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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(wèn)題-而且并非孤立，即使那些專(zhuān)家有時(shí)候也被各種風(fēng)起云涌的競爭系統所困擾,盡管制造商們提供了很多信息，描述他們的技術(shù)性能和特定的功能，并希望給出易于理解的解釋?zhuān)欢?，用?hù)仍然將發(fā)現他們無(wú)法從這里獲得比較全面信息以支持他們進(jìn)行這個(gè)方面的投入。

我們也的確經(jīng)常會(huì )遇到這方面的需求--尋求一個(gè)概要性的對于主流系統的評價(jià)：“在哪些方面存在差異？”，因此，我們覺(jué)得有必要出版一個(gè)專(zhuān)刊用來(lái)探討這個(gè)話(huà)題，在創(chuàng )建這個(gè)話(huà)題時(shí)，我們試圖去盡力保持客觀(guān)與公正的角色，我們的綜述聚焦于技術(shù)本身及其商業(yè)意義，也同時(shí)考慮了評估系統的戰略要素－這主要是對那些考慮長(cháng)期以太網(wǎng)設備投資安全性的決策者而言的。

我們的觀(guān)點(diǎn)來(lái)源于與多個(gè)領(lǐng)域中的開(kāi)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(gè)觀(guān)點(diǎn)與結論都是經(jīng)過(guò)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(huà)，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(guān)公正的探討。

這五個(gè)是基于技術(shù)、實(shí)時(shí)性、標準化狀態(tài)及市場(chǎng)方面的戰略考量，例如：是否一個(gè)用戶(hù)組織在持續的進(jìn)行著(zhù)協(xié)議的開(kāi)發(fā)？該協(xié)議是否遵循IEC標準，且是否系統滿(mǎn)足硬件實(shí)時(shí)的需求？

 

IEEE802.3以太網(wǎng)中存在的用于解決數據碰撞的機制帶來(lái)了數據傳輸的延遲，為了達到實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)，信號傳輸時(shí)間必須精確的按照時(shí)間幀來(lái)進(jìn)行，或者他們可以觸發(fā)一個(gè)錯誤機制。循環(huán)時(shí)間達到數百個(gè)毫秒的系統應用對于軟件實(shí)時(shí)是足夠的，例如溫度監控，而對于數字控制或運動(dòng)控制應用經(jīng)常需要其循環(huán)周期小于1mS。

市場(chǎng)滲透
選擇工業(yè)以太網(wǎng)系統進(jìn)行比較的另一個(gè)關(guān)鍵因素是其市場(chǎng)占有情況：IMS和ARC調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(gè)系統特別適合硬實(shí)時(shí)性要求。

以下描述中不考慮Modbus/TCP，因其用戶(hù)組織ODVA已經(jīng)表明它將被集成到EtherNet / IP網(wǎng)絡(luò )中。 對于SERCOS III，盡管它的市場(chǎng)份額較小，但是，它在高速運動(dòng)控制領(lǐng)域扮演著(zhù)非

常重要的角色。

實(shí)時(shí)等級和應用領(lǐng)域(IAONA分類(lèi))

其中一個(gè)關(guān)鍵的區別在于不同的工業(yè)以太網(wǎng)如何調度并管理數據傳輸使得網(wǎng)絡(luò )可以提供實(shí)時(shí)性，EtherCAT和SERCOS III的通信采用了集束幀方法：在每個(gè)周期，網(wǎng)絡(luò )向所有的節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數據報文，從一個(gè)節點(diǎn)到另一個(gè)沿環(huán)形拓撲結構進(jìn)行傳輸，同時(shí)采集每個(gè)節點(diǎn)的響應數據。相比之下，其他通信協(xié)議則使用獨立報文給每個(gè)節點(diǎn)，而從站也通過(guò)獨立報文進(jìn)行應答。

●         一個(gè)主站控制網(wǎng)絡(luò )上的時(shí)隙。在POWERLINK環(huán)境，主站授權每個(gè)節點(diǎn)獨立發(fā)送數據，在EtherCAT和SERCOS III網(wǎng)絡(luò )，集束幀報文的傳輸跟隨主站的時(shí)鐘。

●        PROFINET IRT使用同步開(kāi)關(guān)控制通信過(guò)程。

●        EtherNet / IP通過(guò)采用CIP Sync同步分發(fā)IEEE1588兼容的時(shí)鐘信息給整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。

