工业以太网与CAN总线的比较

工业以太网与CAN现场总线的比较方健摘要：工业以太网和现场总线是工业控制现场中的两大主要网络通信形式。

本文分别简要介绍了工业以太网和CAN总线的内容，并对两者在优缺点、通信协议、在工业信息化网络的应用和通信方案进行了分析和比较。

关键词：CAN现场总线；工业以太网；通信协议；工业控制；通信方案A comparison between industrial Ethernet and CAN busFang Jian(Hubei Normal University school of mechanical electrical and control engineeringHubei, Huangshi,453002)Abstract:Both industrial ethernet and fieldbus are the two primary forms of network communication in the field of industrial control.In this paper ,the content of industrial ethernet and fieldbus are both briefly introduced.And It presents the analysis and comparison between the industrial Ethernet and the fieldbus on relative merits, communication protocol , Industrial information network and communication scheme.Key words:CAN bus;industrial ethernet; communication protocol;industrial control1、引言现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。

由于其表现出的强大的功能，现场总线已经成为工业生产中不可或缺的核心部分。

发展比较成熟的现场总线有FF-Foundation Fieldbus，Lonworks，PROFIBUS，HART，CAN 等等。

CAN（Controller Area Net）即控制器局部网依靠各自的优良特性和可靠性，被公认为最有前途的现场总线之一，应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。

由于各个总线的采用的通信协议完全不同，实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的，应用受到了限制，主要应用于低速产品。

而具有广泛性和技术先进性的以太网，可以作为现场总线的中高层通信网络，并开始逐步应用到工业控制现场。

国内外的许多研究机构都致力于工业以太网的研究，使得工业以太网得到了快速的发展和很好的应用。

2、CAN总线和工业以太网2.1、CAN总线的简介CAN（Controller Area Network）－控制器局域网。

它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

CAN总线最早是由德国Bosch公司在80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆、光导纤维，通信速率可达１Mbps[1]。

CAN 总线通信接口中集成了CAN 协议的物理层，数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充，数据块编码，循环冗余校验，优先级判别等项工作。

CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

2.2、工业以太网的简介工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。

通常认为工业以太网主要是通过采用交换式以太网、全双工通信、流量控制机虚拟局域网等技术，减轻以太网负荷，提高网络的实时响应时间，与商用以太网兼容的控制网络[6]。

利用工业以太网，SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet) 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。

10M波特率的以太网早已经成功运行，比它更快的100M以太网，具有交换功能、全双工和自适应性，也获得了成功。

采用何种性能的以太网取决于用户的需要。

通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

3工业以太网和CAN现场总线比较3.1、工业以太网的优势与不足（1）优势①以太网是统一的总线网络技术、特别是在高速数据传输方面更具优势。

而现在在工业界存在着几十种现场总线的协议标准，在多种协议并存且互不相让的情况下，已经被广泛采用的以太网如能向下延伸并进入控制层，那么它将成为统一现场总线的希望。

②以太网是当今世界上最流行也是最成熟的网络技术，具有价格低、速度高、易于组网等优点，并且易于与Internet连接。

绝大多数操作系统都支持以太网的通信协议。

③用户运行费用大大降低。

用户不需要单独学习一种新网络技术，也不必为更换设备耗费大量资金和精力[4]。

（2）不足①以太网的信道分配方式采用带有冲突监测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD，适合于突发性数据的传输，不具有实时性。

是一种非确定性的网络系统；②在工业环境下，以太网的可靠性会有一定程度上的降低，以太网采用超时发送机制，单点故障容易扩散到整个网络系统，从而使其瘫痪；③以太网的接口电路还比较复杂和昂贵，因而它并不适合所有的自动化设备，并不能在与简单的传感器和执行器相连时，体现出更大的优越性；④总线供电技术发展还不够完善，这对于环境恶劣危险的场合影响较大。

3.2、CAN现场总线的优势与不足（1）优势①废除了传统的站地址编码，而代之以数据编码，通过报文过滤，可以实现多种数据传送方式；②它具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；③报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，拥有极低的出错率；④节点在错误严重的情况下，具有自动退出总线的功能。

（2）不足①它不能与Internet互联，不可以实现远程的信息共享；②它不易与上位机控制机直接接口，CAN接口卡与以太网网卡相比大都价格昂贵；③CAN总线的通信距离和信息传输速率没法和工业以太网相比[3]。

