在工業(yè)通訊的應(yīng)用場(chǎng)景中，存在著許多不同的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，盡管這些標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)的思維和所欲解決的問(wèn)題非常相似，但各自的運(yùn)作原理與技術(shù)架構(gòu)卻是大相徑庭。
本文即針對(duì)目前主要的五大工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)：EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、Modbus、POWERLINK的運(yùn)作原理與技術(shù)特性進(jìn)行說(shuō)明，讓讀者們一次看懂這些標(biāo)準(zhǔn)各自的優(yōu)勢(shì)，以及其在應(yīng)用與導(dǎo)入時(shí)的不同。
EtherCAT
EtherCAT是一種即時(shí)乙太網(wǎng)路技術(shù)，最早由Beckhoff Automation所提出。該協(xié)議是在IEC標(biāo)準(zhǔn)里的IEC61158中揭露，為針對(duì)有即時(shí)連線需求的自動(dòng)化技術(shù)軟硬體所設(shè)計(jì)。
EtherCAT在2003年被提出，同年EtherCAT工作小組（ETG）就成立，并迅速成為全球主要的工業(yè)乙太網(wǎng)路與現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）組織。
這項(xiàng)協(xié)議的提出，主要聚焦在縮短周期時(shí)間（Cycle Times），使之小于100毫秒（μs），同時(shí)具備低抖動(dòng)的特性，以達(dá)成更精確的同步（Synchronization）（低于1毫秒），此外，降低硬體成本也是其專注的特性之一。
運(yùn)作原理
相較于一般工業(yè)通訊方案，EtherCAT利用一種「快速通過(guò)」（on the fly）的技術(shù)，以改善網(wǎng)路傳輸?shù)难舆t與不同步的問(wèn)題。它基本的運(yùn)作原理是EtherCAT網(wǎng)路上的主裝置（Master）端所傳送的訊號(hào)，會(huì)通過(guò)網(wǎng)路上所有的節(jié)點(diǎn)（Node），而網(wǎng)路上所有的從屬裝置（Slave）會(huì)以「快速通過(guò)」的形式，讀取這個(gè)訊號(hào)后，同時(shí)在這個(gè)訊框（Frame）往下游移動(dòng)時(shí)，再插入它的資料在訊框之內(nèi)。
而這個(gè)訊框只會(huì)被硬體的運(yùn)作延遲所影響，區(qū)間中最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)偵測(cè)到一個(gè)開(kāi)放的埠，并以乙太網(wǎng)路技術(shù)的全雙工（Duplex）特性，把傳送訊息回給主裝置。
主裝置所傳送的訊號(hào)的最大有效資料率超過(guò)90%，而且由于全雙工的特性，理論上的有效資料率超過(guò)100 Mbit/s（位元每秒）。
不過(guò)EtherCAT網(wǎng)路的主端是唯一允許主動(dòng)傳送訊框的節(jié)點(diǎn)，其它的節(jié)點(diǎn)只能往下游傳遞而已。而這個(gè)概念避免了非預(yù)期的延遲，并確保即時(shí)傳訊的能力。
而主端使用標(biāo)準(zhǔn)的乙太網(wǎng)路媒體存取控制（MAC），而不需要外加的通訊處理器，此設(shè)計(jì)讓主端可以在任何硬體平臺(tái)上實(shí)施乙太網(wǎng)路埠，不理會(huì)其所運(yùn)行的硬體平臺(tái)和或者應(yīng)用軟體。
EtherCAT的從屬端則使用ESC（EtherCAT Slave Controller），以在整個(gè)硬體中來(lái)處理訊框的快速通過(guò)，讓網(wǎng)路的效能可預(yù)測(cè)，并在從屬端的獨(dú)立性可以的實(shí)施。
技術(shù)特性
EtherCAT將其負(fù)載（Payload）嵌入到標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路訊框中，而這個(gè)訊框被視為EtherType字段中的標(biāo)識(shí)符（0x88A4）。由于EtherCAT協(xié)議針對(duì)短數(shù)據(jù)運(yùn)算周期進(jìn)行了優(yōu)化，因此可以不必使用協(xié)定堆疊（Protocol stacks），例如TCP/IP或UDP/IP。
EtherCAT還提供了在不接觸控制器或不更新從屬設(shè)備的情況下，讓現(xiàn)有系統(tǒng)增加云端連接的彈性，例如邊緣閘道（Edge Gateway）可以通過(guò)EtherCAT主端的電子郵件閘道（Mailbox Gateway）功能，讀取所有EtherCAT從屬設(shè)備中的任何資料。
此外，使用開(kāi)放式介面，允許在主設(shè)備內(nèi)或直接在從屬設(shè)備中整合任何基于IT的協(xié)議，包括OPC UA、MQTT、AMQP或任何其他協(xié)議，從而為IoT提供直接連接，而沒(méi)有從感測(cè)器到云端設(shè)備的協(xié)議不連續(xù)性的問(wèn)題。
