关于Powerlink和EtherCAT的对比

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转发自：http://book.2cto.com/201508/55093.html
这个问题经常会被人问及，因此在这里做一个详细的比较。总的来说，POWERLINK和EtherCAT性能差不多。对于POWERLINK，一个主站带10个从站的网络，最小的循环周期为100μs左右；对于EtherCAT，一个主站带10个从站的网络，最小的循环周期为100～400μs，取决于用户添加的应用层以及主站的性能。

此外，EtherCAT当初是根据机器设备的控制需求制定的方案；而POWERLINK当初的设计目标是工业现场总线，除了可以用于机器控制，还可以用于过程控制、DCS系统等。
下面着重比较一下POWERLINK和EtherCAT，如图1-4所示。
图1-4中，“-”代表差，“+”代表中等，“++”代表好。

（1）技术的所有者

POWERLINK是一项公共且公开的技术，任何单位或者个人都可以无偿将其用于各种用途。

POWERLINK的实现方案之一openPOWERLINK是一套开源的解决方案，它遵循BSD许可，也就是说POWERLINK的使用者对该技术拥有知识产权。

EtherCAT是一项私有技术，它属于Beckhoff公司，使用这项技术的人需要向Beckhoff公司支付许可费用，即使是用户根据EtherCAT技术标准自己开发的方案，也需要支出许可费用。

（2）实现成本

POWERLINK的主站和从站都基于标准以太网，可以在ARM、DSP等带有以太网接口的芯片上实现，也可以在FPGA上实现，如果采用FPGA实现，从站需要5000Les。

EtherCAT的从站可以购买ASIC，价格在10美元以上；也可以采用FPGA，需要15?000Les以上。此外还需要花10万～20万元来购买IP core。

（3）主站的实现

POWERLINK的主站可以采用MCU或者CPU来实现，也可以采用FPGA来实现。从网上可以下载基于不同平台的源代码。基于FPGA的主站方案可以灵活地满足各种需要，而无需考虑HOST采用何种软件平台、何种硬件平台。

EtherCAT的主站目前主要是基于高性能CPU的方案。除了高性能CPU以外，还需要实时操作系统的支持。因为如果操作系统不实时，无法保证EtherCAT的实时性。例如，硬件采用x86的CPU，操作系统选用Windows，就无法达到硬实时。然而实时操作系统的选择是一个令人头疼的事情。

（4）CANopen的兼容性

POWERLINK提供了统一、开源的CANopen代码，对于POWERLINK的使用者而言，由于采用了统一标准的CANopen应用层，这就保证了所有POWERLINK的设备都能互联互通。

EtherCAT的ASIC芯片只提供了物理层和数据链路层，没有提供应用层，因此使用者需要自己开发应用层协议。用户可以自己开发CANopen作为应用层，也可以开发SERCOS作为应用层。由于每个厂家开发的协议各有千秋，从而导致虽然大家都是用EtherCAT的设备，但是却不能互通。这种情况在传统的CANopen设备中经常发生。

（5）性能

EtherCAT采用了集束帧，即网络上所有的节点共用一个以太网数据帧；而POWERLINK的每个节点使用一个单独的数据帧。因此EtherCAT理论上的最小循环周期比POWERLINK小。

但是EtherCAT实际的最小循环周期不一定比POWERLINK小，原因是，虽然EtherCAT从站采用ASIC来实现，达到了硬实时，但是主站却是基于高性能CPU的软解决方案。所以EtherCAT的最小循环周期的瓶颈在于主站，如果主站的CPU性能不够高，或者操作系统实时性不够，就会导致其循环周期增大。

POWERLINK的主站和从站都可以采用FPGA的方案，因此主站和从站都可以达到硬实时的级别，这使得POWERLINK的实际性能高于EtherCAT。

EtherCAT网络中所有节点共用一个以太网数据帧，这个数据帧最大为1500字节，如果网络中所有节点发送和接收的数据量超过1500字节，需要分两个循环周期发送，这一方面会增长循环周期，另一方面会增加应用程序的复杂度。

在小数据量传输时，EtherCAT有可能比POWERLINK快，但在大多数场合下，POWERLINK比EtherCAT快。

（6）技术开放性

POWERLINK的标准化组织EPSG已经宣布POWERLINK是一项开放技术，无需任何许可。

POWERLINK的实现方案之一，即由德国的SYSTEC公司开发的openPOWERLINK，是一个免费、开源、遵循BSD许可的方案。一套代码包含了主站和从站方案。

EtherCAT技术属于Beckhoff公司，对于从站，用户可以从Beckhoff购买ASIC芯片，或者自己在FPGA上开发。如果用户自己开发EtherCAT，需要向Beckhoff公司交纳许可费用，因为EtherCAT是私有技术，受到专利保护。

