基于幾種工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議的應(yīng)用及分析

王旸

（唐山三友興達(dá)化纖有限公司，河北 唐山 063300）

1.工業(yè)以太網(wǎng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)它是基于IEEE 802.3(Ethernet)的強(qiáng)大區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET提供一個(gè)無(wú)縫集成到新的多媒體途徑，它多應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，重點(diǎn)在于利用交換式以太網(wǎng)技術(shù)為控制器和操作站，各種工作站之間的相互協(xié)調(diào)合作提供一種交互機(jī)制并和上層信息網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫集成。據(jù)資料分析，目前工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)始在監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上逐漸占據(jù)主流位置，正在向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)滲透。我們可以這樣說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)相對(duì)于以往的自動(dòng)化技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，具體如下：

1.1 通信速率很高。就目前來(lái)說(shuō)，10、100 Mb/s的快速工業(yè)以太網(wǎng)已開(kāi)始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線最高速率只有12Mb/s。顯然，工業(yè)以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的帶寬要求。

1.2 可持續(xù)發(fā)展力大。工業(yè)以太網(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，我們的用戶在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需獨(dú)自的研究投入，對(duì)于這一點(diǎn)，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都是無(wú)法比擬的。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。

1.3 資源共享能力強(qiáng)。隨著Internet/Intranet的逐步快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已滲透到各個(gè)地方，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)"控管一體化"，這是其他任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線都無(wú)法比擬的。

2.基于TCP的工業(yè)以太網(wǎng)

現(xiàn)實(shí)中，由于TCP/IP協(xié)議的可靠性和穩(wěn)定性比較好，我們經(jīng)常使用的比如Modbus/TCP、PROFIne等大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都選擇了TCP/IP。現(xiàn)在筆者就Modbus/TCP的應(yīng)用做一闡述。

實(shí)際生產(chǎn)生活中，我們可以看到并不是所有的工業(yè)環(huán)境都需要達(dá)到微秒級(jí)別的時(shí)間要求，類(lèi)似于IDA所采用的RTPS模式雖然能使工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸層性能達(dá)到一定的精確標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)又增加了成本。同時(shí)，有些我們看上去似乎需要UDP協(xié)議來(lái)體現(xiàn)其高速性能的場(chǎng)合，其實(shí)可以通過(guò)在物理層和鏈路層的優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)方式的TCP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣即省去了在使用UDP協(xié)議時(shí)必須做增強(qiáng)開(kāi)發(fā)來(lái)構(gòu)造通信的確定性方面所付出的高額代價(jià)，又可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性要求。

Modbus/TCP協(xié)議是在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，Modbus/TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是在不改變?cè)蠱odbus協(xié)議的基礎(chǔ)上，只是將它的傳輸層協(xié)議簡(jiǎn)單的移植到TCP/IP上。因此在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中Modbus/TCP使用傳輸控制協(xié)議(TCP)進(jìn)行Modbus應(yīng)用協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。參數(shù)和數(shù)據(jù)使用封裝的方法嵌入到TCP報(bào)文的用戶數(shù)據(jù)容器中進(jìn)行傳送。另外地址和校驗(yàn)在Modbus/TCP中也由底層的TCP協(xié)議來(lái)完成。由于傳輸層以上遵循Modbus協(xié)議，所以采用C/S結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)傳輸前進(jìn)行之前，需要在客戶和服務(wù)器之間建立一個(gè)TCP/IP連接。服務(wù)器使用端口502作為Modbus/TCP連接的端口。連接的建立通常由TCP/IP的Socket接口的軟件協(xié)議自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)應(yīng)用完全透明。

如果客戶和服務(wù)器間TCP/IP連接建立，同樣的連接可以根據(jù)要求的方向用來(lái)傳輸任意數(shù)量的用戶數(shù)據(jù)?？蛻艉头?wù)器還可以同時(shí)建立多個(gè)TCP/IP連接，最大的連接數(shù)量取決于TCP/IP接口的規(guī)范。在輸入輸出數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸?shù)那闆r下，永久的連接通常維持在客戶和服務(wù)器之間，只有在發(fā)生特殊事件而有必要傳送參數(shù)和診斷報(bào)文時(shí)，連接才能在每一次數(shù)據(jù)傳送后被關(guān)閉，需要時(shí)再次建立。這也是Modbus/TCP在工業(yè)以太網(wǎng)中采用TCP做為傳輸層協(xié)議而不采用速度更快的UDP協(xié)議的原因所在。

