前言
對于局外人而言，工業(yè)以太網(wǎng)的存在很多讓他們混淆的問題-而且并非孤立，即使那些專家有時候也被各種風起云涌的競爭系統(tǒng)所困擾,盡管制造商們提供了很多信息，描述他們的技術性能和特定的功能，并希望給出易于理解的解釋，然而，用戶仍然將發(fā)現(xiàn)他們無法從這里獲得比較全面信息以支持他們進行這個方面的投入。
我們也的確經(jīng)常會遇到這方面的需求－－尋求一個概要性的對于主流系統(tǒng)的評價：“在哪些方面存在差異？”，因此，我們覺得有必要出版一個專刊用來探討這個話題，在創(chuàng)建這個話題時，我們試圖去盡力保持客觀與公正的角色，我們的綜述聚焦于技術本身及其商業(yè)意義，也同時考慮了評估系統(tǒng)的戰(zhàn)略要素－這主要是對那些考慮長期以太網(wǎng)設備投資安全性的決策者而言的。
我們的觀點來源于與多個領域中的開發(fā)者及決策制定者的交流與探討而獲得，我們必須使得每個觀點與結論都是經(jīng)過驗證的，除了這些努力之外，.我們希望這有助于您對它的認同，如果您對此有任何的評述和建議，請給我們發(fā)電子郵件或者電話，我們期望任何您對此概覽的支持，并且我們歡迎任何有助于我們盡力客觀公正的探討。
系統(tǒng)的選擇
這五個是基于技術、實時性、標準化狀態(tài)及市場方面的戰(zhàn)略考量，例如：是否一個用戶組織在持續(xù)的進行著協(xié)議的開發(fā)？該協(xié)議是否遵循IEC標準，且是否系統(tǒng)滿足硬件實時的需求？
實時性
IEEE802.3以太網(wǎng)中存在的用于解決數(shù)據(jù)碰撞的機制帶來了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，為了達到實時性能，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用了不同的特定方法去避免這種碰撞，對于硬實時，信號傳輸時間必須精確的按照時間幀來進行，或者他們可以觸發(fā)一個錯誤機制。循環(huán)時間達到數(shù)百個毫秒的系統(tǒng)應用對于軟件實時是足夠的，例如溫度監(jiān)控，而對于數(shù)字控制或運動控制應用經(jīng)常需要其循環(huán)周期小于1mS。
市場滲透
選擇工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)進行比較的另一個關鍵因素是其市場占有情況：IMS和ARC調(diào)研表明大約四分之三的工業(yè)以太網(wǎng)使用Ethernet/ IP，PROFINET，或Modbus/TCP。其次為POWERLINK和EtherCAT－這兩個系統(tǒng)特別適合硬實時性要求。
以下描述中不考慮Modbus/TCP，因其用戶組織ODVA已經(jīng)表明它將被集成到EtherNet / IP網(wǎng)絡中。 對于SERCOS III，盡管它的市場份額較小，但是，它在高速運動控制領域扮演著非常重要的角色。
實時等級和應用領域(IAONA分類)
系統(tǒng)如何工作
實時的不同方法
其中一個關鍵的區(qū)別在于不同的工業(yè)以太網(wǎng)如何調(diào)度并管理數(shù)據(jù)傳輸使得網(wǎng)絡可以提供實時性，EtherCAT和SERCOS III的通信采用了集束幀方法：在每個周期，網(wǎng)絡向所有的節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)報文，從一個節(jié)點到另一個沿環(huán)形拓撲結構進行傳輸，同時采集每個節(jié)點的響應數(shù)據(jù)。相比之下，其他通信協(xié)議則使用獨立報文給每個節(jié)點，而從站也通過獨立報文進行應答。
各系統(tǒng)使用三種不同的方法來實現(xiàn)實時性：
● 一個主站控制網(wǎng)絡上的時隙。在POWERLINK環(huán)境，主站授權每個節(jié)點獨立發(fā)送數(shù)據(jù)，在EtherCAT和SERCOS III網(wǎng)絡，集束幀報文的傳輸跟隨主站的時鐘。
● PROFINET IRT使用同步開關控制通信過程。
● EtherNet / IP通過采用CIP Sync同步分發(fā)IEEE1588兼容的時鐘信息給整個網(wǎng)絡。
PROFINET通信
PROFINET（“過程現(xiàn)場網(wǎng)絡”）按照對確定性的等級需求不同而采用不同的實現(xiàn)方法：