（7）冗余

冗余对于过程控制、工厂自动化、DCS系统都很重要，因为这些场合对网络的可靠性要求高。而机器控制则往往不需要冗余。

POWERLINK支持各种冗余，包括环形冗余、双网冗余、双环网冗余、多主冗余。而且只需在FPGA加入少量代码，就可以实现这些冗余。这些冗余方案可以从网上下载。

EtherCAT只支持环形冗余，不能实现双网冗余，不支持多主冗余。

（8）网络设备

POWERLINK的物理层采用标准以太网，因此网络拓扑时可以采用通用的HUB、Switch等，价格便宜，采购方便，组网灵活。

EtherCAT不能采用HUB、Switch等标准以太网设备来组网。

注意：如果使用交换机来组建网络，需要保证网络中的每个POWERLINK设备的MAC地址是唯一的。

（9）拓扑结构和热插拔

POWERLINK支持各种拓扑结构：菊花链、星型、树型等，或者任意的组合，其系统的逻辑和物理拓扑结构无关。

EtherCAT支持菊花链拓扑，不支持其他的拓扑。

由于POWERLINK系统的逻辑和物理拓扑结构无关，且支持任意拓扑，当物理上某个节点从网络中脱离时，网络中的其他节点不会受到影响，所以POWERLINK能很好地支持热插拔。

而EtherCAT只支持菊花链拓扑，当链中的某个节点从网络中脱离时，会造成跟随其后的其他几个节点也从网络中脱离，这就使得系统无法工作。因此对于EtherCAT，如果要支持热插拔，则必须实现环形冗余。但是EtherCAT的数据帧传输和拓扑结构紧密相关，数据帧遍历网络中节点的顺序是事先设定好的。若某个节点从网络中脱离，就意味着数据帧遍历节点的顺序需要改变，这种改变会造成网络通信的震荡。在震荡一段时间之后，系统可以达到新的稳态。

（10）EMC稳定性

POWERLINK的每个节点的输入和输出采用单独的数据帧传输，如果数据帧出现问题，只会影响本节点，而不会影响其他节点。

EtherCAT的所有节点共用一个数据帧，当该数据帧出错时，就意味着所有节点的数据都被丢弃，这会影响网络上的所有节点。此外，EtherCAT在从数据帧中接收数据时，几乎同时将要发送的数据也写入了数据帧，这虽然缩短了通信时间，但这种机制抗干扰能力很低，因为数据帧每经过一个节点，都会被该节点高速处理，数据帧的内容被快速改变，这样稍微有一点干扰，或者从站内部的时钟漂移等，都会造成数据传输的错误，从而使整个数据帧出现CRC错误，最终导致整个数据帧被MAC丢掉。

Industrial Ethernet Book Issue是来自欧洲一家工业杂志的测试报告，该报告显示，随着节点数的增加，EtherCAT的出错率呈指数级增加，远远高于POWERLINK和ProfiNet，如图1-5所示。

（11）组网配置工具

POWERLINK提供开放源码、免费使用的组网工具，可以很方便地组建POWERLINK网络。

EtherCAT需要客户自己编写网络的配置工具。

（12）开发成本和开发周期

POWERLINK提供了现成的源代码，用户基本不需要做开发工作，只需学习如何使用POWERLINK及其相应的组网工具。网上可以下载到基于多种不同平台的POWERLINK源码，POWERLINK软件集成工作往往只需几个小时。因此POWERLINK的开发周期很短，而且没有开发风险，100%成功。

EtherCAT需要用户投入很多时间来研究，而且很难获得技术支持和技术资料，需要客户自己编写应用层协议，自己编写网络的配置工具，这些工作往往需要至少两年时间，而结果却未必成功。

（13）SAFETY技术

SAFETY技术越来越重要，每一种总线都有与之对应的SAFETY技术，例如ProfiNet有PROFIsafe，Ethernet/IP有CIPSafety，EtherCAT有Safety over EtherCAT。

OpenSAFETY是基于POWERLINK的SAFETY技术，这项技术的全部源代码是公开且免费使用的。该技术除了能够用于POWERLINK，还可以用于其他协议，如Prof?iNet、Ethernet/IP、Modbus/TCP。OpenSAFETY的开放性好，这使得它受到了很多大公司的青睐，如雀巢、通用、AB等。

小结

实时以太网技术将会在中国得到广泛应用，在众多的通信协议中，POWERLINK受到了国内很多知名大公司的青睐，例如南车、北车、卡斯柯等高铁行业，南瑞、大全、四方等电力行业，和利时等DCS厂商，以及迈信、新时达等运动控制厂商。POWERLINK之所以受到大公司的欢迎，主要原因在于技术开放，以及使用者拥有知识产权。POWERLINK为中国的以太网技术奠定了基础，在此基础上，用户加以发展、升级、改造，使之成为一项长期发展的技术。