3.基于UDP的工業(yè)以太網(wǎng)

目前,有很少數(shù)的客戶在傳輸層協(xié)議中或部分采用了UDP。筆者單就Ethernet/IP在傳輸機(jī)制和通信模式作一簡(jiǎn)單比較。在EtherNet/IP中，對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù),采用UDP/IP協(xié)議來(lái)傳送,而對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高的顯式信息，就可以采用TCP/IP來(lái)傳送。

在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層EtherNet/IP采用的是INTERNET標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議族在單個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送信息，同樣，在這些層標(biāo)準(zhǔn)的CIP信息被打包成TCP/IP包，TCP/IP包允許網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)將他們作為以太網(wǎng)信息的一部分。節(jié)點(diǎn)發(fā)送這些TCP/IP協(xié)議包到數(shù)據(jù)鏈路層。利用TCP/IP，EtherNet/IP可以傳送用于節(jié)點(diǎn)之間主/從類(lèi)型事務(wù)的顯示報(bào)文。

EtherNet/IP利用TCP/IP資源在以太網(wǎng)上傳送報(bào)文，為了滿足ODVA組織一致性要求宣言，EtherNet/IP的產(chǎn)品都要求能完成UCMM接收其他設(shè)備的請(qǐng)求。比如像少有的顯示報(bào)文傳輸或者實(shí)時(shí)的I/O數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)UCMM的通訊服務(wù)連接資源被保留。打開(kāi)一個(gè)連接的過(guò)程被稱(chēng)為連接生成。而主動(dòng)提出連接生成的節(jié)點(diǎn)就叫做連接生成器。相反，響應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)就叫做連接目標(biāo)。

4.工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

就目前來(lái)說(shuō)，工業(yè)以太網(wǎng)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面。第一個(gè)方面是連接HMI和PLC控制系統(tǒng)，現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)超過(guò)95%的應(yīng)用都是這一類(lèi)型的。但是由于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，有很好的靈活性和兼容性而且有較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，各主要PLC廠家都推出了支持以太網(wǎng)接口的PLC和相關(guān)的通訊模塊。

第二個(gè)方面是它取代了現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，連接變頻器和遠(yuǎn)程IO。目前在國(guó)內(nèi)這種應(yīng)用例子還比較少，可供選擇的適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的以太網(wǎng)線纜、連接頭還不夠多，施工布線規(guī)范、接地、抗干擾措施等方面的問(wèn)題還需進(jìn)一步摸索?，F(xiàn)結(jié)合化纖類(lèi)企業(yè)淺談下工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用步驟。

這種系統(tǒng)我們假設(shè)是在浸壓粉工序和熟成工序設(shè)立相對(duì)獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)操作站，每個(gè)操作站負(fù)責(zé)各自的生產(chǎn)維護(hù)功能彼此相互獨(dú)立，互不影響。該系統(tǒng)在黃化工序設(shè)立總操作站，除了負(fù)責(zé)黃化工序的正常生產(chǎn)控制，還應(yīng)具備控制浸壓粉工序和熟成工序的操作維護(hù)功能，并且對(duì)其相應(yīng)的操作站有更高的優(yōu)先權(quán)。各操作站之間的設(shè)備通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)連接，該網(wǎng)絡(luò)要進(jìn)行相應(yīng)的冗余設(shè)計(jì)，以保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。我們對(duì)重要關(guān)鍵部位的控制器、網(wǎng)絡(luò)、模塊、電源要進(jìn)行冗余配置，以保證各工序生產(chǎn)過(guò)程的可靠性。這種系統(tǒng)的總操作站要有開(kāi)發(fā)和運(yùn)行軟件功能，其余各操作站要有相應(yīng)的運(yùn)行功能，該系統(tǒng)的軟件要采用性能價(jià)格比相對(duì)較高的軟件，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

5.工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展前景和展望

工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本，高實(shí)效，高擴(kuò)展性及高智能等特點(diǎn)，吸引著越來(lái)越多的制造商。正因?yàn)槿绱耍趪?guó)際上已經(jīng)開(kāi)始著手制定一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，以太網(wǎng)和通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)也促使工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始向?qū)崟r(shí)工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)的方向發(fā)展。而不久的將來(lái)，面向未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的新一代工業(yè)以太網(wǎng)組件也將出現(xiàn)。由于以太網(wǎng)有"一網(wǎng)到底"的美譽(yù)，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)取代現(xiàn)在的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的主流。

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