《工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》第7章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)-李中偉

1、哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 工業(yè)工業(yè)通信與通信與網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)技術(shù)主講教師：李中偉主講教師：李中偉 佟為明佟為明聯(lián)系電話：聯(lián)系電話E-mail：課程郵箱：課程郵箱：，密碼：，密碼：fieldbus201514 工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線長期的標準之爭帶來之問題：長期的標準之爭帶來之問題： 干擾了用戶選擇干擾了用戶選擇 影響了互操作性和互換性影響了互操作性和互換性 延緩了發(fā)展速度，影響了發(fā)展前景延緩了發(fā)展速度，影響了發(fā)展前景用戶不斷增長的用戶不斷增長的實時性實時性、同步精度同步精度、通信周期時間通信周期時間等高要等高要求也超出了現(xiàn)場總線

2、能力范圍。求也超出了現(xiàn)場總線能力范圍。工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)的誕生：的誕生： 是以太網(wǎng)在工控中的延伸，是現(xiàn)場總線的子集。是以太網(wǎng)在工控中的延伸，是現(xiàn)場總線的子集。 高通信速率、高性價比、易于實現(xiàn)管控一體化。高通信速率、高性價比、易于實現(xiàn)管控一體化。 高速以太網(wǎng)、交換式以太網(wǎng)及全雙工通信，提高了以太高速以太網(wǎng)、交換式以太網(wǎng)及全雙工通信，提高了以太網(wǎng)通信的可靠性和實時性。網(wǎng)通信的可靠性和實時性。 方便連接企業(yè)管理、過程監(jiān)控及現(xiàn)場設(shè)備三層。方便連接企業(yè)管理、過程監(jiān)控及現(xiàn)場設(shè)備三層。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)常見工業(yè)以太網(wǎng)及其管理組

3、織列表常見工業(yè)以太網(wǎng)及其管理組織列表LOGO哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)2013年，年，IMS Research公司發(fā)布了工業(yè)以太網(wǎng)市場公司發(fā)布了工業(yè)以太網(wǎng)市場研究報告。國際市場上各類技術(shù)研究報告。國際市場上各類技術(shù)市場占有率市場占有率如下：如下：哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)4.1工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的三種類型（按軟工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的三種類型（按軟/硬件實現(xiàn)方式）硬件實現(xiàn)方式）（1）采用通用以太網(wǎng)控制器和采用

4、通用以太網(wǎng)控制器和TCP/IP協(xié)議協(xié)議如：如：Ethernet/IPModbus/TCPPROFInet/CbA哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)（2）采用通用以太網(wǎng)控制器和專有過程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用通用以太網(wǎng)控制器和專有過程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如：如：Ethernet PowerlinkPROFInet/RT哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)（3）采用專用以太網(wǎng)控制器和專有過程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用專用以太網(wǎng)控制器和專有過程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如：如：Ether

5、CATSERCOS-PROFInet/IRT哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)不同工業(yè)自動化場合對控制網(wǎng)絡(luò)不同工業(yè)自動化場合對控制網(wǎng)絡(luò)實時性要求實時性要求不同：不同： 對對信息集成信息集成場合和場合和低要求過程自動化低要求過程自動化應(yīng)用場合，實時響應(yīng)應(yīng)用場合，實時響應(yīng)時間可為時間可為100ms或更長；或更長； 對對大多數(shù)工廠自動化大多數(shù)工廠自動化應(yīng)用場合和應(yīng)用場合和分布式分布式I/O設(shè)備，實時響應(yīng)設(shè)備，實時響應(yīng)時間要求通常為時間要求通常為510ms； 對于高性能的對于高性能的同步運動控制同步運動控制應(yīng)用

