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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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  【EtherNet/IP 通信】

  2000年初始发布,EtherNet / IP是一个开放的工业标准,它由艾伦-布拉德(罗克韦尔自动化)和ODVA的开发(开放DeviceNet供应商协会)。“工业以太网协议“本质上是一个CIP(通用工业协议)-已被使用的ControlNet和DeviceNet上的以太网的数据传输协议。EtherNet/IP通常是在美国市场上得到非常好的应用,主要是使用罗克韦尔控制系统。它如何工作?EtherNet/IP在标准以太网硬件上运行,并同时使用TCP/IP和UDP/IP进行数据传输。由于CIP协议支持生产者/消费者模式,EtherNet/IP采用不同的通信机制来处理,例如周期性轮询,时间或事件触发,多波或简单的点对点连接,CIP应用协议分为“隐性的”I/O信息和“显性的”用于配置和数据采集的请求/应答报文。当显性信息嵌入到TCP帧,实时应用数据通过UDP发送,因为后者格式更紧凑且开销小。形成一个中心星型网络拓扑结构,交换机通过点对点挂钩连接方式防止数据碰撞。EtherNet/IP网络通常实现10mS左右的软实时性能,而CIP Sync和CIP Motion及精确的节点同步则通过在IEEE1588标准定义的分布式时钟方法可以达到极低的循环周期和抖动,使得它能够用于伺服电机的控制与驱动。

  【EtherCAT 通信】

  EtherCAT(以太网控制自动化技术)Beckhoff自动化。这项技术的所有用户自动成为EtherCAT技术协会(ETG)的成员。它是如何工作?EtherCAT是基于集束帧方法:EtherCAT主站发送包含网络所有从站数据的数据包,这个帧按照顺序通过网络上的所有节点,当它到达最后一个帧,帧将被再次返回。当它在一个方向上通过时节点处理帧中的数据。每个节点读出数据并将响应数据插入到帧中。为了支持100 Mbit/s的波特率,必须使用专用的ASIC或基于FPGA的硬件来高速处理数据。因此,EtherCAT网络拓扑总是构成一个逻辑环。一个EtherCAT帧结构所有给每个节点的指令都被包含在一个EtherCAT数据报文的有效载荷区。每个EtherCAT帧由一个头和几个EtherCAT的命令构成。每个命令包括它自己的头,给节点的指令数据,及一个工作计数器。高达64 KB的可配置地址空间来配置从站。寻址处理通过自动递增方式,即每个从站可以处理16位地址域,从站也可以在网络初始阶段以指派方式来实现分布式的站点寻址。EtherCAT过程同步:每个从站连接由主站提供的一个类似于IEEE1588的实时时钟技术进行同步。从站设备可以是实时也可以是非实时机制,这更多取决于硬件。基于实时时,控制信号可以高精度同步。在物理层,EtherCAT协议不仅在以太网上运行,也可以采用LVDS(低压差分信号传输)。这个标准被Beckhoff使用在其端子技术上,典型的是采用带有标准以太网接口的PC作为一个EtherCAT主站。相较于POWERLINK或PROFINET等协议,EtherCAT仅贯穿OSI 7层模型中的1-3层,因此,为了实现与其它系统相同的应用功能,必须加载额外的协议层(CoE,EoE)。

  【SERCOSIII 通信】

  这是一个免费提供的面向数字驱动接口的实时通信标准,SERCOSIII不仅有特定的物理层连接的硬件架构,同时SERCOS接口的协议结构和应用规范的定义也是特定的。SERCOSIII是SERCOS的第三代,SERCOS于1985年被推向市场,是一个标准的遵循IEEE802.3的数据传输协议,这个通信系统最初使用在基于运动控制的自动化系统,一个已注册的协会:SERCOS国际协会,支持这项技术的发展并保持标准的一致性。它如何工作?SERCOSIII在主站和从站均采用特定硬件,这些SERCOSIII硬件减轻了主CPU的通信任务,并确保了快速的实时数据处理和基于硬件的同步,从站需要特殊的硬件,而主站可以基于软件方案,SERCOS用户组织提供SERCOSIII的IP Core给基于FPGA的SERCOSIII硬件开发者。SERCOSIII采用集束帧方式来传输,网络节点必须采用菊花链或封闭的环形拓扑,由于以太网具有全双工能力,菊花链实际上已经构成一个独立的环。因此对于一个环形拓扑实际上相当于提供一个双环,使得它允许冗余数据传输。直接交叉通信能力是由每个节点上的两个端口来实现,在菊花链和环形网络,实时报文在他们向前和向后时经过每个节点,因此,节点具有在每个通信周期中相互通信两次而无需通过主站的能力,无需经过主站对数据进行路由。除了实时通道,它也使用时间槽方式进行无碰撞的数据传输,SERCOSIII也提供可选的非实时通道来传递异步数据。节点通过硬件层进行同步,在通信循环的第一个报文初期,主站同步报文MST被嵌入到第一个报文来达到这个目的,确保在100nS以下的高精度时钟同步偏移,基于硬件的过程补偿了运行延迟和以太网硬件所造成的偏差,不同的网段使用不同的循环时钟仍然可实现所有的同步运行。

  【用户组织】

  用户独立是总体评价一个系统的另一个关键因素,任何与品牌权益或专利相关的悬而未决的问题都可能会限制用户自己的开发,这是决定是否使用系统的一个关键考量因素。今后会引发的法律问题应予以预先规避:这需要深入了解始创者与用户组织的不同解决方案。PROFINET用户组织PNO,拼写为PROFIBUS Nutzerorganisatione. V.运行一个机构来管理合作项目并向成员传递信息及其它感兴趣的内容。PROFIBUS和PROFINET产品认证中心隶属于该机构,并于1996年4月24日通过章程-定义其权利和义务,且开放给所有成员公司、协会和机构、那些对于PNO感兴趣的设备供应商、用户、系统解决方案供应商或PROFIBUS及PROFINET网络运营商。POWERLINK - EPSG:Ethernet POWERLINK标准化组(EPSG)成立于2003年。作为一个独立的组织,是由在驱动器和自动化领域的各个厂商共同发起建立的。该组织的目标是将由B&R在2001年推出的这项技术进行标准化和持续的开发。EPSG也与标准化组织如CiA及IEC等合作。EPSG是一个按照瑞士民法注册的协会组织。EtherNet / IP网络 - ODVA:ODVA是所有DeviceNet和EtherNet/IP的用户联盟。该组织参与这一总线的持续发展和进一步的推广。主要在美国和亚洲,也包括欧洲。该组织活动的主旨是开发和推广CIP及其它基于此的协议。每个用户不仅可以应用这项技术,也可受邀加入对其持续发展作出贡献的特别兴趣小组(SIG)。 ODVA还积极参加其他标准化机构和行业协会。该组织的章程相对复杂。EtherCAT技术 - ETG:EtherCAT技术协会是由用户、OEM厂商以及其它自动化组件供应商共同建立的一个论坛。该组织的目的是提供支持和将EtherCAT作为一个开放技术对其收益进行宣传。所有的合作协议必须与Beckhoff自动化直接签署。EtherCAT技术协会位于德国纽伦堡,是一个“非注册协会”,它是一个没有按照德国民法法典注册的机构。SERCOS III – sercos International e.V.:是一个在德国美因河畔法兰克福联邦注册的协会,这个协会的成员是由制造商和控制、驱动系统的用户,以及其它自动化组件厂商、研究机构和其它协会共同成立的。在北美及亚洲有分支机构,总部设在斯图加特大学并且有一个认证实验室。

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