PROFINET（“過(guò)程現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )”）按照對確定性的等級需求不同而采用不同的實(shí)現方法：
PROFINET RT通常用于軟實(shí)時(shí)或沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求的應用場(chǎng)合，而PROFINET IRT則針對硬實(shí)時(shí)應用。該技術(shù)由SIEMENS和PROFIBUS用戶(hù)組織PNO的成員公司共同開(kāi)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控制器之間的數據傳輸以及參數化，診斷，和網(wǎng)絡(luò )的布局。為了覆蓋不同的性能等級，PROFINET使得各協(xié)議和服務(wù)可自由采用生產(chǎn)者/消費者原則。高優(yōu)先級的有效載荷數據通過(guò)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，而診斷和配置數據發(fā)送使用UDP/ IP。這使系統實(shí)現循環(huán)周期時(shí)間約10毫秒的I / O應用。對于時(shí)鐘同步周期時(shí)間要求低于毫秒及運動(dòng)控制應用，則提供PROFINET IRT，它實(shí)現了一個(gè)分時(shí)復用的硬件同步開(kāi)關(guān)－所謂的動(dòng)態(tài)幀包裝（DFP），為用戶(hù)提供一個(gè)新的PROFINET循環(huán)時(shí)間的優(yōu)化設計并于2009年發(fā)布此特性。

POWERLINK最初由B&R開(kāi)發(fā)并于2001年使用，Ethernet POWERLINK標準化組織（EPSG）是一個(gè)獨立的用戶(hù)組織并且遵循民主章程，自2003年以來(lái)，負責該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。POWERLINK是一個(gè)完全免專(zhuān)利費的技術(shù)，獨立于供應商，采用純軟件方式的協(xié)議，卻可達到硬實(shí)時(shí)的性能。在2008年，EPSG提供了該技術(shù)的開(kāi)源版本。POWERLINK集成了完整的CANopen機制，并充分滿(mǎn)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(diǎn)包括交叉通信和熱插拔，允許網(wǎng)絡(luò )以任意方式進(jìn)行拓撲。

POWERLINK使用時(shí)隙和輪詢(xún)混合方式來(lái)實(shí)現數據的同步傳輸。為進(jìn)行協(xié)調，網(wǎng)絡(luò )中指定PLC或工業(yè)PC作為管理節點(diǎn)（MN）。該管理節點(diǎn)運行周期性時(shí)隙的調度并據此來(lái)同步所有網(wǎng)絡(luò )設備，并控制周期性數據通信。所有其他設備運行為受控節點(diǎn)（CN）。在每個(gè)同步周期階段，MN以固定的時(shí)間序列逐次向CN發(fā)送 “輪詢(xún)請求楨PReq”。每個(gè)CN以PRes方式立即響應這個(gè)請求并傳輸數據，所有其他節點(diǎn)可以偵聽(tīng)這個(gè)響應。一個(gè)POWERLINK的周期包括三個(gè)部分。在開(kāi)始階段，MN發(fā)送了循環(huán)啟動(dòng)SoC幀給網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)，以同步網(wǎng)絡(luò )中的所有設備。抖動(dòng)大約20納秒。

周期性同步數據交換發(fā)生在第二個(gè)階段，多路復用技術(shù)在這個(gè)階段中可用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )帶寬。第三個(gè)階段的標志是異步啟動(dòng)信號SoA，用于傳輸大容量，非時(shí)間苛刻的數據包。例如：用戶(hù)數據或TCP / IP幀，均可在異步階段進(jìn)行傳輸。

POWERLINK分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)域。在異步階段的數據傳輸支持標準的IP幀，通過(guò)路由器將實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域數據隔離以確保數據安全。 POWERLINK非常適合各種自動(dòng)化應用，包括I / O，運動(dòng)控制，機器人任務(wù)，PLC與PLC間的通信，以及顯示任務(wù)。
 

多種共享特性：CANopen和POWERLINK OSI模型

2000年初始發(fā)布，EtherNet / IP是一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)標準,它由艾倫－布拉德利（羅克韋爾自動(dòng)化）和ODVA的開(kāi)發(fā)（開(kāi)放DeviceNet供應商協(xié)會(huì )）?！肮I(yè)以太網(wǎng)協(xié)議”本質(zhì)上是一個(gè)CIP（通用工業(yè)協(xié)議）－已被使用的ControlNet和的DeviceNet上的以太網(wǎng)的數據傳輸協(xié)議。 EtherNet / IP通常是在美國市場(chǎng)上得到非常好的應用，主要是使用羅克韋爾控制系統。
                            

它如何工作？
EtherNet / IP在標準以太網(wǎng)硬件上運行，并同時(shí)使用TCP/ IP和UDP/ IP進(jìn)行數據傳輸。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(lái)處理，例如周期性輪詢(xún)，時(shí)間或事件觸發(fā)，多波或簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)連接，CIP應用協(xié)議分為“隱性的”I / O消息和“顯性的”用于配置和數據采集的請求/應答報文。當顯性信息嵌入到TCP幀，實(shí)時(shí)應用數據通過(guò)UDP發(fā)送，因為后者格式更緊湊且開(kāi)銷(xiāo)小。形成一個(gè)中心星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，交換機通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)掛鉤連接方式防止數據碰撞。EtherNet / IP網(wǎng)絡(luò )通常實(shí)現10mS左右的軟實(shí)時(shí)性能， 而CIP Sync和CIP Motion及精確的節點(diǎn)同步則通過(guò)在IEEE 1588標準定義的分布式時(shí)鐘方法可以達到極低的循環(huán)周期和抖動(dòng)，使得它能夠用于伺服電機的控制與驅動(dòng)。