PROFINET
PROFINET是一種開(kāi)放式的工業(yè)乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了自動(dòng)化技術(shù)所有的需求。無(wú)論是生產(chǎn)自動(dòng)化、制程自動(dòng)化，還是驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，PROFINET都具備相應(yīng)的支援。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，并在機(jī)械制造中廣泛應(yīng)用，也在食品和包裝、物流和加工產(chǎn)業(yè)得到了廣泛驗(yàn)證。
運(yùn)作原理
作為一個(gè)工業(yè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，PROFINET提供了大量的功能，而這些功能被以明確的規(guī)劃為「一致性等級(jí)」（Conformance Classes，CC），它提供了各種不同的最小屬性值的實(shí)作簡(jiǎn)述。
PROFINET一致性等級(jí)（CC）是一種基于應(yīng)用需求的分類(lèi)，對(duì)Profinet系統(tǒng)的功能的分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 CC分類(lèi)不僅規(guī)定了Profinet設(shè)備的基本功能、可選功能，以及相對(duì)應(yīng)的功能測(cè)試規(guī)范，以及如何取得CC等級(jí)的認(rèn)證。
目前PROFINET CC分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，分為CC-A、CC-B與CC-C三類(lèi)。
?CC-A：提供PROFINET IO基本功能，以及即時(shí)通訊（Real-time）的規(guī)范。原則上所有的IT服務(wù)都可以使用而沒(méi)有限制，典型的應(yīng)用如商業(yè)自動(dòng)化，都在此層次，而無(wú)線通訊則是被指定至此一等級(jí)。
* CC-B：除CC-A提供功能外，還擴(kuò)展了其他基于IT網(wǎng)路機(jī)制與拓樸資訊的診斷功能。
* CC-C：描述了具有硬體支援的頻寬預(yù)留和同步的等時(shí)性即時(shí)通訊（Isochronous Real-Time，IRT）通信的設(shè)備的基本功能，它也是等時(shí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
而這個(gè)分類(lèi)級(jí)別也是作為認(rèn)證和布線準(zhǔn)則的基礎(chǔ)，而依據(jù)這個(gè)分級(jí)，目前已有七個(gè)應(yīng)用類(lèi)別整合了某些應(yīng)用所需的功能范圍。
技術(shù)特性
PROFINET雖已進(jìn)入各種應(yīng)用領(lǐng)域，但許多新的領(lǐng)域仍不斷涌現(xiàn)，例如船舶和鐵路應(yīng)用，甚至是飲料店等日常的民生運(yùn)營(yíng)。
目前PROFINET自詡為工業(yè)4.0的通信骨干，借助其開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，所有基于乙太網(wǎng)的IT功能，都能在PROFINET網(wǎng)路上運(yùn)行，也可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)放式存取，并易于整合其他標(biāo)準(zhǔn)，例如OPC UA等。而PROFINET也已在IEC 61158和IEC 61784中被標(biāo)準(zhǔn)化。
另外，乙太網(wǎng)路設(shè)備都會(huì)使用唯一的MAC地址進(jìn)行通訊。但在PROFINET系統(tǒng)中，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都會(huì)收到一個(gè)唯一的獨(dú)特符號(hào)名稱，而I/O系統(tǒng)里的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就透過(guò)這個(gè)獨(dú)特的名稱，在工業(yè)應(yīng)用的過(guò)程中被識(shí)別與配置。啟動(dòng)PROFINET應(yīng)用程序時(shí)，使用此名稱就可以解析確切的MAC和IP地址。
對(duì)于系統(tǒng)和機(jī)器制造商而言，使用PROFINTE標(biāo)準(zhǔn)能將安裝、工程設(shè)計(jì)與試運(yùn)行的成本降至最低；對(duì)于系統(tǒng)操作員來(lái)說(shuō)，PROFINET則透過(guò)自動(dòng)運(yùn)行的系統(tǒng)單元和較低的維護(hù)要求，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)擴(kuò)展，并提高了系統(tǒng)可用性。
Ethernet/IP
