第06章工業(yè)以太網(wǎng)(3)

1、7.6 工業(yè)以太網(wǎng) 7.6.1 工業(yè)以太網(wǎng)定義工業(yè)以太網(wǎng)定義 n工業(yè)以太網(wǎng)是繼承或部分繼承以太網(wǎng)原有核 心技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對適應(yīng)工業(yè)環(huán)境性、通 信實時性、各節(jié)點間的同步性、特殊場合的 信息安全和本安防爆性等要求給出的解決方 案。 n涉及到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的各個層次。 n工業(yè)以太網(wǎng)既屬于信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也屬于控 制網(wǎng)絡(luò)。 7.6.2 工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù) n1. 應(yīng)對環(huán)境適應(yīng)的特色技術(shù) n連接件帶鎖緊機構(gòu)設(shè)計。 n封裝外殼防水、防塵、防電磁干擾、耐溫度變化設(shè) 計。 n開發(fā)具有工業(yè)級的交換機、集線器和接插件等。 7.6.2 工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù) n2. 通信非確定性的緩解措施

2、 n利用以太網(wǎng)的高通信速率 n在相同的條件下，提高通信速率可以減少通信信號占用傳輸介質(zhì) 的時間。 n控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷 n控制網(wǎng)絡(luò)的通信量不大，隨機性、突發(fā)性通信機會不多，其網(wǎng)絡(luò) 通信大多可以事先預(yù)計并作出相應(yīng)安排。 n在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于滿負(fù)荷的30%時，可以基本滿足一般控制系統(tǒng)的 通信確定性要求。 n采用全雙工以太網(wǎng)技術(shù) n采用交換式以太網(wǎng)技術(shù) n交換機以存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式工作，可以看作是具有多個端口的網(wǎng)橋。 所以，連接在同一個交換機上的不存在資源競爭問題。 7.6.2 工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù) n3. 實時以太網(wǎng) n在協(xié)議層次對傳統(tǒng)以太網(wǎng)進行了豐富。 n同步精度達到毫秒、甚至微妙。 n4. 網(wǎng)

3、絡(luò)供電 n網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)在用于傳輸數(shù)字信號的同時，還為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè) 備傳遞工作電源。 n利用5類雙絞線的收發(fā)線將數(shù)字信號調(diào)制到直流或低頻交流電 源上；或利用5類雙絞線剩余的線直接供電。 n5. 本質(zhì)安全 n應(yīng)用于危險場合的工業(yè)以太網(wǎng)交換機等一般采用隔爆作為防 爆措施。 7.6.3 以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與 工業(yè)數(shù)據(jù)封裝工業(yè)數(shù)據(jù)封裝 7.6.3 以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與 工業(yè)數(shù)據(jù)封裝工業(yè)數(shù)據(jù)封裝 n對于組態(tài)和診斷等非實時性數(shù)據(jù)一般利 用TCP/IP協(xié)議發(fā)送。 n對于I/O等實時性數(shù)據(jù)一般采用UDP/IP協(xié) 議發(fā)送。 n1.實時以太網(wǎng)簡介實時以太網(wǎng)簡介 n實時以太網(wǎng)是工

4、業(yè)以太網(wǎng)針對通信實時性、確定性 問題提出的解決方案，屬于工業(yè)以太網(wǎng)的特色與核 心技術(shù)。 n目前，實時以太網(wǎng)還處于技術(shù)開發(fā)階段，種類繁多， 實時機制、性能、通信一致性存在較大差異。 n目前，實時以太網(wǎng)技術(shù)有：EtherNet/IP， PROFINET，P-NET，INTERBUS，VNET/IP， TCENT，ETHERCAT，ETHERNET，POWERLINK， EPA，MODUBUS-RTPS，SERCOS-III 11個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 7.6.4 實時以太網(wǎng)實時以太網(wǎng) 2. 實時以太網(wǎng)通信參考模型 PROFINET MODBUS/TCP ETHERNET/IP 2. 實時以太網(wǎng)通信參考模型