6、，特別是伺服運動控制系應(yīng)用，特別是伺服運動控制系統(tǒng)，實時響應(yīng)時間要求小于統(tǒng)，實時響應(yīng)時間要求小于1ms，抖動精度小于，抖動精度小于1s。 通用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)足以滿足前兩者要求，對后者卻無能通用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)足以滿足前兩者要求，對后者卻無能為力。為力。 實時以太網(wǎng)實時以太網(wǎng)的誕生：的誕生： IEC 61784 含含l1種實時以太網(wǎng)，后大部分進入種實時以太網(wǎng)，后大部分進入IEC 61158 Ed.4哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)實時以太網(wǎng)實時以太網(wǎng)是建立在是建立在IEEE802.3 標準的標準的基礎(chǔ)上，通過對其和相關(guān)標準的實時基礎(chǔ)

7、上，通過對其和相關(guān)標準的實時擴展提高實時性，并且做到與標準以擴展提高實時性，并且做到與標準以太網(wǎng)完全無縫連接的工業(yè)以太網(wǎng)。太網(wǎng)完全無縫連接的工業(yè)以太網(wǎng)。IEC/sc65的定義的定義IEC 61784哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)4.2典型實時以太網(wǎng)介紹典型實時以太網(wǎng)介紹 EtherCATEthernet PowerlinkPROFInet/IRTEthernet/IPSERCOS-始創(chuàng)公司始創(chuàng)公司倍福倍福(Beckhoff)貝加萊貝加萊(B&R)西門子西門子(Siemens)羅克韋爾羅克韋爾

8、(Rockwell)力士樂力士樂(Rexroth)管理組織管理組織ETGEPSGPNOODVAIGS原始技術(shù)原始技術(shù)CANopen/SERCOSCANopenProfibusDeviceNet/ControlNetSERCOS傳輸距離傳輸距離100m100m100m100m40m拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)任意任意任意任意任意任意任意任意受限（環(huán)形）受限（環(huán)形）同步方式同步方式分布時鐘分布時鐘/ IEEE 1588IEEE 1588IEEE 1588IEEE 1588未知未知抖動抖動1s1s1s1s1s硬件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)ASIC/FPGAFPGAASICASICASIC開發(fā)難度開發(fā)難度簡單簡單簡單簡單復雜復

9、雜復雜復雜復雜復雜開放性開放性是是是是需授權(quán)需授權(quán)需授權(quán)需授權(quán)需授權(quán)需授權(quán)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)4.2典型實時以太網(wǎng)介紹典型實時以太網(wǎng)介紹（1）EtherCAT CAT即即Control Automation Technology首字母縮寫首字母縮寫 采用實時的采用實時的高速動態(tài)幀處理高速動態(tài)幀處理（Frame Processing on the Fly）機制）機制 每個從站嵌入每個從站嵌入FMMU（現(xiàn)場總線存儲管理單元）（現(xiàn)場總線存儲管理單元） 2100 Mbps（全雙工）（全雙工） 幾乎

10、支持所有拓撲類型幾乎支持所有拓撲類型 每個周期時間每個周期時間 230s，一般更快。，一般更快。 僅需僅需一個一個或或兩個幀兩個幀即可完成所有節(jié)點全部通信即可完成所有節(jié)點全部通信 局部網(wǎng)內(nèi)部使用精準的、小于局部網(wǎng)內(nèi)部使用精準的、小于1微秒的、確定性微秒的、確定性同步同步誤差時間基誤差時間基，外部同步對時采用，外部同步對時采用IEEE1588。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)EtherCAT符合符合IEEE802.3的標準幀的標準幀運行原理：運行原理：EtherCAT從站中的從站中的FMMU在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應(yīng)在報文經(jīng)過其節(jié)

11、點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同時把輸入數(shù)據(jù)插入至報文中，并將報文傳至的編址數(shù)據(jù)，同時把輸入數(shù)據(jù)插入至報文中，并將報文傳至下一設(shè)備。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。由主下一設(shè)備。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。由主站發(fā)出的幀經(jīng)過所有從站，最后返回。通常，每周期僅需要站發(fā)出的幀經(jīng)過所有從站，最后返回。通常，每周期僅需要一兩個幀即可完成所有通信。一兩個幀即可完成所有通信。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)過程數(shù)據(jù)在報文中的插入過程數(shù)據(jù)在報文中的插入哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以

