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， 市场上出现了众多实时通信技术，本文对其进行了比较。

宋华振 本刊特约编辑

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，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。

主流实时以太网技术简述

• ProfiNet 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 为分ProfiNet/Cba,ProfiNet RT,ProfiNet IRT,其中 ProfiNet/Cba是建立在Soft IP基础上，采用交换 机系统的方式，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，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。

• Ethernet 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。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 唯一一个开源技术。

• SERCOS III——通过主从结构的设计来 实现数据交换，在一个SERCOS III的数据中，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，Sync同 步管理机制来控制各种数据传输方式的进行。

• EtherCAT——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。

• Ethernet/IP CIP——采用消费者与生产者模式运行整 个过程。Ethernet/IP CIP基于原有的罗克韦尔AB的Device- Net, 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。

节点安装现状与未来发展

• 当前安装状况——根据调研机构IMS Research的 数据，Ethernet TCP/IP的标准以太网安装节点数最多， 这些通常应用于与上位的管理系统的连接，如PLC、IPC 与ERP、MRP系统的连接，通过标准以太网，由于数据没 有严格的实时性要求，因此，普通的以太网即可使用，而Modbus基础上升级的Modbus TCP借助传统的Modbus占 据了较大的安装量，但是，这些通常应用于PC到PLC、伺 服的程序下载，与HMI的连接或者仪表层的接口，因此，其 应用也不是实时性较高的领域，而Ethernet/IP和ProfiNet都 是应用于流程工业领域的，其实时性并不是特别高，一般在 5mS～100mS等级，而真正的实时以太网应用则是Ethernet POWERLINK, EtherCAT,SERCOS III,CC-Link IE,由数 据统计可以看出，Ethernet POWERLINK具有最大的节点 安装数，这与Powerlink技术推出较早有较大的关系，也与 Powerlink产品在实时性要求较高的数据采样、运动控制应 用有关。

• 支持厂商——目前EtherCAT有超1000个支持厂商， 而POWERLINK则有超过800个支持厂商，在中国POWERLINK 技术因为其“OpenSource Technology”(开源技术)的原因 取得了广泛认可，而EtherCAT则由于其先行的市场推广而同 样具有众多的开发厂商。SERCOS则在传统的CNC和机器人 领域有一定的市场拥护者，ProfiNet由于SIEMENS的强大市 场号召力，虽然其推广目前受到ProfiBus的使用而未进行大 规模的实际推广， 但是， 依赖于SIEMENS本身产品如 S7-1200，S7-300系列带有ProfiNet接口产品的应用而会快 速成长。

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如下：

• 未来分析——根据ARC对于未来实时通信的预测， 将划分为两大方向，一种是由先天的市场占有而引起的市 场发展例如：ProfiNet,Ethernet/IP其主流支持厂商具有较强 的市场地位，因此，这类总线将在广泛市场上占据主导，而 Ethernet Powerlink、SERCOSIII、EtherCAT则更为偏重于专 业市场如智能电网、航空航天、产业机械、医疗等领域各自 发挥其专业性。

Powerlink的开源技术理念将带给该项技术更多的未来市 场支持，尤其是在中国，这一举措将赢得更多的公司信任并 加入Powerlink阵营。

性能与功能分析

(1)“短板理论”，通信速度已经不是系统瓶颈

按照短板理论，系统的速度取决于最短的一块板，而非 最长的一块板，举例来说，一个系统由多个自动化组件构 成，PLC的CPU处理速度、I/O自身的延迟、伺服系统的位 置环刷新速度，从目前的技术来看，似乎以太网本身的速 度基本上能满足各种应用的需求，各个以太网技术基本上 都能够达到100Mbps的传输、100m的传输距离需要、小于 1uS的抖动，对于I/O采样而言这个速度是毫无疑问足够的， 而对于CNC插补计算、机器人的坐标转换而言，目前国内 的水平维持在5mS左右的应用水平，而欧美的主要厂商如 KUKA、ABB、Staubli的机器人系统则要求更高的速度处理， 小于100uS，但是，经过分析发现，由于这些传统的机器人 系统采用的均是简单的伺服驱动器，不具备速度环自身处理 能力，因此，速度环必须放在主站来处理，这使得主站既要 处理速度环，也要进行插补计算，并且插补计算发送给各个 伺服轴，而伺服轴的速度环位置环又运行在主站上，这使得 对于实时性的要求变得非常苛刻，而今天，随着智能伺服技 术的发展，速度环与位置环计算完全可以在驱动器上来完 成，这也使得原有的对于极高刷新速度的要求降低，这也是 为什么这些传统的机器人系统平台开始转向通用平台，而逐 渐不再使用原有的专用总线的原因。

