工業(yè)以太網(wǎng)介紹

1、工業(yè)以太網(wǎng)介紹-OMRON：鄒竹現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)物理層：物理層：定義了現(xiàn)場總線的傳輸介質(zhì)(雙絞線、同軸電纜、光纖和無線電)、傳輸速率最大傳輸距離、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及信號類型等數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層：為所有連接封同一物理通道上的應(yīng)用進程提供實時協(xié)調(diào)管理，規(guī)定物理層與應(yīng)用層之間的接口，信息傳輸?shù)牟铄e校驗等。應(yīng)用層：應(yīng)用層：定義現(xiàn)場總線的命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)和事件。分：為用戶層提供服務(wù)的FMS (Fieldbus Messaging Speeication)和與數(shù)據(jù)鏈路層連接的FAS(F|eld bus AeeeSublaye)兩個子層。之前工廠現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)場設(shè)備層（現(xiàn)場設(shè)備層（Control）：）：典型的包括

2、遠程I/O控制、智能型設(shè)備如變頻器實時網(wǎng)絡(luò)控制、控制器之間通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的互鎖功能等。典型特點是：數(shù)據(jù)成組，數(shù)據(jù)塊大小有限但是強調(diào)快速、可重復(fù)、確定性的通訊。典型地開關(guān)量信號510毫秒、模擬量40200毫秒刷新等。某些通過實時總線連接的就地操作員（EOI）站也可歸為這一類通訊 控制層網(wǎng)絡(luò)（控制層網(wǎng)絡(luò)（Collect）：）：通過網(wǎng)絡(luò)完成的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。如上位HMI完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，同時也包括系統(tǒng)診斷信息的提取等。典型特點是數(shù)據(jù)通訊量大，要求周期性或者應(yīng)系統(tǒng)需要實現(xiàn)通訊，典型刷新時間5001 000毫 管理層（管理層（Configure）：）：過網(wǎng)絡(luò)完成就地和遠程設(shè)備以及系統(tǒng)的設(shè)置、組態(tài)，程

3、序的上載、下載等任務(wù)，包括提供路由支持，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的定位或者狀態(tài)瀏覽功能。典型特點是通訊任務(wù)為人為型、突發(fā)型，數(shù)據(jù)傳送量非常大 對于現(xiàn)場總線的要求三個“C”恰好可以完整描述人們對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)典型的功能要求。而且通常這三種功能是從頂層到底層，隨時隨地、貫穿始終的。很難想象，底層豐富的診斷數(shù)據(jù)如果不能方便地在整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中提取和共享，這種診斷的實際意義有多大。但是很顯然，這三種網(wǎng)絡(luò)功能（Services）在數(shù)據(jù)傳送量、實時性要求、發(fā)生特性上都有著極大的區(qū)別，甚至可以說將其融合在一根總線上存在本質(zhì)上的沖突和矛盾。如何解決這一矛盾？我們的問題是： (1) 是否可以通過提高總線波特率解決這些矛盾？ (2)

4、 三層網(wǎng)絡(luò)本身存在縱向集成問題，如何跨越不同的網(wǎng)絡(luò)層次完整集成這些功能 (3) 是否可以使用某種代理（Proxy）或者網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)這些功能？ (4) 什么是真正可行的解決方案？是否可以通過提高網(wǎng)絡(luò)波特率解決這些問題呢？答案是否定否定的。其根本原因在于，影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量（Throughput）的三個要素中，除了波特率，還包括協(xié)議的效率和通訊的模式。用以太網(wǎng)（典型1 500字節(jié)長）去處理位元（bit）信息顯然效率不高。其實核心的要素是網(wǎng)絡(luò)通訊模式對網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用效率和不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的優(yōu)先級處理問題。畢竟，網(wǎng)絡(luò)波特率即便大幅提升，終究有一定限制，是有限的資源。三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的缺點1.三層網(wǎng)絡(luò)沒有通用的路由服

