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介绍
本文重点介绍三种广泛使用的协议，并清楚地解释它们在技术结构和设计理念上的差异。
- 以太网
- PROFINET
- 以太网/IP
（※评估和实施方法将在另一篇文章中详细说明。）
什么是工业以太网？
- 这是一种尽力而为的通信方式，延迟会根据负载和切换过程而变化。
- 可能会出现丢帧（丢包）现象。
- TCP/UDP/IP 并非为实时控制而设计。
- 实时通信
- 同步控制
- 冗余配置
- 诊断功能
■ 理解工业以太网的关键点：OSI 模型
工业以太网以 OSI 的每一层为基础，并针对每种协议扩展和优化特定层，从而实现实时性能和可靠性。
工业以太网中的 OSI 参考模型：
| 等级制度 | 姓名 | 工业以太网的作用 |
| 7 | 应用 | 通信数据内容（设备控制、状态、设置） |
| 6 | 推介会 | 数据编码、压缩和加密 |
| 5 | 会议 | 建立、维护和终止通信 |
| 4 | 运输 | 通信质量控制（TCP/UDP），数据传输保证。 |
| 3 | 网络 | 通过 IP 地址路由（确定数据包目的地） |
| 2 | 数据链路 | 通过 MAC 地址进行数据传输，创建以太网帧 |
| 1 | 物理 | 电缆（Cat5e/6 等）、连接器和物理信号传输。 |
工业以太网协议所使用的层：
以太网协议各特性：
| 协议 | 等级制度 | 特点 |
| 以太网 | 2 | 无需使用IP即可实现高速传输 |
| PROFINET | RT/IRT 是L2 NRT L3/4 |
RT 和 IRT 的区分使用。 |
| 以太网/IP | 3/4 | 基于标准以太网 |
这些特征差异直接导致以下结果：
- 速度（实时性能）
- 实施成本
- 适用范围
工业网络的基本结构
■ 系统和设备结构
主设备（控制器）：
它在控制整个网络中起着核心作用。
- 启动通信并设置连接参数
- 发送输出数据和接收输入数据
- 沟通管理和终止流程
典型例子：PLC、工业PC
子设备（设备）：
- 响应连接请求并发送和接收必要数据。
- 接收输出数据并发送输入数据
- 网络自通知
- 根据需要发送警报
典型例子：传感器、伺服电机、执行器
■ 沟通方式：周期性沟通与非周期性沟通
连接建立后，主设备和子设备之间会以极短的时间间隔持续交换I/O数据。根据应用场景的不同，这种通信可分为“周期性通信”和“非周期性通信”。
周期性沟通（周期性沟通）
应用：用于实时控制
- 对于需要实时性能的应用，例如电机控制和I/O控制，至关重要。
非循环通信
用途：配置、诊断和事件管理
- 用于读取和写入配置数据、诊断信息和意外事件通知。
■支持实时性能的关键概念：同步（时钟）
在工业系统中，“所有设备都按照同一时间标准运行”这一点至关重要。
例如，如下图所示，如果多个设备在不同的时间 Δt₁、Δt₂ 和 Δt₃ 获取数据，则控制器 (PLC) 接收到的信息将不是来自同一时间的数据，而是时间上交错的“单独的快照”。
结果：
- 位置错位的发生
- 错误的控制判断
- 特别是运动控制中的关键同步误差
这可能会导致诸如此类的问题。
因此，在工业以太网中，设备间时钟同步机制是一个至关重要的要素。
三种协议的技术比较总结
| 以太网 | PROFINET | 以太网/IP | |
| 运营组织 | 贝乔夫 / ETG（EtherCAT 技术集团） |
西门子 / PNO（PROFIBUS & PROFINET International） |
洛克威尔 / OVDA（开放设备网络供应商协会） |
| 沟通方式 | 摘要帧（子设备在帧中读取和写入数据） | 基于第 2 层的实时通信 (RT/IRT) | CIP：显式（TCP）/隐式（UDP）通信模型 |
| 主要用途 | 运动控制，超高速控制 | 通用型FA、过程控制以及广泛的工业应用 | 工厂自动化、PLC网络、机器人 |
| 周期 | 约 31.25μs 级（取决于具体实现，速度非常快） | RT：几毫秒 IRT：31.25μs（取决于具体实现方式，TSN/IRT） |
通常情况下，延迟级别为 10 毫秒（基于 UDP）。 |
| 同步方法 | 分布式时钟（DC） | IRT：精确同步（PTCP） | CIP 同步（IEEE1588） |
| 设备型号 | PDO/SDO（基于 EtherCAT 的 CANopen） | 插槽/子插槽（GSDML） | 类/实例/属性对象模型 |
| 拓扑 | 线型、树型、环型（低延迟） | 线、星、环（MRP/MRPD） | 线、星、环（DLR） |
| 优势 | 简而言之，就是高速低延迟/硬件处理。 | 多种类别和诊断功能，高度互操作性 | 广泛应用于标准以太网基础设施，易于理解。 |
接下来，我们将解释每项技术特点。
1. EtherCAT （超高速、低延迟导向型）
■ EtherCAT 概述