PROFINET RT通常用于軟實時或沒有實時性要求的應用場合，而PROFINET IRT則針對硬實時應用。該技術由Siemens和Profibus用戶組織PNO的成員公司共同開發(fā)，它是基于以太網(wǎng)之上的PROFIBUS DP以及PROFINET I / O的成功應用-指定所有I / O控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸以及參數(shù)化，診斷，和網(wǎng)絡的布局。為了覆蓋不同的性能等級，PROFINET使得各協(xié)議和服務可自由采用生產(chǎn)者/消費者原則。高優(yōu)先級的有效載荷數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)協(xié)議并以以太網(wǎng)幀VLAN的優(yōu)先次序直接發(fā)送，而診斷和配置數(shù)據(jù)發(fā)送使用UDP/ IP。這使系統(tǒng)實現(xiàn)循環(huán)周期時間約10毫秒的I / O應用。對于時鐘同步周期時間要求低于毫秒及運動控制應用，則提供PROFINET IRT，它實現(xiàn)了一個分時復用的硬件同步開關－所謂的動態(tài)幀包裝（DFP），為用戶提供一個新的PROFINET循環(huán)時間的優(yōu)化設計并于2009年發(fā)布此特性。
POWERLINK通信
POWERLINK最初由B&R開發(fā)并于2001年使用，Ethernet POWERLINK標準化組織（EPSG）是一個獨立的用戶組織并且遵循民主章程，自2003年以來，負責該技術的進一步發(fā)展。POWERLINK是一個完全免專利費的技術，獨立于供應商，采用純軟件方式的協(xié)議，卻可達到硬實時的性能。在2008年，EPSG提供了該技術的開源版本。POWERLINK集成了完整的CANopen機制，并充分滿足IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，即該協(xié)議提供了所有標準的以太網(wǎng)功能特點包括交叉通信和熱插拔，允許網(wǎng)絡以任意方式進行拓撲。
它是如何工作？
POWERLINK使用時隙和輪詢混合方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸。為進行協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡中指定PLC或工業(yè)PC作為管理節(jié)點（MN）。該管理節(jié)點運行周期性時隙的調(diào)度并據(jù)此來同步所有網(wǎng)絡設備，并控制周期性數(shù)據(jù)通信。所有其他設備運行為受控節(jié)點（CN）。在每個同步周期階段，MN以固定的時間序列逐次向CN發(fā)送 “輪詢請求楨PReq”。每個CN以PRes方式立即響應這個請求并傳輸數(shù)據(jù)，所有其他節(jié)點可以偵聽這個響應。一個POWERLINK的周期包括三個部分。在開始階段，MN發(fā)送了循環(huán)啟動SoC幀給網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，以同步網(wǎng)絡中的所有設備。抖動大約20納秒。
周期性同步數(shù)據(jù)交換發(fā)生在第二個階段，多路復用技術在這個階段中可用于優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬。第三個階段的標志是異步啟動信號SoA，用于傳輸大容量，非時間苛刻的數(shù)據(jù)包。例如：用戶數(shù)據(jù)或TCP / IP幀，均可在異步階段進行傳輸。
POWERLINK分為實時和非實時域。在異步階段的數(shù)據(jù)傳輸支持標準的IP幀，通過路由器將實時域和非實時域數(shù)據(jù)隔離以確保數(shù)據(jù)安全。 POWERLINK非常適合各種自動化應用，包括I / O，運動控制，機器人任務，PLC與PLC間的通信，以及顯示任務。
多種共享特性：CANopen和POWERLINK OSI模型
Ethernet/IP通信
