各种实时以太网技术地比较

主流实时以太网技术的比较

一、各个实时以太网技术概要 summay of different RT-Ethernet tehcnologies

当前，工业实时以太网技术蓬勃发展，正在取代传统的现场总线技术(Profibus，CAN，Interbus，Fieldbus，DeviceNet，Modbus)，市场上出现了众多实时通信技术，本文对其进行了比较，这些实时以太网均建立在uS级的循环周期上，而不列入ModBus TCP/IP、Ethernet TCP/IP 这些mS级的通信技术，并且也不将非主流的以太网技术列入，纯粹在实时以太网这个领域里进行比较（这里的实时以太网遵循INONA所提出的实时分类级别）。

需要申明的是，本文仅提供一个全景式的概览，而非倾向性的描述，旨在客观公正的对各种技术的特点进行分析，以作为互相交流，不作为选择网络技术的参考依据。

1.1ProfiNet IRT

ProfiNet提供了三个不同的版本，按照其实现和对应用的实时性支持能力为ProfiNet/Cba,ProfiNet RT,ProfiNet IRT,其中ProfiNet/Cba 是建立在Soft IP基础上，采用交换机连接方式，由于交换机所带来的时间延迟，因此，无法支持较快的同步速度，ProfiNet并不具备很高的实时性，而RT也无法满足高速运动控制的需求，而ProfiNet IRT则是设计为更快速的运动控制应用，因此，采用了专用的芯片来实现，这使得其速度得到了大幅度的提高，可以达到100个伺服100uS的数据刷新能力，系统抖动为1uS。

目前Profinet已经开始大量使用，而ProfiNet IRT尚未正式得到大量使用.

1.2Ethernet POWERLINK

采用轮询方式，由主站MN和CN构成，系统由SoC开始启动等时同步传输，由主站为每个CN分配固定时间槽，通过这一机制来实现实时数据交换，同时也通过多路复用和节点序列方式来优化网络的效率，支持标准的Ethernet报文，应用层采用CANopen,Ethernet POWERLINK 无需专用的芯片，并且可运行在多种OS上。

Powerlink多路复用技术

Ethernet Powerlink标准化组织EPSG在2007年宣布放弃对Powerlink所有专利的拥有，从而使得Powerlink技术成为了目前实时以太网技术里第一个也是唯一一个”Open Source Technology”－这意味着加入Powerlink组织的成员均拥有此技术。

1.3SERCOSIII

通过主从结构的设计来实现数据交换，在一个SERCOSIII的数嵌入式系统单片机 FPGA /

据中，主站与从站之间的数据包传输M/S同步数据交换与CC直接交叉通信数据以及Safety数据，由Sync同步管理机制来控制各种数据传输方式的进行。

1.4EtherCAT，采取一种所谓“数据列车”的方式设计，“边传输边处理”的方式按照顺序将数据包发送到各个从节点，然后再回到主站，这样的话，任务的处理将在下一个周期里完成，主节点通常采用PC，而从节点背板间采用LVDS-低压差分驱动信号传输方式，可以达到非常高的数据交换，但是，这同时也意味着从站需要特殊的硬件，ASIC或FPGA,由于EtherCAT有ASIC，其并不主推FPGA方案。

由于采用集束帧的方式，该数据传输方式只能采用环形冗余或星形冗余方式，在拓扑结构上会受到一定的限制，另外，由于其传输是一个循环而处理是一个循环，这就使得它通常需要两个周期才能完成一次交换，其效率较低，通常对于小数据量的系统比较快速，而对大数据量节点数较多时该网络速度反倒较低。

1.5Ethernet/IP CIP

采用消费者与生产者模式运行整个过程。

Ethernet/IP CIP基于原有的Rockwell AB的Devi工业自动化DCS 高压变频器/ceNet,ControlNet的控制和信息协议，采用了在OSI的会话层和表示层的修改，作为一种软件形式的协议，它显然具有较高的数据通过率，适应于大块的数据通信，因此，更适合作为网关和交换设备的应用，其实时性却受到一定的限制，但是，它完全兼容标准以太网，因此，具有很好的到工厂与企业的IT层互联的能力。

二、主要特点比较

下表对主要的实时以太网技术的关键参数进行了比较，罗列如下：

比较项Ethernet POWERLINK ProfiNet IRT SERCOSIII EtherCAT Ethernet/IP CIP 抖动<<1uS 1uS <1uS <<1uS <1uS

