工业以太网通信协议研究及应用

工业以太网通信协议研究及应用
摘要：在绝大多数工业控制通信方面都是采用现场总线技术方式来实现的。

但
长期以来现场总线种类繁多、同时又没有统一标准而导致互不兼容，使得系统集
成和信息集成面临着巨大挑战，所以引入了应用广泛、高速率、低成本的以太网
技术。

但以太网的可靠性和实时性比较差，难以适应工业控制的要求，故相关组
织对以太网进行了一些扩展，称为工业以太网。

随着工业4.0的发展，相信工业
以太网技术将越来越重要。

本文就常见工业以太网通信协议简介及应用作出阐述。

关键词：现场总线技术、工业以太网、EtherCat、Ethernet/IP、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethernet/PowerLink、MechatroLink
1常见工业以太网通信协议
1.1、Modbus/TCP
Modbus/TCP是用于控制和管理自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品。

由此可见，它覆盖了使用TCP/IP协议的Intranet企业内部网和Internet互联
网环境中Modbus报文的用途。

该协议的最常见用途是为例如I/O、PLC模块以及连接其它简单域总线或I/O
模块的网关服务的。

Modbus/TCP协议是作为一种实际的自动化标准发行的。

既然Modbus已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。

然而该规范力图阐明Modbus中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是Modbus作为可编程的协议交替用于PLC的多余部分。

Modbus/TCP 在美国比较流行，它由两部分组成，即IDA分散式控制系统的
结构与Modbus/TCP 的信息结构的结合。

Modbus/TCP定义了一个简单的开放式又
广泛应用的传输协议网络用于主从通讯方式。

1.2.、Ethernet/IP
Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议，这里的IP表示Industrial-Protocal。

它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，
为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。

Ethernet/IP是在应
用层提高了以太网的实时性。

1.3、EnterCat
EtherCat以太网控制自动化技术是一个以Ethernet以太网为基础的开放架构
的现场总线系统。

EtherCat名称中的Cat为Control Automation Technology控制自动化技术首字
母的缩写，最初由德国倍福自动化有限公司BeckhoffAutomationGmbH研发。

EtherCat为拓扑的灵活性和系统的实时性能树立了新的标准，同时它还符合
甚至降低了现场总线的使用成本。

EtherCAT的特点还包括可选线缆冗余、功能性
安全协议(SIL3)和高精度设备同步。

EtherCat通过协议内部的优先权机制可区别传输数据的优先权(Process Data)，组态数据或参数的传输是在一个确定的时间段中通过一个专用的服务通道进行(Acyclic Data)，EtherCat操作系统的以太网功能与传输的IP协议兼容。

EtherCat设备分从站和主站，从站一般是伺服驱动器、IO模块、板卡、网关
等等，主站通常是运动控制器等。

1.4、Ethernet/PowerLink
鉴于以太网的蓬勃发展和CanOpen在自动化领域的广阔应用基础，
Ethernet/PowerLink融合了这两项技术的优缺点，既拥有Ethernet的开放性、高
速接口，又参考了CanOpen在工业领域良好的PDO和SDO数据定义；
在某种意义上说Ethernet/PowerLink就是Ethernet上的CanOpen，在物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的PDO和SDO对象字
典的结构。

Ethernet/PowerLink主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要求。

1.5、MechatroLink
MechatroLink是一个用在工业自动化的开放式通讯协定，最早由安川电机开发，现在则由MechatroLink协会Mechatrolink Members Association维护。

MechatroLink协议分为两种：
MechatroLink-III，定义传送接口为以太网的通讯协定架构，速度最快为
100Mbit/s，允许最多62个从站。

MechatroLink-II，定义传送接口为RS-485的通讯协定架构，速度最快为
10Mbit/s，允许最多30个从站；
MechatroLink的目标领域主要是以运动控制为中心的现场网络，可连接的设
备包括CNC、PLC、PC卡、运动控制器、变频器、外围图像处理设备、伺服驱动器、外围IO设备等。

MechatroLink协会的主要成员基本上都是日本的自动控制厂商，包括欧姆龙、横河电机、安川电机等。

1.6、ProfiNet
ProfiNet由西门子主导的Profibus国际组织ProfiBus International-PI推出，是
基于工业以太网技术的自动化总线标准。