EtherNet/IP標(biāo)準(zhǔn)是在2001年推出，隸屬于通用工業(yè)協(xié)議（Common Industrial Protocol，CIP）的其中一員，但專注于上層的規(guī)范。而CIP廣泛涵蓋了各種制造和制程自動(dòng)化應(yīng)用的完整訊息與服務(wù)套件，包括控制、安全、同步、運(yùn)動(dòng)、配置和訊息，它也號(hào)稱是真正的媒體訊息獨(dú)立（media independence）的標(biāo)準(zhǔn)。
運(yùn)作原理
EtherNet/IP采用了CIP的乙太網(wǎng)技術(shù)，而基于乙太網(wǎng)路在商業(yè)市場(chǎng)的普遍性，
EtherNet/IP為用戶提供了合乎標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路規(guī)范的工具，使之易于部署于制造和制程應(yīng)用之中，從而改善了工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)域中的人員、合作伙伴、設(shè)備、部門(mén)和系統(tǒng)之間的連結(jié)性，并為生產(chǎn)力、效率和靈活性開(kāi)啟了新的機(jī)會(huì)。
EtherNet/IP為制造和制程自動(dòng)化應(yīng)用提供了許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如：可透過(guò)單個(gè)網(wǎng)路，或?qū)蝹€(gè)網(wǎng)絡(luò)作為多個(gè)分散式CIP網(wǎng)路的骨干，以即時(shí)無(wú)縫的控制，配置和收集智能設(shè)備的數(shù)據(jù)；以及與標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議（如HTTP、FTP、SNMP和DHCP）相容；與標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)數(shù)據(jù)存取和交換協(xié)議相容（如OPC）。
由于符合IEEE乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)，EtherNet/IP為用戶提供了多種網(wǎng)路介面速度選擇，例如10、100 Mbps、1 Gbps，或者更高的速度，此外，還有彈性的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，可與商用乙太網(wǎng)路安裝選項(xiàng)相容，包括銅纜、光纖、光纖環(huán)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以及拓?fù)洌ㄐ切巍⒕€性和環(huán)形。同時(shí)也支援有IP67等級(jí)連接器（RJ45或M12）的工業(yè)設(shè)備，包含模組，或附有設(shè)備標(biāo)簽的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)LED，以便于使用。
技術(shù)特性
與其他CIP網(wǎng)路一樣，EtherNet/IP也遵循開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）模型，與所有CIP網(wǎng)路一樣，EtherNet/IP在會(huì)議層及以上實(shí)現(xiàn)CIP，并在傳輸層及以下，使CIP適應(yīng)特定的EtherNet/IP技術(shù)。
乙太網(wǎng)路具有主動(dòng)式基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)路的獨(dú)特特征。因此，與典型的工業(yè)網(wǎng)路不同，EtherNet/IP網(wǎng)路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可容納幾乎無(wú)限數(shù)量的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，并且具有嵌入式交換機(jī)技術(shù)，可以支援線性和環(huán)形拓?fù)洌瑸橛脩粼O(shè)計(jì)網(wǎng)路提供了更佳的靈活性，以滿足當(dāng)前的需求，同時(shí)也保留了未來(lái)拓展的彈性與經(jīng)濟(jì)效益。
為了進(jìn)一步降低復(fù)雜性，EtherNet/IP還提供了用于配置和控制的單點(diǎn)連接，因?yàn)镋therNet/IP支援兩種I/O訊息，通常包含對(duì)反應(yīng)時(shí)間非常要求的控制數(shù)據(jù)和顯式的訊息，以及包含數(shù)據(jù)欄位中用于配置和資料收集的典型用戶和伺服交易的協(xié)議訊息。
而與使用嚴(yán)格的來(lái)源-目的模型的其他設(shè)備網(wǎng)路相比，EtherNet/IP能更有效的利用頻寬，EtherNet/IP系統(tǒng)可以被配置為以主/從類(lèi)型的關(guān)系，或者使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）分布式控制體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作。
Modbus
