Ethernet／IP协议简介

目录1．现场总线控制技术与工业以太网2.工业以太网实时性问题3．Ethernet／IP协议简介4．Ethernet／IP通信适配器硬件设计与实现5．EtherNet/IP工业以太网优缺点及发展前景Ethernet／IP协议简介1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。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，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年的纷争，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：FFH1，ControlNet，ProfiBus，InterBus，P．Net，WorldFIP，SwiftNet，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(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31．25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。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1Mbps／40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。由于上述原因，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(CSMA／CD)通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。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，目前它已经在工业企业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企业综合自动化系统中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，这一下子将以太交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交换的可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高的应用环境中。而分布智能的装置仪表，解决了所谓以太传输时滞不确定性的诟病。首先，光纤环网的千兆交换速度，已经使绝大部分工业控制数据在可接受的时间内交换，对于大部分的工业生产信息，在100ms的时滞都是可以接受的。而如果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成，这就不需要通过数据交换的方式苛刻地要求工业以太网的确定时延。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不足和缺陷，经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进来满足工业现场控制要求。这些关键技术包括通信确定性和实时性技术、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。下面就确定性和实时性做一些介绍。2.1通讯确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(CSMA／C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，如果信道忙则处于等待状态。在发送信息后检测是否发生了碰撞，如果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确定性。研究表明：传统以太网在工业控制中的传输延迟，对数据传送要求很高的场合是不能够应用的，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，工业以太网在确定性和实时性方面已经基本达到了工业现场实时控制的要求。首先，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CSMA／CD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以太网网络拓扑结构的比较3Ethernet／IP协议简介现场总线国际标准IEC61158经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，最终发布了包括8种(第3版修订后增加了两种类型，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，Ethernet／lP工业以太网，FFHSE工业以太网，ProfitNet工业以太网等几种协议。下来我们就Ethernet／IP工业以太网进行介绍。EtherNet／IP(EtherNetIndustryProtoco1)是适合工业环境应用的协议体系。它是由两大工业组织ODVA(OpenDeviceNetVendorsAssociation)ControlNetInternational所推出的最新的成员。和DeviceNet以及ControlNet一样，它们都是基于CIP(ControlandInformal／onProtoco1)协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时I／0信息和显式信息(包括用于组态参数设置、诊断等)的有效传输。EtherNet／IP采用和DevieNet以及ControlNet相同的应用层协CIP(ControlandInformationProtoco1)，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。EtherNet／IP采用标准的EtherNet和TCP／IP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TCP／IP协议，就构成EtherNet／IP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/IP3.1Ethernet／IP协议模型及协议内容1.物理层和数据链路层EtherNet／IP在物理层和数据链路层采用以太网。其主要由以太网控制器芯片来实现。从图2可看出，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EtherNet／IP在网络层和传输层采用标准的TCP／IP技术。对于面向控制的实时I／0数据，采用UDP／IP协议来传送，而对于显式信息(如组态、参数设置和诊断等)则采用TCP／IP来传送过程监控层流通的数据基本是显式信息，采用TCP／IP来传送，其优先级较低。而将来采用工业以太网EtherNet／IP协议的现场设备层，流通的数据基本是实时I／O数据，采用UDP／IP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、ControlNet、EtherNet／IP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①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I／O、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要求是不同的。重要的传输服务质量评价指标有确定性、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要求的不同，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，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I／O、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确定的，所以称为隐式报文。由于隐式报文通常用于传输I／O数据，隐式报文又称为I／O报文或隐式I／O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要求。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在预定时问段发送隐式报文，在非预定时问段发送显式报文。而Ethemet／IP用TCP来发送显式报文，用UDP来发送隐式报文。②面向连接CIP还有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，获取惟一的连接标识符(connectionID)。如果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标识符的。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。不过，建立连接需要用到未连接报文。未连接报文需要包括完整的目的地节点地址、内部数据描述符等信息，如果需要应答，还要给出完整的源节点地址。对应于两种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(unconnectedMessageManager—UCMM)，它是CIP设备中专门用于处理未连接报文的一个部件。如果节点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要求建立显式连接的未连接请求报文，网络上所有的节点都接收到该请求，并判断是否发给自己的，节点B发现是发给自己的，其UCMM就做出反应，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接收到后，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。③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要求，同时一些目的端可能不需要这些数据，因此浪费了时间，而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EtherNeL／IP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