現階段，我們經常使用的支持TCP/IP的以太網通信反應時間通常為100ms，還需要進一步解決實時性和確定性問題才能廣泛適用于工業場景。在一些工業設備制造商的推動下，產生了很多不同的工業以太網協議，昌暉儀表在本文分別介紹EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP、FF-HSE、EtherCAT、POWERLINK、Sercos III、CC-Link IE TSN和TSN這九種工業以太網協議特點。
1、EtherNet/IP(特點：先進、成熟、兼容、開放)
Ethernet/IP(EtherNet Industry Protocol)是一個適合工業環境應用的協議體系。它建立在標準UDP/IP與TCP/IP協議之上，利用固定的以太網硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業自動化設備定義了一個應用層協議，是通用工業協定(CIP, Control Information Protocol)中的一部分，由主推ControlNet現場總線的羅克韋爾自動化(Rockwell Automation)為以太網進入自動化領域所開發，ODVA協會(Open DeviceNet Vendors Association)主要管理。
EtherNet/IP協議是一種優良的工業以太網方案。由于它采用了和DeviceNet以及ControlNet相同的應用層協議及新的生產者/消費者的通信模式，使得控制網絡設備能夠更有效地傳輸數據，更容易與Internet/Intranet集成。EtherNet/IP的OSI參考模型物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層均與標準以太網相同，特點在于其在傳輸層之上增添了一個封裝層，對來自應用層的數據進行報文格式的封裝，而應用層采用的是CIP協議，滿足其在工業自動化領域的一些功能和服務。
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以太網商用產品，Ethernet/IP的協議由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等3個部分組成，前面兩部分為標準的以太網技術，其特色就是被稱作控制和信息協議的CIP部分。
EtherNet/IP通過一個TCP連接、多個CIP連接建立從一個應用節點到另一個應用節點的通信，可通過一個TCP連接來建立多個CIP連接。由于EtherNet/IP使用以太網的物理層網絡，并架構了TCP/IP的通信協議上，因此用微處理器上的軟件即可實現，不需要特別的ASIC或FPGA。EtherNet/IP使用標準以太網和交換機，因此它在系統中擁有的節點數不受限制，可以跨工廠車間的多個不同終點部署一個網絡。
2、PROFINET(特點：快速、安全、兼容、易用)
PROFINET是PROFIBUS & PROFINET國際組織(PROFIBUS International,PI)定義的開放式工業以太網標準，通過西門子控制系統被廣泛應用于工業自動化和過程控制領域，符合IEEE 802.3規范下的內容，具備自動協商、自動交叉的功能，其通常被認為是PROFIBUS的繼承者，多年的PROFIBUS經驗確保了向全球通用的以太網通信技術(PROFINET)的平穩過渡。
PROFINET應用TCP/IP及信息科技的相關標準，是實時的工業以太網，自2003年起，它就是IEC61158及IEC61784標準中的一部分。PROFINET=PROFIBUS+EtherNet，把PROFIBUS的主從結構移植到以太網上，所以PROFINET會有Controller和Device，他們的關系可以簡單的對應于PROFIBUS的Master和Slave。它具有三種不同類別：PROFINET A類可通過代理訪問PROFIBUS網絡，借助TCP/IP上的遠程過程調用來橋接以太網和PROFIBUS。其周期時間約為100ms，主要用于參數數據和循環I/O，典型應用包括基礎設施和樓宇自動化；PROFINET B類也稱為PROFINET實時(PROFINETRT)，它引進了基于軟件的實時方法并將周期時間減少至大約10ms，B類通常用于工廠自動化和過程自動化；PROFINET C類 (PROFINETIRT) 是等時實時傳輸，需要使用專用硬件才可將周期時間減少至1ms以下，從而在實時工業以太網中提供運動控制操作所需的性能。