2000年初始發(fā)布，EtherNet / IP是一個開放的工業(yè)標準,它由艾倫－布拉德利（羅克韋爾自動化）和ODVA的開發(fā)（開放DeviceNet供應商協(xié)會）。“工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議”本質(zhì)上是一個CIP（通用工業(yè)協(xié)議）－已被使用的ControlNet和的DeviceNet上的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。 EtherNet / IP通常是在美國市場上得到非常好的應用，主要是使用羅克韋爾控制系統(tǒng)。
它如何工作？
EtherNet / IP在標準以太網(wǎng)硬件上運行，并同時使用TCP/ IP和UDP/ IP進行數(shù)據(jù)傳輸。由于生產(chǎn)者/消費者模式為CIP協(xié)議所支持，EtherNet / IP采用不同的通信機制來處理，例如周期性輪詢，時間或事件觸發(fā)，多波或簡單的點對點連接，CIP應用協(xié)議分為“隱性的”I / O消息和“顯性的”用于配置和數(shù)據(jù)采集的請求/應答報文。當顯性信息嵌入到TCP幀，實時應用數(shù)據(jù)通過UDP發(fā)送，因為后者格式更緊湊且開銷小。形成一個中心星型網(wǎng)絡拓撲結構，交換機通過點對點掛鉤連接方式防止數(shù)據(jù)碰撞。EtherNet / IP網(wǎng)絡通常實現(xiàn)10mS左右的軟實時性能， 而CIP Sync和CIP Motion及精確的節(jié)點同步則通過在IEEE 1588標準定義的分布式時鐘方法可以達到極低的循環(huán)周期和抖動，使得它能夠用于伺服電機的控制與驅動。
EtherCAT通信
EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術）Beckhoff自動化。這項技術的所有用戶自動成為EtherCAT技術協(xié)會（ETG）的成員。
它是如何工作？
EtherCAT是基于集束幀方法：EtherCAT主站發(fā)送包含網(wǎng)絡所有從站數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，這個幀按照順序通過網(wǎng)絡上的所有節(jié)點，當它到達最后一個幀，幀將被再次返回。當它在一個方向上通過時節(jié)點處理幀中的數(shù)據(jù)，。每個節(jié)點讀出數(shù)據(jù)并將響應數(shù)據(jù)插入到幀。為了支持100 Mbit / s的波特率，必須使用專用的ASIC或基于FPGA的硬件來高速處理數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT網(wǎng)絡拓撲總是構成一個邏輯環(huán)。
一個EtherCAT幀結構
所有給每個節(jié)點的指令都被包含在一個EtherCAT數(shù)據(jù)報文的有效載荷區(qū)。每個EtherCAT幀由一個頭和幾個EtherCAT的命令構成。每個命令包括它自己的頭，給節(jié)點的指令數(shù)據(jù)，及一個工作計數(shù)器。高達64 KB的可配置地址空間來配置從站。尋址處理通過自動遞增方式：即每個從站可以處理16位地址域，從站也可以在網(wǎng)絡初始階段以指派方式來實現(xiàn)分布式的站點尋址。
EtherCAT過程同步
每個從站連接由主站提供的一個類似于IEEE1588的實時時鐘技術進行同步。從站設備可以是實時也可以是非實時機制，這更取決于硬件。基于實時時鐘，控制信號可以高精度同步。
在物理層，EtherCAT協(xié)議不僅在以太網(wǎng)上運行，也可以采用LVDS（低壓差分信號傳輸）。這個標準被Beckhoff使用在其端子技術上，典型的是采用帶有標準以太網(wǎng)接口的PC作為一個EtherCAT主站。相較于POWERLINK或PROFINET等協(xié)議，EtherCAT僅貫穿OSI 7層模型中的1-3層，因此，為了實現(xiàn)與其它系統(tǒng)相同的應用功能，必須加載額外的協(xié)議層（CoE，EoE）。
SERCOSIII通信
這是一個免費提供的面向數(shù)字驅動接口的實時通信標準，SERCOSIII不僅有特定的物理層連接的硬件架構，同時SERCOS接口的協(xié)議結構和應用規(guī)范的定義也是特定的。SERCOSIII是SERCOS的第三代，SERCOS于1985年被推向市場，是一個標準的遵循IEEE802.3的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這個通信系統(tǒng)最初使用在基于運動控制的自動化系統(tǒng)，一個已注冊的協(xié)會-SERCOS國際協(xié)會，支持這項技術的發(fā)展并保持標準的一致性。
