隨著各大公司紛紛實現數字化連接，工業以太網的普及度不斷超越其他選擇。特別是在自動化和工業控制系統中采用物聯網 （IoT） 功能，來提高數據可訪問性和可用性，這就更是如此。在這些應用中，EtherNet/IP 和 PROFINET 是最佳選擇。

　　EtherNet/IP 的結構及其不斷擴展的適用性

　　EtherNet/IP 是一種工業網絡協議，它將通用工業協議 （CIP） 用于標準以太網。該協議工作于網絡應用層 — 在網絡的兩個概念模型中，應用層位于“最頂層”設備和面向用戶的層，以允許控制裝置和輸入/輸出 （I/O） 設備之間進行通信。更具體地說，EtherNet/IP 是開放系統互連 （OSI） 和傳輸控制協議/互聯網協議 （TCP/IP） 模型的頂層。

圖 1：兩個用于描述網絡的最常見模型是 OSI 模型和 TCP/IP 模型。（圖片來源：Design World）

　　EtherNet/IP 采用：

• 　　前述的應用層
• 　　互聯網協議網絡層
• 　　標準以太網鏈路層

　　請注意，EtherNet/IP 中的 IP 是工業協議的縮寫；指的是一些網絡協議，最初的開發目的是允許通過 RS-232 和 RS-485（均為工作數據傳輸標準）等串行連接進行通信。現在，許多此類連接都使用 TCP/IP 等協議通過以太網運行，這在互聯網通信中極為常見。EtherNet/IP 通信及其非常標準化的硬件（包括集線器、交換機、路由器、以太網電纜和以太網網卡）由 IEEE 802.3 傳輸控制協議和互聯網協議定義。

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

　　EtherNet/IP 于 2009 年開發，源于開放式 DeviceNet 供應商協會 （ODVA） 與控制網國際組織 （CI） 在 ODVA 及其成員贊助下的合作。ODVA 本身成立于 1995 年，是一個由 Rockwell Automation、Cisco、Schneider Electric、Omron 和 Bosch Rexroth 等自動化公司組成的聯合體，旨在推動工業自動化的開放和可互操作通信。根據 ODVA 的數據，EtherNet/IP 在工業以太網采用中處于領導地位，2017 年占 25% 的市場份額，2018 年占 28% 的市場份額，并且工業以太網節點的出貨量最多。

　　目前，EtherNet/IP 是針對工業網絡采用 CIP 的四種 ODVA 網絡之一。其他網絡是 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet。

　　CIP 是在工業設備中組織和共享數據的通道。更具體地說，CIP 使用不同類型的消息和服務來交換工業自動化應用中的數據。這些應用包括過程和系統控制、安全、同步、運動、配置和信息。CIP 使這些應用能夠與企業級以太網絡和互聯網進行集成。這是一種用于制造業和工業應用的統一通信網絡，被世界各地的廠商廣泛采用。

　　對于工業協議，數據按照具有數據元素或屬性的對象來排序。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 CIP 中找到。

　　EtherNet/IP 相當易于實施，并且與用于工業自動化的標準以太網交換機兼容。但是，EtherNet/IP 的基本形式具有不確定性，因此不適合嚴格的實時工業應用。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 以太網標準的未修改以太網，滿足對確定性實時控制（包括閉環運動控制）的苛刻要求。

　　EtherNet/IP 與 CIP Motion 技術相結合，可提供多軸分布式運動控制功能。該協議不僅能進行擴展，而且為運動設計提供一個通用的應用程序接口。

　　通過 EtherNet/IP 傳輸數據

　　TCP 和用戶數據報協議 （UDP） 是互聯網以及許多專用網絡的基礎通信協議。EtherNet/IP 使用 TCP 端口進行所謂的顯式消息傳遞。此類消息傳遞是指系統向客戶端發送數據，以響應對該數據的特定請求。它使用 TCP/IP — 一種面向連接的協議，以顯式方式管理客戶端與服務器之間的鏈路。TCP 是 TCP/IP 網絡的核心，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 會保證數據的傳送，同時保證數據包按照發送順序進行傳送。

　　EtherNet/IP 使用 UDP 端口進行隱式報文傳送，即系統通信以預定的時間間隔從預設的存儲位置發送至控制器或其他客戶端。此類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（無驗證接收）簡化了周期性系統更新。

　　確定性通信中的 PROFINET

　　PROFINET 是另一種技術標準，它定義了通過工業以太網進行數據通信的方式。PROFINET 對標準以太網進行了修改，即使在具有挑戰性的應用中，也能確保正確、及時地傳輸數據。該標準的定義規定了從工業設備和系統收集數據的方式，以滿足往往緊迫的特定時間限制。PROFINET 源自 PROFIBUS，后者是一種用于支持自動化的現場總線通信標準。PROFIBUS 是基于工業以太網的經典串行現場總線，而 PROFINET 則更進一步，具有更多的功能，允許更快、更靈活地通信，以控制自動化組件。

　　實際上，截至 2018 年，PROFINET 占有 30% 的工業網絡市場份額，成為全球領先的基于以太網的工業自動化通信解決方案。每年有超過五百萬臺支持 PROFINET 的設備進入市場。

　　PROFINET 和 PROFIBUS 通信是確定性的，因此允許采用精確的 I/O 結構限制來支持自動化系統，并且它們定義的 I/O 結構有助于精確計算最大更新時間。PROFINET 還可以提供同步實時 （IRT） 數據交換。IRT 本質上是利用 PROFINET 的超精確時鐘來優先處理某些類型的數據流量，并緩沖其余數據流量。在高要求應用（例如運動控制）和確定性要求比實時操作更高的其他應用中，IRT 的表現十分出色。在實時數據交換中，總線周期時間不到 10 毫秒。相比之下，IRT 數據交換發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至僅一毫秒的時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程中的任何異常情況，并向操作人員發出警報，同時立即關閉過程。