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）Beckhoff自動(dòng)化。這項技術(shù)的所有用戶(hù)自動(dòng)成為EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì )（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(luò )所有從站數據的數據包，這個(gè)幀按照順序通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上的所有節點(diǎn)，當它到達最后一個(gè)幀，幀將被再次返回。當它在一個(gè)方向上通過(guò)時(shí)節點(diǎn)處理幀中的數據，。每個(gè)節點(diǎn)讀出數據并將響應數據插入到幀。為了支持100 Mbit / s的波特率，必須使用專(zhuān)用的ASIC或基于FPGA的硬件來(lái)高速處理數據。因此，EtherCAT網(wǎng)絡(luò )拓撲總是構成一個(gè)邏輯環(huán)。

所有給每個(gè)節點(diǎn)的指令都被包含在一個(gè)EtherCAT數據報文的有效載荷區。每個(gè)EtherCAT幀由一個(gè)頭和幾個(gè)EtherCAT的命令構成。每個(gè)命令包括它自己的頭，給節點(diǎn)的指令數據，及一個(gè)工作計數器。高達64 KB的可配置地址空間來(lái)配置從站。尋址處理通過(guò)自動(dòng)遞增方式：即每個(gè)從站可以處理16位地址域，從站也可以在網(wǎng)絡(luò )初始階段以指派方式來(lái)實(shí)現分布式的站點(diǎn)尋址。

EtherCAT過(guò)程同步
每個(gè)從站連接由主站提供的一個(gè)類(lèi)似于IEEE1588的實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)進(jìn)行同步。從站設備可以是實(shí)時(shí)也可以是非實(shí)時(shí)機制，這更取決于硬件?；趯?shí)時(shí)時(shí)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(gè)標準被Beckhoff使用在其端子技術(shù)上，典型的是采用帶有標準以太網(wǎng)接口的PC作為一個(gè)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(shí)現與其它系統相同的應用功能，必須加載額外的協(xié)議層（CoE，EoE）。

這是一個(gè)免費提供的面向數字驅動(dòng)接口的實(shí)時(shí)通信標準，SERCOSIII不僅有特定的物理層連接的硬件架構，同時(shí)SERCOS接口的協(xié)議結構和應用規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(chǎng)，是一個(gè)標準的遵循IEEE802.3的數據傳輸協(xié)議，這個(gè)通信系統最初使用在基于運動(dòng)控制的自動(dòng)化系統，一個(gè)已注冊的協(xié)會(huì )-SERCOS國際協(xié)會(huì )，支持這項技術(shù)的發(fā)展并保持標準的一致性。

用于SERCOS技術(shù)的專(zhuān)用主從通信控制器稱(chēng)為SERCON。

 

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(wù)，并確保了快速的實(shí)時(shí)數據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(hù)組織提供SERCOSIII的IP Core給基于FPGA的SERCOSIII硬件開(kāi)發(fā)者。SERCOSIII采用集束幀方式來(lái)傳輸，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(shí)際上已經(jīng)構成一個(gè)獨立的環(huán)。因此對于一個(gè)環(huán)形拓撲實(shí)際上相當于提供一個(gè)雙環(huán)，使得它允許冗余數據傳輸。直接交叉通信能力是由每個(gè)節點(diǎn)上的兩個(gè)端口來(lái)實(shí)現，在菊花鏈和環(huán)形網(wǎng)絡(luò )，實(shí)時(shí)報文在他們向前和向后時(shí)經(jīng)過(guò)每個(gè)節點(diǎn)，因此，節點(diǎn)具有在每個(gè)通信周期中相互通信兩次而無(wú)需經(jīng)過(guò)主站的能力，無(wú)需經(jīng)過(guò)主站對數據進(jìn)行路由。

除了實(shí)時(shí)通道，它也使用時(shí)間槽方式進(jìn)行無(wú)碰撞的數據傳輸，SERCOSIII也提供可選的非實(shí)時(shí)通道來(lái)傳遞異步數據。節點(diǎn)通過(guò)硬件層進(jìn)行同步，在通信循環(huán)的第一個(gè)報文初期，主站同步報文MST被嵌入到第一個(gè)報文來(lái)達到這個(gè)目的，確保在100nS以下的高精度時(shí)鐘同步偏移，基于硬件的過(guò)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(shí)鐘仍然可實(shí)現所有的同步運行。

