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【沃虎干貨】九大工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議詳解

2024-08-30 04:08:18 ? 387

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基于以太網(wǎng)技術(shù),為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的特殊要求,對傳統(tǒng)以太網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化和拓展,以實(shí)現(xiàn)工業(yè)場景對實(shí)時性、可靠性和安全性的高標(biāo)準(zhǔn)需求。我們?nèi)粘J褂玫腡CP/IP以太網(wǎng)通信,其響應(yīng)時間大約為100毫秒,存在不確定性,不適合工業(yè)應(yīng)用。為此,在眾多大型工業(yè)設(shè)備制造商的推動下,涌現(xiàn)出了多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,包括EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP/IP、POWERLINK、SercosⅢ以及時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)等。下面,讓我們共同探討這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

1

EtherCAT-倍福


開放但不開源的技術(shù),也就是說,你可以任意適用該項技術(shù),但如果要進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的開發(fā),需要向倍福自動化公司獲取相關(guān)授權(quán)。靈活、低成本,近期發(fā)展迅速。EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制,通過該項技術(shù),無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,將其解碼,之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT是MAC層協(xié)議,對于如TCP/IP、UDP、Web服務(wù)器等任何更高級別的以太網(wǎng)協(xié)議而言都是透明的。在拓?fù)浞矫妫珽therCAT幾乎支持任何拓?fù)漕愋?,包括線型、樹型、星型等。


2

CC-Link IE TSN-三菱機(jī)電



CC-Link IE TSN(CC-Link Industrial Ethernet Technology for Synchronization and Time Sensitive Networking)由三菱電機(jī)公司主導(dǎo)開發(fā)的,是 CC-Link 協(xié)議的一個演進(jìn)版本,結(jié)合了以太網(wǎng)技術(shù)和時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的特性。CC-Link IE TSN 將這些特性與 CC-Link 的優(yōu)勢相結(jié)合,為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)帶來了以下好處:實(shí)時性和確定性:通過 TSN 技術(shù),CC-Link IE TSN 能夠保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸,滿足嚴(yán)格的時間要求。多協(xié)議共存:支持多種以太網(wǎng)協(xié)議在同一網(wǎng)絡(luò)中共存,實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備和系統(tǒng)的集成。時間同步:確保整個網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有精確的時間同步,有助于協(xié)同操作和事件記錄。高可靠性:采用了冗余鏈路、容錯機(jī)制和故障診斷功能,提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。安全性:提供了安全機(jī)制來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問和數(shù)據(jù)篡改。


3

EtherNet/IP-羅克韋爾



由羅克韋爾研發(fā),ODVA管理。EtherNet/IP是TCP/IP上的應(yīng)用層協(xié)議。EtherNet/IP使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層,采用的是商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn)對點(diǎn)連接,能同時支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品。由于EtherNet/IP使用以太網(wǎng)的物理層網(wǎng)絡(luò),并架構(gòu)了TCP/IP的通信協(xié)議上,因此用微處理器上的軟件即可實(shí)現(xiàn),不需要特別的ASIC或FPGA。EtherNet/IP使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和交換機(jī),因此它在系統(tǒng)中擁有的節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制。這樣,就可以跨工廠車間的多個不同終點(diǎn)部署一個網(wǎng)絡(luò)。EtherNet/IP提供完整的生產(chǎn)者-消費(fèi)者服務(wù),并可實(shí)現(xiàn)非常高效的從站對等通信。


4

HSE-FF現(xiàn)場總線基金會



HSE(High Speed Ethernet):由FF現(xiàn)場總線基金會于2000年發(fā)布,是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3、TCP/IP協(xié)議族與FFIll的結(jié)合體。FF現(xiàn)場總線基金會明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。其核心部分是鏈接設(shè)備,它是HSE體系結(jié)構(gòu)將Hl(31.25kb/s)設(shè)備連接到100Mb/s的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分,同時具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能。HSE是一種基于Ethernet+TCP/IP協(xié)議、運(yùn)行在100Base-T以太網(wǎng)上的高速現(xiàn)場總線。HSE 的結(jié)構(gòu)是一個增強(qiáng)型的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)模式,底層采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3μ的最新技術(shù)和CS-MA/CD鏈路控制協(xié)議來進(jìn)行介質(zhì)的訪問控制。HSE除了具有高帶寬和更好的開放性之外,靈活的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備冗余形式以及靈活功能塊技術(shù)是其特色技術(shù)。


5

ModbusTCP/IP-施耐德



該協(xié)議由施耐德公司推出,是一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議,它是 Modbus 協(xié)議在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)現(xiàn)。Modbus TCP/IP 將 Modbus 協(xié)議映射到 TCP/IP 協(xié)議棧上,使得 Modbus 設(shè)備可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。這是一種面向連接的方式,每一個呼叫都要求一個應(yīng)答,這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus的主/從機(jī)制一致,但通過工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)大大提高了確定性,改善了一主多從輪詢機(jī)制上的制約。Modbus TCP/IP Modbus 是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的通信協(xié)議,用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和控制。


