工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP協(xié)議淺析

李 萍 (蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息處理與控制工程系,甘肅蘭州730060)

隨著工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)向著網(wǎng)絡(luò)化方向逐步發(fā)展,對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸速率提出了更高的要求。但是,現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對很分散,把整個(gè)控制系統(tǒng)細(xì)分成了一個(gè)個(gè)獨(dú)立的部分,因而難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。另外,迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),來滿足用戶對驅(qū)動(dòng)器和用戶接口的需求[1]。迄今為止,在各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是較為理想的,因?yàn)槠渚哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn),如穩(wěn)定性可靠、通信速率非常高、有豐富的軟硬件產(chǎn)品和支持技術(shù)成熟等,因此,提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸速率的思路如下,即在TCP/IP以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步延伸至工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),將其與通用工業(yè)協(xié)議——CIP(Con trol and Information Protoco1)相結(jié)合,從而獲得更開放、更集成的工業(yè)自動(dòng)化和信息化傳輸協(xié)議,即標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP通信協(xié)議[2]。為此,筆者將其加以介紹。

1 Ethernet/IP協(xié)議模型

Ethernet/IP和Devicenet及Controlnet一樣,都是基于CIP協(xié)議的。Ethernet/IP獨(dú)到之處是在TCP/UDP/IP上附加了CIP,而CIP能夠作為Ethernet/IP、Controlnet和Devicenet三者共同享有的應(yīng)用層[3]。其通信協(xié)議模型如圖1所示。

圖1 Ethernet/IP通信協(xié)議模型

Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)有著Devicenet現(xiàn)場總線和Contro lnet現(xiàn)場總線都不具備的特點(diǎn),即其不僅采用了OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,還涉及網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層,并采用了TCP/IP協(xié)議。而 Devicenet現(xiàn)場總線和Controlnet現(xiàn)場總線只對物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行了定義。Ethernet/IP通信協(xié)議模型在應(yīng)用層的基礎(chǔ)上新增加了用戶層,并對工業(yè)控制中的功能塊進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化操作,事先對其輸入、輸出、算法和參數(shù)等進(jìn)行規(guī)定,并組成為能夠在現(xiàn)場設(shè)備中實(shí)現(xiàn)執(zhí)行功能的應(yīng)用進(jìn)程,目的是為了實(shí)現(xiàn)不同類型制造商的設(shè)備進(jìn)行混合組態(tài)。CIP通用工業(yè)協(xié)議是Ethernet/IP、Devicenet和Controlnet 3種網(wǎng)絡(luò)的交叉點(diǎn),從而使3種網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)共享,并借由工業(yè)路由器連接起來。

2 Ethernet/IP協(xié)議通信原理

CIP控制和信息協(xié)議是Ethernet/IP的特色,該協(xié)議既提供實(shí)時(shí)的I/O通信功能,又實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的對等傳輸功能,其控制模塊利用隱形報(bào)文來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的I/O通信功能,信息模塊則利用顯性報(bào)文實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)狀態(tài)的信息交換功能。CIP協(xié)議的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是介質(zhì)的無關(guān)性,即實(shí)施CIP應(yīng)用層協(xié)議時(shí)與底層介質(zhì)無關(guān),這使得人們能夠在控制系統(tǒng)和I/O設(shè)備上隨意實(shí)施這一開放協(xié)議。與源/目的通信模式有很大不同,Ethernet/IP協(xié)議采用的是生產(chǎn)/消費(fèi)的模式,即允許網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)存取數(shù)據(jù)時(shí)可以同時(shí)存取來自同一個(gè)源的數(shù)據(jù)。在新的生產(chǎn)/消費(fèi)的模式中,數(shù)據(jù)會(huì)被附加上一個(gè)屬于自身的唯一標(biāo)識(shí),數(shù)據(jù)源將把數(shù)據(jù)一次性發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)可以選擇性地對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,這樣大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。

3 Ethernet/IP協(xié)議的特點(diǎn)

EtherNet/IP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)主要包括如下幾點(diǎn):①系統(tǒng)的兼容性和互操作性良好,而且共享資源的能力很強(qiáng),能夠方便的實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)的資源共享。②能夠保證傳輸距離長的數(shù)據(jù)的傳輸速率。③與Internet連接方便,成本低,十分便于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)和服務(wù)器接口連接,并且有廣泛的技術(shù)支持。

EtherNet/IP協(xié)議也有缺陷,主要包括如下幾點(diǎn):①實(shí)時(shí)性不夠。工業(yè)以太網(wǎng)采用的CSMA/CD協(xié)議并不支持優(yōu)先級,導(dǎo)致了Ethernet/IP的實(shí)時(shí)性較差。②報(bào)文的利用率偏低。報(bào)文頭部一般都比較大,而載荷數(shù)據(jù)又相對很少,與一些現(xiàn)場總線協(xié)議比較,其報(bào)文利用率偏低。③環(huán)境適應(yīng)的實(shí)時(shí)性差?？偩€上無電源的情況不僅增加了電源購買和布置的費(fèi)用,而且與工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比,其更易受到細(xì)微電磁波的干擾。

4 結(jié) 語

工業(yè)以太網(wǎng)作為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要方向,在工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)方面起著非常重要的作用,而Ethernet/IP作為工業(yè)以太網(wǎng)中的一個(gè)優(yōu)良方案,其重要性能將隨著以太網(wǎng)技術(shù) (如高速傳輸技術(shù)和信息安全技術(shù)等)的不斷發(fā)展而越來越完善,因而這種完全開放的協(xié)議技術(shù)有著巨大的發(fā)展?jié)摿蜕?其應(yīng)用領(lǐng)域也必將得到不斷擴(kuò)展和深化。

[1]成繼勛,朱紅萍.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新進(jìn)展 [J].自動(dòng)化儀表,2004,25(12):1～4.

[2]薛吉,邱浩,奚培鋒,等.工業(yè)以太網(wǎng)E thernet/IP介紹及其產(chǎn)品開發(fā) [J].低壓電器,2009(5):32～35.

[3]馮冬芹,金建祥,褚健.淺談以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù) [J].世界儀表與自動(dòng)化,2002,6(4):8～13.