4 工业以太网和CAN 现场总线的网络协议规范比较4、1相同点工业以太网和CAN现场总线的网络协议规范都遵循ISO/OSI参考模型的基本层次结构。

它们采用IEEE802参考模型，相当于OSI模型的最低两层，即物理层和数据链路层。

4、2不同点在各层的物理实现及通信机理上有很大的不同。

工业以太网：①在物理层上，插件为RJ45、AUI、BNC，编码为同步NRZ，传输速率为10M、100M等[5]；②在介质访问控制子层上，介质访问方式采用CSMA/CD，工业以太网很难满足工业网络通信的实时性和确定性的要求，在网络负载很重的情况下可能出现网络瘫痪的情况；③在逻辑链路控制子层上，完成组帧，处理传输差错，调整帧流速的工作。

CAN总线：①在物理层上，插件为各种防护等级的工业级插件，编码为异步NRZ，传输速率为5kbps~1Mkbps[5]；②在介质访问控制子层上，负责报文分帧，仲裁，应答，错误检测和标定。

并采用非破坏仲裁技术及短帧传送数据，能满足工业控制的实时性和确定性的要求，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪的情况; ③在逻辑链路控制子层上, 满足报文滤波，过载通知及恢复管理的功能。

5、CAN总线和工业以太网通信方案的比较5.1、CAN总线的通信方案CAN总线使用的是按时间表分配的方案。

不管每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配。

由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。

这保证了当不同的站申请总线存取时，CAN总线可以明确地进行总线分配，这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。

5.2、工业以太网的通信方案工业以太网使用的是按需要分配的方案。

总线按传送数据的基本要求分配给一个站,总线系统按站希望的传送分配。

这就决定了在多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配。

工业以太网的仲裁方式不够完善，当CSMA/CD网络发生过载时，系统将发生崩溃，这在CAN总线中不会发生。

6、工业以太网和CAN总线在工业信息化网络应用上的比较6.1、工业以太网在工业信息化网络的应用由于工业以太网很难满足工业网络通信的实时性和确定性的要求，目前它主要应用在对信息量需求大但实时性要求不高的最上层的企业信息管理网络和中间的过程监控网络。

企业信息管理网络和过程监控网络的各个终端设备之间的信息交换的数据报文通常较长，数据的输入输出比较频繁，吞吐量比较大，而数据通信的发起是随机的，无规则的，这就决定了网络必须既具有较大的带宽，又对实时性要求相对不严格[1]。

这部分由传输速率比较高的工业以太网组成比由CAN总线组成更具优势。

6.2、CAN总线在工业信息化网络的应用CAN现场总线拥有较好的实时性和确定性，决定了它可以用在对网络传输的吞吐量要求不高，但对通信响应的实时性和确定性要求严格的底层的现场设备层网络[2]。

用CAN现场总线组成的通信网络连接简单，开发也相对容易。

由于CAN总线协议是基于信息的而不是基于地址的，通信网络中可以很容易的增删节点模块而不必对整个系统做很大改动；可以使得多个节点同时收到一组报文的信息；支持远程帧，节点可以直接向别的节点请求数据；总线上某一节点发生错误时可以进行故障界定，错误严重的节点可以自动退出总线，不影响总线上其他节点的正常工作。

CAN现场总线的传输效率很高[3]。

7、结束语从以上分析可以看出，CAN总线和工业以太网各自有各自的优点和不足以及不同的应用范围。

就目前来看，CAN现场总线发展比较成熟，在各个工业控制领域运用的比较完善。

虽然，最近几年来，工业以太网在控制领域中取得了一定的应用，并逐步呈现统一多种总线的趋势。

但是，工业以太网还不能完全取代它，因为两者都有相对优势的应用领域，CAN 总线满足系统实时性、可靠性要求，两者将在一段时期内共存。

然而，CAN总线发展到现在已经进入了一个瓶颈，各个总线之间互连受到了限制，以太网应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面经验丰富，开发和应用成本也相对较低，把以太网的优点整合到现场总线中区，解除现场总线的限制，是一个发展趋势。

从长远来看，工业以太网有可能取代多种现场总线，成为工业信息话领域网络系统的主流。