5、POWERLINK ETHERCAT n如果一種實時以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 有別于普通以太網(wǎng)，則需要特殊的實時以太 網(wǎng)通信控制器ASIC支持。 n不同實時以太網(wǎng)，其實時機制與時間性能等 級是有差異的。 n工業(yè)以太網(wǎng)中對于沒有實時性要求的數(shù)據(jù)可 以通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通道傳輸，而對于有實時 性要求的數(shù)據(jù)需要按軟實時（SRT）或等時 同步（IRT）通道傳輸。 2. 實時以太網(wǎng)通信參考模型 nRT-CSMA/CD n非實時節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸中如果檢測到?jīng)_突就 停止發(fā)送，退出競爭。 n實時節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸中如果檢測到?jīng)_突，則 發(fā)送競爭信號。最后按優(yōu)先級決定占用總線。 3. 實時以太網(wǎng)的媒體訪問控制 n確定分時

6、調(diào)度 n在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC層上增加實時調(diào)度層。 n實時調(diào)度層一方面保證實時數(shù)據(jù)的按時發(fā)送 和接收，另一方面要安排時間處理非實時數(shù) 據(jù)的通信。 3. 實時以太網(wǎng)的媒體訪問控制 n確定分時調(diào)度 n確定性分時調(diào)度方案將通信過程分為若干個 循環(huán)，每個循環(huán)包括： n起始時段：用于必要的準(zhǔn)備和時鐘同步。 n周期性通信的實時時段：用于保證周期性實時數(shù) 據(jù)的傳輸，為傳輸數(shù)據(jù)安排好各自的微時隙。 n非周期性通信的異步時段：用于傳輸非實時性數(shù) 據(jù) n非周期性通信的保留時段：用于發(fā)布時鐘，控制 時鐘同步或?qū)嵭芯W(wǎng)絡(luò)維護等。 3. 實時以太網(wǎng)的媒體訪問控制 起始時段起始時段 7.6.4 實時以太網(wǎng)實時以太網(wǎng) 非周期性通

7、信的異步時段非周期性通信的異步時段 周期性通信的實時時段周期性通信的實時時段非周期性通信的保留時段非周期性通信的保留時段 n網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點之間要有統(tǒng)一的時間基 準(zhǔn)才能實現(xiàn)動作的協(xié)調(diào)一致。 nIEEE 1588定義了時間同步協(xié)議PTP （Precision Time Protocol），其基本功 能是使分布在網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點的時鐘 與該網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)時鐘保持一致。 7.6.5 IEEE 1588精確時間同步協(xié)議 nIEEE 1588精確時間同步是基于IP組播通 信實現(xiàn)的。根據(jù)時間同步的角色不同， 該 系 統(tǒng) 又 將 網(wǎng) 絡(luò) 上 的 節(jié) 點 分 為 主 （Master）時鐘節(jié)點和從（Slave）時鐘

8、節(jié)點。 n主時鐘節(jié)點：提供同步時鐘源的時鐘。一般 由振蕩頻率穩(wěn)定、精度較高的節(jié)點擔(dān)任。 n從時鐘節(jié)點：與主時鐘源同步，并不斷調(diào)整 與其保持一致的節(jié)點。 7.6.5 IEEE 1588精確時間同步協(xié)議 n時鐘偏移量與傳輸延遲的測量過程 主時鐘 從時鐘 攜帶攜帶TM1的后續(xù)報文的后續(xù)報文 Sync 攜帶攜帶TM3的遲延響應(yīng)報文的遲延響應(yīng)報文 遲延請求報文遲延請求報文 t1 TM=2001 TM1=2002 TS=2000 TS1=2002 TS3=2004 TM3=2006 TS=2007+1 t2 TM=2008 TS1-TM1 = tDelay +tOffset 7.6.5 IEEE 1588

9、精確時間同步協(xié)議 TM3-TS3 = tDelay - tOffset 精確偏移精確偏移tOffset =(TS1-TM1-TM3+TS3)/2=1 n邊界時鐘（Boundary Clock）：在連接 有交換機的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，交換機就成為 邊界時鐘。 7.6.5 IEEE 1588精確時間同步協(xié)議 n由于交換機采用基于隊列和存儲轉(zhuǎn)發(fā)的 工作機制，會導(dǎo)致時間同步過程中傳輸 遲延不穩(wěn)定，造成時間抖動，影響時鐘 同步精度。 n交換機端口收到同步報文時，記下接收 時間，并取得向下游端口傳遞該報文的 時間，就可以得到端口處因遲延產(chǎn)生的 時鐘校正值。 7.6.5 IEEE 1588精確時間同步協(xié)議 n1.