(2) 确定性与能观系统

对于一些应用，如测试系统，需要挂接外部的输入 信号，从中进行数据分析来判断问题的引发与导向，从而 判断系统的改善与设计的调整。而这一点体现了系统的客 观性，由于采用IEEE1588分布式时钟系统，每个Ethernet 的数据包均有时间戳，而这一时间戳可以在现有的以太网测 试工具下进行直观的判断，例如Wireshark即是这样一款 工具。

(3) 功能分析

• 直接交叉通信的实现——目前SERCOS III、Ethernet POWERLINK技术均具有直接交叉通信的能力，而这一能力 主要体现在从站之间的数据交换，在一个运动控制系统中， 可以由此技术来为各个从站之间建立其数学关系，通过两个 轴或多个轴之间的直接通信来实现同步关系、补偿关系等， 对于运动控制及多个CPU的处理而言，这一技术将带来极大 的便利。而EtherCAT由于采用的是“边传输边处理”方式， 而非采用广播形式发布数据，使得它不具备这一能力，同 样，采用该机制的Ethernet/IP CIP也不具备这一能力。

• 拓扑结构——由于采用标准的以太网结构，因 此，Ethernet/IP CIP和Ethernet POWERLINK技术则可以实现 任意的拓扑结构，而EtherCAT由于是采用数据列车的结构， 因此，其无法实现灵活的拓扑结构，仅在环形网络中进行数 据的传输，这也同时造成了系统的无法动态配置，而必须重 新启动网络配置。

• 对于热插拔的支持能力——各个网络由于本身所需 要的设计，因此，需要进行热插拔设计。

• 冗余支持能力——Ethernet POWERLINK支持环形 冗余设计，这得益于其HUB方式的连接，通常POWERLINK 被设计为双口HUB，这也使得它能够通过串联方式与最后的 电缆回到主节点的方式构成一个环形冗余网络，当网络中的 某个节点断裂时，则系统动态配置为线性网络继续保持数据 通信，EtherCAT则具有冗余的支持能力，这也得益于其环形 拓扑设计。

(4) 未来的发展

对待任何一项技术，我们同样需要一种更为长远的眼光 去看问题。采用ASIC设计的以太网技术由于ASIC本身目前没 有一个较为完整的方法来实现高速例如1Gbps的网络支持， 因此，将无法实现更高速度的开发，若需要开发则将意味着 巨大的成本投入，而POWERLINK由于采用通用的MAC层， 因此，可以采用更高速的以太网技术，例如10G网络，这将 使得POWERLINK迈入“万兆以太网”时代。

由于可以支持各种流行的芯片技术，POWERLINK将在 未来能够获得更为经济的技术支持，随着IT技术的发展，采 用X86架构、FPGA等新技术产品的推出，使得POWERLINK 始终处于较为有利的方案设计方面的能力。 开发与实现

(1) 软件开发的简便性

CANopen之所以被广为使用，是因为它具有最为简单的设备描述文件，而相对而言，ProfiBus、SERCOS总线则具 有更为复杂的设备描述和应用层的编程能力，因此，对于 CANopen支持的POWERLINK与EtherCAT技术将在开发方面 更为简便，应用程序的设计更为快捷，而由于采用复杂的设 备描述应用层协议，ProfiNet、Ethernet/IP CIP将使得编程变 得更加复杂。

(2) 硬件开发

Ethernet技术之所以得到蓬勃发展的原因就在于传统的 现场总线的封闭性，而今天，采用专用芯片的技术将使得实 时以太网又回到技术壁垒与利益阵营之中，这使得这些技术 必然又面临着新的阻碍。传统的认为ASIC具有更高的性能和 快速实现的能力，但是，由于协议本身的应用层软件接口的 复杂性，以及通信协议处理与主控制器的标准硬件接口的设 计这些因素导致了芯片开发的难度。Profinet IRT和Ethernet/ IP CIP尚未发布其ASIC，而SERCOS III则提供了多家FPGA 芯片的支持，Ethernet POWERLINK则由EPSG组织的成员如 Systec、IXXAT、PORT等提供了FPGA Slave方案，可以基于 ALTERA和XILINX的标准芯片，而非专门的ASIC技术。