- 由 Beckhoff Automation 开发，ETG 管理。
- 它运行于第 2 层，没有 IP/TCP/UDP 开销。
- 周期时间：约31.25微秒（取决于具体实现方式）
- 同步精度：±1μs 或更小
■ 网络配置
- 主设备（主控设备）和 多个子设备（从设备）
- 该子设备配备了ESC （ EtherCAT 从控制器），并使用专用硬件进行高速处理。
- 虽然线路配置是基本设置，但它也支持使用环形结构的冗余配置。
图： EtherCAT网络配置图
EtherCAT 最显著的特点是“即时处理”。单个帧在经过所有设备的过程中都会被处理，每个设备都会在传输过程中读取和写入数据。由于处理工作由专用硬件（ESC）完成，无需 CPU 参与，因此延迟极低。
图： EtherCAT网络传输图像
■ 相关协议转换：EtherCAT（IEC 61784-2-12）
• CoE （CAN over EtherCAT）：通过EtherCAT帧隧道化，使CANopen通信得以使用。
• FoE （File over EtherCAT）：一种通过 EtherCAT 传输文件的协议。
EoE （以太网 over EtherCAT）：一种封装和传输常规以太网帧（例如TCP/IP ）的机制。
图：主设备（MDevice）的EoE协议转换
2. PROFINET （灵活性/互操作性）
■ PROFINET 概述
- 由西门子开发，PNO 管理。
- 基于标准以太网
- 根据应用场景选择RT/IRT/NRT。
- 生产者/消费者模式
■ 网络配置
- 灵活支持各种拓扑结构，例如线型、星型和混合型拓扑结构。
- 它还支持通过MRP （媒体冗余协议） / MRPD（IRT）实现环冗余。
- PROFINET的通信性能按“一致性等级( CC )”进行分类。
CC-A ：基本实时，所有IT服务（例如TCP/IP ）均可无限制使用。
CC-B ：为通用FA的RT添加网络诊断和其他功能。
CC-C （ IRT ）： 31.25 μs级运动应用
■ 沟通类型
- NRT（非实时）：记录读/写：非周期性地发送和接收参数和设置。报警：通知设备异常情况。
- RT：周期性I/O通信，通常为1 毫秒
- IRT（等时性）：时间同步的高速周期性通信，通常为 31.25 微秒。
→ 实现了高度灵活性、详细的诊断和高度互操作性。
3. 以太网/IP （ IT兼容性/标准化）
■以太网/IP概述
- EtherNet/IP 由 ODVA（开放设备网络供应商协会）管理。
- 它采用 CIP（通用工业协议），该协议运行在 TCP/UDP/IP（L3/L4）之上的一层。
- 面向对象模型
■ 网络配置
- 支持线型、星型和环形拓扑结构。
- 支持使用DLR （设备级环）的高速冗余。
主设备 →扫描器：作为控制器运行，通常发起请求。
子设备 →适配器：响应该请求的设备。
■ EtherNet/IP 的关键特性：“面向对象模型”
每个设备都被定义为由“类”、“实例”、“属性”和“服务”组成的对象的集合。
- 类：函数类型（例如，恒等函数、汇编函数）
- 实例：该类的特定实例。
- 属性：每个实例所具有的特定值。
- 服务：操作细节，例如读写。
这使得设备的功能结构非常清晰，从而实现了与不同制造商之间的高度兼容性。
■ 沟通类型
显式消息连接
- 使用TCP ，读取和写入配置值，执行自我诊断，并记录日志。
- 分别发出一次“读”和一次“写”之类的指令。
隐式消息传递 - I/O 连接
- 它使用UDP 协议，可以实现实时通信，例如循环I/O ，扫描器会定期发送和接收I/O数据。
- EtherNet/IP的关键特性是它能够使用隐式（ UDP ）协议实现高速I/O通信。
总结
工业以太网不仅仅是通信；它是一种能够实现实时控制的系统技术。本文介绍的三种协议分别通过不同的方法来实现这一目标。
| 协议 | 设计理念 | 主要用途 |
| 以太网 | 高速、低延迟 | 运动控制 |
| PROFINET | 灵活性和集成性 | 通用工厂自动化（FA） |
| 以太网/IP | IT集成 | PLC网络 |
作为未来的发展趋势，产业网络将朝着以下方向发展。
- TSN （时间敏感网络）
- 安全（包括符合《社区再投资法案》）
- 与OPC UA集成
换句话说，关键在于“实时性× IT集成×安全性”的融合。
下次，
- 为什么i.MX RT1180适用于工业以太网协议？
- 实际实施和评估程序
我们将详细解释这一点。
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本文重点介绍三种广泛使用的协议，并清楚地解释它们在技术结构和设计理念上的差异。
- 以太网
- PROFINET
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（※评估和实施方法将在另一篇文章中详细说明。）
（阅读时间：15分钟）