個節點。

EtherNet/IP：用微處理器即可實現
EtherNet/IP工業以太網協議最初由羅克韋爾自動化公司(Rockwell)研發，由ODVA管理，可應用在程序控制及其他自動化的應用中。與作為MAC層協議的EtherCAT不同，EtherNet/IP是TCP/IP上的應用層協議。EtherNet/IP使用標準以太網物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層，也就是說，它采用的是商業以太網通信芯片、物理介質和星型拓撲結構，采用以太網交換機實現各設備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網商用產品。

EtherNet/IP協議由IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組和通用工業協議(CIP)等3個部分組成。CIP為工業自動化控制系統提供一組通用的消息和服務，可用于多種物理介質。例如，CAN總線上的CIP稱為DeviceNet，專用網絡上的CIP稱為ControlNet，而以太網上的CIP稱為EtherNet/IP。EtherNet/IP通過一個TCP連接、多個CIP連接建立從一個應用節點到另一個應用節點的通信，可通過一個TCP連接來建立多個CIP連接。

由于EtherNet/IP使用以太網的物理層網絡，并架構了TCP/IP的通信協議上，因此用微處理器上的軟件即可實現，不需要特別的ASIC或FPGA。
EtherNet/IP使用標準以太網和交換機，因此它在系統中擁有的節點數不受限制。這樣，就可以跨工廠車間的多個不同終點部署一個網絡。

EtherNet/IP提供完整的生產者-消費者服務，并可實現非常高效的從站對等通信。

EtherNet/IP兼容多個標準互聯網和以太網協議，但其實時和確定性功能比較有限。因此，它可以用在一些可容許偶爾出現少量非確定性的自動化網絡當中。

PROFINET：標準以太網兼容，可一同組網

PROFINET是一個開放式的工業以太網通信協議，主要由西門子和PROFIBUS&PROFINET國際協會所提出。PROFINET應用TCP/IP及信息科技的相關標準，是實時的工業以太網，自2003年起，它就是IEC 61158及IEC 61784標準中的一部分。PROFINET=PROFIbus+etherNET，把Profibus的主從結構移植到以太網上，所以PROFINET會有Controller和Device，他們的關系可以簡單的對應于PROFIbus的Master和Slave。
它具有三種不同類別：PROFINET A 類可通過代理訪問PROFIBUS網絡，借助TCP/IP上的遠程過程調用來橋接以太網和 PROFIBUS。其周期時間約為 100ms，主要用于參數數據和循環I/O，典型應用包括基礎設施和樓宇自動化；PROFINET B類也稱為PROFINET實時(PROFINET RT)，它引進了基于軟件的實時方法并將周期時間減少至大約10ms，B類通常用于工廠自動化和過程自動化；PROFINET C類(PROFINET IRT)是等時實時傳輸，需要使用專用硬件才可將周期時間減少至1ms以下，從而在實時工業以太網中提供運動控制操作所需的性能。

另外，由于PROFINET是基于以太網的，所以可以有以太網的星型、樹型、總線型等拓撲結構，而PROFIbus只有總線型，所以PROFINET就是把PROFIbus的主從結構和etherNET的拓撲結構相結合的產物。

PROFINET RT 可用于PLC型應用，而PROFINET IRT非常適合運動應用。分支和星型是PROFINET的常用拓撲結構。若要使 PROFINET 網絡實現所需的系統性能，就需要謹慎進行拓撲規劃。

POWERLINK：真正的開源工業以太網協議
POWERLINK是在標準以太網上的實時通信協議，是由Ethernet POWERLINK標準化組(EPSG)管理的開放通信協議，是由奧地利自動化公司貝加萊集成自動化公司(Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik，B&R)開發，在2001年11月推出第一版。以太網POWERLINK 在IEEE 802.3 上采用，因此可自由選擇網絡拓撲、交叉連接和熱插拔。

POWERLINK是Ethernet的擴展，混合了輪詢以及時間切片(timeslicing)機制，可以提供：
①時間關鍵資料可以確保在非常短的等時(isochronic)周期中發送，具有可規劃的回應時間。
②網絡上的所有節點都可以時間同步(Time-synchronisation)，精度可以到微秒以下。
③比較沒有時間關鍵性的資料傳輸是在一個專屬的異步通道中傳輸。
④目前的實現方式其循環時間可以到200 μs以下，其時間精度(jitter)小于1 μs。

POWERLINK 主站或“托管節點”通過數據包抖動將時間同步控制在數十納秒范圍內。此類系統適用于從PLC與PLC通信和可視化到運動和I/O 控制的各種自動化系統。