PROFINET支持除星形、總線形和環形拓撲結構。為了減少布線費用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便的實現PROFINET的安裝。特別設計的工業電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內形成標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。
PROFINET的一個重要特征就是可以同時傳遞實時數據和標準的TCP/IP數據。在其傳遞TCP/IP數據的公共通道中，各種業已驗證的IT技術都可以使用(如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)。在使用PROFINET的時候，我們可以使用這些IT標準服務加強對整個網絡的管理和維護，這意味著調試和維護中的成本的節省。
3、Modbus TCP(特點：靈活、可靠、高效、擴展)
Modbus TCP協議是基于TCP/IP網絡的Modbus協議的一種變體，1996年由施耐德公司 (Schneider Electric) 推出。它將Modbus協議封裝在TCP/IP協議棧中，使用以太網作為物理層，通過TCP連接來實現設備之間的通信。
Modbus TCP是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設備的Modbus系列通訊協議的派生產品，顯而易見，它覆蓋了使用TCP/IP協議的Intranet和Internet環境中Modbus報文的用途。協議的最通用用途是為諸如PLC的遠程I/O模塊，以及連接其它簡單域總線或I/O模塊的網關服務的。
Modbus TCP協議支持點對點通信，即一對一的通信方式。每個Modbus TCP設備都有一個唯一的IP地址，利用這個IP地址可以直接與特定設備進行通信。Modbus TCP支持多種數據類型，包括整數、浮點數、布爾值等。同時，它也支持多種數據結構，如單個寄存器、多個寄存器和位寄存器等。無論變體如何，所有標準ModBus通信都遵循相同的消息傳遞結構。一切都圍繞著將值存儲在寄存器中然后讀取它們。
Modbus TCP使用TCP/IP以太網在站點間傳送Modbus報文，Modbus TCP結合了以太網物理網絡和網絡標準TCP/IP以及以Modbus作為應用協議標準的數據表示方法。Modbus TCP通信報文包在以太網TCP/IP數據包中。Modbus TCP在Modbus串行通信的基礎上，去除了校驗(由于TCP本身就帶有校驗和)和設備地址(Modbus TCP弱化了設備地址，用IP地址來取代)，再加上MBAP報文頭(占7bytes)。
Modbus TCP提供了一種優雅的解決方案，可促進現代網絡基礎設施上的Modbus通信，從而增強該協議在當今數字化工業環境中的相關性。
4、FF-HSE(特點：開放、通用、模塊、冗余)
基金會現場總線FF(Foundation Fieldbus)最初包含低速總線H1與高速總線H2兩部分，H2的傳輸速率有1Mbps與2.5Mbps兩種，傳輸距離分別為750m與500m。由于技術的低速發展，互聯網技術向控制網絡的滲透，H2還未正式出臺就已經顯得不適應應用的需求而改為高速以太網HSE(High Speed Ethernet)，其傳輸速率為100Mbps，它能支持低速總線H1的所有功能，是對H1的補充和增強，于2000年3月29日發布了HSE的規范。
HSE是一種基于Ethernet+TCP/IP協議、運行在100Base-T以太網上的高速現場總線。其模型采用了OSI參考模型中物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，并在應用層上增加了用戶層。HSE 的結構是一個增強型的標準以太網模式，底層采用標準以太網IEEE802.3μ的最新技術和CS-MA/CD鏈路控制協議來進行介質的訪問控制。TCP/IP協議位于網絡層和傳輸層，實現面向連接和無連接的數據傳送，并為分布式主機控制協議(DHCP)、簡單網絡時間協議(SNTP)、簡單網絡管理協議(SNMP)和現場設備訪問代理(FDAAgent)提供傳輸服務。HSE系統和網絡管理代理、功能塊、HSE管理代理和現場設備訪問代理都位于用戶層和應用層中，提供設備的描述和訪問、功能塊應需添加任何專用設備即可直接連入高速網絡，同時也從另一方面增強了HSE設備的互操作性。