循环周期100uS(Max) 1ms 25us 100uS 100uS

传输距离100m 100m 40m 100m 100m

直接交叉通信Yes Yes

介质双绞线/M12/光纤双绞线光纤双绞线/M12 光纤

历史2001.11 IRT尚未发布2007 2007 CIP Sync尚未发布

是否需特殊硬件无特殊硬件需求Yes/ASIC FPGA Or ASIC Yes:从站 ASIC ASIC

是否需要RTOS No Yes Yes Yes No

开放性开源技术需授权需授权需授权需授权

原始技术CANopen ProfiBus SERCOS CANopen DeviceNet

SERCOS ControlNet

硬件实现简单复杂复杂简单简单

软件实现简单简单复杂复杂复杂

始创公司B&R SIEMENS Rexroth Beckhoff Rockwell AB

推广组织EPSG PNO IGS ETG ODVA

节点安装数大于600,000 Unvaliable 未知未知Unvaliable

拓扑结构任意拓扑受限受限（环形）受限（环形）任意拓扑

同步方式IEEE1588时钟同步IEEE1588时钟同步分布时钟IEEE1588时钟同步网络编程简单复杂复杂复杂简单

网络关注I/O,运动控制,Safety 现场总线

运动控制运动控制

I/O

运动控制,Safety

I/O,运动控制，

Safety

动态配置可以可以否否可以

三、各以太网技术发展历史

实时通信技术的历史渊源将为我们展示各种技术的起源，每项技术都有其继承性，因此，带有其原有的烙印：

3.1.第一个实时以太网-Ethernet Powerlink,在2001年11月，该技术即投入使用，由B&R开发，作为OEM业界领先的控制技术提供商，B&R将其所具有的灵活架构设计、开放性和持续的创新理念融入其中，因此，Powerlink技术便具有了其灵活拓扑结构、功能强大而易用使用、具有未来的可持续发展能力。

3.2.SERCOSIII起始于Bosch Rexroth的SERCOS,SERCOS在1996年即推出的一种适用于CNC和机器人领域的现场总线，该公司传统在CNC 和Robotics等应用上，因此，其设计基于CNC应用的设备描述文件，更为侧重运动控制，在初始的SERCOS设计里其拓扑仅支持环形网络，并且只用于传输伺服数据，而不用于传输高速I/O数据，这使得在其应用中通常采用两个不同的总线来处理数据通信，用I/O总线如Profibus,Interbus做逻辑信号传输，而SERCOS则处理伺服间数据，并且第一代的SERCOS并不支持双绞线的连接，而采用了光纤传输，速度为12Mbps最大，为了克服SERCOS这种现场总线的局限性，Bosch Rexroth开发了基于以太网技术的SERCOSIII，并在2007年发布。

3.3.Profinet则建立在Profibus基础上，由于其始创公司SIEMENS在过程控制领域的强大实力，使得其广泛应用于DCS系统、现场仪表层、事件控制等流程工业领域，而2007年Profinet被推出，但是，是一个基于软实现方案，其刷新时间在5mS～100mS等级，因此其实时性并未达到INONA所定义的实时以太网级别，而为了解决在运动控制领域的高实时性要求，SIEMENS计划推出Profinet IRT，而为了实现这一网络的高实时性，则采用了ASIC技术来修改MAC层，IRT尚未得到大量的使用。

3.4.Ethernet/IP，Rockwell AB作为传统的自动化厂商，并且在过程控制领域具有较强的影响力，其传统的Devicenet是一个专业的现场总线，在此基础上的Ethernet/IP并未强调极高的实时性-由于传统的过程控制领域对于实时性的要求并非像高速数据采样、运动控制与CNC那么高，因此，其Ethernet/IP并不具备高实时性，只在mS等级的循环周期，为了解决这个问题，RA在其系统中采用了SERCOSIII,EtherCAT接口，但是，未来其仍然聚焦在其自主开发的Ethernet/IP CIP技术，而DeviceNet在使用方面较之Profibus编程和网络配置较为复杂，这也使得其基础上的Ethernet/IP CIP面临这样的问题。

3.5.EtherCAT,其始创公司Beckhoff是一个以PC技术为导向的公司，建立在Windows平台上的技术具有良好的操作性设计，但是Windows 本身不具备高实时性，因此，在PC上添加一个实时操作系统来运行实时网络。

四、节点安装现状与未来发展