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隨著(zhù)各大公司紛紛實(shí)現數字化連接，工業(yè)以太網(wǎng)的普及度不斷超越其他選擇。特別是在自動(dòng)化和工業(yè)控制系統中采用物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 功能，來(lái)提高數據可訪(fǎng)問(wèn)性和可用性，這就更是如此。在這些應用中，EtherNet/IP 和 PROFINET 是理想選擇。

　　EtherNet/IP 的結構及其不斷擴展的適用性

      EtherNet/IP 是一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，它將通用工業(yè)協(xié)議 （CIP） 用于標準以太網(wǎng)。該協(xié)議工作于網(wǎng)絡(luò )應用層 — 在網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)概念模型中，應用層位于“最頂層”設備和面向用戶(hù)的層，以允許控制裝置和輸入/輸出 （I/O） 設備之間進(jìn)行通信。更具體地說(shuō)，EtherNet/IP 是開(kāi)放系統互連 （OSI） 和傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （TCP/IP） 模型的頂層。

圖 1：兩個(gè)用于描述網(wǎng)絡(luò )的最常見(jiàn)模型是 OSI 模型和 TCP/IP 模型。（圖片來(lái)源：Design World）

　　EtherNet/IP 采用：

• 　　前述的應用層

• 　　互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò )層

• 　　標準以太網(wǎng)鏈路層

　　請注意，EtherNet/IP 中的 IP 是工業(yè)協(xié)議的縮寫(xiě)；指的是一些網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，最初的開(kāi)發(fā)目的是允許通過(guò) RS-232 和 RS-485（均為工作數據傳輸標準）等串行連接進(jìn)行通信?，F在，許多此類(lèi)連接都使用 TCP/IP 等協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)運行，這在互聯(lián)網(wǎng)通信中極為常見(jiàn)。EtherNet/IP 通信及其非常標準化的硬件（包括集線(xiàn)器、交換機、路由器、以太網(wǎng)電纜和以太網(wǎng)網(wǎng)卡）由 IEEE 802.3 傳輸控制協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議定義。

圖 2：由于 EtherNet/IP 在應用層工作，因此允許工業(yè)控制器與 I/O 之間進(jìn)行通信。（NT24k 交換機圖片來(lái)源：Red Lion）

　　EtherNet/IP 于 2009 年開(kāi)發(fā)，源于開(kāi)放式 DeviceNet 供應商協(xié)會(huì ) （ODVA） 與控制網(wǎng)國際組織 （CI） 在 ODVA 及其成員贊助下的合作。ODVA 本身成立于 1995 年，是一個(gè)由 Rockwell AutomaTIon、Cisco、Schneider Electric、Omron 和 Bosch Rexroth 等自動(dòng)化公司組成的聯(lián)合體，旨在推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化的開(kāi)放和可互操作通信。根據 ODVA 的數據，EtherNet/IP 在工業(yè)以太網(wǎng)采用中處于領(lǐng)導地位，2017 年占 25% 的市場(chǎng)份額，2018 年占 28% 的市場(chǎng)份額，并且工業(yè)以太網(wǎng)節點(diǎn)的出貨量最多。

　　目前，EtherNet/IP 是針對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )采用 CIP 的四種 ODVA 網(wǎng)絡(luò )之一。其他網(wǎng)絡(luò )是 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet。

　　CIP 是在工業(yè)設備中組織和共享數據的通道。更具體地說(shuō)，CIP 使用不同類(lèi)型的消息和服務(wù)來(lái)交換工業(yè)自動(dòng)化應用中的數據。這些應用包括過(guò)程和系統控制、安全、同步、運動(dòng)、配置和信息。CIP 使這些應用能夠與企業(yè)級以太網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行集成。這是一種用于制造業(yè)和工業(yè)應用的統一通信網(wǎng)絡(luò )，被世界各地的廠(chǎng)商廣泛采用。

　　對于工業(yè)協(xié)議，數據按照具有數據元素或屬性的對象來(lái)排序。這些數據對象通常分為必需的對象和應用程序對象。前者可在每個(gè) CIP 中找到。