6

POWERLINK-貝加萊




奧地利自動化公司貝加萊開發(fā),所有的源碼都是公開的,任何人都可以免費(fèi)下載和使用。POWERLINK是Ethernet的擴(kuò)展,混合了輪詢以及時間切片機(jī)制,可以提供:時間關(guān)鍵資料可以確保在非常短的等時周期中發(fā)送,具有可規(guī)劃的回應(yīng)時間;網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)都可以時間同步,精度可以到微秒以下。具有高帶寬、低延遲和實(shí)時性能。它可以提供可靠的實(shí)時通信和同步,用于連接各種工業(yè)設(shè)備和自動化系統(tǒng),如機(jī)器人、PLC(可編程邏輯控制器)、驅(qū)動器、傳感器、控制面板等。POWERLINK可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸和控制信號傳遞,支持多節(jié)點(diǎn)和分布式控制系統(tǒng)。該協(xié)議還提供了靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和擴(kuò)展性,可以適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的工業(yè)自動化系統(tǒng)。它使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件和協(xié)議,并且與其他以太網(wǎng)通信協(xié)議兼容,使得POWERLINK可以與現(xiàn)有的系統(tǒng)集成和互操作。POWERLINK被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域,特別是在機(jī)械制造、自動化生產(chǎn)線、工藝控制以及機(jī)械和設(shè)備控制方面。它提供了高性能、實(shí)時的數(shù)據(jù)通信,有助于提高生產(chǎn)效率和設(shè)備控制精度。


7

PROFINET-西門子


主要由西門子和PROFIBUS&PROFINET國際協(xié)會所提出,是一種基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動化通信協(xié)議。它支持實(shí)時和非實(shí)時通信,能夠處理大量的實(shí)時數(shù)據(jù)和控制信息。PROFINET具有高靈活性和可擴(kuò)展性,可以與現(xiàn)有的自動化設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成。

PROFINET=PROFIbus+etherNET,把Profibus的主從結(jié)構(gòu)移植到以太網(wǎng)上,所以PROFINET會有Controller和Device,他們的關(guān)系可以簡單的對應(yīng)于PROFIbus的Master和Slave。需要注意的是:PROFINET是基于以太網(wǎng)的,所以可以有以太網(wǎng)的星型、樹型、總線型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而PROFIbus只有總線型,所以PROFINET就是把PROFIbus的主從結(jié)構(gòu)和etherNET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的產(chǎn)物。


8

SercosⅢ-德國 Sercos 協(xié)會



Sercos III 協(xié)議是由德國 Sercos 協(xié)會開發(fā)的。Sercos 協(xié)會是一個由多家工業(yè)自動化領(lǐng)域的公司組成的組織,他們共同致力于推動 Sercos 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。一種實(shí)時以太網(wǎng)協(xié)議,它提供了高性能的實(shí)時通信和同步功能,支持高速數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時控制,主要用于伺服控制器。Sercos已在工廠自動化應(yīng)用(適合機(jī)械工程和建筑)領(lǐng)域風(fēng)靡了30多年。SercosIII是其第三代協(xié)議,制定于2003年。Sercos III 協(xié)議采用串行實(shí)時通信技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)控制器與驅(qū)動器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸,支持多種通信模式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它還提供了豐富的功能,如同步控制、參數(shù)設(shè)置、故障診斷等,以滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)的需求。Sercos III 協(xié)議的開發(fā)旨在為工業(yè)自動化領(lǐng)域提供一種標(biāo)準(zhǔn)化的通信解決方案,促進(jìn)不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的互操作性和集成性。通過使用 Sercos III 協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的運(yùn)動控制和自動化系統(tǒng)的集成。Sercos III 協(xié)議是一種用于運(yùn)動控制和工業(yè)自動化的實(shí)時通信協(xié)議。它具有高速、高精度和高可靠性的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、印刷設(shè)備等領(lǐng)域。


9

TSN-多個行業(yè)組織和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)共同推動



TSN(Time Sensitive Networking,時間敏感網(wǎng)絡(luò))并不是由某個特定的公司開發(fā)的,而是由多個行業(yè)組織和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)共同推動的。除了實(shí)時能力和確定性之外,TSN還有另一項巨大技術(shù)優(yōu)勢,那就是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力,這使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率運(yùn)行,TSN是一種有望取代總線的技術(shù)。嚴(yán)格意義上,TSN代表以太網(wǎng)中支持實(shí)時性的第二層,不是完整的實(shí)時協(xié)議。也就是說,TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網(wǎng)協(xié)議。相反,這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議長期而言將支持第二層TSN,因此傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會消失,但未來將建立在TSN之上。但是,現(xiàn)場總線則可能會被以太網(wǎng)永久性取代。TSN 是一種新興的以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),旨在為以太網(wǎng)提供實(shí)時性、確定性和低延遲的通信能力,以滿足工業(yè)自動化、汽車、航空航天等領(lǐng)域?qū)r間敏感應(yīng)用的需求。TSN 的發(fā)展涉及到眾多公司、研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)組織的參與和貢獻(xiàn)。其中一些重要的組織和機(jī)構(gòu)包括 IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)、IEC(國際電工委員會)、IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)等。這些組織致力于制定 TSN 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,推動 TSN 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。許多公司也積極參與到 TSN 的研究和開發(fā)中,包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商、自動化系統(tǒng)供應(yīng)商、汽車制造商等。他們通過合作和創(chuàng)新,推動 TSN 技術(shù)在實(shí)際產(chǎn)品和解決方案中的應(yīng)用。TSN 的發(fā)展是一個多方合作的過程,其目標(biāo)是建立一個開放、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),使不同廠商的設(shè)備和系統(tǒng)能夠互操作,實(shí)現(xiàn)更高效、可靠的實(shí)時通信。這有助于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造和其他時間敏感應(yīng)用的發(fā)展。



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