5、務(wù)支持，必須借助于控制器或者網(wǎng)關(guān)設(shè)備完成不同層次之間的信息傳遞 。2.傳統(tǒng)的主從模式的網(wǎng)絡(luò)是基于輪詢或者主從掃描方式工作的，控制器必須要占用其寶貴的處理能力來管理通訊，同時用戶必須調(diào)用相應(yīng)的功能塊，或編寫特定的路由表來完成通訊的任務(wù)。這樣不僅加重了處理器的負(fù)荷，影響系統(tǒng)實時控制性能，而且非專業(yè)人員很難達到底層的深度透明訪問。這也就是傳統(tǒng)系統(tǒng)只能提供有限診斷，甚至網(wǎng)絡(luò)的瀏覽也只能限定在靜態(tài)訪問的原因 3.拓展性較差，對于大規(guī)模應(yīng)用有較高限制，特別是對于后期追加拓展，面臨系統(tǒng)容量限制。4.對于形成整體的網(wǎng)絡(luò)，存在風(fēng)險節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)生存性差。5.信息集成能力不強?？刂普舅@取的管理信息有限，大量的數(shù)據(jù)如

6、設(shè)備參數(shù)、故障及故障記錄等數(shù)據(jù)很難得到，難以實現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換與信息共享可靠性不易保證。只是將控制分散到若干局部，而未能實現(xiàn)危險的徹底分散。大量I/O電纜敷設(shè)施工，不僅增加了成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。 6.可維護性不高。由于現(xiàn)場設(shè)備信息不全，其在線故障診斷、報警、記錄功能不強，很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性 為什么以前不用Ethernet作現(xiàn)場總線 Ethemet區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)(如令牌網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、主從式網(wǎng)絡(luò)等)的重要特點是，它采用的介質(zhì)訪問控制方法一CSM ACD(carrier sense multiple access wi

7、th collision detection，沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問，沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問),是一種非確定性或隨機性通信方式。其基本工作原理是：某節(jié)點要發(fā)送報文時，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)；如果兩個或更多的節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時發(fā)送報文時，將發(fā)生碰撞，同時節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機長度的時間后重新發(fā)送。16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點微處理器回報失敗信息。 -不確定性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可靠性很差 Ethemet沒有用于現(xiàn)場總線的另外一個重要原因是，作為工業(yè)現(xiàn)場智能設(shè)備的核心組成部分 微處理器，在20世紀(jì)80年代時還處于初期發(fā)展階段，

8、功能簡單，數(shù)字處理能力不強，不能處理Ethemet上“捆綁”使用的TCPIP協(xié)議。 -處理能力差導(dǎo)致系統(tǒng)不能有效識別和處理現(xiàn)場信息，導(dǎo)致系統(tǒng)安全性差引入Ethernet的必要性工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展動力在于以下幾點工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展動力在于以下幾點 1.自動化系統(tǒng)需要將生產(chǎn)流程中的所有東西聯(lián)網(wǎng)，從最底層傳感器到公司內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）,以實現(xiàn)對于生產(chǎn)過程更為高效的控制 2.現(xiàn)代化生產(chǎn)需要工業(yè)網(wǎng)絡(luò)盡可能扁平，最好是單一網(wǎng)絡(luò)從頂層到車間一網(wǎng)到底，以減少培訓(xùn)，安裝和庫存方面的費用 3.技術(shù)條件成熟使得以太網(wǎng)到工業(yè)現(xiàn)場成為可能。 4.最重要的原因是人們對于生產(chǎn)系統(tǒng)信息化的需求，以應(yīng)對新經(jīng)濟條件下日益激烈的競