用戶(hù)獨立是總體評價(jià)一個(gè)系統的另一個(gè)關(guān)鍵因素，任何與品牌權益或專(zhuān)利相關(guān)的懸而未決的問(wèn)題都可能會(huì )限制用戶(hù)自己的開(kāi)發(fā)，這是決定是否使用系統的一個(gè)關(guān)鍵考量因素。今后會(huì )引發(fā)的法律問(wèn)題應予以預先規避-這需要深入了解始創(chuàng )者與用戶(hù)組織的不同解決方案。

PROFINET用戶(hù)組織PNO，拼寫(xiě)為PROFIBUS Nutzerorganisation e. V.運行一個(gè)機構來(lái)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(guò)章程-定義其權利和義務(wù)，且開(kāi)放給所有成員公司、協(xié)會(huì )和機構、那些對于PNO感興趣的設備供應商、用戶(hù)、系統解決方案供應商或PROFIBUS及PROFINET網(wǎng)絡(luò )或運營(yíng)商。www.profibus.com

POWERLINK - EPSG
Ethernet POWERLINK標準化組（EPSG）成立于2003年。作為一個(gè)獨立的組織，是由在驅動(dòng)器和自動(dòng)化領(lǐng)域的各個(gè)廠(chǎng)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(shù)進(jìn)行標準化和持續的開(kāi)發(fā)。EPSG也與標準化組織如CiA及IEC等合作。EPSG是一個(gè)按照瑞士民法注冊的協(xié)會(huì )組織。
www.ethernet - powerlink.org

EtherNet / IP網(wǎng)絡(luò ) - ODVA
ODVA是所有DeviceNet和EtherNet / IP的用戶(hù)聯(lián)盟。該組織參與這一總線(xiàn)的持續發(fā)展和進(jìn)一步的推廣。主要在美國和亞洲，也包括歐洲。該組織活動(dòng)的主旨是開(kāi)發(fā)和推廣CIP及其它基于此的協(xié)議。每個(gè)用戶(hù)不僅可以應用這項技術(shù)，也可受邀加入對其持續發(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(huì )。該組織的章程相對復雜。
www.odva.org

EtherCAT技術(shù) - ETG
EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì )是由用戶(hù)、OEM廠(chǎng)商以及其它自動(dòng)化組件供應商共同建立的一個(gè)論壇。該組織的目的是提供支持和將EtherCAT作為一個(gè)開(kāi)放技術(shù)對其收益進(jìn)行宣傳。所有的合作協(xié)議必須與Beckhoff自動(dòng)化直接簽署。EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì )位于德國紐倫堡，是一個(gè)“非注冊協(xié)會(huì )”，它是一個(gè)沒(méi)有按照德國民法法典注冊的機構。

是一個(gè)在德國美因河畔法蘭克福聯(lián)邦注冊的協(xié)會(huì )，這個(gè)協(xié)會(huì )的成員是由制造商和控制、驅動(dòng)系統的用戶(hù)，以及其它自動(dòng)化組件廠(chǎng)商、研究機構和其它協(xié)會(huì )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(xué)并且有一個(gè)認證實(shí)驗室。
www.sercos.org

不同的用戶(hù)組織哪個(gè)是合法的？誰(shuí)擁有這項技術(shù)？何種法律關(guān)系取決于綁定開(kāi)發(fā)者使用該項技術(shù)的授權機制，以下幾頁(yè)提供了一個(gè)就此問(wèn)題的概覽。

EtherCAT技術(shù)組：非注冊的俱樂(lè )部-這意味著(zhù)它不是一個(gè)合法實(shí)體，它是一種協(xié)會(huì )和私人伙伴間的有效混合體，對于這種組織其法律責任關(guān)系并不清楚。

在大多數情況下，對一項技術(shù)的權益在于組織對它的責任，對于一個(gè)共同擁有者，成員有資格使用它，如果個(gè)人或某家公司擁有一項技術(shù)的權益,那么合法使用該技術(shù)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，其年費通常根據合作成員的規模而變化，POWERLINK和SERCOS用戶(hù)組織也允許非成員來(lái)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品并投放市場(chǎng)。

由于SERCOSIII和EtherCAT的通信機制是特殊的，其從站的內在工作機制并未開(kāi)放，用戶(hù)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(hù)組織（PNO）提供PROFINET實(shí)現的原始文檔（PROFINET運行軟件）給其成員。根據授權協(xié)議的第1.5項，PNO成員有權使用5項專(zhuān)利。

