协议简介新版.doc
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1、目 录1 现场总线控制技术与工业以太网12 工业以太网实时性问题22.1 通讯拟定性和实时性技术23 EthernetIP协议简介33.1 EthernetIP工业以太网43.1.1 EthernetIP协议模型及协议内容43.1.2 EtherNet/IP 的通信机制73.2 ProfitNet工业以太网73.2.1 基本介绍83.2.2 实时通信83.2.3 PROFINET93.2.4 安全103.3 Modbus-IDA工业以太网113.3.1 基本信息113.3.2 特点123.3.3 传输方式133.3.4 CRC153.4 Controlnet工业以太网163.4.1 原理173
2、.4.2 ControlNet网络173.4.3 控制网国际有限公司183.4.4 可建造ControlNet的设备183.5 World FIP工业以太网203.5.1 概述203.5.2 WorldFip的特点203.5.3 WorldFip 协议213.5.4 WorldFip总线典型器件223.5.5 开发工具233.5.6 目前存在的一些问题和应用前景234 EthernetI P通信适配器硬件设计与实现2441 硬件系统总体架构2442电源设计2543复位电路设计2544以太网通讯接口设计26441以太网电路原理26442以太网芯片CS8900A-IQ3功能描述274.5串行通讯接
3、口设计2846 主从USB接口设计2947 外部I0扩展接口设计295 EtherNet/IP 工业以太网优缺陷及发展前景301 现场总线控制技术与工业以太网20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟,智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用,嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4-20mA模拟传输技术,但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展,在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言:FCS将成为21世纪控制系统的主流。
4、然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候,却注意到它的发展在某些方面的不协调,其重要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一:8种现场总线通过2023的纷争,最后IEC的现场总线标准化组织经投票,通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准,即:FF H1,Control Net,ProfiBus,InterBus,PNet,World FIP,Swift Net,FF之高速EtherNet即HSE。这8种现场总线互不兼容,这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外,FCS的传输速率也不尽人意,以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例,它采用了ISO的参考模型中的3层
5、(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层,其低速总线H1的传输速度为3125kbps,高速总线H2的传输速度为1 Mbps或25Mbps,这在有些场合下仍无法满足实时控制的规定。又如广泛用于汽车行业的Can总线系统,其最高的传输速率为1 Mbps40米;这些现场总线受通讯距离制约较大。由于上述因素,使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMACD)通讯方式,在实时性规定较高的场合下,重要数据的传
6、输过程会产生传输延滞,这被称为以太网的“不拟定性”。研究表白:商业以太网在工业应用中的传输延滞在230ms之间,这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要因素之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值,从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一工业以太网。由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点,目前它已经在工业公司综合自动化系统中的信息层与控制层得到了广泛应用,并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看,目前工业以太网在控制层已得到广泛应用,并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业公司综合自动化系统中
7、的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。工业以太网技术作为后起之秀,迅速抢占着其它总线形式的市场,推动其发展的两大动力是:光纤环网的应用、分布智能装置仪表。光纤环网解决了两大问题:第一,轻松解决了在化工、矿业等极端条件的本质防爆问题,这一下子将以太互换设备向前推动了一个层次,使以太网可以到达工业现场层,第一次成为真正的FieldBus;第二,通过环网的冗余提高以太互换的可靠性,从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性规定较高的应用环境中。而分布智能的装置仪表,解决了所谓以太传输时滞不拟定性的诟病。一方面,光纤环网的千兆互换速度,已经使绝大部分工业控制数据在可接受的时间内互换,对于大