HSE除了具有高帶寬和更好的開放性之外，靈活的網絡和設備冗余形式以及靈活功能塊技術是其特色技術。HSE充分體現了現場總線不僅是通訊協議，也是一種編程語言的概念，使得系統的組態、設備維護和診斷用統一的語言即可實現。HSE和H1相結合，使得基金會現場總線覆蓋了更寬廣的控制應用領域。
5、EtherCAT(特點：經濟、靈活、兼容、安全)
EtherCAT全稱EtherNet Control Automation Technology(以太網控制自動化技術)，是由德國倍福(Beckhoff)公司提出的一種實時以太網技術，是一種用于確定性以太網的高性能工業通信協議，它擴展了IEEE 802.3以太網標準，使得數據傳輸中具有可預測性定時及高精度同步等特點。
EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制，通過該項技術，無需接收以太網數據包，先將其解碼，之后再將過程數據復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經過其節點時讀取相應的編址數據，同樣，輸入數據也是在報文經過時插入至報文中。由于這個過程完全在硬件中處理，因此，整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲，從而可以實現極短的響應時間。
EtherCAT支持幾乎所有拓撲結構。因此，源于現場總線的總線形結構也可用于以太網。將總線和分支結構相結合特別有助于系統布線。所有接口都位于耦合器上，無需使用附加交換機。當然，也可以使用傳統的基于交換機的星形以太網拓撲結構。
EtherCAT是MAC層協議，對于如TCP/IP、UDP、Web服務器等任何更高級別的以太網協議而言都是透明的。在拓撲方面，EtherCAT幾乎支持任何拓撲類型，包括線形、樹形、環形和星形等所有設備連接拓撲結構，并且不受限于級聯交換機或集線器數量。也就是說，EtherCAT可連接系統中多達65,535個節點，而EtherCAT主站可以是標準以太網控制器，從而簡化網絡配置。每個從節點延遲較低，因此，EtherCAT可提供靈活、低成本，且兼容網絡的工業以太網解決方案。作為一個“年輕”的通訊協議，近幾年發展尤其迅猛，節點數量呈現指數級增長。
6、POWERLINK(特點：實時、可靠、安全、擴展)
POWERLINK是奧地利自動化公司貝加萊集成自動化公司(Bernecker&Rainer Industrie-Elektronik，B&R)開發的一種基于普通以太網，卻無需專業芯片，可以在各種平臺(例如 FPGA,ARM 等)上實現的，高實時性的、開源的現場總線方案。
POWERLINK是在標準以太網上的實時通信協議，在IEEE802.3上采用，因此可自由選擇網絡拓撲、交叉連接和熱插拔。POWERLINK是Ethernet的擴展，混合了輪詢以及時間切片(timeslicing)機制，可以提供：時間關鍵資料可以確保在非常短的等時(Isochronic)周期中發送，具有可規劃的回應時間；網絡上的所有節點都可以時間同步(Time-synchronisation)，精度可以到微秒以下；比較沒有時間關鍵性的資料傳輸是在一個專屬的異步通道中傳輸。目前的實現方式其循環時間可以到200μs以下，其時間精度(Jitter)小于1μs。POWERLINK主站或“托管節點”通過數據包抖動將時間同步控制在數十納秒范圍內。此類系統適用于從PLC與PLC通信和可視化到運動和I/O控制的各種自動化系統。
POWERLINK安全技術是目前已經投入使用的安全系統中最為完整的，這里包括了SafeLOGIC，Safety I/O，SafeMotion，SafePOWERLINK一體的完整安全系統，滿足IEC61508 SIL3和PL e等級的安全安全一致性認證標準。
7、Sercos III(特點：安全、高速、開放、可靠)
Sercos III(Serial Realtime Communication System)是一種硬實時全雙工總線，能夠為控制器、運動設備(如伺服驅動器或變頻器)、輸入設備(如總線耦合器)、其他設備(如編碼器或其他傳感器)以及標準以太網節點之間的通訊提供100 Mbit/s的傳輸速率。Sercos基于以太網標準IEEE 802.3和ISO/IEC 8802-3。接口定義、協議規范以及協議到網絡技術的映射在IEC 61800-7系列中進行了統一規定。