9、爭，生產(chǎn)企業(yè)必須不斷優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)出的同時最大限度的利用生產(chǎn)資源，并且企業(yè)需要保證整個生產(chǎn)系統(tǒng)非預(yù)期的停機時間減少，以減少因此帶來的損失，另外在產(chǎn)品周期越來越短的情況下，客戶對于產(chǎn)品的個性化需求也在日益提高，都要求生產(chǎn)系統(tǒng)能夠在最短時間內(nèi)完成產(chǎn)品生產(chǎn)的組態(tài)或者組態(tài)變更，以縮短產(chǎn)品投放市場的時間。日益嚴(yán)格的行業(yè)法規(guī)也越來越要求生產(chǎn)組織者能以最有效方式來滿足這些法規(guī)，同時給監(jiān)管者提供生產(chǎn)方面最大的透明性?；谝陨显蚴沟霉I(yè)以太網(wǎng)在生產(chǎn)管理方面的作用越來越突出。 5Ethernet/IP提供了在MES、ERP系統(tǒng)中通用的標(biāo)簽，以滿足在構(gòu)建企業(yè)信息化系統(tǒng)中對于底層信息的調(diào)用和定義。并且減少了底

10、層數(shù)據(jù)的變化導(dǎo)致整個系統(tǒng)重新組態(tài)的風(fēng)險Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場尚需解決的主要問題Ethernet實時通信服務(wù)質(zhì)量實時通信服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)支持策略支持策略 所謂實時通信服務(wù)質(zhì)量，是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場時，為滿足工業(yè)自動化實時控制要求，而提出的一系列通信特征需求，這些特征包括響應(yīng)延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級滿足通信一致性和互可操作性的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議規(guī)范滿足通信一致性和互可操作性的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議規(guī)范 從ISOOSI的七層通信參考模型來看，以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目

11、前以TCPIP協(xié)議為主，表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定，應(yīng)用較多的是FTP,SMTP ,HTTP,Telnet,SNMP。這些協(xié)議都是非實時性的，因此這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信 為此，為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，必須在Ethemet+TCPIP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實時通信服務(wù)機制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時和非實時信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)可用性網(wǎng)絡(luò)可用性 網(wǎng)絡(luò)可用性，亦可稱為網(wǎng)絡(luò)生存性，是指系統(tǒng)中，任何一組件發(fā)生故障，都不應(yīng)導(dǎo)致操作

12、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序以至于整個系統(tǒng)的癱瘓。它包括可靠性、可恢復(fù)性、可管理性等幾個方面的內(nèi)容 可靠性可靠性:組成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器、IO模塊、操作站、工程師站等硬件設(shè)備應(yīng)滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，相應(yīng)的軟件(包括設(shè)備驅(qū)動軟件、應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)等)必須工作穩(wěn)定、可靠 可恢復(fù)性可恢復(fù)性:是指當(dāng)系統(tǒng)中任一設(shè)備或網(wǎng)段發(fā)生故障而不能正常工作時，系統(tǒng)能依靠事先設(shè)計的自動恢復(fù)程序?qū)嚅_的網(wǎng)絡(luò)鏈路重新鏈接起來，并將故障進行隔離。同時，系統(tǒng)能自動定位故障，以使故障能夠得到及時修復(fù) 可管理性可管理性:是高可用性系統(tǒng)的最受關(guān)注的焦點之一。通過對系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的在線管理，可以及時地發(fā)現(xiàn)緊急情況，并使得故障能夠得

13、到及時的處理?？晒芾硇砸话惆ㄐ阅芄芾怼⑴渲霉芾?、在線變化管理等過程。Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場尚需解決的主要問題網(wǎng)絡(luò)安全性網(wǎng)絡(luò)安全性 將工業(yè)現(xiàn)場控制設(shè)備通過以太網(wǎng)聯(lián)接起來時，由于使用了TCPIP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅，并因此成為眾人關(guān)心的另一個重要問題。對此，一般可采用網(wǎng)絡(luò)隔離(如網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等隔離)的辦法，將控制區(qū)域內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分開。此外，還可以通過用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機制加強網(wǎng)絡(luò)的安全管理。Ethernet應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場尚需解決的主要問題Ethernet/IP優(yōu)秀的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)透明的透明的CIP協(xié)議協(xié)議