用于SERCOS技術的專用主從通信控制器稱為SERCON。
它如何工作？
SERCOSIII在主站和從站均采用特定的硬件，這些SERCOSIII硬件減輕了主CPU的通信任務，并確保了快速的實時數(shù)據(jù)處理和基于硬件的同步，從站需要特殊的硬件，而主站可以基于軟件方案，SERCOS用戶組織提供SERCOSIII的IP Core給基于FPGA的SERCOSIII硬件開發(fā)者。SERCOSIII采用集束幀方式來傳輸，網(wǎng)絡節(jié)點必須采用菊花鏈或封閉的環(huán)形拓撲，由于以太網(wǎng)具有全雙工能力，菊花鏈實際上已經(jīng)構成一個獨立的環(huán)。因此對于一個環(huán)形拓撲實際上相當于提供一個雙環(huán)，使得它允許冗余數(shù)據(jù)傳輸。直接交叉通信能力是由每個節(jié)點上的兩個端口來實現(xiàn)，在菊花鏈和環(huán)形網(wǎng)絡，實時報文在他們向前和向后時經(jīng)過每個節(jié)點，因此，節(jié)點具有在每個通信周期中相互通信兩次而無需經(jīng)過主站的能力，無需經(jīng)過主站對數(shù)據(jù)進行路由。
除了實時通道，它也使用時間槽方式進行無碰撞的數(shù)據(jù)傳輸，SERCOSIII也提供可選的非實時通道來傳遞異步數(shù)據(jù)。節(jié)點通過硬件層進行同步，在通信循環(huán)的第一個報文初期，主站同步報文MST被嵌入到第一個報文來達到這個目的，確保在100nS以下的高精度時鐘同步偏移，基于硬件的過程補償了運行延遲和以太網(wǎng)硬件所造成的偏差，不同的網(wǎng)段將使用不同的循環(huán)時鐘仍然可實現(xiàn)所有的同步運行。
用戶組織
用戶獨立是總體評價一個系統(tǒng)的另一個關鍵因素，任何與品牌權益或專利相關的懸而未決的問題都可能會限制用戶自己的開發(fā)，這是決定是否使用系統(tǒng)的一個關鍵考量因素。今后會引發(fā)的法律問題應予以預先規(guī)避-這需要深入了解始創(chuàng)者與用戶組織的不同解決方案。
PROFINET用戶組織PNO，拼寫為Profibus Nutzerorganisation e. V.運行一個機構來管理合作項目和向成員傳遞信息并及其它感興趣的部分。PROFIBUS和PROFINET產(chǎn)品認證中心隸屬于該機構，并于1996年4月24日通過章程-定義其權利和義務，且開放給所有成員公司、協(xié)會和機構、那些對于PNO感興趣的設備供應商、用戶、系統(tǒng)解決方案供應商或PROFIBUS及PROFINET網(wǎng)絡或運營商。www.profibus.com
POWERLINK - EPSG
Ethernet POWERLINK標準化組（EPSG）成立于2003年。作為一個獨立的組織，是由在驅動器和自動化領域的各個廠商共同發(fā)起建立的。該組織的目標是將由B&R在2001年推出的這項技術進行標準化和持續(xù)的開發(fā)。EPSG也與標準化組織如CiA及IEC等合作。EPSG是一個按照瑞士民法注冊的協(xié)會組織。
www.ethernet - powerlink.org
EtherNet / IP網(wǎng)絡 - ODVA
ODVA是所有DeviceNet和EtherNet / IP的用戶聯(lián)盟。該組織參與這一總線的持續(xù)發(fā)展和進一步的推廣。主要在美國和亞洲，也包括歐洲。該組織活動的主旨是開發(fā)和推廣CIP及其它基于此的協(xié)議。每個用戶不僅可以應用這項技術，也可受邀加入對其持續(xù)發(fā)展作出貢獻的特別興趣小組（SIG）。 ODVA還積極參加其他標準化機構和行業(yè)協(xié)會。該組織的章程相對復雜。
www.odva.org
EtherCAT技術 - ETG
EtherCAT技術協(xié)會是由用戶、OEM廠商以及其它自動化組件供應商共同建立的一個論壇。該組織的目的是提供支持和將EtherCAT作為一個開放技術對其收益進行宣傳。所有的合作協(xié)議必須與Beckhoff自動化直接簽署。EtherCAT技術協(xié)會位于德國紐倫堡，是一個“非注冊協(xié)會”，它是一個沒有按照德國民法法典注冊的機構。
www.ethercat.org
SERCOS III-sercos international e.v.