POWERLINK：POWERLINK的主站和從站提供BSD開(kāi)源代碼授權，包括openSAFETY均可在Sourceforge.net上獲得。

EtherNet/IP：協(xié)議堆?？蓮牟煌姆?wù)商處購買(mǎi)，一個(gè)開(kāi)放源代碼的變種由一所大學(xué)完成開(kāi)發(fā)。

EtherCAT：從站的實(shí)現必須購買(mǎi)ASIC芯片，另外基于FPGA實(shí)現的VHDL IP Core是必須購買(mǎi)的，對于主站方案，ETG提供部分源代碼樣例，由于其專(zhuān)利持有人不愿意采用代碼開(kāi)源機制，因此它不能開(kāi)源*。

SERCOS：SERCOS軟主站提供一個(gè)LGPL免費授權，從站的ASIC和FPGA代碼必須購買(mǎi)

 

*來(lái)源:開(kāi)源自動(dòng)化開(kāi)發(fā)實(shí)驗室（www.osadl.org）

 

就系統評估而言，開(kāi)放性是長(cháng)期投資可行性的關(guān)鍵，此外，技術(shù)和戰略考量也在確保長(cháng)期投資安全性決策方面扮演關(guān)鍵角色。

 

集束幀協(xié)議相較于獨立幀更容易受到干擾敏影響，如果一個(gè)幀被破壞，集束幀協(xié)議會(huì )丟失整個(gè)循環(huán)。

由于采用兩個(gè)報文，SERCOSIII相較于EtherCAT在這個(gè)項的比較中有50%以上的優(yōu)勢。

一個(gè)特殊的EtherCAT特性使得所有通信可以通過(guò)內部I/O端子總線(xiàn)進(jìn)行路由，然而，由于更容易受到干擾而帶來(lái)的安全風(fēng)險抵消了其優(yōu)越的性能。

EtherCAT和SERCOS網(wǎng)絡(luò )通常以邏輯環(huán)方式組織，這個(gè)環(huán)可以在主站那里實(shí)現物理的閉合，或在菊花鏈方式下在最后一個(gè)物理線(xiàn)路上的節點(diǎn)處實(shí)現內閉合。EtherCAT提供通過(guò)特定結合點(diǎn)的支路連接，但是，整個(gè)幀的行程上下與返回仍然是按照這種邏輯環(huán)進(jìn)行的。

僅POWERLINK在其規范中包含有主站和線(xiàn)路冗余，并在實(shí)際項目中實(shí)現，對于PROFINET和Ethernet/IP，基于特定交換機方式下的應用實(shí)現是可行的。

POWERLINK、Ethernet/IP和PROFINET提供了用戶(hù)熱插拔能力，而對于SERCOSIII和EtherCAT由于其必須采用環(huán)形拓撲結構而受到了限制，SERCOSIII允許將一個(gè)節點(diǎn)踢出網(wǎng)絡(luò )，在這種情況下，相鄰的兩個(gè)節點(diǎn)的TX和RX線(xiàn)路閉合，節點(diǎn)可以通過(guò)主站另一側到達。EtherCAT不支持熱插拔能力。

對于基于邏輯環(huán)技術(shù)（EtherCAT和SERCOS）而言，網(wǎng)絡(luò )拓撲架構限制了熱插拔能力，熱插拔模塊僅可以被連接到菊花鏈的末端(SERCOS)，這將使得應用受到限制。

由于Ethernet/IP和POWERLINK是專(zhuān)門(mén)的基于軟件的技術(shù)，這些協(xié)議可以被千兆以太網(wǎng)硬件所采用，相反，EtherCAT需要ASIC，PROFINET IRT也需要一些重新設計的硬件-包括特殊的交換機，FPGA方案也可以被用于千兆以太網(wǎng)。

SERCOS國際聲明他們的IP核已經(jīng)可以基于千兆網(wǎng)絡(luò )了。

占主導地位的Profibus已經(jīng)有PROFIsafe產(chǎn)品，對于CIP以及openSAFETY(用于POWERLINK和SERCOS)也有經(jīng)認證的安全產(chǎn)品。EtherCAT技術(shù)組織在本文編寫(xiě)時(shí)仍然沒(méi)有聲明協(xié)議?？梢再徺I(mǎi)，僅POWERLINK和openSAFETY確定完全開(kāi)放主站，并且主站和從站的源代碼已經(jīng)可以免費使用。

基于ERTEC技術(shù)的IRT產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上可用，然而，DFP性能的介紹及新一代用于與之連接的ASIC尚未與現在的IRT方案兼容(由Phoenix提供的觸發(fā)芯片)。

系統的性能成為激烈辯論的核心，這個(gè)問(wèn)題聚焦在了工業(yè)以太網(wǎng)系統的理論循環(huán)周期上，關(guān)于理論的最短循環(huán)周期的計算如下：