　　關于 PROFINET 硬件的旁注

　　標準以太網僅適用于家庭、辦公室和選定工業監控環境中的數據傳輸。相比之下，PROFINET 的工業以太網適合安裝在要求確定性數據通信的惡劣工業設施中。PROFINET 電纜和連接器與標準以太網中所使用的不同，包括具有重型鎖定機構的連接器和加固型工業電纜。無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絡層（在前面提到的網絡模型中），并使用 IP 地址進行通信。這些路由器連接局域網 （LAN） 并形成廣域網 （WAN），同時采用算法確定網絡之間的最佳數據傳輸路線。某些 PROFINET 交換機還采用光纖連接。這些超快的元器件通過網關元件將支持 PROFINET 的設備集成到以太網絡（或 PROFIBUS）中，實現銅線到光纖的轉換。

　　PROFINET 管理型和非管理型交換機

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

　　非管理型 PROFINET 交換機通過連接到預定設備端點的適當端口發送傳入的以太網數據。端口可能有一個 LED 指示燈來顯示數據流的存在，但這些非管理型交換機通常不會提供更多關于該數據流的信息，或對數據流進行管理。

　　相比之下，管理型 PROFINET 交換機更加智能，可以使用不同的 IT 協議，包括用于 PROFINET 的簡單網絡管理協議 （SNMP） 和鏈路層發現協議 （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 的行業特定適應性正在改變許多行業。例如，包裝行業使用 EtherNet/IP 來實現高速通信、確定性和實時性能。化工、傳統自動化和發電等行業使用 EtherNet/IP 來持續量化輸出。另外，還有一些工業應用涉及全自動化過程，需要計數和實時數據采集來進行控制。在這種情況下，EtherNet/IP 和 PROFINET 都擅長創建此類應用所需的確定性網絡。

　　不妨考慮 EtherNet/IP 和 PROFINET 的信號質量、報文大小和更新率，來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行部署，不過 PROFINET IRT 需要特定的硬件。EtherNet/IP 基于面向對象的編程，并且依賴于商業成品 （CotS） 元器件，因此具有更高的互操作性。實際上，CotS 元器件和硬件的使用與辦公室環境中普遍采用的變體并無不同，這意味著對于實現高速工業連接，EtherNet/IP 是非常劃算的選擇。此類大部分硬件具有規模經濟和可互換特性，有助于最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 的現場總線中，能夠有效地補充現有系統，而無需完全替換。現有設備可以共用并且現有網絡接受添加補充性硬件，這種做法具有諸多成本優勢。即便如此，PROFINET 技術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。網絡拓撲結構是指網絡中鏈路和節點的排列。鏈路是無線和有線技術，例如同軸電纜、帶狀電纜和雙絞線電纜，以及光纖電纜。而網絡節點是集線器、網橋、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、直線形、環形、菊花鏈形和網狀網絡形。

　　EtherNet/IP 網絡主要使用星形拓撲，并輔以其他拓撲：環形拓撲按順序連接多個設備 — 即使環內的電纜被切斷，每個設備也會保持其控制路徑。樹形拓撲使用設備組之間用線連接的設備或交換機；任何中斷都會提示算法確定下一個最可行的解決路徑。

　　PROFINET 的直線形拓撲使用最少的電纜，無需外部交換機；通過獨立的交換機連接至任何星形和樹形拓撲。在這種結構下，如果星形或樹形交換機發生故障，則所有節點的通信均會受到影響，這可能會出現問題。因此，為了保證通信的連續性，PROFINE 通過添加設備來支持拓撲結構，以便在電纜或節點發生故障時提供介質備份和其他元件。

　　請注意，EtherNet/IP 和 PROFINET 網絡部署在集中和分散控制的系統中，有時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端-服務器設置，有一個中心服務器連接一個或多個客戶端節點。客戶端節點向中心服務器提交請求，而不是自行進行處理，同時服務器完成所有的主要處理工作。在分散式系統中，每個節點都自主執行自己的邏輯。系統的最終操作是所有節點邏輯的總和。

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 網關

　　無論是獨立的硬件，還是與路由器、防火墻或服務器功能集成在一起，網關都會控制著數據在給定網絡中的進出，有時還控制著不同系統之間的數據流。這包括一些專門設計用于在 EtherNet/IP 和 PROFINET 網絡之間進行 I/O 通信的網關。對于后者，大多數網關都充當 PROFINET 設備和 EtherNet/IP 適配器，以實現自動兼容。

　　除了自身的主要作用，在信號定時、計數、計算、比較和處理任務方面，網關還可以減輕系統的 PLC 負擔。對于具有路由器功能的 EtherNet/IP 和 PROFINET 網關，則能讓計算機通過互聯網發送和接收數據。如今，連接至網絡的智能人機界面 （HMI） 有時還可以兼作自動化系統與控制器之間的網關，以簡化系統的調試和維護。

　　連接未來的工業自動化裝置

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 連接正在以前所未有的敏捷性和 IIoT 功能，實現自動化與工業控制的創新組合。隨著硬件、軟件和連接技術以新的方式利用 EtherNet/IP 和 PROFINET，它們將幫助系統滿足日益嚴苛的工業生產需求。