工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與Ethernet和TCPIP技術(shù)

1、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與Ethernet和TCP/IP技術(shù)1引言20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）技術(shù)，由于其適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展的方向，促進(jìn)了目前的自動(dòng)化儀表、DCS（DistributedControlSystem）和PLC等產(chǎn)品所面臨的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)的重大變革，導(dǎo)致工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的更新?lián)Q代，從而給控制領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)革命。但是，目前現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，多種總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能實(shí)現(xiàn)相互高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝，難以實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放性。而以太網(wǎng)以其低成本、通信速率高、高度開(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)逐漸受到人們的關(guān)注。2以太網(wǎng)技術(shù)

2、介紹2.1 以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)以太網(wǎng)是由DEC、Intel和Xerox三家公司在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)研制的。它采用的是載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）的多路訪問(wèn)協(xié)議。設(shè)計(jì)以太網(wǎng)最初是為了使系統(tǒng)能夠不局限于某一種傳輸介質(zhì)，如光纖、同軸電纜、無(wú)線電波，因此取名為以太網(wǎng)。80年代中期，IEEE在DEC、Intel和Xerox三家公司開(kāi)發(fā)的以太網(wǎng)基礎(chǔ)上，制定了802.3LAN標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)在有IEEE的802.3LAN標(biāo)準(zhǔn)和DIXII以太網(wǎng)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但二者差別不大，他們的幀格式如圖1所示。前薜碼目的地址源地址妝度道強(qiáng)醫(yī)散堀維兀填充懂帔校驗(yàn)III4控制IEEE9023效據(jù)竦格式86S24675M4前導(dǎo)因

3、目的地址器地&類(lèi)如型斑相元校蛤蚪圖1DIXEthernet數(shù)據(jù)幀格式在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中，定義目的地址和源地址長(zhǎng)度是2字節(jié)或者6個(gè)字節(jié)。因此幀的長(zhǎng)度范圍是64-1518個(gè)字節(jié)。需要注意的是在實(shí)際應(yīng)用中，目的地址和源地址長(zhǎng)度都是6字節(jié)，因此幀的實(shí)際最小長(zhǎng)度為72個(gè)字節(jié)。2.2 以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)以太網(wǎng)由于其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，逐漸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。與目前的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)成本低廉目前以太網(wǎng)卡的價(jià)格只有Pro巾bus、FF等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡的1/10。(2)應(yīng)用廣泛以太網(wǎng)可以保證多種開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境可供選擇。(3)通信速率高目前以太網(wǎng)的通信速率為10Mbps

4、,100Mbps的快速以太網(wǎng)已開(kāi)始廣泛應(yīng)用，1000Mbps以太網(wǎng)技術(shù)也在不斷成熟，10Gbps正在研究。(4)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接在以太網(wǎng)上使用TCP/IP,它的開(kāi)放性可以使測(cè)控網(wǎng)和信息網(wǎng)統(tǒng)一起來(lái)?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)可以在企業(yè)的Intranet上及時(shí)發(fā)布和共享，還可以在Internet/Intranet的任何位置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備進(jìn)行在線控制、功能組態(tài)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)上真正的開(kāi)放性和互操作性。3Ethernet認(rèn)識(shí)誤區(qū)以太網(wǎng)和TCP/IP等同”大家在提到以太網(wǎng)的時(shí)候必然會(huì)提到TCP/IP,將以太網(wǎng)和TCP/IP混淆。其實(shí)，以太網(wǎng)和TCP/IP是兩個(gè)完全不同的概念，它們是各自獨(dú)立發(fā)展起來(lái)的。以太

5、網(wǎng)本質(zhì)上只是一個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)。圖2是OSI七層參考模型：圖2OSI參考模型以太網(wǎng)只定義了OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。以太網(wǎng)是當(dāng)今局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在局域網(wǎng)(LAN)中采用的電纜類(lèi)型和信號(hào)處理方法。在以太網(wǎng)中信息以以太網(wǎng)幀的形式傳輸(以太網(wǎng)幀分為兩類(lèi)即數(shù)據(jù)幀和管理幀)。而TCP/IP是OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層和傳卒&層。傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)主要是完成開(kāi)放系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送控制。主要功能是開(kāi)放系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的收發(fā)確認(rèn)。同時(shí)，還用于彌補(bǔ)各種通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量差異，對(duì)經(jīng)過(guò)下三層之后仍然存在的傳輸差錯(cuò)進(jìn)行恢復(fù)，進(jìn)一