12、太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)（2）Ethernet Powerlink（EPL）EPL目前有目前有三個版本三個版本，三個版本，三個版本互不兼容互不兼容，這里的介紹，這里的介紹以版本以版本2為主。為主。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)性能特點：性能特點：基于標準的以太網(wǎng)芯片，不需特別的基于標準的以太網(wǎng)芯片，不需特別的ASICs。底層采用底層采用 IEEE802.3u，快速以太網(wǎng)，快速以太網(wǎng)，100Mbps。實時等級達到實時等級達到IAONA的的4級級最小循環(huán)周期最小循環(huán)周期 200s支持支持CANopen行規(guī)行規(guī)單網(wǎng)段最多掛接單網(wǎng)段最多掛接

13、240個實時站點個實時站點網(wǎng)絡(luò)站點之間精確同步，采用網(wǎng)絡(luò)站點之間精確同步，采用IEEE1588協(xié)議。協(xié)議。采用稱為采用稱為時間槽通信管理機制時間槽通信管理機制(SCNM，Slot Communication Network Management)的實時機制的實時機制MAC的基本訪問方式為輪詢的基本訪問方式為輪詢哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)SCNM：一個一個EPL網(wǎng)絡(luò)，只有一個激活的管理節(jié)點，它配置所有網(wǎng)絡(luò)，只有一個激活的管理節(jié)點，它配置所有可用的控制節(jié)點。預先計劃并組織消息組，一個消息組設(shè)為可用的控制節(jié)點。預先計劃并組織消息

14、組，一個消息組設(shè)為一個一個EPL循環(huán)，包括開始階段、同步階段、異步階段和空閑循環(huán)，包括開始階段、同步階段、異步階段和空閑階段。每階段時間由管理節(jié)點預先配置，長度可不同。管理階段。每階段時間由管理節(jié)點預先配置，長度可不同。管理節(jié)點隨時監(jiān)控循環(huán)時間，一旦沖突發(fā)生，自動跳到下一個循節(jié)點隨時監(jiān)控循環(huán)時間，一旦沖突發(fā)生，自動跳到下一個循環(huán)開始。同步階段每節(jié)點占有固定時槽，由管理節(jié)點輪流訪環(huán)開始。同步階段每節(jié)點占有固定時槽，由管理節(jié)點輪流訪問，實現(xiàn)通信確定性。異步階段發(fā)送非實時數(shù)據(jù)，由管理節(jié)問，實現(xiàn)通信確定性。異步階段發(fā)送非實時數(shù)據(jù)，由管理節(jié)點調(diào)度。點調(diào)度。SCNM保證在同一時間只有一個設(shè)備可以占用網(wǎng)絡(luò)保

15、證在同一時間只有一個設(shè)備可以占用網(wǎng)絡(luò)媒介，杜絕了沖突發(fā)生。媒介，杜絕了沖突發(fā)生。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)SCNM理念理念循環(huán)時間沖突時管理節(jié)點的處理方式循環(huán)時間沖突時管理節(jié)點的處理方式哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)EPL幀格式幀格式位場位場名稱名稱含義含義SIDService Identifier標識數(shù)據(jù)類型。包括下面的標識數(shù)據(jù)類型。包括下面的Ethernet Powerlink幀：幀：SoC(Start of Cyclic，周期起始，周期起始)EoC(

16、End of Cyclic，周期結(jié)束，周期結(jié)束)PollReq（輪詢請求）（輪詢請求）PollRes（輪詢響應(yīng)）（輪詢響應(yīng)）AsyncInviteAsyncSendAsyncAckNackDAD e s t i n a t i o n Address目標地址目標地址SASource Address源地址源地址哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)最初最初，Powerlink宣稱宣稱：“只使用標準以太網(wǎng)芯片只使用標準以太網(wǎng)芯片”，但通過軟件實現(xiàn)的協(xié)議棧性能但通過軟件實現(xiàn)的協(xié)議棧性能并不令人滿意。并不令人滿意?，F(xiàn)常采用現(xiàn)常采用專用專用集成

