之前我們提到了以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力，并簡(jiǎn)單描述了網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的多層模型。

 

 

然而，既然已經(jīng)將以太網(wǎng)技術(shù)引入了工業(yè)領(lǐng)域，為什么大家還要煞費(fèi)苦心的搞出好多專用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而沒有沿用目前比較通用的以太網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)（例如：TCP/IP、IEEE 802.3 ...）呢？以及，各家的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，又有著怎樣的差異呢？

 

關(guān)于這個(gè)問題，我們首先還是得了解普通以太網(wǎng)的工作機(jī)制，和工業(yè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性、確定性的要求。

 

 

我們知道，以太網(wǎng)的作用，其實(shí)是為設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互提供了一種共享網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)。然而，當(dāng)多臺(tái)不同類型的設(shè)備連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中互相發(fā)送和接收各種數(shù)據(jù)信息時(shí)，就必定存在著潛在的傳輸沖突問題。這就好比很多人在一起開會(huì)，如果大家同時(shí)開口說話，就無法確保相互之間的有效溝通，因此必須事先預(yù)設(shè)一個(gè)溝通機(jī)制。

 

 

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)中，所有的節(jié)點(diǎn)共享傳輸介質(zhì)，為了能夠保證有序、高效地為很多節(jié)點(diǎn)提供傳輸服務(wù)，在介質(zhì)訪問控制上通常會(huì)采用 CSMA / CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問技術(shù)（載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)），也就是我們經(jīng)常聽說的 IEEE 802.3 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

它的工作原理是：發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道是否空閑；若空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道忙碌，則等待一段時(shí)間，至信道中的信息傳輸結(jié)束后再發(fā)送數(shù)據(jù)；若在上一段信息發(fā)送結(jié)束后，同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都提出發(fā)送請(qǐng)求，則判定為沖突；若偵聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機(jī)時(shí)間，再重新嘗試 ...  這就好像我們開會(huì)時(shí)，要約定每個(gè)人在說話前必須先傾聽，只有等會(huì)場(chǎng)安靜下來后，才能夠發(fā)言。

 

 

然而，大家發(fā)現(xiàn)這其中的問題沒有，就是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，避免數(shù)據(jù)傳輸沖突的方式居然是簡(jiǎn)單的“等待”，完全無法保證重要的數(shù)據(jù)/指令在確定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)收發(fā)；這就好比會(huì)議中，即使再重要的發(fā)言，也都要等到別人說完之后才能開始，并且還不知道要等多久，雖然避免了沖突，但卻在一定程度上降低了重要信息的傳達(dá)效率。

 

 

通用以太網(wǎng)這種非實(shí)時(shí)、非確定性，對(duì)于一般信息層的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，往往算不上是什么太大的問題，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用場(chǎng)合，人們對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間節(jié)點(diǎn)并不那么敏感，例如：我們通常不會(huì)太在意設(shè)備數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁畫面在加載更新時(shí)出現(xiàn)的幾毫秒或幾十毫秒甚至幾秒的延遲。

 

 

然而對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)線設(shè)備，這種數(shù)據(jù)通訊的非確定性延時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重的影響和制約其控制性能。尤其是在運(yùn)控系統(tǒng)中，為了達(dá)到較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，控制器與驅(qū)動(dòng)器之間必須能以極為精準(zhǔn)確定的時(shí)間周期進(jìn)行位置/指令數(shù)據(jù)的高頻交互，而這恰恰是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)無法做到的，也是早期的脈沖串和 SERCOS 總線能夠長(zhǎng)期統(tǒng)治運(yùn)控江湖的主要原因。

 

 

于是，為了能夠讓工業(yè)設(shè)備中的控制器、傳感器和執(zhí)行器...等自動(dòng)化組件之間的連接和通訊做到具備確定性和實(shí)時(shí)性，在將以太網(wǎng)的硬件介質(zhì)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域的過程中，各大自動(dòng)化廠商就分別基于已有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和信息/控制系統(tǒng)，重新調(diào)整和規(guī)劃了工業(yè)以太網(wǎng)的通訊機(jī)制。

