工业总线协议（Modbus RTU/TCP、PROFINET、EtherCAT）的帧结构、通信速率与实时性对比
概要介绍
Modbus: 问答式的简单协议，是应用层协议的标准，实时性最低，但通用性最强。
PROFINET: 基于工业以太网的分布式解决方案，通过硬件和软件优化实现高实时性，功能丰富。
EtherCAT: 基于以太网的主从式系统，采用“飞行中处理”的独特机制，实现极高的实时性和极低的协议开销。
详细对比分析
1. Modbus (RTU & TCP)
Modbus 是一个应用层消息传递协议，定义了数据的结构和命令，不关心底层物理介质（可以是串行RS-485，也可以是TCP/IP网络）。
a) 帧结构
Modbus RTU (基于串行链路，如 RS-485)
特点： 二进制编码，紧凑高效。
帧结构：
起始间隔 从站地址 功能码 数据 CRC校验 结束间隔 (>=3.5字符静默时间) 1 Byte 1 Byte N Bytes 2 Bytes (>=3.5字符静默时间) 说明： 没有明确的起始和结束符，依靠静默时间来界定帧的开始和结束。CRC校验用于保证数据完整性。
Modbus TCP (基于以太网)
特点： 将Modbus协议帧嵌入到TCP数据包中，利用以太网的普及性。
帧结构：
标准TCP/IP头 (20-60 Bytes) MBAP头 (7 Bytes) Modbus PDU (功能码+数据) 源/目标端口、序列号等 事务元标识符、协议标识、长度、单元标识符 1 Byte + N Bytes 说明： MBAP头用于在TCP连接中识别Modbus报文。由于基于TCP，其通信是面向连接的，协议开销比RTU大很多。
b) 通信速率
Modbus RTU: 依赖串行链路速率，常见为 9.6 kbps, 19.2 kbps, 115.2 kbps。速率较低。
Modbus TCP: 依赖以太网速率，通常为 10/100/1000 Mbps。注意： 虽然物理速率高，但由于TCP/IP协议栈的复杂性和操作系统调度带来的延迟，其实时性并不高。
c) 实时性
性能： 毫秒(ms)到百毫秒(ms)级。
机制： 严格的主从问答式（Request-Response）。主站发出一个请求，必须等待从站的响应后，才能发出下一个请求。这导致了低效率和高延迟，尤其是在从站数量多或网络负载大时。
确定性： 差。通信延迟不可预测。
2. PROFINET
PROFINET 是PI组织推出的基于工业以太网的开放式标准。它并非单一协议，而是一个协议族，根据实时性要求分为不同的类别。
a) 帧结构
PROFINET使用标准的以太网帧（IEEE 802.3），但在帧内定义了不同的数据区和报文头以实现实时通信。
PROFINET RT (实时) 帧结构：
特点： 在标准以太网帧中插入PROFINET数据和状态信息，通过软件优化绕过TCP/IP栈以减少延迟。
帧结构：
以太网头 (14 Bytes) VLAN标签 (4 Bytes, 可选，用于优先级) PN FrameID PN Data PN CRC 帧校验序列 (4 Bytes) 说明： RT数据直接在以太网帧上传输， bypass了TCP/UDP/IP层，减少了协议开销和处理时间。
PROFINET IRT (等时实时) 帧结构：
特点： 在硬件（如ASIC或专用网卡）层面实现，通过时间片机制为IRT通信预留固定的、周期性的时间窗口，与标准TCP/IP通信并行，互不干扰。
帧结构： 与RT类似，但依赖于时间同步和时间调度机制。
说明： IRT是实现高精度同步运动控制的关键。
b) 通信速率
标准以太网速率：100 Mbps 是最常见的配置，也支持 1 Gbps 和 10 Gbps。
c) 实时性
PROFINET RT:
性能： 循环周期可达 ~1ms，抖动 < 1ms。
应用： 适用于过程数据、IO控制等大部分工厂自动化场景。
PROFINET IRT:
性能： 循环周期可达 ~31.25 µs，抖动 < 1 µs。