如果一個(gè)主站發(fā)送一個(gè)數據幀給它自己而不經(jīng)過(guò)任何節點(diǎn)，這個(gè)幀再次回到主站是在122微秒后（在單個(gè)數據幀以最大以太網(wǎng)數據量下）。

在理論上，它有可能在數據幀的其它部分數據到達時(shí)就處理，然而用于校驗數據準確性的CRC必須在所有數據接收到后進(jìn)行確認，這不考慮其它因素如PHY造成的延遲，線(xiàn)路和以太網(wǎng)口的延遲，用于內部到主站的數據傳輸等，然而，一旦信號離開(kāi)主站，在網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路上的路程和從站內處理必須考慮在內。

系統的前瞻性擴展及可能的未來(lái)需求必須被認真的考慮，無(wú)論是采用集中式或分布式的架構。

來(lái)源：幀的封裝按照IEEE802.3定義，幀間間隔，96us必須添加到上面提到的5.1us

直接交叉通信為那些對時(shí)間要求非?？量痰膽锰峁┝艘粋€(gè)緊要的收益－例如高速驅動(dòng)控制-軸可以在高速同步的同時(shí)保持極高精度。由于所有的位置值可以直接相互傳遞而無(wú)需通過(guò)主站，這帶來(lái)更低的網(wǎng)絡(luò )負載并確保對關(guān)聯(lián)的軸而言數據是在當前周期可以使用的（例如軸的實(shí)際相位值），如果數據必須先行經(jīng)過(guò)主站-這不僅延遲了一個(gè)周期，而且網(wǎng)絡(luò )上的數據負載量也同時(shí)大幅增加。

對于POWERLINK和SERCOSIII，直接交叉通信是一個(gè)即使對于專(zhuān)門(mén)從屬功能的模塊也有效的功能，Ethernet/IP則需要通過(guò)一個(gè)帶有掃描器功能的模塊實(shí)現。

對于需要數據處理大量數據的應用，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的時(shí)間大大影響整個(gè)循環(huán)時(shí)間，另一方面，數據優(yōu)先級可使循環(huán)周期降低。支持優(yōu)先級機制的系統允許高優(yōu)先級數據在每個(gè)周期里進(jìn)行刷新，而對于低優(yōu)先級數據則僅隔n個(gè)周期進(jìn)行刷新。

對于POWERLINK、Ethernet/IP和PROFINET，在協(xié)議的規范定義中已明確定義了可變的循環(huán)周期，而SERCOSIII只是最近才加入這個(gè)特性，對于EtherCAT而言，在特殊的應用方案下才可以這樣。

基于以太網(wǎng)的安全是通過(guò)對安全節點(diǎn)(緊急停車(chē)，安全驅動(dòng)控制器)受保護數據的周期性交換來(lái)實(shí)現的-這個(gè)安全過(guò)程包含將數據進(jìn)行復制和封裝到一個(gè)安全容器中，這增加了網(wǎng)絡(luò )上的數據量。采用集束幀的方案將看到幀便計數，而獨立幀方式將通過(guò)增加每個(gè)幀的數據容量-而這原本就是要增加并被發(fā)送的?？傊?，集束幀在理論上的高性能在這種情況可以不予考慮。

在解決方案中使用的求和框架法，數據必須通過(guò)每個(gè)控制器兩次。如果信號要經(jīng)過(guò)許多節點(diǎn)，總傳遞時(shí)間將大幅上升，因為它能讓自己的方式，組織支持這種所引用的原始性能數據解決方案必須進(jìn)行調整，占此效果。另一個(gè)要考慮的方面是性能取決于實(shí)現細節，例如：任務(wù)類(lèi)，在實(shí)際使用的控制系統應用程序。

抖動(dòng)
確保最小的抖動(dòng)和極高精度的信號確定性延遲是控制質(zhì)量的關(guān)鍵要素（時(shí)鐘偏差）。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)必須盡可能的同步。各種競爭的網(wǎng)絡(luò )通過(guò)不同的機制來(lái)達到這一目標，EtherCAT使用了分布式時(shí)鐘，而POWERLINK則是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的同步信號(SoC) 來(lái)實(shí)現的。

EtherCAT、POWERLINK和SERCOSIII提供使用者幾乎無(wú)抖動(dòng)（<100nS）系統。而在Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò )，抖動(dòng)可以通過(guò)IEEE1588擴展在所有節點(diǎn)中大幅度降低，PROFINET IRT應用也可以大幅度降低抖動(dòng)。

實(shí)際上，比較系統性能是件困難的事情，因為不同系統的特定性能存在差異，Ethernet/IP和PROFINET RT從開(kāi)始就被排除在外，因為，這些系統僅僅適用于軟實(shí)時(shí)需求而設計，PROFINET IRT由于采用了不同的交換機，這導致了應用架構的復雜性，直接的比較與測量顯然不適合，下面的值是建立在公開(kāi)的計算機制上的：