　　EtherNet/IP 相當易于實(shí)施，并且與用于工業(yè)自動(dòng)化的標準以太網(wǎng)交換機兼容。但是，EtherNet/IP 的基本形式具有不確定性，因此不適合嚴格的實(shí)時(shí)工業(yè)應用。CIP MoTIon 可以作為 EtherNet/IP 的補充，并幫助 EtherNet/IP 使用完全符合 IEEE 802.3 和 TCP/IP 以太網(wǎng)標準的未修改以太網(wǎng)，滿(mǎn)足對確定性實(shí)時(shí)控制（包括閉環(huán)運動(dòng)控制）的苛刻要求。

　　EtherNet/IP 與 CIP MoTIon 技術(shù)相結合，可提供多軸分布式運動(dòng)控制功能。該協(xié)議不僅能進(jìn)行擴展，而且為運動(dòng)設計提供一個(gè)通用的應用程序接口。

　　通過(guò) EtherNet/IP 傳輸數據

　　TCP 和用戶(hù)數據報協(xié)議 （UDP） 是互聯(lián)網(wǎng)以及許多專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的基礎通信協(xié)議。EtherNet/IP 使用 TCP 端口進(jìn)行所謂的顯式消息傳遞。此類(lèi)消息傳遞是指系統向客戶(hù)端發(fā)送數據，以響應對該數據的特定請求。它使用 TCP/IP — 一種面向連接的協(xié)議，以顯式方式管理客戶(hù)端與服務(wù)器之間的鏈路。TCP 是 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )的核心，可幫助對數據包分段，以便數據報文到達目的地。請注意，IP 僅處理數據包；TCP 使兩臺主機建立連接并交換數據流。TCP 會(huì )保證數據的傳送，同時(shí)保證數據包按照發(fā)送順序進(jìn)行傳送。

　　EtherNet/IP 使用 UDP 端口進(jìn)行隱式報文傳送，即系統通信以預定的時(shí)間間隔從預設的存儲位置發(fā)送到控制器或其他客戶(hù)端。此類(lèi)通信的速度遠比顯式報文傳送得快，并且 UDP 連接的單向數據傳輸（無(wú)驗證接收）簡(jiǎn)化了周期性系統更新。

　　確定性通信中的 PROFINET

　　PROFINET 是另一種技術(shù)標準，它定義了通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數據通信的方式。PROFINET 對標準以太網(wǎng)進(jìn)行了修改，即使在具有挑戰性的應用中，也能確保正確、及時(shí)地傳輸數據。該標準的定義規定了從工業(yè)設備和系統收集數據的方式，以滿(mǎn)足往往緊迫的特定時(shí)間限制。PROFINET 源自 PROFIBUS，后者是一種用于支持自動(dòng)化的現場(chǎng)總線(xiàn)通信標準。PROFIBUS 是基于工業(yè)以太網(wǎng)的經(jīng)典串行現場(chǎng)總線(xiàn)，而 PROFINET 則更進(jìn)一步，具有更多的功能，允許更快、更靈活地通信，以控制自動(dòng)化組件。

　　實(shí)際上，到 2018 年，PROFINET 占有 30% 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)份額，成為全球領(lǐng)先的基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動(dòng)化通信解決方案。每年有超過(guò)五百萬(wàn)臺支持 PROFINET 的設備進(jìn)入市場(chǎng)。

　　PROFINET 和 PROFIBUS 通信是確定性的，因此允許采用精確的 I/O 結構限制來(lái)支持自動(dòng)化系統，并且它們定義的 I/O 結構有助于精確計算更新時(shí)間。PROFINET 還可以提供同步實(shí)時(shí) （IRT） 數據交換。IRT 本質(zhì)上是利用 PROFINET 的超精確時(shí)鐘來(lái)優(yōu)先處理某些類(lèi)型的數據流量，并緩沖其余數據流量。在高要求應用（例如運動(dòng)控制）和確定性要求比實(shí)時(shí)操作更高的其他應用中，IRT 的表現十分出色。在實(shí)時(shí)數據交換中，總線(xiàn)周期時(shí)間不到 10 毫秒。相比之下，IRT 數據交換發(fā)生在幾十微秒到幾毫秒之間。

　　例如，在包裝和貼標操作中，PROFINET 可支持數據傳輸，以確保在不到一秒鐘到僅一毫秒的時(shí)間內將瓶子灌裝到精確的液位。此外，PROFINET 還可以檢測和量化裝瓶過(guò)程中的任何異常情況，并向操作人員發(fā)出警報，同時(shí)立即關(guān)閉過(guò)程。