Sercos已在工廠自動化應用(適合機械工程和建筑)領域風靡了30多年。Sercos III是其第三代協議，制定于2003年。這種具有高效性和確定性的通信協議可將Sercos接口的實時數據交換與以太網相融合，提供實時以太網和標準TCP/IP通信，以打造低延遲工業以太網。與EtherCAT非常相似，從SercosIII通過快速提取數據并將其插入以太網幀的方法來處理數據包，從而實現低延遲。SercosIII將輸入數據和輸出數據分成兩個幀。周期時間從31.25微秒開始，與EtherCAT和PROFINETIRT一樣快。一個SercosIII主器件可控制多個SercosIII從屬器件(如驅動器、傳感器以及模擬和數字I/O器件)，一個主器件可控制多達511個從屬器件(即從節點)，它主要用于伺服驅動器控制。
Sercos III的新特性包括線型拓樸結構(之前有環形拓樸結構)、同一環或同一線上的從設備之間的直接交叉通信、用于多組運動控制之間同步和通信的界面、用于在環路中斷時容錯的硬件冗余、用于連接和去除運行中節點的熱插拔、用于驅動器集成的安全功能的安全通信、以及只有之前的SERCOS接口的最小值一半的周期時間(31.25微秒 vs 62.5微秒)。
8、CC-Link IE TSN(特點：融合、經濟、可靠、高速)
CC Link IE TSN是一個基于以太網的工業通信標準。它以早期的CC Link IE概念為基礎，將它們與時間敏感網絡 (TSN) 的理念結合起來，從而改進通信功能和同步精度，這些標準由CC-Link合作伙伴協會(CLPA)維護。
CC-Link IE TSN融入了TSN技術，提高了整體的開放性，在CC-Link IE TSN協議中，OSI參考模型第2層以TSN技術為基礎，由在第3-第7層CC-Link IE TSN獨立協議和標準以太網協議組成，實現了從高層IT系統到生產現場的OT系統的無縫、順暢連接，從而使大量的應用在生產中得到擴展使用。
CC-Link IE TSN使用IEEE 802.AS用于時間同步和IEEE 802.1Qbv用于調度管理，另外，IEEE 1588v2也可用于時間同步。實現標準組件CC-Link IE TSN(車間)可被集成到高級IT網絡(辦公室，例如ERP)以實現智能化工廠(工業4.0),具有1Gbit/s或100Mbit/s帶寬和時間敏感網絡(TSN)，允許傳輸確定性的實時數據流和標準以太網數據流(Webserver, FTP, SNMP...)經由相同網絡。
CC-Link IE TSN可以實現最小31.25μs的鏈接掃描周期，在工業現場能夠極大縮短生產節拍，提升整廠的生產能力。不僅如此，CC-Link IE TSN通過使用時間分割(IEEE802.1Qbv)實現在同一個網絡中定義多種連接掃描周期，針對不同產品的特性設置相對應的鏈接掃描周期，比如對伺服系統、安全設備等可以定義高速周期，而對溫濕度傳感器等可使用中速或低速周期，從而實現最大的網絡帶寬利用率，提高整廠產能。
9、TSN(特點：規范、實時、確定、可靠)
TSN是時間敏感網絡(Time-Sensitive Network)的英文縮寫，是IEEE 802.1 TSN工作組開發的一系列數據鏈路層協議規范的統稱，旨在非確定性的以太網絡中實現確定性的最小時間延遲，它定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，為標準以太網增加了確定性和可靠性，以確保數據實時、確定和可靠地傳輸。
TSN除了實時能力和確定性之外,還有另一項巨大技術優勢，那就是網絡擴展能力，這使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率運行。不過，這需要細致(因而更復雜)的網絡配置。1Gbps及以上的傳輸速率是當今網絡的邏輯演進。1Gbps為新型(物聯網)應用開辟了道路，有助于克服數據密集型應用中的性能瓶頸。但是，只有當終端和以太網交換機均支持TSN功能時，TSN作為一個系統才能發揮全部效用。TSN是一種局域網(LAN)級解決方案，可與非TSN以太網一起工作，但只有在TSNLAN內部才能保證及時性。用戶可以根據TSN解決的用例對TSN標準進行分組：通用的時間視圖、保證極大延遲，或與背景流量或其他流量共存。與任何流行的標準一樣，TSN的標準工具箱也在不斷發展。
TSN調節的是ISO/OS參考模型第2層中的數據通信，嚴格地說，TSN代表以太網中支持實時性的第2層，不是完整的實時協議。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網協議。相反，這些工業以太網協議長期而言將支持第2層TSN，因此傳統工業以太網協議不會消失，但未來將建立在TSN之上。但是，現場總線則可能會被以太網永久性取代。
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