实时以太网技术的发展与应用评述
1 引言
现场总线曾经是工业自动化系统中的主流通信解决方案，但长期以来的现场总线标准之争，不仅干扰了用户选择，而且影响了现场总线的互操作性和互换性，延缓了现场总线的发展速度，影响了其发展前景[1]。同时，不断增长的用户需求已经超出了传统现场总线技术的能力范围，如分布式运动控制系统对数据通信的实时性、同步精度、通信周期时间都有着很高的要求。作为最成功的局域网技术，以太网具有高通信速率、高性价比、易于实现管控一体化等优点，近年来在工业控制网络领域得到了广泛应用，统称为工业以太网。
传统的基于IEEE802.3标准的以太网技术采用CSMA/CD MAC机制和冲突退避算法，导致了信息传送的滞后和延时非确定性，不能满足工业实时通信的要求，通过交换式以太网技术、全双工通信以及各种信息级、流量控制技术，到目前为止可以将工业以太网的实时响应时间做到5~10ms[2]。但对于响应时间小于5ms的应用，普通的工业以太网已不能胜任，如高精度多轴伺服系统中要求实时响应时间小于1ms，抖动小于1μs。为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织提出了多种提升工业以太网实时性的技术解决方案，这就是实时以太网。本文旨在介绍实时以太网技术的发展来源和技术原理，并分析其应用状况及发展趋势。
2 工业以太网
工业以太网是以太网在工业控制领域的延伸。严格意义上说，工业以太网是现场总线的子集，但又区别于传统的现场总线。以太网技术最初是针对商用网络设计，其可靠性、实时性不能满足工业通信要求，因此早先并没有大规模应用在工业领域中。工业以太网技术的发展，是由于高速以太网技术、交换式以太网技术以及全双工通信模式技术的发展及其相互结合和应用，提高了以太网通信的可靠性和实时性。使用工业以太网技术，还可以方便的连接上层的企业管理层、中层的过程监控层以及底层的现场设备层。同现场总线情况类似，鉴于工业以太网技术的巨大商机，众多自动化厂商和组织纷纷推出自己的工业以太网技术规范，如Ethernet/IP、PROFInet、EtherCA T、Ethernet Powerlink、Modbus/TCP等。
工业以太网技术根据其软件/硬件实现方式可以分为以下三种类型[3]：
（1）类型1：采用通用以太网控制器和TCP/IP协议，如Ethernet/IP、Modbus/TCP、PROFInet/CbA 等，其结构如图1 a)所示。这种方式下，所有的实时数据和非实时数据均通过TCP/IP协议传输。其优点是成本低廉，实现方便，完全兼容通用以太网。在具体实现中，某些产品可能更改/优化了TCP/IP 协议以获得更好的性能，但其实时性始终受到底层结构的限制。
（2）类型2：采用通用以太网控制器和专有过程数据传输协议，如Ethernet Powerlink、PROFInet/RT等，其结构如图1 b)所示。这种方式下定义了一种包含实时层的专有过程数据传输协议，旁路TCP/IP，
用来传输对实时性要求很高的数据。非实时数据仍然使用TCP/IP协议传输，利于与通用以太网兼容。其优点是实时性较强，硬件与通用以太网兼容。
（3）类型3：采用专用以太网控制器和专有过程数据传输协议，如EtherCAT、SERCOS-Ⅲ、PROFInet/IRT等，其结构如图1 c)所示。这种方式在类型2的基础上底层使用专有以太网控制器（至少在从站侧），以进一步优化性能。其优点是实时性强，缺点是成本较高，需使用专有协议芯片或FPGA IP核。
通用以太网控制器IP
TCP/UDP IT 应用：HTTP;SNMP;FTP;……
通用以太网控制器
a) 类型1                      b) 类型2                      c) 类型3
图1 工业以太网结构分类
3 典型实时以太网介绍
不同的工业自动化场合对控制网络的实时性要求存在区别。对信息集成场合和要求较低的过程自动化应用场合，实时响应时间可为100ms 或更长；对绝大多数的工厂自动化应用场合和分布式I/O 设备，实时响应时间要求通常为5~10ms ；对于高性能的同步运动控制应用，特别是伺服运动控制系统，实时响应时间要求小于1ms ，抖动精度小于1μs 。通用的工业以太网技术足以满足前两者要求，对后者却无能为力，需要对其实时性机制进一步改进。1EC 于2003年专门成立了实时以太网工作组，以规范实时以太网技术标准。该工作组于2010年推出了IEC 61784-2《基于ISO/lEC8802.3的实时应用系统中工业通信网络行规》，其中包括l1种实时以太网技术。此外，许多自动化公司也开发了私有的实时以太网技术，细节未对外公开。
