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工业以太网常见五大协议对比

2016-05-13 11:18
黯影冰风
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  比较目前的五个主流工业以太网协议(Ethernet/IP,PROFINET,POWERLINK,EtherCAT,SERCOSIII),基于技术,实时性,标准化状态及市场方面的战略考量,例如:是否有一个用户组织在持续的进行着协议的开发?该协议是否遵循IEC标准,且是否系统满足硬件实时的需求?

  【实时性】

  IEEE802.3以太网中存在的用于解决数据碰撞的机制带来了数据传输的延迟,为了达到实时性能,工业以太网协议采用了不同的方法去避免这种碰撞,对于硬实时,信号传输时间必须精确的按照时间帧来进行,或者他们可以触发一个错误机制。循环时间在数百个毫秒的系统应用对于软件实时是足够的,例如温度控制,而对于数字控制或运动控制应用经常需要其循环周期小于1mS。

  【市场占有】

  选择何种工业以太网系统进行比较的另一关键因素,是其市场占有情况:IMS和ARC的调研表明,大约四分之三的工业以太网使用Ethernet/IP,PROFINET,或Modbus/TCP,其次为POWERLINK和EtherCAT,这两个系统特别适合硬实时性要求。以下描述中不考虑Modbus/TCP,因其用户组织ODVA已经表明它将被集成到EtherNet/IP网络中。对于SERCOSIII,尽管它的市场份额比较小,但是,它在高速运动控制领域扮演着非常重要的角色。

  【系统如何工作】

  关于实时的不同方法,其中一个关键的区别在于,不同的工业以太网如何调度并管理数据传输使得网络可以提供实时性,EtherCAT和SERCOSIII的通信采用了集束帧方式:在每个周期,网络向所有的节点发送一个数据报文,从一个节点到另一个沿环形拓扑结构进行传输,同时采集每个节点的响应数据。相比之下,其他通信协议则使用独立报文给每个节点,而从站也通过独立报文进行应答。各系统使用三种不同的方法来实现实时性:1、一个主站控制网络上的时隙,在POWERLINK环境,主站授权每个节点独立发送数据,在EtherCAT和SERCOSIII网络,集束帧报文的传输跟随主站的时钟。2、PROFINET IRT使用同步开关控制通信过程。3、EtherNet/IP通过采用CIP Sync同步分发IEEE1588兼容的时钟信息给整个网络。

  【PROFINET 通信】

  PROFINET(“过程现场网络”)按照对确定性的等级需求不同而采用不同的实现方法:PROFINET RT通常用于软实时或没有实时性要求的应用场合,而PROFINET IRT则针对硬实时应用。该技术由SIEMENS和PROFIBUS用户组织PNO的成员公司共同开发,它是基于以太网之上的PROFIBUS DP以及PROFINET I/O的成功应用:指定所有I / O 控制器之间的数据传输以及参数化,诊断,和网络的布局。为了覆盖不同的性能等级,PROFINET使得各协议和服务可自由采用生产者/消费者原则。高优先级的有效载荷数据通过以太网协议并以以太网帧VLAN的优先次序直接发送,而诊断和配置数据发送使用UDP/ IP。这使系统实现循环周期时间约10毫秒的I/O应用。对于时钟同步周期时间要求低于毫秒及运动控制应用,则提供PROFINET IRT,它实现了一个分时复用的硬件同步开关-所谓的动态帧包装(DFP),为用户提供一个新的PROFINET循环时间的优化设计并于2009年发布此特性。

  【POWERLINK 通信】

  POWERLINK最初由B&R开发并于2001年使用,EthernetPOWERLINK标准化组织(EPSG)是一个独立的用户组织并且遵循民主章程“,自2003年以来,负责该技术的进一步发展。POWERLINK是一个完全免专利费的技术,独立于供应商,采用纯软件方式的协议,却可达到硬实时的性能。在2008年,EPSG提供了该技术的开源版本。POWERLINK集成了完整的CANopen机制,并充分满足IEEE802.3以太网标准,即该协议提供了所有标准的以太网功能特点包括交叉通信和热插拔,允许网络以任意方式进行拓扑。它是如何工作?POWERLINK使用时隙和轮询混合方式来实现数据的同步传输。为进行协调,网络中指定PLC或工业PC作为管理节点(MN)。该管理节点运行周期性时隙的调度并据此来同步所有网络设备,并控制周期性数据通信。所有其他设备运行为受控节点(CN)。在每个同步周期阶段,MN以固定的时间序列逐次向CN发送“轮询请求帧PReq”。每个CN以PRes方式立即响应这个请求并传输数据,”所有其他节点可以侦听这个响应。一个POWERLINK的周期包括三个部

  分。在开始阶段,MN发送了循环启动SoC帧给网络中的所有节点,以同步网络中的所有设备。抖动大约20纳秒。周期性同步数据交换发生在第二个阶段,多路复用技术在这个阶段中可用于优化网络带宽。第三个阶段的标志是异步启动信号SoA,用于传输大容量,非时间苛刻的数据包。例如:用户数据或TCP/IP帧,均可在异步阶段进行传输。POWERLINK分为实时和非实时域。在异步阶段的数据传输支持标准的IP帧,通过路由器将实时域和非实时域数据隔离以确保数据安全。 POWERLINK非常适合各种自动化应用,包括I/O,运动控制,机器人任务,PLC与PLC间的通信,以及显示任务。多种共享特性:CANopen和POWERLINK OSI模型。

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