隨著工業4.0概念的不斷深入，世界製造業正逐步從數字化領域轉向智慧化領域，其對於提高人員使用效率，最大化產能，節約生產成本以及無人現代化工廠建設有著重要意義。但無論是數字化工廠或智慧化工廠，都離不開基本網路通訊的支援。目前的工業網路組態都是基於現有的工業乙太網技術而實現的，其主流的工業乙太網協議主要有：Modbus ,EtherNet/IP ,EtherCAT ,SERCOS Ⅲ ，PROFINET ，EtherNet Powerlink。本文主要用於討論，不同工業乙太網協議之間的效能差異以及適用的環境，並基於硬/軟設施對網路環境應用需求，討論不同工業協議應用。

工業乙太網 工業乙太網是指在工業環境的自動化控制及過程控制中應用乙太網的相關元件和技術，工業乙太網採用TCP/IP協議，和IEEE 802.3標準相容，通過在應用層加入特有的協議，以應用於不同的環境。乙太網在工業程式的應用需要體現實時性，而許多乙太網技術可以使乙太網適用在工業應用之中，通過利用標準乙太網，可以提升工廠內部不同裝置之間的互連性。目前大多數工業應用對應的實時等級需求如圖所示。 圖1 實時等級和應用領域 工業乙太網的通訊架構通常都以主、從站的方式進行搭建，且通過標準的硬體介面以實現裝置互連。但這樣的方式通常受限於不相容的通訊協議，即主、從站都需要使用相同的通訊協議，才能通訊，並且不同的工業環境及裝置對通訊傳輸效能的需求也不同，以下將從使用效能，適用環境，應用裝置等角度，闡述常用的工業乙太網通訊協議。

1. Modbus Modbus是一種序列通訊（方式：序列、並行）協議，由施耐德電氣公司開發，採用master/slave架構及非同步半雙工通訊方式，可以使一個主站對應多個從站進行雙向通訊。 特點在於Modbus協議完全公開，軟硬體需求簡易，且易於部署和維護。Modbus協議目前存在用於串列埠、乙太網以及其他支援IP協議的網路版本，大多數Modbus裝置通訊時基於串列埠EIA-485物理層進行。  工作方式 Modbus是採用mater/slave的通訊結構，在整個通訊架構的節點中有一個節點時mater節點，其他使用Modbus協議參與通訊的節點是slave節點，每一個slave裝置都有一個唯一的IP地址，在整個通訊網路中，只有被指定為主節點的裝置可以釋出啟動指令。一個Modbus指令包含了slave裝置的Modbus地址，指令傳輸過程中所有裝置都會收到命令，但只有指定位置的裝置會執行及迴應指令（採用廣播模式時，所有接受到指令的裝置都會執行，且不會迴應指令）。  效能 Modbus通過採用master/slave通訊架構最多可以支援約240個裝置連線在同一個網路上通訊，但可能會存在高延遲（序列通訊）和時序問題，其響應時間取決於slave節點的位置。 Modbus命令中都包含了檢查程式碼，以確定傳送的指令沒有被破壞。通過master/slave方式定時收發資料，在實際使用中可以用於診斷故障斷點，且通訊恢復後可以自動連線，可靠性較好。  應用領域 Modbus最初的使用主要是為了實現PLC通訊，目前被廣泛用於基於PLC的運動控制系統、DCS分散式控制系統及工業電子裝置控制等領域，也可以用於監控計算機與遠端總段控制系統的通訊連線。具體應用如：伺服電機的運動控制，傳輸帶計數器，編碼器，電子看板，私服程式下載，自動化生產線等。