Modbus是一種串行通信協(xié)定，于1979年由Modicon公司（現(xiàn)在為施耐德電氣）提出，是作為可程式化邏輯控制器（PLC）的通訊。現(xiàn)在Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通訊協(xié)定的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一，它具有公開(kāi)且無(wú)著作權(quán)要求、易于部署和維護(hù)、靈活的修改彈性等優(yōu)勢(shì)。
運(yùn)作原理
該協(xié)議由Modbus協(xié)會(huì)所管理，他們是一群獨(dú)立的自動(dòng)化設(shè)備用戶與供應(yīng)商，致力于推動(dòng)Modbus通訊協(xié)議套件的采用，以及推動(dòng)跨市場(chǎng)的分散式自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展。它也是一個(gè)會(huì)員制的貿(mào)易協(xié)會(huì)，并組成「Modbus協(xié)會(huì)」，是一個(gè)非營(yíng)利組織。
Modbus協(xié)定允許多個(gè) (大約240個(gè)) 裝置連接在同一個(gè)網(wǎng)路上進(jìn)行通訊。在資料采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）中，Modbus通常用來(lái)連接監(jiān)控電腦和遠(yuǎn)端終端控制系統(tǒng)（RTU）。
依據(jù)其定義，Modbus是位于OSI模型第7層的應(yīng)用層訊息傳遞協(xié)議，它提供客戶/伺服端在不同類(lèi)型的總線或網(wǎng)路上的設(shè)備之間的通訊。在網(wǎng)路上的群體可以在TCP/IP堆疊上的保留系統(tǒng)埠502上存取Modbus。
Modbus協(xié)定也是一個(gè)Master/Slave架構(gòu)的協(xié)定。有一個(gè)master節(jié)點(diǎn)，其他使用Modbus協(xié)定參與通訊的就是slave節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)slave裝置都有一個(gè)唯一的位址。在串行和MB+網(wǎng)路中，只有被指定為主節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)可以啟動(dòng)一個(gè)命令。
技術(shù)特性
Modbus是一個(gè)請(qǐng)求/回應(yīng)的協(xié)定，并提供功能代碼指定的服務(wù)。它使用的實(shí)施方式如下：
* TCP/IP over Ethernet
* 透過(guò)各種媒介進(jìn)行異步串行傳輸（有線：EIA/TIA-232-E、EIA-422、EIA/TIA-485-A；光纖、無(wú)線電等）
* Modbus PLUS，高速權(quán)杖傳遞(Token Passing)網(wǎng)路
Modbus協(xié)議定義了獨(dú)立于底層通訊層的簡(jiǎn)單協(xié)議資料單元（PDU）。 Modbus協(xié)議在特定匯流排或網(wǎng)路上的資料對(duì)應(yīng)（Data mapping），可在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上加入一些其他的資料欄位。
Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元由啟動(dòng)Modbus傳遞的客戶端建立，這個(gè)功能向伺服端指名要執(zhí)行哪種操作。 Modbus應(yīng)用端協(xié)議建立由客戶端發(fā)起的請(qǐng)求的格式。
Modbus數(shù)據(jù)單元的功能代碼字段欄位為一個(gè)byte。有效代碼的范圍是十進(jìn)位制從1到255（保留的范圍是128–255，用以額外的回應(yīng)）。當(dāng)從客戶端向伺服端設(shè)備發(fā)送訊息時(shí)，功能代碼欄位會(huì)告訴伺服端執(zhí)行哪些操作。
POWERLINK
POWERLINK是即時(shí)乙太網(wǎng)解決方案的其中一員，以絕對(duì)的開(kāi)放性和高性能著稱。該標(biāo)準(zhǔn)在2003年釋出，由獨(dú)立的乙太網(wǎng)POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組織（EPSG）所發(fā)布。
運(yùn)作原理
POWERLINK技術(shù)是基于開(kāi)放的IEEE 802.3和IEC 61784-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，且該技術(shù)沒(méi)有任何專利。開(kāi)源版本openPOWERLINK于2008年在BSD許可下發(fā)布，任何人都可免費(fèi)取得。
EPSG認(rèn)為，完全兼容于IEEE 802.3技術(shù)是未來(lái)的最佳選擇。因?yàn)镻OWERLINK將受益于乙太網(wǎng)技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展，而無(wú)需進(jìn)一步投資。 POWERLINK也完全支援標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議。由于TCP/IP運(yùn)行在專用的通訊頻道上，因此可確保TCP/IP的頻寬，而不會(huì)影響硬即時(shí)資料交換。
