EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、POWERLINK、Sercos III和TSN这六种工业以太网协议在工业自动化领域应用较多，昌晖在本文介绍这几种常见工业以太网协议特点和应用。
工业以太网指应用于工业自动化领域的以太网技术。它在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，其材质的选用、产品的强度和适用性方面均能满足工业现场的需要，即达到了环境适应性、可靠性、安全性、安装方便等工业需求标准。
以太网无处不在，并且具有成本效益，它采用了公共物理链路且速度更快。但支持TCP/IP的以太网通信通常具有不确定性，反应时间通常为100ms。因此，工业以太网需要做一些修改，以满足工业标准需求，比如工业以太网协议使用的是经过修改的介质访问控制(MAC)层来实现非常低的延迟和确定性响应。再加上以太网使系统具备灵活的网络拓扑和更多的节点数量，近几年来，它在工业中的应用逐渐得到普及，应用范围变得越来越广泛。
但在不同工业设备制造商的推动下，多种不同的工业以太网协议呈现出了百家争鸣的局面，这些协议包括EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Sercos Ⅲ以及时间敏感网络(TSN)等。下面大家随昌晖仪表来一起看一看这几种主流工业以太网协议的详细情况。
EtherCAT：近期发展迅速
EtherCAT最初由德国倍福自动化公司(Beckhoff Automation)开发，自从2003年以来，它一直处于EtherCAT技术协会(ETG)框架之下，而EtherCAT技术协会是一个由大约7000家成员公司组成的工业现场总线组织。它是一项开放但不开源的技术，也就是说，你可以任意适用该项技术，但如果要进行相关设备的开发，需要向倍福自动化公司获取相关授权。
EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中(参见图1)。由于这个过程在硬件中处理，因此，整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟，从而可以实现极短的响应时间。
图1 过程数据插入至报文中
EtherCAT是MAC层协议，对于如TCP/IP、UDP、Web服务器等任何更高级别的以太网协议而言都是透明的。
在拓扑方面，EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器数量。也就是说，EtherCAT可连接系统中多达65,535个节点，而EtherCAT主站可以是标准以太网控制器，从而简化网络配置。每个从节点延迟较低，因此，EtherCAT可提供灵活、低成本，且兼容网络的工业以太网解决方案。
图2 近9年来EtherCAT节点数量增长情况
这几年EtherCAT发展迅速，据ETG最新的数据，除模块化I/O设备外，ETG估计全球EtherCAT节点数量为5910万个，而近期增长尤为明显。自2014年以来，EtherCAT节点数量呈指数级增长，仅2022年就增加了1840万个节点。
EtherNet/IP：用微处理器即可实现
EtherNet/IP工业以太网协议最初由罗克韦尔自动化公司(Rockwell)研发，由ODVA管理，可应用在程序控制及其他自动化的应用中。与作为MAC层协议的EtherCAT不同，EtherNet/IP是TCP/IP上的应用层协议。EtherNet/IP使用标准以太网物理层、数据链路层、网络层和传输层，也就是说，它采用的是商业以太网通信芯片、物理介质和星型拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品。
EtherNet/IP协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和通用工业协议(CIP)等3个部分组成。CIP为工业自动化控制系统提供一组通用的消息和服务，可用于多种物理介质。例如，CAN总线上的CIP称为DeviceNet，专用网络上的CIP称为ControlNet，而以太网上的CIP称为EtherNet/IP。EtherNet/IP通过一个TCP连接、多个CIP连接建立从一个应用节点到另一个应用节点的通信，可通过一个TCP连接来建立多个CIP连接。
由于EtherNet/IP使用以太网的物理层网络，并架构了TCP/IP的通信协议上，因此用微处理器上的软件即可实现，不需要特别的ASIC或FPGA。
EtherNet/IP使用标准以太网和交换机，因此它在系统中拥有的节点数不受限制。这样，就可以跨工厂车间的多个不同终点部署一个网络。
EtherNet/IP提供完整的生产者-消费者服务，并可实现非常高效的从站对等通信。
EtherNet/IP兼容多个标准互联网和以太网协议，但其实时和确定性功能比较有限。因此，它可以用在一些可容许偶尔出现少量非确定性的自动化网络当中。
PROFINET：标准以太网兼容，可一同组网
PROFINET是一个开放式的工业以太网通信协议，主要由西门子和PROFIBUS&PROFINET国际协会所提出。PROFINET应用TCP/IP及信息科技的相关标准，是实时的工业以太网，自2003年起，它就是IEC 61158及IEC 61784标准中的一部分。PROFINET=PROFIbus+etherNET，把Profibus的主从结构移植到以太网上，所以PROFINET会有Controller和Device，他们的关系可以简单的对应于PROFIbus的Master和Slave。
它具有三种不同类别：PROFINET A 类可通过代理访问PROFIBUS网络，借助TCP/IP上的远程过程调用来桥接以太网和 PROFIBUS。其周期时间约为 100ms，主要用于参数数据和循环I/O，典型应用包括基础设施和楼宇自动化；PROFINET B类也称为PROFINET实时(PROFINET RT)，它引进了基于软件的实时方法并将周期时间减少至大约10ms，B类通常用于工厂自动化和过程自动化；PROFINET C类(PROFINET IRT)是等时实时传输，需要使用专用硬件才可将周期时间减少至1ms以下，从而在实时工业以太网中提供运动控制操作所需的性能。