14、CIP協(xié)議本身是由DeviceNet和Controllink提出并定義的應(yīng)用層協(xié)議，是專為工業(yè)控制設(shè)計的基于對象的一種方法(體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、服務(wù)等)，提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設(shè)備操作的服務(wù)集和對象庫。對象庫描述了不同廠商的設(shè)備定義、標(biāo)識等，使類型差別很大的設(shè)備可以直接連入網(wǎng)絡(luò)且被整個系統(tǒng)“看到”，實現(xiàn)即插即用。完全的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性完全的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性 Ethernet/IP的實質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)+TCP/IP+CIP協(xié)議，也就是Ethernet/IP采用標(biāo)準(zhǔn)的ASIC芯片作為信息處理器并于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)相互兼容，這也就意味著客戶所采用的工 業(yè)用以太網(wǎng)交換機可以從Cisco，赫斯曼等采用ASIC芯片

15、的制造廠商購買。 目前Ethernet/IP已經(jīng)成為了IEC61158和IEC61784的標(biāo)準(zhǔn)Ethernet/IP優(yōu)秀的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)先進性和成熟性先進性和成熟性Ethernet/IP采用Producer/Comsumer技術(shù)，較之傳統(tǒng)的主從式結(jié)構(gòu)，通訊速率和效率要提高3倍以上，在效率，實時性和靈活性方面都有獨特的優(yōu)勢，最主要是其在Ethernet上增加的CIP協(xié)議已經(jīng)歷時十幾年使用經(jīng)驗，在各方面都接受了各類型的測試和考驗。具有非常高的高可靠性。集成性集成性hernet/IP最大的特點就是在應(yīng)用層實施了成熟，先進和統(tǒng)一的CIPro協(xié)議，使得他在DeviceNet，Controllerlink等

16、目前現(xiàn)存的總線技術(shù)結(jié)合使用時，有完全相同的對象庫，設(shè)備描述和相同的控制服務(wù)機制和路由方式，使得基于CIP的網(wǎng)絡(luò)無論如何怎樣組合，都有高效、一致、透明的全功能通訊服務(wù)。并且所有通訊均無需任何程序來實現(xiàn)發(fā)展性發(fā)展性CIP協(xié)議的一個重要特性就是其介質(zhì)無關(guān)性，即CIP作為應(yīng)用層協(xié)議實施與底層介質(zhì)無關(guān)，這也就是人們可以在控制系統(tǒng)與I/O設(shè)備上靈活實施一種開發(fā)協(xié)議的原因，同樣在未來有新的通訊方式出現(xiàn)時，人們可以非常方便的將CIP協(xié)議移植到高性能網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)而不改變目前現(xiàn)有的架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊方式兼容性兼容性EthemetIP的引入的另一個優(yōu)點是兼容性，Ethernet /IP所采用的CIP協(xié)議是完全集成于TCP

17、/IP之上，使工業(yè)以太網(wǎng)更容易地與工廠底層充當(dāng)主角的各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS集成和并存。實時性實時性EthemetIP定義了顯式(explicit)和隱式(implicit) 種報文。前者用于對時間無嚴(yán)格要求的點對點組態(tài)信息，報文的數(shù)據(jù)段載有協(xié)議信息及其服務(wù)的性能說明，要求各個接點必須解析每個報文，執(zhí)行響應(yīng)的任務(wù)。其報文的長短、出現(xiàn)頻率有很大的變化。顯式報文是由TCP協(xié)議完成的。對實時性要求高的信息，則使用隱式報文由UDP(用戶數(shù)據(jù)報)+II)來傳輸。因其傳輸幀中不含協(xié)議信息，只有數(shù)據(jù)，故報文較短，運行時節(jié)點的處理時間大大縮短，在交換以太網(wǎng)的支持下具有實時性的保證。開放性開放性EthemetIP