6、步提高可靠性。另外，通過(guò)復(fù)用、分段和組合、連接和分離、分流和合流等技術(shù)措施，提高吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。簡(jiǎn)單而言TCP的任務(wù)是按照其原先發(fā)送的順序可靠的傳輸數(shù)據(jù)，過(guò)濾掉重復(fù)的，在可靠的數(shù)據(jù)傳輸不再可能實(shí)現(xiàn)的情況下重新發(fā)送數(shù)據(jù)并指示出錯(cuò)；網(wǎng)絡(luò)層IP(InternetProtocol)規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。它的主要功能是利用數(shù)據(jù)鏈路層所提供的相鄰節(jié)點(diǎn)間的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸功能，通過(guò)路由選擇和中繼功能，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)之間的連接。當(dāng)然,大家之所以將以太網(wǎng)和TCP/IP混淆，主要在于默認(rèn)了以太網(wǎng)和TCP/IP兩種技術(shù)的結(jié)合。只有將以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合，才可以將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，

7、離開(kāi)TCP/IP的以太網(wǎng)并不能實(shí)現(xiàn)任何功能，空洞的談?wù)撘蕴W(wǎng)的優(yōu)勢(shì)就是無(wú)咎之談。提高網(wǎng)絡(luò)速度可以解決以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題”在相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，而減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷則意味著提高網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。但是，網(wǎng)絡(luò)速率的提高，并不能徹底解決工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的地域分散性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的信息交互是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)，以信息傳遞的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了達(dá)到控制與監(jiān)控等任務(wù)的要求，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的信息交互必須在一定的通信延遲時(shí)間內(nèi)完成，即必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。從信息發(fā)送到信息接收之間的全部通信延遲，稱(chēng)作端到端的通信延遲。通信延遲主要包括以下幾方面

8、的因素：(1)排隊(duì)延遲從信息進(jìn)入排隊(duì)隊(duì)列，到此信息獲取通信網(wǎng)絡(luò)所需要的時(shí)間。排隊(duì)延遲主要是由通信網(wǎng)絡(luò)的媒體存取控制(MAC)協(xié)議和相應(yīng)的信息調(diào)度算法決定；(2)發(fā)送延遲：從信息的第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始發(fā)送到信息最后一個(gè)字節(jié)發(fā)送結(jié)束所需要的時(shí)間。發(fā)送延遲取決于信息的大小和通信網(wǎng)絡(luò)的通信速率；(3)傳輸延遲:信息在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間傳輸所需要的時(shí)間，傳輸延遲取決于通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的物理長(zhǎng)度。則有：T總延遲=T排隊(duì)延遲+T發(fā)送延遲+T傳輸延遲以上分析可以看出，單純的提高網(wǎng)絡(luò)速度，只能解決發(fā)送延遲，如果排隊(duì)延遲和傳輸延遲沒(méi)有相應(yīng)提高的話(huà)，并不能徹底解決工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。因此，只有針對(duì)不同的通信延遲分別采取相應(yīng)

9、的手段才可以徹底解決工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。引入以太網(wǎng)可以徹底實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成問(wèn)題”以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用是Ethernet+TCP/IP,即靈活的Ethernet底層加上幾乎成為通用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP,使得以太網(wǎng)能夠非常容易的集成到以Internet和Web技術(shù)為代表的信息網(wǎng)絡(luò)中。但是即使如此，若在應(yīng)用層其協(xié)議規(guī)范不統(tǒng)一，依然不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，不能實(shí)現(xiàn)同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的互通。本著徹底實(shí)現(xiàn)開(kāi)放性的目的，將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制，但是只是實(shí)現(xiàn)了底層上都采用Ethernet+TCP/IP,在應(yīng)用層上標(biāo)準(zhǔn)仍然不統(tǒng)一，因此也就不能實(shí)現(xiàn)徹底的系統(tǒng)集成。4Ethernet+TCP/IP應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議

10、底層網(wǎng)絡(luò)引入工業(yè)以太網(wǎng)不僅使現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層在垂直層面方便集成，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本，以太網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)的延伸是必然的。因此，目前國(guó)際上一些自動(dòng)化設(shè)備廠商和組織紛紛支持以太網(wǎng)并制定了不同的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn).目前，基于Ethernet+TCP/IP的工業(yè)協(xié)議主要如下：(1)ModbusTCP/IP法國(guó)施耐德公司推出透明工廠戰(zhàn)略，使其成為工業(yè)Ethernet應(yīng)用者的堅(jiān)決倡導(dǎo)者，ModbusTCP/IP是目前工業(yè)Ethernet事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)Ethernet在傳感器和設(shè)備級(jí)的應(yīng)用。Modicon可編程控制器可以相互通信，且在許多網(wǎng)絡(luò)上可與其他設(shè)備通信。被支持的網(wǎng)絡(luò)包括Mod