(3) 成本比较分析

目前EtherCAT提供的芯片价格为10～30美元不等，由于 客户采购量的不同，价格具有较大的差异，而FPGA芯片有 价格的优势，一般实现POWERLINK的FPGA芯片价格大约在 5～10美元之间，具有一定的成本优势。 由于采用ASIC技术的IP Core需要一定的授权，这带来了 巨大的费用支出，并且，这些代码无法修改，而通用的芯片 技术则可以带来更为便捷的扩展和代码修改能力，从而满足 客户的个性化需求。

实时以太网的开放性分析

开放性不仅仅是互联性设计，也包括了对开放的以太网 标准的支持、源代码的开放性、标准硬件实现、标准操作系 统平台的支持能力方面来进行评估。

(1) 是否支持标准以太网

是否支持标准以太网的关键在于：与管理层的互联能力 以及是否支持标准以太网。

Powerlink提供针对标准以太网的支持能力，ProfiNet& Profinet RT采用软实现的方法可支持标准以太网，而SERCOS III修改了MAC,虽然物理介质是RJ45,但已非标准以太网 技术，而EtherCAT的主站支持标准以太网，而从站则不支持 以太网技术，Ethernet/IP CIP仅仅是在会话层和表示层的添 加，因此，在物理上仍然支持标准以太网技术。

(2) 是否能够提供开源代码

除了POWERLINK技术外，其它的实时以太网均不提供开 放的源代码，而EtherCAT则需要购买无限License,支付约20 万人民币，ProfiNet则不提供源代码的支持能力，SERCOSIII 提供可供下载的IP-Core。开源技术具有旺盛的生命力，已经 在广泛采用OpenSource的IT行业得到验证。

(3) 是否可采用开放的芯片来实现

• 最优性价比——开放的芯片能够保证开发者获得最 高性价比，在成本上开放的芯片具有更高的性价比。

• 符合未来发展潮流——是否能够跟随以太网持续发 展的潮流，将影响各项技术的未来发展，那些紧随历史潮流 的技术将获得巨大的生命力。

• 可选择范围——开放的标准芯片使得厂商具有更大 的灵活空间来选择可用的芯片与技术，而不会受制于某个 公司的独家技术来限制，这是非常重要的一点，尤其是在军 工、航天航空、核电等领域，关系到国家技术的战略安全时 更为突出。

POWERLINK为开放芯片支持的实现，可根据需要提供各 种开发的平台支持，SERCOS III也支持FPGA实现，但是其不 支持其它的实现方式，因为其需要保证运动控制的高实时性 需求，而Ethernet/IP CIP则由于其具有的开放性可以支持各 种架构的硬件平台－Intel X86、ARM、FPGA的开发。

(4) 是否广泛的支持各种工业操作系统

EtherCAT发源于Beckhoff的PC控制技术理念，其支持 Windows XP & CE，而POWERLINK则支持Windows XP Embedded, Windows CE Embedded以及RT-Linux这一开源 技术，并且同时也支持VxWorks、uC/OSII RTOS这些工业自 动化、航空航天领域使用的实时操作系统，并且也支持无操 作系统的自动化组件开发。

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工业以太网及其实时性要求

用于工业自动化系统的网络通信技术来源于IT信 息技术的计算机网络技术，又不同于一般的计 算机网络通信。用于测量和控制的数据通信的 主要特点是：允许对事件进行实时响应的事件驱动通信； 很高的可用性；很高的数据完整性；在有电磁干扰和地电 位差的情况下能正常工作；使用工厂内专用的传输线等。 其中，最主要的要求是网络通信的高实时性。实时(real time)的含义是指数据处理就像发生在数据产生的时刻，其 响应没有大的延时。

对于工业自动化系统来说，目前根据不同的应用场 合，将实时性要求划分为3个范围，它们是：信息集成 和较低要求的过程自动化应用场合，实时响应时间要求是 100ms或更长；绝大多数的工厂自动化应用场合实时响 应时间的要求最少为5～10ms；对于高性能的同步运 动控制应用，特别是在100个节点下的伺服运动控制应 用场合，实时响应时间要求低于1ms，同步传送和抖动 小于1μs工业控制网络的实时性还规定了许多技术指标， 如交付时间、吐量、时间同步、时间同步精度、以及冗 余恢复时间等。

对于这些性能指标都有详细的规约规定。