 

 

例如：ProfiNet IRT 就在每個(gè)數(shù)據(jù)周期中，單獨(dú)劃出了一個(gè)同步通訊時(shí)段，專門用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸；而一般非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通訊，則只能在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)段中進(jìn)行，一旦進(jìn)入同步通訊時(shí)段，就會(huì)立即暫停這些數(shù)據(jù)的傳輸。這與會(huì)議過程中為重要議題單獨(dú)劃出一段時(shí)間、并中止一切自由討論，是類似的道理。

 

 

POWERLINK 則不僅將數(shù)據(jù)周期分割成同步和非同步時(shí)段，而且為了提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊效率，它還通過單一主站（MN）為每個(gè)從站（CN）分配了固定的時(shí)間槽，并采用輪詢機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。當(dāng)系統(tǒng)從 SoC 開始啟動(dòng)等時(shí)同步傳輸后，MN 會(huì)按照分配好的時(shí)間槽逐一與每個(gè) CN 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互。這相當(dāng)于在會(huì)議中設(shè)定了一個(gè)主持人，與會(huì)者只能在規(guī)定好的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和主持人進(jìn)行單獨(dú)交談，而他們之間的交頭接耳則是絕對(duì)不允許的。

 

 

而 EtherCAT 則是采取了一種“數(shù)據(jù)列車”的通訊方式，從主站發(fā)出的數(shù)據(jù)包會(huì)按照順序沿各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)接力傳遞，邊傳輸邊處理，最后返回到系統(tǒng)主站。在這個(gè)過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)按照自己的應(yīng)用需要從“列車”上快速抓取數(shù)據(jù)，并將已經(jīng)處理好要輸出的數(shù)據(jù)裝載到“列車”上。主站只需要發(fā)送一次數(shù)據(jù)，就能夠完成與各個(gè)從站之間的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，由于每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)都是確定的，數(shù)據(jù)包中的地址信息也因此被簡(jiǎn)化了。

 

 

相比之下，EtherNet/IP 就沒有在數(shù)據(jù)傳輸和交互的時(shí)序/動(dòng)作上給網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備設(shè)定什么限制，總體上還是沿用了通用以太網(wǎng)的基本協(xié)議規(guī)則。只是要求“發(fā)聲”設(shè)備（Producer 生產(chǎn)者）在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)按照約定規(guī)則為數(shù)據(jù)貼上類別標(biāo)簽，如：普通 I/O、運(yùn)動(dòng)控制、安全數(shù)據(jù)...，這樣，接收端（Consumer 消費(fèi)者）就會(huì)在收到數(shù)據(jù)后根據(jù)其所屬類型的重要/緊急程度，決定是否接受優(yōu)先使用該數(shù)據(jù)，或者稍后（甚至不做）響應(yīng)。

 

 

目前市面上的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，除了上面提到的這些，其實(shí)還有很多，由于在實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通訊方面采取了極為不同的技術(shù)策略，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中也往往會(huì)表現(xiàn)出一定的性能差異，如：傳輸速率、響應(yīng)周期、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、易用性，開放性...等等。

 

同時(shí)我們也必須注意到，我們現(xiàn)在看到的各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，基本上都是由相應(yīng)的自動(dòng)化廠商發(fā)起并作為“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行推廣的，用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇和應(yīng)用體驗(yàn)，很大程度上還是會(huì)受到其背后的產(chǎn)品架構(gòu)和技術(shù)體系的影響。

 

 

所以，從某種意義上說，我們基本上可以將這些所謂的工業(yè)以太網(wǎng)定義為，基于通用以太網(wǎng)物理介質(zhì)的專屬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線；同時(shí)，由于具備了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互能力，它們應(yīng)該可以被稱作是第二代工業(yè)總線。