　　關(guān)于 PROFINET 硬件的旁注

　　標準以太網(wǎng)僅適用于家庭、辦公室和選定工業(yè)監控環(huán)境中的數據傳輸。相比之下，PROFINET 的工業(yè)以太網(wǎng)適合安裝在要求確定性數據通信的惡劣工業(yè)設施中。PROFINET 電纜和連接器與標準以太網(wǎng)中所使用的不同，包括具有重型鎖定機構的連接器和加固型工業(yè)電纜。無(wú)論是集成到其他硬件中，還是作為獨立元件構建，PROFINET 路由器都是工作于第三層網(wǎng)絡(luò )層（在前面提到的網(wǎng)絡(luò )模型中），并使用 IP 地址進(jìn)行通信。這些路由器連接局域網(wǎng) （LAN） 并形成廣域網(wǎng) （WAN），同時(shí)采用算法確定網(wǎng)絡(luò )之間的理想數據傳輸路線(xiàn)。某些 PROFINET 交換機還采用光纖連接。這些超快的元器件通過(guò)網(wǎng)關(guān)元件將支持 PROFINET 的設備集成到以太網(wǎng)絡(luò )（或 PROFIBUS）中，實(shí)現銅線(xiàn)到光纖的轉換。

　　PROFINET 管理型和非管理型交換機

　　PROFINET 交換機工作于前述概念網(wǎng)絡(luò )模型的第二層，即數據層。它們的功能是控制數據信號在網(wǎng)絡(luò )中的接收和傳輸操作。

　　非管理型 PROFINET 交換機通過(guò)連接到預定設備端點(diǎn)的適當端口發(fā)送傳入的以太網(wǎng)數據。端口可能有一個(gè) LED 指示燈來(lái)顯示數據流的存在，但這些非管理型交換機通常不會(huì )提供更多關(guān)于該數據流的信息，或對數據流進(jìn)行管理。

　　相比之下，管理型 PROFINET 交換機更加智能，可以使用不同的 IT 協(xié)議，包括用于 PROFINET 的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議 （SNMP） 和鏈路層發(fā)現協(xié)議 （LLDP）。由于管理型交換機具有智能性，因此通常用于防止停機是首要目標的地方，以及故障排除十分有用的地方。當然，它們通常比非管理型交換機成本更高。

　　EtherNet/IP 與 PROFINET 特性的直接比較

　　EtherNet/IP 的行業(yè)特定適應性正在改變許多行業(yè)。例如，包裝行業(yè)使用 EtherNet/IP 來(lái)實(shí)現高速通信、確定性和實(shí)時(shí)性能?；?、傳統自動(dòng)化和發(fā)電等行業(yè)使用 EtherNet/IP 來(lái)持續量化輸出。另外，還有一些工業(yè)應用涉及全自動(dòng)化過(guò)程，需要計數和實(shí)時(shí)數據采集來(lái)進(jìn)行控制。在這種情況下，EtherNet/IP 和 PROFINET 都擅長(cháng)創(chuàng )建此類(lèi)應用所需的確定性網(wǎng)絡(luò )。

　　不妨考慮 EtherNet/IP 和 PROFINET 的信號質(zhì)量、報文大小和更新率，來(lái)了解兩者之間的差異細節。PROFINET 通常比 EtherNet/IP 更快，并且通常采用標準硬件進(jìn)行部署，不過(guò) PROFINET IRT 需要特定的硬件。EtherNet/IP 基于面向對象的編程，并且依賴(lài)于商業(yè)成品 （CotS） 元器件，因此具有更高的互操作性。實(shí)際上，CotS 元器件和硬件的使用與辦公室環(huán)境中普遍采用的變體并無(wú)不同，這意味著(zhù)對于實(shí)現高速工業(yè)連接，EtherNet/IP 是非常劃算的選擇。此類(lèi)大部分硬件具有規模經(jīng)濟和可互換特性，有助于大限度地降低前期成本。