測試場(chǎng)景如下：

1、小型機器，一個(gè)主站和33個(gè)I/O模塊（64模擬量和136數字量通道）

2、I/O系統，一個(gè)主站，12個(gè)Ethernet從站帶有33個(gè)模塊（2000個(gè)數字量和500個(gè)模擬量通道）

3、運動(dòng)控制系統，帶有24個(gè)伺服軸和1個(gè)I/O站，110數字量和30個(gè)模擬量。

實(shí)際上，POWERLINK在大部分應用是較之EtherCAT更快的，EtherCAT僅僅是為低網(wǎng)絡(luò )負載而優(yōu)化的，對于重負載系統而言，EtherCAT環(huán)境下有著(zhù)極不相稱(chēng)的循環(huán)周期提升，如果用于實(shí)現一個(gè)分布式架構（例如分布式運動(dòng)控制），EtherCAT由于缺乏直接交叉通信而導致巨大的性能降低。一個(gè)直接的EtherCAT I/O集成將導致非常低的采樣率（I/O系統），由于時(shí)間信號必須經(jīng)過(guò)每個(gè)I/O從而直接的影響了整個(gè)循環(huán)周期。

Prytz(2008)發(fā)布的方法可用于計算EtherCAT的參考，信號通過(guò)EtherCAT ASIC的信號延遲也被再次驗證。

對于POWERLINK，其實(shí)際應用產(chǎn)品設置并進(jìn)行實(shí)際測試-這使得它引用的測試數據毋庸置疑。

沒(méi)有測試數據用于SERCOSIII，然而，SERCOSIII可以預期與POWERLINK提供相同等級的實(shí)時(shí)性，事實(shí)上，在很多領(lǐng)域SERCOSIII同樣較之EtherCAT更快的系統速度。

1G.Prytz,EFTA會(huì )議2008，EtherCATPROFINET IRT的性能分析，在EtherCAT的官方網(wǎng)站www.ethercat.ory引用。最后訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間2011年9月14日

實(shí)現成本包括開(kāi)發(fā)費用、License費用和硬件費用，代碼可用性（程序或在硬件實(shí)現中的VHDL代碼）必須在這種情況予以考慮。

主站非開(kāi)源，只有不確?？捎眯缘氖纠a。

所有協(xié)議允許在主站上的軟件實(shí)現

網(wǎng)絡(luò )組件

額外的設備=外部交換機或Hub

內部端口=直接集成到設備上的端口，用于環(huán)形或菊花鏈拓撲。

1、  對于EtherCAT，星形或樹(shù)形拓撲需要特殊的網(wǎng)絡(luò )組件

2、  Beckhoff ET1100

 

對于EtherCAT、SERCOSIII和PROFINET IRT，實(shí)現從站的總線(xiàn)協(xié)議需要使用硬件方案ASIC，對于POWERLINK、Ethernet/IP和PROFINET RT基于微處理的軟件方案可以使用，對于軟件方案而言，協(xié)議棧的License費用需要考慮，可能其它額外的費用例如使用更為強大的控制器，對于硬件方案，用戶(hù)可以使用FPGA或基于A(yíng)SIC的通信接口，理論上，FPGA也可以被用于軟件方案。

FPGA是一種集成電路，它允許開(kāi)發(fā)者自主配置他們的硬件。它有邏輯器件構成，即所謂的邏輯單元，一個(gè)層級可以用于重新配置電路。所有ASIC可以實(shí)現的功能FPGA均可實(shí)現。而且，它可以在調試前定制。相較于A(yíng)SIC，FPGA的一次性開(kāi)發(fā)成本較低，FPGA對于工業(yè)Ethernet方案是一個(gè)極具吸引力的技術(shù)-因為它成本更低，性能高并具有多種協(xié)議支持能力，并且它允許在組件內實(shí)現預安裝組件功能來(lái)集成二級功能（Hub，交換機），當然，用戶(hù)需要清楚協(xié)議的代碼容量需求量及相應地邏輯單元德數量， L2功能也對數量有較大的影響。交換機比HUB需要更多的塊，而復雜的管理交換則需要更多數量的邏輯單元。

POWERLINK是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案，由于POWERLINK網(wǎng)絡(luò )里僅需要Hub，因此，這個(gè)協(xié)議僅需要非常小的邏輯塊，較小的FPGA，相反，EtherCAT和SERCOSIII，則需要更多的邏輯單元。

對于每個(gè)節點(diǎn)間的互聯(lián)而言，其成本參照硬件的費用，而協(xié)議授權的成本尚未計算在內。

圖中引用的數字來(lái)自于不同有實(shí)現經(jīng)驗制造商的反饋，并覆蓋了不同的工業(yè)以太網(wǎng)方案-有些數字也由制造商在自動(dòng)化行業(yè)雜志上引用過(guò)。