18、將從應(yīng)用層來的CIP報文壓縮，封裝成TCP或UDP的幀格式，然后通過具有Switch結(jié)構(gòu)的Ethemet發(fā)送，在接受點拆包后還原為CIP報文，交給使用者。EthemetIP在2000年3月提出后，目前已得到超過4O0家的大公司(如Rockwell,OMRON 等)的支持，設(shè)備對象庫在加快擴大，是目前工業(yè)以太網(wǎng)研究的一個新的熱點內(nèi)容。ODVA還提供免費的設(shè)備對象庫的開發(fā)工具包和樣例程度，供廠家開發(fā)自己的設(shè)備對象描述Ethernet/IP優(yōu)秀的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)Ethernet/IP簡單介紹基于Ethernet TCP或UCP-IP的EthernetIP是工業(yè)自動通訊的一個擴展，這里的IP表示為Indu

19、strial-Protocal。在2000年底ODVA組織首先提出EthernetIP的概念，以后SIG (Special Interest Groups)進行了規(guī)范工作。ODVA組織目前有300多個成員，并有自己的測試中心。實際上，所有的EthernetIP的CIP(控制和信息協(xié)議)已運用在Controllink和Devicenet上了。這里將這一方法移植到Ethernet的TCPIP和UCPIP的通道上來實現(xiàn)。EthernetIP的規(guī)范是公開的，并由ODVA組織提供，另外除了辦公環(huán)境上使用的HFTP、FTP、JMTP、SNMP的服務(wù)程序，EthernetIP還具有生產(chǎn)者客戶服務(wù)，容許有時間

20、要求的信息在控制器與現(xiàn)場IO模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。非周期性的信息數(shù)據(jù)的可靠傳輸(如程序下載、組態(tài)文件)采用TEP技術(shù)，而有時間要求和同期性控制數(shù)據(jù)的傳輸由UCP的堆棧來處理。為了減少EthernetIP在各種現(xiàn)場設(shè)備互相間傳輸實現(xiàn)的復(fù)雜性，EthemetIP預(yù)先規(guī)定了一些設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如氣動設(shè)備等不同類型的規(guī)定。CIP協(xié)議目前進行了以太網(wǎng)的準(zhǔn)實時性和安全總線的實施工作，采用IEEE 1 588標(biāo)準(zhǔn)的分散式控制器同步機制的CIPsync基于EthemetIP的技術(shù)結(jié)合安全機制實現(xiàn)的CIPSafty安全控制都在開發(fā)之中，2005年出現(xiàn)CIPSafty的產(chǎn)品，2006年實現(xiàn)CIPsync的技術(shù)。Et

21、hernet/IP簡單介紹1. 采用創(chuàng)新的、效率和實時性更高的Producer/Consumer（生產(chǎn)者/消費者）模式來取代傳統(tǒng)的主從Source/Destination（源/目的）模式。開放現(xiàn)場總線技術(shù)EtherNet/IP、ControlLink、DeviceNet、FF都是采用生產(chǎn)者生產(chǎn)者/消費者消費者技術(shù)的典型代表。OMRON 自動化現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)就構(gòu)筑在這些開放總線產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上，如圖所示 Ethernet/IP簡單介紹各層總線采用同一個應(yīng)用層協(xié)議各層總線采用同一個應(yīng)用層協(xié)議CIP（Common Industrial Protocol，通用工業(yè)協(xié)議，又稱“控制與信息協(xié)議”），其結(jié)構(gòu)如圖2所示。CIP協(xié)議的控制部分用以進行實時I/O數(shù)據(jù)傳送和互鎖。信息處理部分用以進行報文信息的交換，如對等的通訊、報警、組態(tài)、操作員顯示站以及故障診斷等。CIP 協(xié)議突出網(wǎng)絡(luò)效率