10、EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)簡介 nEtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)是采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片和物理 介質(zhì)。根據(jù)應(yīng)用場合要求，使用相應(yīng)抗電磁干擾和 防護等級的以太網(wǎng)交換機及線纜。對于工業(yè)環(huán)境， 選擇EtherNet/IP認(rèn)證的設(shè)備。 7.6.6 EtherNet/IP n采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn) 各設(shè)備間的點對點連接； 7.6.6 EtherNet/IP 以太網(wǎng)以太網(wǎng) 交換機交換機 n同時支持10Mb/s和100Mb/s的以太網(wǎng)通信產(chǎn) 品； n數(shù)據(jù)包最大1500字節(jié) 。 7.6.6 EtherNet/IP 2. EtherNet/IP通信參考模型 控制與信息協(xié)議CIP（Control an

11、d information Protocol） 封裝 TCP/UDP IP 以太網(wǎng)MAC/LLC 以太網(wǎng)物理層 控制與信息協(xié)議CIP （Control and information Protocol） ，1999年發(fā)布， 是工業(yè)以太網(wǎng)的特色部分。 其開發(fā)目的是為了提高設(shè)備 間的互操作性。CIP一方面 提供滿足控制要求的實時通 道；另一方面滿足常規(guī)非實 時信息交換。 3. 控制與信息協(xié)議CIP 3. 控制與信息協(xié)議CIP nCIP采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法為數(shù)據(jù)提供服務(wù) 集。它用對象來描述控制設(shè)備中的通信信息、 服務(wù)、節(jié)點的外部特征和行為等。 nCIP的對象：對設(shè)備的特性進行抽象描述為對象。 每個

12、對象都有自己的屬性，并提供一系列的服務(wù) 來完成各種任務(wù)，在響應(yīng)外部事件時具備一定的 行為特征。 nCIP的標(biāo)識：對于每個對象都有唯一的對象標(biāo)識 （065535）號與其對應(yīng)。軟件系統(tǒng)通過標(biāo)識號 來識別對象，理解通信數(shù)據(jù)包的意義。 3. EtherNet/IP的報文種類 nI/O數(shù)據(jù)報：是指實時性要求較高的小數(shù)據(jù)包測量 控制數(shù)據(jù)，采用UDP/IP傳輸。此報文沒有協(xié)議信 息，數(shù)據(jù)接收者知道數(shù)據(jù)的含義，因此又稱為隱 性報文。 n信息報文：是指實時性要求較低的大數(shù)據(jù)包組態(tài)、 診斷、趨勢等數(shù)據(jù)，采用TCP/IP傳輸。此報文需 要根據(jù)協(xié)議信息來理解數(shù)據(jù)報文的含義，因此又 稱為顯性報文。 n網(wǎng)絡(luò)維護報文：在系

13、統(tǒng)專門指定的時間內(nèi)發(fā)送時 鐘同步及調(diào)整一些與網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)，以使網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)正常運行。網(wǎng)絡(luò)維護報文一般采用廣播方式發(fā) 送。 4. EtherNet/IP的特點 n繼承TCP/IP協(xié)議的優(yōu)點，具有高速傳輸大量 數(shù)據(jù)的能力。 n支持主機、PLC、機器人、HMI等典型設(shè)備。 n多組設(shè)備連接到交換機實現(xiàn)點對點10Mb/s或 100Mb/s的自適應(yīng)通信。 n星型拓?fù)湟子谶B線、檢錯和維護。 n內(nèi)置Web Server功能，現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng) 頁瀏覽。 7.6.7 其他工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)其他工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù) nPROFINET nPROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代 基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線

14、標(biāo)準(zhǔn)。 nPROFINET是適用于不同需求的完整解決方案，其 功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布 式現(xiàn)場設(shè)備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡(luò)安 裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過程自動化。 n作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng) 和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術(shù)。 7.6.7 其他工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)其他工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù) nHSE高速以太網(wǎng)：HSE是現(xiàn)場總線基金會在 2000年對H1的高速網(wǎng)段提出的解決方案。 HSE是一種基于EthernetTCPIP協(xié)議、運 行在100BaseT以太網(wǎng)上的高速現(xiàn)場總線。 它能支持低速總線H1的所有功能，是對H1的 補充和增強。 nHSE的特