下面对IEC 61784-2中应用最为普及的5种实时以太网的技术原理进行介绍，包括EtherCAT 、Ethernet Powerlink 、PROFInet/IRT 、EtherNet/IP 、SERCOS-Ⅲ。 3.1 技术原理
EtherCAT 采用的实时机制是高速动态帧处理（Frame Processing on the Fly ）[4]。EtherCAT 从站设备在报文经过其节点时处理以太网帧：嵌入在每个从站中的FMMU （现场总线存储管理单元）在帧经过该节点时读取相应的编址数据，同时把输入数据插入至报文中，然后将报文传输到下一个设备。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。由主站发出的帧被传输并经过所有从站，直到网段（或分支）的最后
一个从站。当最后一个从站设备检测到其开放端口时，便将帧返回给主站。在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通信。EtherCA T 在局部网络范围内使用非常精确的、小于1微秒的、确定性的同步误差时间基，而跨接工厂等外部同步对时则采用IEEE1588标准实现。
Ethernet Powerlink 采用的实时机制称为时间槽通信管理机制(SCNM ，Slot Communication Network Management) [5]。SCNM 规定在一个EPL 网络中只有一个激活的管理节点，管理节点配置网络中所有可用的控制节点。SCNM 协议按照一定的规则预先计划并组织了消息组，一个消息组设为一个EPL 循环，开始阶段，同步阶段，异步阶段和空闲阶段。每个阶段的时间由管理节点预先配置，长度可以不同。管理节点随时监控循环时间，以保证预设的时间不发生冲突。一旦冲突发生，管理节点自动延续到下一个循环的开始位置。同步阶段每个同步节点占有固定间隔的时槽，由管理节点轮流访问，从而实现通信的确定性。异步阶段发送非实时数据，数据传送由管理节点调度。SCNM 给同步数据和异步数据分配时槽，保证了在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介，从而杜绝了网络冲突的发生。Ethernet Powerlink 采用IEEE1588来实现网络同步对时。
PROFInet 包括3个版本，早期的PROFInet/CbA （基于标准以太网技术和TCP/IP 协议）和
PROFInet/RT（通过软件提供实时通信通道实现软实时）性能有限，最新的PROFInet/IRT使用专用控制器芯片实现同步实时，其技术原理尚未完全公开。目前已知其使用的是时间片处理机制，将一个时间片
分为两部分：实时通道和TCP/IP通道，实时通道包括时钟同步和确定性通信，用来传输实时I/O数据，TCP/IP通道用来传输非周期的开放性数据。PROFInet/IRT同样采用IEEE1588来实现网络同步对时，在一个同步域内所有设备使用同一个同步传输周期。
Ethernet/IP将公共应用层协议CIP(Common Industrial Protoco1)附加在标准的TCP/IP协议之上。对于面向控制的实时I/O数据，采用UDP／IP协议来传送，其优先级较高。而对于显式信息(如组态、参数设置和诊断等)，则采用TCP／IP来传送，其优先级较低。为进一步提高实时性，ODVA组织将IEEE 1588精确时间同步协议用于Ethernet/IP，制定了CIP sync标准。该标准要求每秒钟由主控制器广播一个同步化信号到网络上的各个节点，使所有节点的同步精度准确到微秒级。
SERCOS-Ⅲ采用的实时机制与EtherCAT的动态帧处理机制类似。SERCOS-Ⅲ将输入和输出数据分为两帧，即一次循环至少有两帧，因此，从站节点在数据帧经过和返回时两次处理数据。同时，SERCOS-Ⅲ采用刚性构架设计，运行时无法改变网络结构，而且不能处理位运算映像。SERCOS-Ⅲ采用其专用的延时侦测和补偿方式来实现同步对时。
3.2 技术参数比较
对上述几种主流实时以太网技术的技术参数进行纵向比较，如表1所示。
表1 几种主流实时以太网技术参数比较
EtherCA T
Ethernet
Powerlink
PROFInet/IRT Ethernet/IP SERCOS-Ⅲ
tcp ip协议适用场合
始创公司倍福(Beckhoff) 贝加莱(B&R) 西门子(Siemens) 罗克韦尔(Rockwell) 力士乐(Rexroth) 管理组织ETG EPSG PNO ODV A IGS