2. EtherNet/IP EtherNet/IP是一個開放的工業乙太網通訊標準，是通用工業協議中的一部分，由洛克威爾自動化公司開發。EtherNet/IP是應用層的協議，將網路上的裝置視為“物件”。EtherNet/IP以通用工業協定（CIP）為基礎而架構，可以支援來自ControlNet及DeviceNet網路上的物件的存取（其也使用乙太網物理層，架構在TCP/IP協議上）。 特點在於EtherNet/IP裝置可以採用UDP/IP（使用者資料報文協議）隱式傳送基本I/O資料；可以採用TCP/IP（傳輸控制協議）顯示報文上傳或下載資料；可以採用主站輪詢、從站週期性更新或是狀態改變(COS)時更新的方式，便於主站監控從站狀態，訊息以UDP 報文的形式傳輸；可以採用一對一、一對多或是廣播的方式，通過TCP報文進行資料傳輸。  工作方式 EtherNet/IP在標準乙太網硬體上執行，並同時使用TCP/IP和UDP/IP進行資料傳輸。由於生產者/消費者模式為CIP協議所支援，EtherNet/IP採用不同的通訊機制來處理，例如週期性輪詢，時間或事件觸發，多波或簡單的點對點連線，CIP應用協議分為“隱性的”I / O訊息和“顯性的”用於配置和資料採集的請求/應答報文。當顯性資訊嵌入到TCP幀，實時應用資料通過UDP傳送，因為後者格式更緊湊且開銷小。採用星型網路拓撲結構，並通過交換機點以對點掛鉤連線方式防止資料碰撞。  效能 EtherNet/IP網路採用商用乙太網通訊晶片、物理介質和星型拓撲結構，採用乙太網交換機實現各裝置間的點對點連結，能同時支援10Mbs和100Mbps傳輸速率(差別在於乙太網標準和配線)。 能夠實現10ms左右的軟實時效能，結合CIP sync和CIP Motion兩種CIP派生協議，以及分散式時鐘方法（精確節點同步）可使其達到極低的迴圈週期和抖動，以應用於伺服電機的驅動與控制（調研：最大響應時間應低於1ms）。  應用領域 EtherNet/IP可以用在一些可容許偶爾出現少量非決定性的自動化網路（即存在資料碰撞而引起的延時），一般應用於一些流程工業領域，其實時性等級一般在5ms-100ms。 EtherNet/IP是一個工業使用的應用層通訊協定，可以使控制系統及其元件之間建立通訊，例如可程式設計邏輯控制器、I/O模組（伺服控制系統，感測系統）等，使得它能夠用於伺服電機的控制與驅動（響應時間1ms以下）。 此外，EtherNet/IP還用於ABB機器人、CNC、AGV小車（無線傳輸技術、TCP/IP協議，通過ping測試延時大約50ms能夠滿足需求。）

圖2 應用CIP的EtherNet/IP 3. EtherCAT EtherCAT（Control Automation Technology），也被稱為乙太網控制自動化技術，是一個開放架構。EtherCAT是確定性的工業乙太網，由德國的Beckhoff公司研發。自動化對通訊一般會要求較短的資料更新時間（或稱為週期時間）、資料同步時的通訊抖動量低，而且硬體的成本要低，EtherCAT開發的目的就是讓乙太網可以運用在自動化應用中。  工作原理 EtherCAT採用“飛速傳輸”（processing on the fly）的技術，基於集束幀方法：由EtherCAT主站傳送包含網路所有從站資料的資料包。在EtherCAT網路中，當資料幀幀通過每一個裝置（直達 I/O 端子模組）時，EtherCAT 從站控制器讀取與該裝置相關的資料。同樣，輸入資料可以飛速插入至資料流中（或從資料流中交換資料到節點裝置）。幀被傳遞（僅被延遲幾位）過去的時候，從站會識別出相關命令，並進行相應處理。此過程是在從站控制器中通過硬體實現的，因此與協議堆疊軟體的 Run-Time 系統或處理器效能無關。網段中的最後一個EtherCAT 從站將經過充分處理的報文發回，這樣該報文就作為一種響應報文由第一個從站返回到主站。且為了支援100 Mbit/s的波特率，必須使用專用的ASIC或基於FPGA的硬體來高速處理資料。因此，EtherCAT網路拓撲最終構成一個邏輯環。