11、icon的Modbus(標(biāo)記為MB)、ModbusPlus(MB+)工業(yè)以太網(wǎng)以及諸如MAP和Ethernet?？刂破髦械膬?nèi)嵌端口和Modicon公司銷(xiāo)售的網(wǎng)絡(luò)適配器，可選模塊和網(wǎng)關(guān)可從網(wǎng)絡(luò)存取數(shù)據(jù)。在其它網(wǎng)絡(luò)中，含有MB協(xié)議的報(bào)文被內(nèi)嵌到用于網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)或包結(jié)構(gòu)中；且ModbusTCP/IP描述了控制器所用的與另一個(gè)設(shè)備存取數(shù)據(jù)的進(jìn)程，該設(shè)備如何響應(yīng)，錯(cuò)誤如何檢測(cè)和報(bào)告。Modbus層作為應(yīng)用層，形成Modbus報(bào)文如圖3所示。ProfiNET德國(guó)西門(mén)子公司：1988年發(fā)布工業(yè)Ethernet白皮書(shū)。于2001年發(fā)布其工業(yè)Ethernet的規(guī)范，成為ProfiNET。ProfiNET主要包括

12、三方面的技術(shù)：a)基于組件對(duì)象模型(ComponentObjectModule,COM)的分布式自動(dòng)化系統(tǒng);b)規(guī)定了ProfiNET現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開(kāi)放、透明通信提供了一個(gè)獨(dú)立于制造商，包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的系統(tǒng)模型。Modbu$TCPIPNetworkAccessLayer圖3ModbusTCP/IP模型ProfiNET的基礎(chǔ)是組件技術(shù)(ComponentTechnology)。在ProfiNET中，每個(gè)設(shè)備都要被看作一個(gè)具有COM接口的自動(dòng)化設(shè)備，同類(lèi)設(shè)備都具有同樣的COM接口。在系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)用COM接口來(lái)調(diào)用設(shè)備功能。組件對(duì)象模型使不同制造商遵循同一個(gè)原則創(chuàng)建的組件之間能夠混合

13、使用，簡(jiǎn)化了通信編程。每一個(gè)智能設(shè)備中都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件，智能設(shè)備的功能則通過(guò)對(duì)組件進(jìn)行特定的編程來(lái)完成。同類(lèi)設(shè)備具有相同的內(nèi)置組件，對(duì)外提供相同的COM接口，為不同廠家的設(shè)備之間提供了良好的互換性和互操作性。COM對(duì)象之間還可通過(guò)DCOM連接協(xié)議進(jìn)行互連和通信。ProfiNET采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/UDP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來(lái)完成節(jié)點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接系統(tǒng)Profibus設(shè)備和新型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過(guò)一個(gè)設(shè)備(Proxy)連接到ProfiNET網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封

14、不動(dòng)地在ProfiNET中使用，傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可以通過(guò)Proxy與ProfiNET上面的COM對(duì)象進(jìn)行通信，并通過(guò)OLE自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)COM對(duì)象之間的調(diào)用。HSE基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF于2000年發(fā)布Ethernet規(guī)范，稱(chēng)為HSE(HighSpeedEthernet)。圖5表示了HSE通信系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)。HSE是以太網(wǎng)協(xié)議802.3、TCP/IP協(xié)議族與FFH1的結(jié)合體。FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的集成。由HSE鏈接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干網(wǎng)上，這些信息可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)送到主控制室，并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員在主控制室

15、可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同樣可以從網(wǎng)絡(luò)獲取控制信息。圖4HSE通信系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖EtherNet/IP美國(guó)洛克韋爾自動(dòng)化公司：2000年，發(fā)布了工業(yè)Ethernet規(guī)范，定義為EtherNET/IPoEtherNET/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片和物理介質(zhì)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，能同時(shí)支持10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)的商業(yè)產(chǎn)品。它的一個(gè)數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500B,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10/100Mb/s,因而采用EtherNET/IP便于實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。圖5是EtherNET/IP與OSI參考模型的比較。圖5Ethe

16、rNET/IP與OSE模型比較EtherNET/IP模型由IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議族和控制與信息協(xié)議三個(gè)部分組成。前兩部分為標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。EtherNET/IP模型的特色部分就是被稱(chēng)作控制和信息協(xié)議的CIP(ControlInformationProtocol)部分，它是1999年分布的，與ControlNet和DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò)中使用的CIP相同。CIP一方面提供實(shí)時(shí)I/O通信，另一方面實(shí)現(xiàn)信息的對(duì)等通信。其控制部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分則用來(lái)實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。EtherNET/IP的許多模塊有內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，能支持HTTP功能。模塊、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器獲得。5結(jié)論工業(yè)界人士越來(lái)越認(rèn)識(shí)到在工業(yè)控制中以太網(wǎng)和TCP/IP的重要性，以太網(wǎng)和TCP/IP作為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它將成為過(guò)程級(jí)和控制級(jí)的主要傳輸技術(shù)。帶TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口現(xiàn)在已經(jīng)在智能設(shè)備和I/O模塊中使用。它能夠與工業(yè)信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的連接