工業以太網與實時以太網協議剖析
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4.2 Profinet
Profinet由Siemens 開發并由Profibus International支持，目前它有3個版本，第一個版本定義了基于TCP/UDP/IP的自動化組件。采用標準TCP/IP+以太網作為連接介質，采用標準TCP/IP協議加上應用層的RPC/DCOM來完成節點之間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統Profibus系統和新型的智能現場設備。現有的Profibus網段可以通過一個代理設備（proxy）連接到Profinet網絡當中，使整套Profibus設備和協議能夠原封不動地在Profinet中使用。傳統的Profibus設備可通過代理與Profinet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現COM對象之間的調用。它將以太網應用于非時間關鍵的通信，用于高層設備和Profibus-DP現場設備技術之間，以便將實時控制域通過代理集成到一個高層的水平上。
第二個版本中，Profinet在以太網上開辟了兩個通道：標準的使用TCP/IP協議的非實時通信通道，另一個是實時通道，旁路第三層和第四層，提供精確通信能力。該協議減少了數據長度，以減小通信棧的吞吐量。為優化通信功能，Profinet根據IEEE 802.p定義了報文的優先級。最多可用7級。
Profinet第三版采用了硬件方案以縮小基于軟件的通道，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間。為連接到集成的以太網交換機，Profinet第三版還開始解決基于IEEE 1588同步數據傳輸的運動控制解決方案。
4.3 Ethernet/IP
Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太網工業協議）由ROCKWELL定義，并由ODVA和ControlNet International支持。EtherNet/IP網絡采用商業以太網通信芯片、物理介質和星形拓撲結構，采用以太網交換機實現各設備間的點對點連接，能同時支持10Mbps和100Mbps以太網商業產品，Ethernet/IP協議由IEEE 802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組和控制與信息協議CIP（Control Information Protocol）等三個部分組成，前面兩部分為標準以太網技術，其特色就是被稱作控制和信息協議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設備間的互操作性，采用了ControlNet和Devicenet控制網絡中相同的CIP，CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現信息的對等傳輸，其控制部分用來實現實時I/O通信，信息部分則用來實現非實時的信息交換。
4.4 EPA
EPA是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、大連理工大學、清華大學等單位聯合成立了浙江中控技術股份有限公司總裁金建祥教授為組長的標準起草工作小組起草。
EPA系統中，將控制網絡劃分為若干個控制區域，每個控制區域即為一個微網段。每個微網段通過EPA網橋與其他網段進行分隔，該微網段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進行，而不會占用其他網段的帶寬資源。
處于不同微網段內的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網橋進行轉發控制。EPA網橋至少有2個EPA接口，當它需要轉發報文時，首先檢查報文中的源IP地址與目的IP地址、EPA服務標識等信息，以確認是否需要轉發，并確定報文轉發路徑。因此，任何廣播報文的轉發也將受到控制，而不會發生采用一般交換機所出現的廣播風爆。
而連接在每個微網段的EPA設備，通過其內置的通信棧軟件，分時向網絡上發送報文，以避免兩個設備在同一時刻向網絡上同時發送數據，避免報文碰撞，用戶可以預知其發出的信息在可預知的時間內到達目的站點。
EPA系統中，支持IEEE 1588的時間同步，還支持標準以太網幀與EPA實時以太網幀的并行傳輸。 4.5 EtherCAT
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德國倍福Beckhoff公司開發，并由EtherCAT技術組（EtherCAT Technology Group，ETG）支持。它采用以太網幀，并以特定的環狀拓撲發送數據。網絡上的每一個站均從以太網幀上取走與該站有關的數據，或并插入該站本身特定的輸入/輸出數據。網絡內的最后一個模塊向第一個模塊發送一個幀以形成和創建一個物理和邏輯環。EtherCAT還通過內部優先級系統，使實時以太網幀比其他的數據（如組態或診斷數據，等）具有較高的優先級。組態數據只在傳輸實時數據的間隙（如間隙時間足夠傳輸的話）中傳輸，或者通過特定的通道傳輸。EtherCAT還保留標準以太網功能，并與傳統IP協議兼容。為了實現這樣的裝置，需要專用ASIC芯片，以集成至少兩個以太網端口，并采用基于IEEE 1588的時間同步機制，以支持運動控制中的實時應用。
4.6 Powerlink
Powerlink由貝加萊B&R公司開發，并由Ethernet Powerlink標準化組（Ethernet Powerlink Standardisation Group，EPSG）支持。
Powerlink協議對第三、四層的TCP（UDP）/IP棧進行了擴展。它在共享式以太網網段上采用槽時間通信網絡管理（Slot Communication Network Management，SCNM）中間件控制網絡上的數據流量。SCNM采用主從調度方式，每個站只有在收到主站請求的情況下，才能發送實時數據。因此，在一個特定的時間，只有一個站能夠訪問總線，所以沒有沖突，從而確保了通信的實時性。為此，Powerlink需采用基于IEEE 1588的時間同步。在其擴展的第二版中，包括了基于CANopen的通信與設備行規。
4.7 VNET/IP
VNET/IP由日本橫河Yokogawa開發，該協議的實時擴展是實時可靠數據報協議（Real-time & Reliable Datagram Protocol，RTP），在傳輸層采用UDP協議，但在IP棧協議層進行了優化以實現冗余網絡聯結。
4.8 TCnet
TCnet是由日本東芝Toshiba開發的，它在MAC進行了實時擴展，并基于標準以太網開辟了兩個冗余通道連接。
4.9 Modbus-IDA
Modbus/TCP由施耐德電氣定義，并由Modbus-IDA支持，它在TCP/IP網絡上應用Modbus協議。其實時擴展采用了在UDP上的實時發布者預訂者（Real-time Publisher Subscriber，RTPS）。
Modbus/TCP是Modbus的延伸，它基于以太網和標準TCP/IP協議，直接應用第四層。它定義了一個結構簡單的、開放和廣泛應用的傳輸協議，用于主從式通信。
IDA結構可用于實時和非實時應用。其確定性通信可以通過IDA中間件來實現。中間件包含了標準的Modbus/TCP協議。IDA還采用基于Web的通信應用，提供了水平和垂直的集成，并擴展了Web服務器的應用。
5、結束語
從工業以太網技術發展形勢看，盡管各種工業以太網技術可能會像現場總線國際之爭那樣，出現多協議并存局面，但國際上已形成基本一致看法，工業自動化技術發展不可能離開國際主流信息技術發展，以太網在工業控制系統中的應用必將越來越廣。在實時以太網技術為基礎上，IT領域中很多主流技術必將對工業控制技術的發展起到推動作用。
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