EtherCAT執行原理 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/EthercatOperatingPrinciple.svg  效能 EtherCAT的週期時間短，是因從站的微處理器不需處理乙太網的封包。所有程式資料都是由從站控制器的硬體來處理。每個節點接收及傳送資料的時間少於1微秒，一般而言只用一個幀的資料就可以供所有的網路上的節點傳送及接收資料。此特性再配合EtherCAT的機能原理，使得EtherCAT可以成為高效能的分散式I/O系統，例如：  包含1000個分散式數位I/O出的程式資料交換隻需30us，其中包括端子模組的週期時間。  通過一個乙太網幀，可以交換高達 1486 位元組的過程資料，幾乎相當於 12000 個數字量 I/O。而這一資料量的傳輸僅用 300 μs。  與 100 個伺服軸的通訊只需 100 μs。在此期間，可以向所有軸提供設定值和控制資料，並報告它們的實際位置和狀態。其中分散式時鐘技術保證了這些軸之間的同步抖動小於 1 微秒。 並且EtherCAT技術的原理具備拓展性，並不侷限於快速乙太網（100Mbit/s），可以擴充套件至1000Mbit/s。  應用領域 伺服控制系統（低於1ms）,實時控制系統；分散式 I/O系統、；軸和控制單元；現場匯流排主站，高速序列介面。未來EtherCAT會更加偏重應用於智慧電網、航空航天、產業機械、醫療等領域。

4. SERCOS Ⅲ Sercos III是一個免費提供的全球標準化開放式的數字介面實時通訊標準，SERCOSIII不僅有特定的物理層連線的硬體架構，同時SERCOS介面的協議結構和應用規範的定義也是特定的。SERCOSIII是SERCOS的第三代，SERCOS於1985年被推向市場，是一個標準的遵循IEEE802.3的資料傳輸協議，這個通訊系統最初使用在基於運動控制的自動化系統，一個已註冊的協會-SERCOS國際協會，支援這項技術的發展並保持標準的一致性。  工作方式 Sercos是一種確定性的基於乙太網的自動化匯流排，它使用集束幀方式進行高效通訊。網路節點必須採用菊花鏈或封閉的環形拓撲，由於乙太網具有全雙工能力，菊花鏈實際上已經構成一個獨立的環。因此對於一個環形拓撲實際上相當於提供一個雙環，使得它允許冗餘資料傳輸。直接交叉通訊能力是由每個節點上的兩個埠來實現，在菊花鏈和環形網路，實時報文在他們向前和向後時經過每個節點，因此，節點具有在每個通訊週期中相互通訊兩次而無需經過主站的能力，無需經過主站對資料進行路由。除了實時通道，它也使用時間槽方式進行無碰撞的資料傳輸，SERCOSIII也提供可選的非實時通道來傳遞非同步資料。  效能 極高的硬實時效能以及同步通訊要求，一般迴圈週期在25μs左右，抖動限制在納秒級。 在跨Sercos III網路的通訊中嚴格嚴格控制迴圈間隔，為給定的應用選擇迴圈時間，範圍從31.25μs到65ms。 SERCOSⅢ基本迴圈週期  應用領域 Sercos III是是全球標準化的開放式數字介面，用於工業控制，運動裝置，輸入/輸出裝置（I / O）和標準乙太網節點之間的通訊。具體在傳統CNC和機器人領域，工程系統，人機介面等，其中在CNC的應用中更側重於控制。