17、電路集成電路芯片或芯片或FPGA。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)（3）PROFInet由由PROFIBUS國際組織（國際組織（PI）推出，包括）推出，包括3個版本。個版本。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)PROFInet/CbA：基于標準以太網(wǎng)技術(shù)和基于標準以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議協(xié)議響應(yīng)時間在響應(yīng)時間在100 ms量級量級PROFInet/RT：通過軟件（通過軟件（Layer 2）提供實時通信，）提供實時通信，軟實時軟實時。典型響應(yīng)時間典型響應(yīng)時間510m

18、sPROFInet/IRT：通過通過專用控制器芯片專用控制器芯片實現(xiàn)同步，原理實現(xiàn)同步，原理尚未公開尚未公開。已知其使用的是已知其使用的是時間片處理機制時間片處理機制。一個時間片含兩部分：。一個時間片含兩部分：實實時通道時通道和和TCP/IP通道通道。實時通道包括時鐘同步和確定性通信，。實時通道包括時鐘同步和確定性通信，用來傳輸實時用來傳輸實時I/O數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)；TCP/IP通道用來傳輸非周期的開放性通道用來傳輸非周期的開放性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。周期時間：周期時間：250s-4ms，1s抖動誤差。抖動誤差。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)

19、PROFInet IRT 時間片結(jié)構(gòu)時間片結(jié)構(gòu)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)（4）Ethernet/IP在標準的在標準的TCP/IP協(xié)議之上附加了公共應(yīng)用層協(xié)議協(xié)議之上附加了公共應(yīng)用層協(xié)議CIP（Common Industrial Protoco1）對于面向控制的對于面向控制的實時實時I/O數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，采用，采用UDPIP協(xié)議傳協(xié)議傳送，送，優(yōu)先級高優(yōu)先級高。對于對于顯式信息顯式信息（如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等），采（如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等），采用用TCPIP傳送，傳送，優(yōu)先級低優(yōu)先級低。為進一步提高實時性，為進一步提高實時性，

20、ODVA組織又將組織又將IEEE 1588精精確時間同步協(xié)議確時間同步協(xié)議用于用于Ethernet/IP，制定了，制定了CIP sync標標準。該標準要求準。該標準要求每秒鐘每秒鐘由主控制器廣播一個由主控制器廣播一個同步化信同步化信號號到網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點，使所有節(jié)點的同步精度準確到網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點，使所有節(jié)點的同步精度準確到到微秒級微秒級。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)CIP協(xié)議族模型協(xié)議族模型哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)（5）SERCOS-采用以太網(wǎng)幀的采

21、用以太網(wǎng)幀的動態(tài)處理動態(tài)處理（on the fly），與），與EtherCAT的功能機制類似。的功能機制類似。將將輸入輸入和和輸出輸出數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)分為兩幀兩幀，即一次循環(huán)至少有，即一次循環(huán)至少有兩幀，從站節(jié)點在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過和返回時兩次處理數(shù)兩幀，從站節(jié)點在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過和返回時兩次處理數(shù)據(jù)。據(jù)。采用采用剛性構(gòu)架剛性構(gòu)架設(shè)計，運行時無法改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。設(shè)計，運行時無法改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不能處理不能處理位運算位運算映像映像采用專用的采用專用的延時偵測延時偵測和和補償方式補償方式來實現(xiàn)來實現(xiàn)同步同步對時對時哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第7章以太網(wǎng)章以太網(wǎng)-工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)SERC

22、OS-循環(huán)循環(huán)The Master Data Telegram (MDT)Acknowledge telegram (AT)Unified Communication (UC) Channel哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 4.3實時以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢實時以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢出于利益驅(qū)動因素，出于利益驅(qū)動因素，種類繁多，標準不統(tǒng)一種類繁多，標準不統(tǒng)一，不同，不同廠商設(shè)備通信接口的不兼容，影響了產(chǎn)品之間的互廠商設(shè)備通信接口的不兼容，影響了產(chǎn)品之間的互換性與互操作性，但總的發(fā)展趨勢仍是使用更為開換性與互操作性，但總的發(fā)展趨勢仍是使用更為開放的通信技術(shù)。放的通信技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)定時技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)定時技術(shù)和IEEE-1588IEEE-158