另外，由于PROFINET是基于以太网的，所以可以有以太网的星型、树型、总线型等拓扑结构，而PROFIbus只有总线型，所以PROFINET就是把PROFIbus的主从结构和etherNET的拓扑结构相结合的产物。
PROFINET RT 可用于PLC型应用，而PROFINET IRT非常适合运动应用。分支和星型是PROFINET的常用拓扑结构。若要使 PROFINET 网络实现所需的系统性能，就需要谨慎进行拓扑规划。
POWERLINK：真正的开源工业以太网协议
POWERLINK是在标准以太网上的实时通信协议，是由Ethernet POWERLINK标准化组(EPSG)管理的开放通信协议，是由奥地利自动化公司贝加莱集成自动化公司(Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik，B&R)开发，在2001年11月推出第一版。以太网POWERLINK 在IEEE 802.3 上采用，因此可自由选择网络拓扑、交叉连接和热插拔。
POWERLINK是Ethernet的扩展，混合了轮询以及时间切片(timeslicing)机制，可以提供：
①时间关键资料可以确保在非常短的等时(isochronic)周期中发送，具有可规划的回应时间。
②网络上的所有节点都可以时间同步(Time-synchronisation)，精度可以到微秒以下。
③比较没有时间关键性的资料传输是在一个专属的异步通道中传输。
④目前的实现方式其循环时间可以到200 µs以下，其时间精度(jitter)小于1 µs。
POWERLINK 主站或“托管节点”通过数据包抖动将时间同步控制在数十纳秒范围内。此类系统适用于从PLC与PLC通信和可视化到运动和I/O 控制的各种自动化系统。
值得一提的是，POWERLINK是一个可以在普通以太网上实现的方案，无需ASIC芯片，用户可以在各种平台上实现POWERLINK，如FPGA、Arm、x86 CPU等，只要有以太网的地方，就可以实现POWERLINK。而且它所有的源码都是公开的，任何人都可以免费下载和使用(就像 Linux一样)。因此，实施POWERLINK的障碍很小。
POWERLINK的源码里包含了物理层(标准以太网)、数据链路层(DLL )、应用层(CANopen)三层完整的代码，用户只需将POWERLINK的程序在已有的硬件平台上编译运行，就可以在几分钟内实现POWERLINK。
它定义了一个精简的、实时性极高的数据链路层协议，同时定义了 CANopen为应用层协议。这样用户在实现了POWERLINK的同时，也实现了CANopen。也就是说，CANopen是标准的构成部分，可以方便客户从以前的现场总线协议轻松进行系统升级。
Sercos III：主要用于伺服控制器
Sercos已在工厂自动化应用(适合机械工程和建筑)领域风靡了30多年。Sercos III是其第三代协议，制定于2003年。这种具有高效性和确定性的通信协议可将Sercos接口的实时数据交换与以太网相融合，提供实时以太网和标准TCP/IP通信，以打造低延迟工业以太网。
与EtherCAT非常相似，从Sercos III通过快速提取数据并将其插入以太网帧的方法来处理数据包，从而实现低延迟。Sercos III将输入数据和输出数据分成两个帧。周期时间从31.25微秒开始，与EtherCAT和PROFINET IRT一样快。
一个Sercos III主器件可控制多个Sercos III从属器件(如驱动器、传感器以及模拟和数字I/O器件)，如图3所示，一个主器件可控制多达511个从属器件(即从节点)，它主要用于伺服驱动器控制。
图3 范例性Sercos Ⅲ网络环形拓扑结构
Sercos III支持环型或线型拓扑，它的一个关键优势是支持线型拓扑结构旁的环型拓扑结构，使用环型拓扑的一个主要优点是通信冗余。如果以太网线缆发生故障，那么Sercos III网络可切换到线型拓扑结构，使主器件能继续与网络中的所有从属器件进行通信。一旦以太网线缆已修复，主器件就可以把Sercos III网络从线型拓扑结构切换到环型拓扑结构。
TSN：有望取代总线的技术
2006年，IEEE 802.1工作组成立了AVB音视频桥接任务组，主要解决以太网中音频视频数据实时同步传输的问题。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，同时将任务组名称更名为：TSN工作组。
时间敏感型网络 (TSN) 就是TSN工作组开发的一套协议标准，旨在非确定性的以太网络中实现确定性的最小时间延迟，它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输。
图4 TSN标准
除了实时能力和确定性之外，TSN还有另一项巨大技术优势，那就是网络扩展能力，这使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率运行。不过，这需要细致(因而更复杂)的网络配置。1Gbps及以上的传输速率是当今网络的逻辑演进。1Gbps为新型(物联网)应用开辟了道路，有助于克服数据密集型应用中的性能瓶颈。但是，只有当终端和以太网交换机均支持TSN功能时，TSN作为一个系统才能发挥全部效用。
TSN是一种局域网 (LAN) 级解决方案，可与非TSN以太网一起工作，但只有在TSN LAN内部才能保证及时性。用户可以根据TSN解决的用例对 TSN 标准进行分组：通用的时间视图、保证极大延迟，或与背景流量或其他流量共存。与任何流行的标准一样，TSN的标准工具箱也在不断发展。
图5 ISO/OSI参考模型
其实，TSN调节的是ISO/OS参考模型第2层中的数据通信，严格地说，TSN代表以太网中支持实时性的第2层，不是完整的实时协议。也就是说，TSN不会取代PROFINET、EtherNet/IP及类似的以太网协议。相反，这些工业以太网协议长期而言将支持第2层TSN，因此传统工业以太网协议不会消失，但未来将建立在TSN之上。但是，现场总线则可能会被以太网永久性取代。
结语
工业自动化的成功依赖于高可靠且高效的通信网络，这种网络可将公尺长的所有部分都连接起来，以实现更高效运转。以太网的普及度和适用性将持续次级传统工厂升级到工业以太网。现在的工业以太网协议并没有统一的标准，每种协议都各有利弊。随着工业自动化的发展，将来工业以太网协议有望不断发展融合，适应工厂设备的连网和自动化。