原始技术CANopen/SERCOS CANopen Profibus DeviceNet/ControlNet SERCOS
传输距离100m 100m 100m 100m 40m
拓扑结构任意任意任意任意受限（环形）
同步方式分布时钟/ IEEE
1588
IEEE 1588 IEEE 1588 IEEE 1588 未知
抖动<<1μs <1μs 1μs <1μs <1μs
硬件实现ASIC/FPGA FPGA ASIC ASIC ASIC
开发难度简单简单复杂复杂复杂
开放性是是需授权需授权需授权
4 实时以太网的应用现状与发展趋势
4.1 应用现状
目前，实时以太网技术的应用主要集中在高端数控机床、高精度运动控制等场合。例如，FANUC FS 30i-B系列数控系统中使用了FSSB；西门子SINAMICS S120伺服驱动器使用了PROFInet和Drive-CliQ；三菱Q173/172 CPU系列运动控制器使用了SSCNET-III；博世力士乐MTX micro紧凑型数控系统使用了SERCOS-III；欧姆龙OMNUC G5系列网络型AC伺服电机/驱动器、NUM公司的Flexium数控系统、倍福AX5000伺服驱动器均使用了EtherCAT；施耐德IclA 智能紧凑型电机、贝加莱ACOPOS系列伺服驱动器均使用了Ethernet Powerlink；广州数控GSK系列数控系统使用了EtherCAT及GSK-link。在某些流程行业DCS系统中也开始普及应用，如印刷机械、注塑机、机器人控制等领域。
根据2013年IMS Research公司发布的工业以太网技术市场研究报告，国际市场上各类工业以太网技术的市场占有率如图2所示。PROFInet和EtherNet/IP由于其主流支持厂商具有较强的市场地位，所占有的市场份额最大。Modbus/TCP作为通用工业以太网协议，虽然实时性能欠佳，但开发较为简单方便，也占据了较大市场份额。EtherCAT和Ethernet Powerlink由于其突出的实时性能与开放性，市场份额也在不断扩大。
图2 工业以太网市场份额
4.2 发展趋势
纵观实时以太网技术的起源与发展过程，表现出如下几个趋势：
（1）种类繁多，标准不统一
同现场总线情况类似，出于利益驱动因素，实时以太网也出现了种类繁多、标准不一致的情况。除了IEC 61784-2中规定的11种实时以太网技术外，还存在众多未列入标准的非公开的实时以太网技术，如FANUC公司的FSSB、安川公司的MECHATROLINK-Ⅲ、大连光洋的GLink等，导致标准不统一、不同厂商设备通信接口不兼容的问题，影响了不同厂商产品之间的互换性与互操作性。但总的发展趋势仍是使用更为开放的通信技术，如EtherCAT、Ethernet Powerlink等。
（2）网络定时技术和IEEE-1588标准的广泛采用
Ethernet Powerlink，EtherCAT，PROFInet IRT，CIP Motion等实时以太网的高速串行同步总线无一例外都采用了IEEE-1588网络定时标准，甚至以时间触发机制著称的TTP协议的实时以太网升级版本TTEthernet都转而采用了IEEE-1588网络定时标准。此外SERCOS-Ⅲ、SynqNet、SSCNET-Ⅲ、MECHATROLINK-Ⅲ、FSSB等也都有各自的延时侦测和补偿机制，以及相应的网络定时和网络同步功能。
（3）协议之间的相互融合与借鉴
虽然面市的现场总线类型越来越多，但总线协议之间的相互融合和相互借鉴也是大势所趋。例如Ethernet Powerlink在应用层协议方面对CANopen的融合，EtherCAT在应用层协议方面对SERCOS 和CANopen的融合，PROFInet在I/O接入协议方面对Interbus的融合，等等。
（4）网络安全问题日益得到重视
以太网技术在工业控制领域的普及带来了安全隐患，如病毒感染、黑客入侵、非法操作等，必须加以严密防范。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，并通过权限控制避免非授权操作，在对关键信息进行加密，关键信息数据加密等多种安全机制加强网络安全管理。
5 结语
相比传统的现场总线，实时以太网技术具有多种优势，在工业自动化领域得到了广泛应用。实时以太网在工业以太网基础上进一步改进了实时机制，具有更优越的性能，尤其适合于对控制网络的实时性与同步性要求特别高的场合，具有很大的推广应用价值。

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