8、部分的工业生产信息,在100ms的时滞都是可以接受的。而假如所有的控制均需要通过集中的方式进行,显然这个时滞又太大了。可喜的是,工业控制装置和智能仪表正在向分布式发展。这种发展趋势,导致大量的本地控制指令不需要通过冗长的总线来传输,而是由仪表或装置的本地计算完毕,这就不需要通过数据互换的方式苛刻地规定工业以太网的拟定期延。2 工业以太网实时性问题工业以太网有着许多令人所信服的优点。但是传统商业以太网技术应用到工业现场仍然有着或多或少的局限性和缺陷,通过许多研究机构和工程技术人员的不懈努力和对关键技术的研究,使传统以太网技术不断改善来满足工业现场控制规定。这些关键技术涉及通信拟定性和实时性技术、
9、系统稳定性技术、系统互操作性技术、网络安全性技术、总线供电及本质安全与安全防爆技术等。下面就拟定性和实时性做一些介绍。2.1 通讯拟定性和实时性技术传统以太网采用总线式的拓扑结构和多路存取载波侦听碰撞(CSMAC通讯方式,即网络上的每个节点都通过竞争的方式来获取发送信息报文的权利,节点通过监听信道,当发现信道空闲时则把待发的信息报文发送出去,假如信道忙则处在等待状态。在发送信息后检测是否发生了碰撞,假如出现则退出信道等待重发。不难想象当网络负荷比较重的时候大量节点都在尝试重发进而导致网络堵塞,使一些节点的信息长时间得不到发送,这种特性称为以太网的不拟定性。研究表白:传统以太网在工业控制中的传输
10、延迟,对数据传送规定很高的场合是不可以应用的,这也影响了以太网技术在工业底层控制网络中的应用。随着以太网技术的不断发展,工业以太网在拟定性和实时性方面已经基本达成了工业现场实时控制的规定。一方面,在网络拓扑结构上采用了星形连接代替总线型连接。图1示意了两种不同的网络拓扑结构。其中的星形连接用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段(Segment),在每个网段上以一个多口集线器为中心,将若干个设备或节点连接起来,这样挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域(Collision)。每个冲突域均采用CSMACD机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷减轻、碰撞几率减小。图1 以太网
11、网络拓扑结构的比较3 EthernetIP协议简介现场总线国际标准IEC 61158通过十几年的争论和斗争后,放弃了其制定单一现场总线标准的初衷,最终发布了涉及8种(第3版修订后增长了两种类型,而成为10种类型)类型总线的国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。目前有Modbus-IDA工业以太网,EthernetlP工业以太网,FF HSE工业以太网,ProfitNet工业以太网,Controlnet工业以太网,PNet工业以太网,Swift Net工业以太网,World FIP工业以太网等几种协议。下来我们就各协议进行介绍。3.1 EthernetIP工业
12、以太网EtherNetIP(EtherNet Industry Protoco1)是适合工业环境应用的协议体系。它是由两大工业组织ODVA(OpenDeviceNet Vendors Association)ControlNet International所推出的最新的成员。和DeviceNet以及ControlNet同样,它们都是基于CIP(Control and Informalon Protoco1)协议的网络。它是一种是面向对象的协议,可以保证网络上隐式的实时I0信息和显式信息(涉及用于组态参数设立、诊断等)的有效传输。EtherNetIP采用和DevieNet以及ControlNet
13、相同的应用层协CIP(Control and Information Protoco1),因此,它们使用相同的对象库和一致的行业规范,具有较好的一致性。EtherNetIP采用标准的EtherNet和TCPIP技术来传送CIP通信包,这样,通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的EtherNet和TCPIP协议,就构成EtherNetIP协议的体系结构。协议的各层结构如图2所示。图2 应用CIP的EtherNet/IP3.1.1 EthernetIP协议模型及协议内容1.物理层和数据链路层EtherNetIP在物理层和数据链路层采用以太网。其重要由以太网控制器芯片来实现。从图2可看出,
14、不久的将来会出现更合适的物理层和数据链路层协议,会出现相应的芯片。但是上面的协议无须改变。2.网络层和传输层EtherNetIP在网络层和传输层采用标准的TCPIP技术。对于面向控制的实时I0数据,采用UDPIP协议来传送,而对于显式信息(如组态、参数设立和诊断等)则采用TCPIP来传送过程监控层流通的数据基本是显式信息,采用TCPIP来传送,其优先级较低。而将来采用工业以太网EtherNetIP协议的现场设备层,流通的数据基本是实时IO数据,采用UDPIP胁议来传送,其优先级较高。3.控制及信息协议(ClP)控制及信息协议(CIP)是一种为工业应用开发的应用层协议,被DeviceNet、Co
15、ntrolNet、EtherNetIP等3种网络所采用,因此这3种网络相应地统称为CIP网络.(1)CIP的特点有以下几点报文CIP协议最重要的特点是可以传输多种类型的数据。工业应用中所需要传输的数据类型有IO、互锁、配置、故障诊断、程序上载或下载等。这些不同类型的数据对传输服务质量的规定是不同的。重要的传输服务质量评价指标有拟定性、单位时间内有通信行为的节点所占的比例、响应时间等。CIP根据所传输的数据对传输服务质量规定的不同,把报文分为两种:显式报文和隐式报文。显式报文用于传输对时间没有苛求的数据,比如程序的上载下载、系统维护、故障诊断、设备配置等。由于这种报文包含解读该报文所需要的信息,