　　相比之下，支持 PROFINET 的元器件可以集成到基于 PROFIBUS 的現場(chǎng)總線(xiàn)中，能夠有效地補充現有系統，而無(wú)需完全替換?，F有設備可以共用并且現有網(wǎng)絡(luò )接受添加補充性硬件，這種做法具有諸多成本優(yōu)勢。即便如此，PROFINET 技術(shù)的前期成本也可能比基于 EtherNet/IP 的方案高出多達 15%。安裝較容易可部分抵消該成本，據估計，PROFINET 的安裝復雜性（即成本）大約是 Ethernet/IP 的一半。

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 支持的拓撲結構和元器件也有所不同。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構是指網(wǎng)絡(luò )中鏈路和節點(diǎn)的排列。鏈路是無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)技術(shù)，例如同軸電纜、帶狀電纜和雙絞線(xiàn)電纜，以及光纖電纜。而網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是集線(xiàn)器、網(wǎng)橋、交換機、路由器、調制解調器和防火墻接口。拓撲結構包括星形、直線(xiàn)形、環(huán)形、菊花鏈形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )形。

　　EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò )主要使用星形拓撲，并輔以其他拓撲：環(huán)形拓撲按順序連接多個(gè)設備 — 即使環(huán)內的電纜被切斷，每個(gè)設備也會(huì )保持其控制路徑。樹(shù)形拓撲使用設備組之間用線(xiàn)連接的設備或交換機；任何中斷都會(huì )提示算法確定下一個(gè)最可行的解決路徑。

　　PROFINET 的直線(xiàn)形拓撲使用最少的電纜，無(wú)需外部交換機；通過(guò)獨立的交換機連接到任何星形和樹(shù)形拓撲。在這種結構下，如果星形或樹(shù)形交換機發(fā)生故障，則所有節點(diǎn)的通信均會(huì )受到影響，這可能會(huì )出現問(wèn)題。因此，為了保證通信的連續性，PROFINE 通過(guò)添加設備來(lái)支持拓撲結構，以便在電纜或節點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)提供介質(zhì)備份和其他元件。

　　請注意，EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)絡(luò )部署在集中和分散控制的系統中，有時(shí)在結合了兩種控制方式的系統中工作。借助 EtherNet/IP 和 PROFINET，集中式系統使用客戶(hù)端-服務(wù)器設置，有一個(gè)中心服務(wù)器連接一個(gè)或多個(gè)客戶(hù)端節點(diǎn)?？蛻?hù)端節點(diǎn)向中心服務(wù)器提交請求，而不是自行進(jìn)行處理，同時(shí)服務(wù)器完成所有的主要處理工作。在分散式系統中，每個(gè)節點(diǎn)都自主執行自己的邏輯。系統的最終操作是所有節點(diǎn)邏輯的總和。

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關(guān)

　　無(wú)論是獨立的硬件，還是與路由器、防火墻或服務(wù)器功能集成在一起，網(wǎng)關(guān)都會(huì )控制著(zhù)數據在給定網(wǎng)絡(luò )中的進(jìn)出，有時(shí)還控制著(zhù)不同系統之間的數據流。這包括一些專(zhuān)門(mén)設計用于在 EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)絡(luò )之間進(jìn)行 I/O 通信的網(wǎng)關(guān)。對于后者，大多數網(wǎng)關(guān)都充當 PROFINET 設備和 EtherNet/IP 適配器，以實(shí)現自動(dòng)兼容。

　　除了自身的主要作用，在信號定時(shí)、計數、計算、比較和處理任務(wù)方面，網(wǎng)關(guān)還可以減輕系統的 PLC 負擔。對于具有路由器功能的 EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關(guān)，則能讓計算機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收數據。如今，連接到網(wǎng)絡(luò )的智能人機界面 （HMI） 有時(shí)還可以兼作自動(dòng)化系統與控制器之間的網(wǎng)關(guān)，以簡(jiǎn)化系統的調試和維護。

　　連接未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化裝置

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 連接正在以從未有的敏捷性和 IIoT 功能，實(shí)現自動(dòng)化與工業(yè)控制的創(chuàng )新組合。隨著(zhù)硬件、軟件和連接技術(shù)以新的方式利用 EtherNet/IP 和 PROFINET，它們將幫助系統滿(mǎn)足日益嚴苛的工業(yè)生產(chǎn)需求。