5. PROFINET PROFINET是一個開放式的工業乙太網通訊協定，由SIEMENS和PROFIBUS使用者組織PNO的成員公司共同開發。可分為PROFINET CBA及PROFINET IO二種：PROFINET CBA適合經由TCP/IP，以元件為基礎的通訊，PROFINET IO 則使用在需要實時通訊的系統，且兩種模式可以在一個網路中同時出現。其中PROFINET IO是為分散式周邊的實時（RT）及等時實時（IRT）通訊方式兩種。  工作原理 採用生產/消費者模型結合匯流排迴圈時間分配技術，通過分配傳輸通道，來保證非實時傳輸與實時傳輸過程的相對的獨立，以獨特的時間控制器，來進一步分配每個迴圈週期的時間，進而保證通訊迴圈週期的高度穩定性。

資料傳輸模式

匯流排迴圈時間分配技術  效能 PROFINET TCP/IP是針對PROFINET CBA及工廠除錯用，其反應時間約為100ms。 PROFINET RT（實時）通訊協定是針對PROFINET CBA及PROFINET IO的應用，其反應時間小於10ms。 PROFINET IRT（等時實時）通訊協定是針對驅動系統的PROFINET IO通訊，其反應時間小於1ms。其採用了專用的晶片來實現，可以達到 100 個伺服 100uS 的資料重新整理能力，系統抖動為 1uS。  應用領域 主要應用於Siemens產品，但由於profinet自身的三種傳輸等級特性，以及市場的主導地位，目前被應用在I/O控制系統（自動化控制）、I/O監控系統。具體在數控機床（西門子）控制、同時應用在機器人控制、電氣控制系統等領域。 6. EtherNet Powerlink Ethernet Powerlink是標準乙太網的確定性實時協議。它是由乙太網POWERLINK標準化組織（EPSG）管理的開放協議。由奧地利自動化公司B＆R於2001年開發。Powerlink 的優勢在於採用純軟體方式的協議，卻可達到硬實時的效能。提並且供了所有標準的乙太網功能特點包括交叉通訊和熱插拔，允許網路以任意方式進行拓撲。  工作方式 POWERLINK的基本傳輸週期分為實時和非實時域，其採用時隙和輪詢混合方式來實現資料的同步傳輸。為進行協調，網路中指定PLC或工業PC作為管理節點（MN）。該管理節點執行週期性時隙的排程並據此來同步所有網路裝置，並控制週期性資料通訊。所有其他裝置執行為受控節點（CN）。在每個同步週期階段，MN以固定的時間序列逐次向CN傳送 “輪詢請求楨PReq”。每個CN以PRes方式立即響應這個請求並傳輸資料，所有其他節點可以偵聽這個響應。

Powerlink基本傳輸週期  效能 一個POWERLINK的週期包括三個部分。在開始階段，MN傳送了迴圈啟動SoC幀給網路中的所有節點，以同步網路中的所有裝置，抖動大約20納秒。 目前實現的週期時間小於200μs，時間精度（抖動）小於1μs。  應用領域 POWERLINK非常適合各種自動化應用，包括I / O，運動控制，機器人任務，PLC與PLC間的通訊，以及顯示任務。

 當前主流協議效能對比 PS：真正的實時乙太網應用是指Ethernet POWERLINK、EtherCAT、SERCOSIII。

 相關參考資料 高效能同步處理、電子傳動實時性需求1μs-1ms; CNC、機器人、高速處理過程50μs-10ms; 傳輸系統、簡單控制過程、軟實時自動化控制過程1ms-100ms； 樓宇控制技術（燈光，溫控等系統）、倉儲系統、控制和自動化生產系統不低於10ms； 標準工業應用的實時性要求5ms以下； 運動控制，要求參與通訊的終端裝置週期同步，且週期小於1ms； 伺服控制與驅動（響應時間1ms以下）； AGV無線通訊（通訊延時50ms可以滿足需求）； CNC 插補計算、機器人的座標轉換，目前國內的水平維持在 5mS 左右的應用水 平，而歐美的主要廠商如 KUKA、ABB、Staubli 的機器人系統則要求更高的速度處理，小於 100uS；