值得一提的是，POWERLINK是一個可以在普通以太網上實現的方案，無需ASIC芯片，用戶可以在各種平臺上實現POWERLINK，如FPGA、Arm、x86 CPU等，只要有以太網的地方，就可以實現POWERLINK。而且它所有的源碼都是公開的，任何人都可以免費下載和使用(就像 Linux一樣)。因此，實施POWERLINK的障礙很小。

POWERLINK的源碼里包含了物理層(標準以太網)、數據鏈路層(DLL )、應用層(CANopen)三層完整的代碼，用戶只需將POWERLINK的程序在已有的硬件平臺上編譯運行，就可以在幾分鐘內實現POWERLINK。

它定義了一個精簡的、實時性極高的數據鏈路層協議，同時定義了 CANopen為應用層協議。這樣用戶在實現了POWERLINK的同時，也實現了CANopen。也就是說，CANopen是標準的構成部分，可以方便客戶從以前的現場總線協議輕松進行系統升級。

Sercos III：主要用于伺服控制器
Sercos已在工廠自動化應用(適合機械工程和建筑)領域風靡了30多年。Sercos III是其第三代協議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協議可將Sercos接口的實時數據交換與以太網相融合，提供實時以太網和標準TCP/IP通信，以打造低延遲工業以太網。

與EtherCAT非常相似，從Sercos III通過快速提取數據并將其插入以太網幀的方法來處理數據包，從而實現低延遲。Sercos III將輸入數據和輸出數據分成兩個幀。周期時間從31.25微秒開始，與EtherCAT和PROFINET IRT一樣快。

一個Sercos III主器件可控制多個Sercos III從屬器件(如驅動器、傳感器以及模擬和數字I/O器件)，如圖3所示，一個主器件可控制多達511個從屬器件(即從節點)，它主要用于伺服驅動器控制。


圖3 范例性Sercos Ⅲ網絡環形拓撲結構

Sercos III支持環型或線型拓撲，它的一個關鍵優勢是支持線型拓撲結構旁的環型拓撲結構，使用環型拓撲的一個主要優點是通信冗余。如果以太網線纜發生故障，那么Sercos III網絡可切換到線型拓撲結構，使主器件能繼續與網絡中的所有從屬器件進行通信。一旦以太網線纜已修復，主器件就可以把Sercos III網絡從線型拓撲結構切換到環型拓撲結構。

TSN：有望取代總線的技術
2006年，IEEE 802.1工作組成立了AVB音視頻橋接任務組，主要解決以太網中音頻視頻數據實時同步傳輸的問題。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍，同時將任務組名稱更名為：TSN工作組。

時間敏感型網絡 (TSN) 就是TSN工作組開發的一套協議標準，旨在非確定性的以太網絡中實現確定性的最小時間延遲，它定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，為標準以太網增加了確定性和可靠性，以確保數據實時、確定和可靠地傳輸。


圖4 TSN標準

除了實時能力和確定性之外，TSN還有另一項巨大技術優勢，那就是網絡擴展能力，這使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率運行。不過，這需要細致(因而更復雜)的網絡配置。1Gbps及以上的傳輸速率是當今網絡的邏輯演進。1Gbps為新型(物聯網)應用開辟了道路，有助于克服數據密集型應用中的性能瓶頸。但是，只有當終端和以太網交換機均支持TSN功能時，TSN作為一個系統才能發揮全部效用。
TSN是一種局域網 (LAN) 級解決方案，可與非TSN以太網一起工作，但只有在TSN LAN內部才能保證及時性。用戶可以根據TSN解決的用例對 TSN 標準進行分組：通用的時間視圖、保證極大延遲，或與背景流量或其他流量共存。與任何流行的標準一樣，TSN的標準工具箱也在不斷發展。


圖5 ISO/OSI參考模型

其實，TSN調節的是ISO/OS參考模型第2層中的數據通信，嚴格地說，TSN代表以太網中支持實時性的第2層，不是完整的實時協議。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網協議。相反，這些工業以太網協議長期而言將支持第2層TSN，因此傳統工業以太網協議不會消失，但未來將建立在TSN之上。但是，現場總線則可能會被以太網永久性取代。

結語
工業自動化的成功依賴于高可靠且高效的通信網絡，這種網絡可將公尺長的所有部分都連接起來，以實現更高效運轉。以太網的普及度和適用性將持續次級傳統工廠升級到工業以太網。現在的工業以太網協議并沒有統一的標準，每種協議都各有利弊。隨著工業自動化的發展，將來工業以太網協議有望不斷發展融合，適應工廠設備的連網和自動化。