PHY的成本是2*1.1 $，這個(gè)對于所有協(xié)議都以相等的價(jià)格來(lái)考慮，成本估算以年度節點(diǎn)采購量為1000來(lái)進(jìn)行。

PROFINET：采用ERTEC200ASIC來(lái)進(jìn)行計算，未來(lái)實(shí)現也可以采用由Phoenix開(kāi)發(fā)的TPS1芯片，在那種情況下，成本可能會(huì )降低到與EtherCAT相當的水平。但仍無(wú)法達到POWERRLINK的價(jià)格水平。

 

POWERLINK :采用基于FPGA的方案，RAM和閃存也被考慮在內。

EtherNet/IP:因為實(shí)現的成本相差較大，確定一個(gè)數字不大現實(shí)，它可能采用在微處理器上實(shí)現一個(gè)單口方案或用FPGA或一個(gè)外部的交換機實(shí)現雙口方案。

EtherCAT:這個(gè)計算是基于最便宜的EtherCAT ASIC方案-帶有2個(gè)以太網(wǎng)口(ET1100)，EtherCAT基于FPGA的方案成本更高，這個(gè)不同很大程度在于同步方案帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

SERCOSIII：SERCOSIII的數字是基于典型的FPGA方案來(lái)實(shí)現的。

 

運行成本在很大程度上由維護和網(wǎng)絡(luò )管理成本的費用構成。一些技術(shù)例如IP Sync和Profinet IRT非常復雜并且需要非常大的網(wǎng)絡(luò )管理成本，并且，使用交換機即需要網(wǎng)絡(luò )經(jīng)驗，在很多情況下，需要一個(gè)本地的網(wǎng)絡(luò )工程師來(lái)調試和維護系統。

同步技術(shù)的應用在實(shí)時(shí)通信中扮演著(zhù)關(guān)鍵角色，POWERLINK的SERCOSIII確保了通過(guò)主站管理機制下的高同步性及精確性，且極少因干擾出錯。

PROFINET IRT & Ethernet/IP CIP Sync依賴(lài)于IEEE1588兼容同步機制，這導致了非常復雜的網(wǎng)絡(luò )管理，尤其是設備必須隔離-因為硬件或軟件問(wèn)題將觸發(fā)同步錯誤。

安全協(xié)議必須確保通過(guò)持續的監測傳輸是否完成和及時(shí)來(lái)確定數據的完整性。必須避免或標識包含重復數據的故障，數據丟失，數據失真和數據插入。任何不正確的數據序列或過(guò)度延遲也要被檢測到。對于一個(gè)安全系統它可以通過(guò)循環(huán)較驗來(lái)確保所有安全相關(guān)網(wǎng)段及其上的設備功能數據的無(wú)差錯操作。在中斷或任何不完整的數據傳輸情況下，它激活相應的安全功能來(lái)定位問(wèn)題，或啟動(dòng)整廠(chǎng)安全停機。

在此綜述的所有系統均使用所謂的“黑色通道”機制來(lái)處理安全導向的通信。這個(gè)術(shù)語(yǔ)意味著(zhù)安全封裝的數據（安全容器）是通過(guò)標準協(xié)議進(jìn)行傳輸的。

 

交叉通信下信號傳輸的例子：直接交叉通信使得節點(diǎn)可以直接與其它節點(diǎn)通信（上圖），而不支持交叉通信的系統其信號傳輸路徑則是2倍于此（下圖）

由于安全協(xié)議是純應用協(xié)議,一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò )的性能取決于其底層的傳輸協(xié)議?；镜膮f(xié)議選擇考慮因素如確定的可用帶寬和循環(huán)時(shí)間，而且功能特性如熱插拔能力和直接交叉的通信能力，交叉通信意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)間可以直接通信而無(wú)需通過(guò)主站-這對于安全導向的系統而言扮演非常重要的角色。由于安全節點(diǎn)可以與其它節點(diǎn)直接通信，這提供了在危險情況下最優(yōu)化的響應時(shí)間。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上如果不支持交叉通信，那么安全節點(diǎn)必須通過(guò)安全主站給其它節點(diǎn)發(fā)送數據-安全主站再將數據發(fā)給第一個(gè)主站，然后再傳輸給第二個(gè)安全節點(diǎn)，相較于直接交叉通信，這個(gè)過(guò)程使得信號延遲-響應時(shí)間得到延緩，由于運動(dòng)軸的緊急停車(chē)距離與響應時(shí)間的平方成正比，而2倍的傳輸時(shí)間就將導致了16倍的停車(chē)距離。