应用： 适用于高精度同步运动控制（如多轴机器人、数控机床）。
确定性： 极高，通过硬件保证。
3. EtherCAT
EtherCAT 是一种采用“在线处理”或“飞行中处理”技术的超高速工业以太网协议。主站发送的报文在通过各个从站时，从站会实时地读取或写入属于自己的数据。
a) 帧结构
特点： 主站发送一个标准的以太网帧（通常是以太网类型 0x88A4），这个帧会依次经过网络中的每一个从站设备。
帧结构：
以太网头 (14 Bytes) EtherCAT头 (2 Bytes) 多个EtherCAT子报文 工作计数器 帧校验序列 (4 Bytes) EtherCAT子报文结构：
子报文头 数据域 WKC (工作计数器) 说明：
一个以太网帧内可以包含多个子报文，每个子报文服务于不同的从站或数据区。
从站处理经过它的数据（读或写），整个过程仅延迟纳秒级。
工作计数器 是一个关键机制，主站通过它来确认从站是否正确处理了数据。
b) 通信速率
标准以太网速率：100 Mbps（全双工）。
注意： 虽然物理速率与PROFINET相同，但由于其极低的协议开销和“一网到底”的通信模式，其有效数据吞吐率可超过90%，远高于其他协议。
c) 实时性
性能： 极致的高实时性。循环周期可达 < 100 µs，抖动可低于 < 1 µs。
机制：
飞行中处理： 报文不在从站节点停留，从站芯片在报文通过时直接处理数据，极大减少了延迟。
极低的协议开销： 有效数据与总报文长度的比率非常高。
分布式时钟： 提供高精度的时间同步（纳秒级），确保所有从站动作的同步性。
确定性： 极高。
总结对比表
| 特性/项目 | Modbus RTU/TCP | PROFINET | EtherCAT |
|---|---|---|---|
| 协议本质 | 应用层协议 | 基于工业以太网的自动化总线 | 基于工业以太网的现场总线 |
| 拓扑结构 | 主从式，星型/总线型 | 星型，树型 | 线型，树型，星型（需支持DC） |
| 帧结构特点 | RTU：简单，带CRC TCP：封装在TCP中，开销大 | 标准以太网帧，RT绕过TCP/IP，IRT硬件调度 | 标准以太网帧，内含多个子报文，"飞行中处理" |
| 典型通信速率 | RTU: 115.2 kbps TCP: 100 Mbps | 100 Mbps (主流), 1 Gbps | 100 Mbps (主流) |
| 实时性能 | ms ~ 100ms级 | RT: ~1ms IRT: ~31.25µs | < 100 µs |
| 确定性 | 低 | RT: 中，IRT: 高 | 极高 |
| 协议开销 | RTU: 低 TCP: 高 | RT: 中，IRT: 中 | 极低 |
| 主要应用领域 | 简单的IO控制，SCADA，楼宇自动化 | 广泛的工厂自动化，过程控制，机器人 | 高精度运动控制，高性能PLC，半导体设备 |
| 成本 | 低 | 中到高 | 中（从站芯片成本低） |
| 关键优势 | 简单，通用，易于实现，设备支持广泛 | 功能丰富，与IT融合性好，支持多种实时等级 | 速度极快，延迟极低，效率极高，拓扑灵活 |
如何选择？
选择 Modbus：
对实时性要求不高。
项目预算有限。
连接的是传统或简单的设备（如传感器、变频器）。
作为上层监控系统（SCADA）与PLC之间的通信协议。
选择 PROFINET：
需要一个功能全面、与IT系统集成度高的自动化网络。
应用场景复杂，需要同时处理实时IO数据、安全通信（PROFIsafe）、运动控制（IRT）和标准TCP/IP流量。
处于以西门子等支持PROFINET的厂商为主的生态系统中。
选择 EtherCAT：
对实时性和同步性有极致要求的应用，如超过100轴的精密数控机床、工业机器人、高速包装机械。
希望最大化网络带宽利用率，用最少的硬件资源控制大量的设备。
青睐其灵活的线型拓扑，可以节省交换机成本和布线。