【導讀】工業實時以太網EtherCAT和Profinet的比較。

前言

說到工業實時以太網，目前最風光和流行的莫過于EtherCAT了。 EtherCAT是一種開放式總線，憑借其良好的以太網特性和硬實時功能，目前各大主流工控廠商都相繼開發了基于EtherCAT技術的產品。 工業實時以太網當然不止EtherCAT一種，主流的包括西門子Profinet, 貝加萊的PowerLink，其他如SERCOS, Ethernet/IP, EPA等等，今天我們主要探討一下BECKHOFF公司的EtherCAT和西門子公司的Profinet兩種典型實時以太網總線的對比。

（一）Profinet

下圖顯示了帶SIPLUS極端組件的TIA Portal硬件目錄。 首先我們看一下Profinet，從下圖可以看出，Profinet分成了三個版本：

Profinet CbA

Profinet RT

Profinet IRT

這三個不同的版本對應了Profinet三種不同的實時特性，CbA指的是基于組件的自動化，其實時響應時間是100ms, 通常用于實時性要求不高的一般工業控制場合，RT指的是軟實時，用于工廠自動化的PLC層面控制，響應時間達到了10ms，而IRT指的是同步實時，也可以說成是硬件實時，響應時間小于1ms， 可以滿足大多數運動控制領域的實時和同步要求。 Profinet的RT和IRT可以很形象的用下圖來說明：

Profinet IRT為了保證絕對的實時性，在數據傳輸通道上是做了和普通以太網隔離的，所謂的隔離指的是在IRT并不采用TCP/IP協議來傳輸實時數據，這和EtherCAT類似。

（二）EtherCAT

EtherCAT是由BECKHOFF研發并在2003年推向市場的，目前通過ETG（EtherCAT Technology Group）組織運營。 EtherCAT是一種高速實時以太網，不分不同的版本，它直接對標的是Profinet IRT, 同樣通過硬件芯片來保證其實時性。 EtherCAT總線性能優越，響應時間達到了微秒級：

通過分布式時鐘的運用，EtherCAT總線的時鐘同步可以做到納秒級，這也正是各大運動控制廠商對EtherCAT技術趨之若鶩的原因。EtherCAT分布式時鐘應用：

（三）EtherCAT與Profinet IRT

（1）運行原理

EtherCAT采用的是一種可以形象的稱之為“on the fly”的技術，將以太網的報文結構優化以適用于分布式IO，通訊完全是通過硬件芯片來支持以保證最大性能，如果是純粹的EtherCAT網絡，根本就不需要交換機，而且診斷功能非常強大。

Profinet采用的是時間片技術，通過內置在設備內的特定交換機芯片來完成硬實時，循環時間250微秒到4毫秒，抖動大約1微秒。下圖說明了在循環中IRT數據是如何得到實時保證的：

（2）拓撲結構

EtherCAT的拓撲結構非常靈活，可以是線性、星型、樹型、混合型等等，幾乎可以用于任何一種連接方式，同時EtherCAT支持線纜冗余，每個EtherCAT網絡理論上可以支持65535個節點，而且不受拓撲結構的影響。

Profinet支持線性、樹型等結構，每個Profinet網絡的最大節點數是60個，而且必須使用特定的Profinet IRT交換機。交換機級聯的數量也有限制，不能超過20-25個，也就意味著無論你愿意不愿意，星型連接是最常規的設計，既保證了性能又降低了成本，但是顯然其拓撲不夠靈活。

（3）易用性

EtherCAT不受從站和拓撲結構的影響，網絡部署靈活。不需要手動設置從站地址，也不需要管理IP或MAC地址。從站地址都是自動生成的，而且如果有新的從站加入也不需要手動進行地址更新，這樣地址沖突也就無從說起了，EtherCAT因此具有良好的用戶體驗。

Profinet需要手動設定每個從站的地址，而且如果插入了新的從站，對整個網絡的從站地址都會產生影響，地址管理比較復雜，需要專業人士來操作，通常機器設備供應商無法完成。如果某些非Porfinet網絡發生例如高強度ARP請求這類情況時，Profinet網絡會變得脆弱，為此，PI組織還專門發布了Profinet IO網絡負載的建議書，以便用戶去把握自己網絡的負載限制，這明顯對用戶是不太友好的。

（4）穩定性

EtherCAT自2005年第一次起草IEC61158標準以來，一共進行了46此的技術變更，多數情況是勘誤。每一次變更都可以用勘誤表來追溯，文檔可以在ETG官網下載。維護測試工具一直在加強，但是未發生根本改變。EtherCAT進行了一些參數變更，但是其技術版本自其發布以來未發生變化。

Profinet沒有詳細的勘誤表提供，同時Profinet有三個版本，其IRT版本也一直在發生變化。因為Profinet并不是一種開放式總線，在發生參數更改或者技術變革的時候，不提供詳細資料給用戶也是可以理解的。但是從技術穩定性上來說，開放式總線對用戶更加友好。

（四）總結

由于總線技術以及應用背景的差異，我們不能說某一種總線的性能要優于另外一種總線，一般來說，市場用戶可以說明問題。EtherCAT由于其開放性而獲得了大量用戶的青睞，從這個角度來說，Profinet暫時還不太可能取得Profibus那樣的輝煌，作為一種傳統現場總線，Profibus也是開放的。EtherCAT快速增長的用戶數量：

結合時下流行趨勢，EtherCAT也開始和IoT技術結合起來，從概念上來說，EtherCAT把自己融入到IoT技術中去了，甚至ETG自稱EtherCAT本身就是IoT。工業以太網總線的未來非常光明，傳統的現場總線在數據量和數據傳輸速度上已經遠遠落后于工業以太網。舉例說，CAN通常被用于汽車工業，隨著汽車工業的發展，汽車越來越被看成是一個移動互聯網終端，CAN還能滿足高速和大量的數據傳輸要求嗎？有些汽車廠商已經走在了技術的前沿，比如豐田就已經開始采用EtherCAT技術了。工業自動化領域內傳統意義上的總線之爭，會隨著互聯網技術的進步而發生根本性的變化。

審核編輯：湯梓紅