16、所以称为显式报文。隐式报文用于传输对时间有苛求的数据,如IO、实时互锁等。由于这种报文不包含解读该报文所需要的信息,其含义是在网络配置时就拟定的,所以称为隐式报文。由于隐式报文通常用于传输IO数据,隐式报文又称为IO报文或隐式IO报文。在网络底层协议的支持下,CIP用不同的方式传输不同类型的报文,以满足它们对传输服务质量的不同规定。DeviceNet给予不同类型的报文不同的优先级,隐式报文使用优先级高的报头,显式报文使用优先级低的报头。ControlNet在预定期问段发送隐式报文,在非预定期问段发送显式报文。而EthemetIP用TCP来发送显式报文,用UDP来发送隐式报文。面向连接CIP尚有
17、一个重要特点是面向连接,即在通信开始之前必须建立起连接,获取惟一的连接标记符(connection ID)。假如连接涉及到双向的数据传输,就需要两个CID。CID的定义及格式是与具体网络有关的,比如,DeviceNet的CID定义是基于CAN标记符的。通过获取CD,连接报文就不必包含与连接有关的所有信息,只需要包含CID即可,从而提高了通信效率。但是,建立连接需要用到未连接报文。未连接报文需要涉及完整的目的地节点地址、内部数据描述符等信息,假如需要应答,还要给出完整的源节点地址。相应于两种CIP报文传输,CIP连接也有两种,即显式连接和隐式连接。建立连接需要用到末连接报文管理器(unconne
18、cted Message ManagerUCMM),它是CIP设备中专门用于解决未连接报文的一个部件。假如节点A试图与节点B建立显式连接,它就以广播的方式发出一个规定建立显式连接的未连接请求报文,网络上所有的节点都接受到该请求,并判断是否发给自己的,节点B发现是发给自己的,其UCMM就做出反映,也以广播的方式发出一个包含CID的未连接响应报文,节点A接受到后,得知CID,显式连接就建立了。隐式连接的建立更为复杂,它是在网络配置时建立的,在这一过程中,需要用到多种显式报文传输服务。CIP把连接分为多个层次,从上往下依次是应用连接、传输连接和网络连接。一个传输连接是在一个或两个网络连接的基础上建立
19、的,而一个应用连接是在一个或两个传输连接的基础上建立的。生产者消费者模型在传统的源目的通信模式下,源端每次只能和一个目的地址通信,源端提供的实时数据必须保证每一个目的端的实时性规定,同时一些目的端也许不需要这些数据,因此浪费了时间,并且实时数据的传送时间会随着目的端数目的多少而改变。而在EtherNeLIP所采用生产者消费者通信模式下,数据之间的关联不是由具体的源、目的地址联系起来,而是以生产者和消费者的形式提供,允许网络上所有节点同时从一个数据源存取同一数据,因此使数据的传输达成了最优化,每个数据源只需要一次性的把数据传输到网络上,其它节点就可以选择性地接受这些数据,避免了浪费带宽,提高了系
20、统的通信效率,可以很好地支持系统的控制、组态和数据采集。(2) CIP 协议功能及特性EtherNet/IP 其特色就是被称作控制和信息协议的CIP 部分。CIP 一方面提供实时I/O 通信,一方面实现信息的对等传输。其控制部分通过隐形报文来实现实时I/O 通信,信息部分则通过显性报文来实现非实时的信息互换。CIP 协议的一个重要的特性,是其介质无关性。即CIP 作为应用层协议的实行与底层介质无关。这就是人们可以在控制系统和I/O 设备上灵活实行这一开放协议的因素。同样,当未来新型的通讯手段出现时,人们同样可以方便地将其移植到更高性能的网络上实行,并且提供所有的网络功能,保证与原有现场总线或者
21、以太网技术的透明性和一致性。3.1.2 EtherNet/IP 的通信机制1. 通信模式不同于源/目的通信模式,EtherNet/IP 采用生产/消费模式,它允许网络上的节点同时存取同一个源的数据。在生产/消费模式中,数据被分派一个唯一的标记,每一个数据源一次性的将数据发送到网络上,其他节点选择性的读取这些数据,从而提高了系统的通信效率。2. CIP 报文通信CIP 报文定义了显式报文和隐式报文两种报文类型, 隐式报文是对时间有苛刻规定的I/O信息(时间触发、控制器互锁等等),此时数据量不大但需要高的速度或需要较长的源节点和其他节点连接时间,所以这部分采用的是速度较快的UDP 协议;显式报文数
22、据量较大但不需要一直连接所以这部分采用TCP 协议。CIP 报文的通信分为无连接的通信和基于连接的通信。无连接的报文通信是CIP 定义的最基本的通信方式。设备的无连接通信资源由无连接报文管理器UCMM 管理。无连接通信不需要任何设立或任何机制保持连接激活状态; 基于连接的报文通信是CIP 网路传递报文的另一种方式,可用来传递I/O数据和显式报文。这种通信方式支持生产者/消费者模式的多点传输关系, 一次向多个目的节点进行高效的数据传输。3.2 ProfitNet工业以太网3.2.1 基本介绍随着现场设备智能限度的不断提高,自动化控制系统的分散限度也越来越高。工业控制系统正由分散式自动化向分布式自
23、动化演进,因此,基于组件的自动化(Component Based Automation,CBA)成为新兴的趋势。工厂中的相关的机械部件、电气/电子部件和应用软件等具有独立工作能力的工艺模块抽象成为一个封装好的组件,各组件间使用PROFINET连接。通过SIMATIC iMap软件,即可用图形化组态的方式实现各组件间的通讯配置,不需要此外编程,大大简化了系统的配置及调试过程。通过模块化这一成功理念,可以显著减少机器和工厂建设中的组态与上线调试时间。在使用分布式智能系统或可编程现场设备、驱动系统和I/O时,还可以扩展使用模块化理念,从机械应用扩展到自动化解决方案。此外,也可以将一条生产线的单个机器
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