與其他即時(shí)工業(yè)乙太網(wǎng)系統(tǒng)不同，POWERLINK是完全基于軟體的解決方案，并百分之一百符合IEEE 802.3乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這種完全與標(biāo)準(zhǔn)緊密看齊且沒(méi)有專用硬體的限制，使POWERLINK能夠確保乙太網(wǎng)技術(shù)的所有優(yōu)勢(shì)和靈活性，能夠運(yùn)用到注重即時(shí)傳輸?shù)膮f(xié)議上。
因此，用戶可以繼續(xù)使用相同的標(biāo)準(zhǔn)硬體元件和診斷工具。為了實(shí)現(xiàn)其即時(shí)功能，POWERLINK依靠混合輪詢（polling）和時(shí)間間隔（Time-slot）的方式，一次僅允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。
技術(shù)特性
POWERLINK網(wǎng)絡(luò)使用以下通訊結(jié)構(gòu)：任意指定一個(gè)節(jié)點(diǎn)（例如PLC、運(yùn)動(dòng)控制器或工業(yè)PC）充當(dāng)管理節(jié)點(diǎn)（MN），所有其他設(shè)備均作為受控節(jié)點(diǎn)（CN）運(yùn)行。 MN定義了用于同步所有設(shè)備的時(shí)鐘脈沖，并且管理數(shù)據(jù)通訊周期。
在一個(gè)周期的過(guò)程中，MN使用PollRequest傳訊連續(xù)輪詢每個(gè)CN，PollRequest也從MN到每個(gè)輪詢的CN傳達(dá)附加資料。然后，每個(gè)CN這次通過(guò)PollResponse傳訊，將其自己的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿衅渌?jié)點(diǎn)，而一個(gè)POWERLINK循環(huán)包含三個(gè)階段。
在第一階段，MN向所有CN發(fā)送「周期開(kāi)始（SoC）」訊框，以同步設(shè)備；接著，在第二階段或同步階段交換有效負(fù)載的數(shù)據(jù)；周期的第三階段是異步階段，在該階段傳輸非時(shí)間關(guān)鍵型的數(shù)據(jù)，例如TCP/IP數(shù)據(jù)或參數(shù)配置數(shù)據(jù)。
透過(guò)結(jié)合乙太網(wǎng)路、CANopen和硬即時(shí)功能，POWERLINK整合了來(lái)自三個(gè)不同領(lǐng)域的功能。與其他競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)相比，POWERLINK仍然非常接近乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，保留了原有的乙太網(wǎng)功能，因此能降低在工業(yè)環(huán)境中的部署成本。
整合了CANopen技術(shù)，是此標(biāo)準(zhǔn)的另一大特色，該技術(shù)是一種可靠且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的協(xié)議，已在整個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛使用，最后則是對(duì)即時(shí)性能的支援，經(jīng)過(guò)EPSG的POWERLINK堆疊，讓此標(biāo)準(zhǔn)的即時(shí)能力有極佳的表現(xiàn)。
結(jié)語(yǔ)
很明顯的，雖然在技術(shù)本身的思考各異，但所欲克服的挑戰(zhàn)卻是非常類(lèi)似，就是要解決工業(yè)通訊領(lǐng)域的延遲問(wèn)題，以達(dá)成即時(shí)（Real-time）控制的需求，讓生產(chǎn)可以更加的穩(wěn)定、安全、有效率。
而在工業(yè)4.0與物聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)的帶動(dòng)下，在PC領(lǐng)域擁有極高采用率的乙太網(wǎng)路
自然就成為了整合的對(duì)象，也因此上述的所有協(xié)議都是以此為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行研發(fā)，也可預(yù)期這個(gè)趨勢(shì)仍將會(huì)持續(xù)的發(fā)酵。
至于要選用哪個(gè)協(xié)議規(guī)范，其實(shí)也沒(méi)有所謂的標(biāo)準(zhǔn)答案，端看整體系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)備的特性來(lái)安排，而其依據(jù)的準(zhǔn)則就是自身建置的經(jīng)驗(yàn)與供應(yīng)商選擇。但這些標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原理與特性仍是必須理解，因?yàn)樵趶?qiáng)調(diào)整合與匯流的未來(lái)世界，互通互聯(lián)是必備的基本思維。