15、色技術(shù)是它的靈活功能塊設(shè)計，包括 聯(lián)動驅(qū)動、監(jiān)控數(shù)據(jù)獲取、批處理、先進I O子系統(tǒng)接口等，它支持多路技術(shù)、PLC和網(wǎng) 關(guān)，給用戶提供了一個標(biāo)準(zhǔn)化的企業(yè)綜合協(xié) 議。 7.6.7 嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點 n1.嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點 n嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點：指采用普通以太網(wǎng)技術(shù)通信 接口的專用集成芯片ASIC構(gòu)成的測量控制節(jié)點。 n嵌入式以太網(wǎng)ASIC芯片包括：CPU、存儲器、以 太網(wǎng)接口、多種通信接口、I/O接口等。這些芯片 添加驅(qū)動、隔離電路等便可形成嵌入式以太網(wǎng)節(jié) 點。這些以太網(wǎng)節(jié)點可以方便地實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議 棧，集成Web服務(wù)器等。 nUBICOM的IP2022，RABBIT公司推出的

16、 RABBIT2000等都屬于嵌入式以太網(wǎng)芯片。 7.6.7 嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點 n2. IP2022簡介 7.6.7 嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點 n2. IP2022簡介 nIpOS為IP2022支持的操作系統(tǒng)。IP2022的應(yīng)用程 序可建立在該操作系統(tǒng)之上。通過它可以利用函 數(shù)調(diào)用來管理各種I/O功能。 nUBICOM公司還推出了一套集成化開發(fā)環(huán)境 UBICOMUnityIDE。用戶可在該環(huán)境下編寫自 己的C語言程序。 n以太網(wǎng)通信接口的嵌入式節(jié)點采用的軟硬件資源 豐富，技術(shù)成熟，便于使用，應(yīng)用廣泛。需要注 意的是，其應(yīng)用范圍受到實時性要求的限制。 7.6.8 基于基于

17、Web技術(shù)的遠程通信技術(shù)的遠程通信 n1. Web技術(shù)簡介 nWeb技術(shù)通過Internet使計算機能夠互相傳送超文 本的數(shù)據(jù)信息。 nWeb服務(wù)器：Web服務(wù)器是一個軟件，用于管理Web頁 面，并使這些頁面通過本地網(wǎng)絡(luò)或Internet供客戶瀏覽器 使用。 nWe b 瀏 覽 器 ： 起 著 控 制 作 用 ， 任 務(wù) 是 使 用 一 個 URL(Internet地址)來獲取一個Web服務(wù)器上的WEB文檔， 解釋這個HTML，并將文檔內(nèi)容以用戶環(huán)境顯示出來。 n靜態(tài)文檔是指該文檔創(chuàng)作完畢后就存放在萬維網(wǎng) 服務(wù)器中，在被用戶瀏覽的過程中，內(nèi)容不會改 變。 n動態(tài)文檔是指文檔的內(nèi)容是在瀏覽器訪問

18、萬維網(wǎng) 服務(wù)器時才由應(yīng)用程序動態(tài)創(chuàng)建。 n動態(tài)文檔和靜態(tài)文檔之間的主要差別體現(xiàn)在服務(wù) 器一端。這主要是文檔內(nèi)容的生成方法不同。而 從瀏覽器的角度看，這兩種文檔并沒有區(qū)別。 1. Web技術(shù)簡介 1. Web技術(shù)簡介 2. 基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng) n 遠程監(jiān)控系統(tǒng)：通過現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò) 和Internet把分布于各地的測量控制設(shè)備或控制系統(tǒng) 互聯(lián)起來，實現(xiàn)控制設(shè)備間的遠程信息交互，完成遠 程監(jiān)視控制任務(wù)。 n借助遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對某些特殊或危險的無人 值守的場合的監(jiān)控。 n便于企業(yè)內(nèi)部的信息集成，為經(jīng)營管理和決策工作提 供及時、全面、準(zhǔn)確的信息資源。 n管理人員借助遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以在任何地方掌握企業(yè) 的實時生產(chǎn)情況，下達生產(chǎn)指令。 n技術(shù)人員借助遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以在任何地方進行遠程 故障診斷和技術(shù)支持。 2. 基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng) n在基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，授權(quán)客戶端 使用通用Web瀏覽器通過Internet完成對生產(chǎn) 現(xiàn)場的遠程監(jiān)控任務(wù)。 n用戶只需用通用的Web瀏覽器軟件就可以完 成任務(wù)，而無需在客戶端安裝專用客戶軟件。 n基于Web方式實現(xiàn)遠程監(jiān)控是一個趨勢。 3. Web嵌入式工控節(jié)點及其遠 程監(jiān)控 nWeb嵌入式工控節(jié)點：