是一個在德國美因河畔法蘭克福聯(lián)邦注冊的協(xié)會，這個協(xié)會的成員是由制造商和控制、驅動系統(tǒng)的用戶，以及其它自動化組件廠商、研究機構和其它協(xié)會共同成立的。在北美及亞洲有分支機構，總部設在斯圖加特大學并且有一個認證實驗室。
www.sercos.org
狀態(tài)、權利和授權
不同的用戶組織哪個是合法的？誰擁有這項技術？何種法律關系取決于綁定開發(fā)者使用該項技術的授權機制，以下幾頁提供了一個就此問題的概覽。
EtherCAT技術組：非注冊的俱樂部-這意味著它不是一個合法實體，它是一種協(xié)會和私人伙伴間的有效混合體，對于這種組織其法律責任關系并不清楚。
在大多數(shù)情況下，對一項技術的權益在于組織對它的責任，對于一個共同擁有者，成員有資格使用它，如果個人或某家公司擁有一項技術的權益,那么合法使用該技術的前景將不清楚。
在ETG組織里，成員資格是免費的，而在其它組織，成員需要支付費用，其年費通常根據(jù)合作成員的規(guī)模而變化，POWERLINK和SERCOS用戶組織也允許非成員來開發(fā)產(chǎn)品并投放市場。
由于SERCOSIII和EtherCAT的通信機制是特殊的，其從站的內(nèi)在工作機制并未開放，用戶必須采用ASIC芯片或FPGA, FPGA的VHDL代碼可以從BECKHOFF采購，但不包括源代碼。
PROFINET：PROFIBUS用戶組織（PNO）提供PROFINET實現(xiàn)的原始文檔（PROFINET運行軟件）給其成員。根據(jù)授權協(xié)議的第1.5項，PNO成員有權使用5項專利。
POWERLINK：POWERLINK的主站和從站提供BSD開源代碼授權，包括openSAFETY均可在Sourceforge.net上獲得。
EtherNet/IP：協(xié)議堆棧可從不同的服務商處購買，一個開放源代碼的變種由一所大學完成開發(fā)。
EtherCAT：從站的實現(xiàn)必須購買ASIC芯片，另外基于FPGA實現(xiàn)的VHDL IP Core是必須購買的，對于主站方案，ETG提供部分源代碼樣例，由于其專利持有人不愿意采用代碼開源機制，因此它不能開源*。
SERCOS：SERCOS軟主站提供一個LGPL免費授權，從站的ASIC和FPGA代碼必須購買
*來源:開源自動化開發(fā)實驗室（www.osadl.org）
投資可行性分析
就系統(tǒng)評估而言，開放性是長期投資可行性的關鍵，此外，技術和戰(zhàn)略考量也在確保長期投資安全性決策方面扮演關鍵角色。
與現(xiàn)有應用層兼容性
