工业实时以太网EtherCAT和Profinet的对比

前言

说到工业实时以太网，目前最风光和流行的莫过于EtherCAT了。EtherCAT是一种开放式总线，凭借其良好的以太网特性和硬实时功能，目前各大主流工控厂商都相继开发了基于EtherCAT技术的产品。工业实时以太网当然不止EtherCAT一种，主流的包括西门子Porfinet, 贝加莱的PowerLink，其他如SERCOS, Ethernet/IP, EPA等等，今天我们主要探讨一下BECKHOFF公司的EtherCAT和西门子公司的Profibus两种典型实时以太网总线的对比。

（一）Profinet

下图显示了带SIPLUS极端组件的TIA Portal硬件目录。首先我们看一下Profinet，从下图可以看出，Profinet分成了三个版本：

Profinet CbA

Profinet RT

Profinet IRT

这三个不同的版本对应了Profinet三种不同的实时特性，CbA指的是基于组件的自动化，其实时响应时间是100ms, 通常用于实时性要求不高的一般工业控制场合，RT指的是软实时，用于工厂自动化的PLC层面控制，响应时间达到了10ms，而IRT指的是同步实时，也可以说成是硬件实时，响应时间小于1ms，可以满足大多数运动控制领域的实时和同步要求。Profinet的RT和IRT可以很形象的用下图来说明：

Profinet IRT为了保证绝对的实时性，在数据传输通道上是做了和普通以太网隔离的，所谓的隔离指的是在IRT并不采用TCP/IP协议来传输实时数据，这和EtherCAT类似。

（二）EtherCAT

EtherCAT是由BECKHOFF研发并在2003年推向市场的，目前通过ETG（EtherCAT Technology Group）组织运营。EtherCAT是一种高速实时以太网，不分不同的版本，它直接对标的是Profinet IRT, 同样通过硬件芯片来保证其实时性。EtherCAT总线性能优越，响应时间达到了微秒级：

 通过分布式时钟的运用，EtherCAT总线的时钟同步可以做到纳秒级，这也正是各大运动控制厂商对EtherCAT技术趋之若鹜的原因。EtherCAT分布式时钟应用：  

（三）EtherCAT与Profinet IRT

（1）运行原理

EtherCAT采用的是一种可以形象的称之为“on the fly”的技术，将以太网的报文结构优化以适用于分布式IO，通讯完全是通过硬件芯片来支持以保证最大性能，如果是纯粹的EtherCAT网络，根本就不需要交换机，而且诊断功能非常强大。

Profinet采用的是时间片技术，通过内置在设备内的特定交换机芯片来完成硬实时，循环时间250微秒到4毫秒，抖动大约1微秒。下图说明了在循环中IRT数据是如何得到实时保证的：  

（2）拓扑结构

EtherCAT的拓扑结构非常灵活，可以是线性、星型、树型、混合型等等，几乎可以用于任何一种连接方式，同时EtherCAT支持线缆冗余，每个EtherCAT网络理论上可以支持65535个节点，而且不受拓扑结构的影响。

Profinet支持线性、树型等结构，每个Profinet网络的最大节点数是60个，而且必须使用特定的Profinet IRT交换机。交换机级联的数量也有限制，不能超过20-25个，也就意味着无论你愿意不愿意，星型连接是最常规的设计，既保证了性能又降低了成本，但是显然其拓扑不够灵活。 （3）易用性

EtherCAT不受从站和拓扑结构的影响，网络部署灵活。不需要手动设置从站地址，也不需要管理IP或MAC地址。从站地址都是自动生成的，而且如果有新的从站加入也不需要手动进行地址更新，这样地址冲突也就无从说起了，EtherCAT因此具有良好的用户体验。

Profinet需要手动设定每个从站的地址，而且如果插入了新的从站，对整个网络的从站地址都会产生影响，地址管理比较复杂，需要专业人士来操作，通常机器设备供应商无法完成。如果某些非Porfinet网络发生例如高强度ARP请求这类情况时，Profinet网络会变得脆弱，为此，PI组织还专门发布了Profinet IO网络负载的建议书，以便用户去把握自己网络的负载限制，这明显对用户是不太友好的。 （4）稳定性

EtherCAT自2005年第一次起草IEC61158标准以来，一共进行了46此的技术变更，多数情况是勘误。每一次变更都可以用勘误表来追溯，文档可以在ETG官网下载。维护测试工具一直在加强，但是未发生根本改变。EtherCAT进行了一些参数变更，但是其技术版本自其发布以来未发生变化。

Profinet没有详细的勘误表提供，同时Profinet有三个版本，其IRT版本也一直在发生变化。因为Profinet并不是一种开放式总线，在发生参数更改或者技术变革的时候，不提供详细资料给用户也是可以理解的。但是从技术稳定性上来说，开放式总线对用户更加友好。

（四）总结

由于总线技术以及应用背景的差异，我们不能说某一种总线的性能要优于另外一种总线，一般来说，市场用户可以说明问题。EtherCAT由于其开放性而获得了大量用户的青睐，从这个角度来说，Profinet暂时还不太可能取得Profibus那样的辉煌，作为一种传统现场总线，Profibus也是开放的。EtherCAT快速增长的用户数量：

结合时下流行趋势，EtherCAT也开始和IoT技术结合起来，从概念上来说，EtherCAT把自己融入到IoT技术中去了，甚至ETG自称EtherCAT本身就是IoT。工业以太网总线的未来非常光明，传统的现场总线在数据量和数据传输速度上已经远远落后于工业以太网。举例说，CAN通常被用于汽车工业，随着汽车工业的发展，汽车越来越被看成是一个移动互联网终端，CAN还能满足高速和大量的数据传输要求吗？有些汽车厂商已经走在了技术的前沿，比如丰田就已经开始采用EtherCAT技术了。工业自动化领域内传统意义上的总线之争，会随着互联网技术的进步而发生根本性的变化。

编辑：黄飞