作为一项战略性的技术创新，ProfiNet为自动化通信领域提供了一个完整的
网络解决方案，涵括了例如运动控制、实时以太网、网络安全、分布式自动化以
及故障安全等当前自动化领域的热点话题；
作为跨供应商的技术，ProfiNet可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线
如ProfiBus技术，保护现有投资。

ProfiNet是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，
依次为运动控制、分布式自动化、网络安装、实时通信、IT标准和信息安全、故
障安全、过程自动化和分布式现场设备。

2工业以太网通信协议应用
为什么人们要试图在工业应用中使用以太网哪？这是因为工业以太网相对于
传统的自动化技术有很多优势；
2.1以太网产品廉价
因为以太网市场空间大，以太网产品通常可以做到大批量的生产，而且以太
网市场产品供应商很多，竞争激烈，从而可以以低廉的价格购买产品，使用以太
网就会降低成本。

目前虽然商业以太网产品的价格很低，但是目前工业以太网产
品的价格仍然比较高的，如果工业以太网能够广泛应用，价格和成本自然会降下来。

2.2使用以太网要比其它现场总线容易
这体现在几个方面：一般情况下，用户或多或少会有一些以太网的知识和使
用经验，这可以降低用户培训所需要的时间和资金上的投入；以太网技术的广泛
使用使得人类积累了很多相关知识，碰到问题比较容易解决；以太网产品种类丰富，由很多相关的软件硬件产品，使得以太网技术容易使用；以太网有很多种，
可支持多种传输介质、多种传输速率，满足各种应用的需求。

2.3通信速率很高
就传输速率而言，现场总线的传输速率一般都在10Mbit/s以下。

而以太网的
传输速率已经达到10Gbit/s。

2.4信息集成便捷
由于很多企业局域网用的是以太网，在工业应用中也使用以太网，可以使得
信息集成更加方便。

而通过把企业内部网与工业网络，甚至因特网相集成，可以
使得电子制造、电子商务等的实现更加方便。

2.5可持续发展潜力大
由于以太网的引入，为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方
面不需要单独的投入研究，基于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法与之
比拟的。

随着智能技术、机器人技术的发展都要求通信网络具有更高的性能和带宽，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足
就目前来说，工业以太网在控制系统中的应用主要有两个方面。

第一个方面是它替代了现有的连接变频器、远程I/O和工业现场总线。

目前
在国内这种应用例子还比较少，可供选择的适用于工业现场控制的连接头、以太
网线缆还不够多，抗干扰措施、接地、施工布线规范等方面的问题还需进一步摸索。

现结合化纤类企业浅谈下工业以太网现场总线技术在实际生产中的应用步骤。

第二个方面是连接PLC和HMI控制系统，现在在国内超过95%的应用都是这
一类型的。

但是由于成本低廉，以太网结构简单、兼容性和有很好的灵活性而且
有较大的网络带宽，各主要PLC厂家都推出了支持以太网接口的PLC和相关的通
讯模块。

3结论
工业以太网都是IEC61784工业通信网络里的标准，但它们并不都是标准的以太网，也就是说这些工业以太网并不都是符合IEEE802.3U标准的，其中只有Modbus/TCP和EtherNet/IP是符合IEEE802.3U标准的。

只有符合IEEE802.3U标准
的才能与IT和以太网将来的发展相兼容；各种工业以太网的区别其实主要就是协
议的区别。

工业以太网以其特有的高扩展性、高实效、低成本及高智能等特点，吸引着
越来越多的制造商。

正因为如此，在国际上已经开始着手制定一个工业以太网标准。

同时，以太网和通信技术的突飞猛进也促使工业以太网技术进一步发展。

现
在工业以太网技术已经开始向实时工业以太网和无线工业以太网的方向发展。

而
不久的将来，面向未来工业网络的新一代工业以太网组件也将出现。

由于以太网有”一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，随着工业以太
网技术的发展将会取代现在的基于现场总线的工业网络，成为工业网络中的主流。

4参考文献
[1]魏庆福.现场总线技术的发展与工业以太网综述[J].工业控制计算
机,2002(01)：1-5.
[2]谢凌广,吴乃优,黄松杰.面向制造自动化的以太网技术[J].测控技术,2001(06)：10-12+28.
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