Ethernet／IP協議簡介參考

1、EthernetIP協議簡介EthernetIP協議簡介EthernetIP協議簡介目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc28453 1 現場總線控制技術與工業(yè)以太網 PAGEREF _Toc28453 1 HYPERLINK l _Toc19254 2 工業(yè)以太網實時性問題 PAGEREF _Toc19254 2 HYPERLINK l _Toc3494 2.1 通訊確定性和實時性技術 PAGEREF _Toc3494 2 HYPERLINK l _Toc994 3 EthernetIP協議簡介 PAGEREF _Toc994 3 HYPERLINK l _Toc

2、25660 3.1 EthernetIP工業(yè)以太網 PAGEREF _Toc25660 4 HYPERLINK l _Toc18162 3.1.1 EthernetIP協議模型及協議內容 PAGEREF _Toc18162 4 HYPERLINK l _Toc27826 3.1.2 EtherNet/IP 的通信機制 PAGEREF _Toc27826 7 HYPERLINK l _Toc17978 3.2 ProfitNet工業(yè)以太網 PAGEREF _Toc17978 7 HYPERLINK l _Toc31736 3.2.1 基本介紹 PAGEREF _Toc31736 8 HYPERL

3、INK l _Toc27566 3.2.2 實時通信 PAGEREF _Toc27566 8 HYPERLINK l _Toc8683 3.2.3 PROFINET PAGEREF _Toc8683 9 HYPERLINK l _Toc1672 3.2.4 安全 PAGEREF _Toc1672 10 HYPERLINK l _Toc15464 3.3 Modbus-IDA工業(yè)以太網 PAGEREF _Toc15464 11 HYPERLINK l _Toc17039 3.3.1 基本信息 PAGEREF _Toc17039 11 HYPERLINK l _Toc32754 3.3.2 特點

4、PAGEREF _Toc32754 12 HYPERLINK l _Toc17074 3.3.3 傳輸方式 PAGEREF _Toc17074 13 HYPERLINK l _Toc2665 3.3.4 CRC PAGEREF _Toc2665 15 HYPERLINK l _Toc16718 3.4 Controlnet工業(yè)以太網 PAGEREF _Toc16718 16 HYPERLINK l _Toc30892 3.4.1 原理 PAGEREF _Toc30892 17 HYPERLINK l _Toc27613 3.4.2 ControlNet網絡 PAGEREF _Toc27613

5、17 HYPERLINK l _Toc32283 3.4.3 控制網國際有限公司 PAGEREF _Toc32283 18 HYPERLINK l _Toc7391 3.4.4 可建造ControlNet的設備 PAGEREF _Toc7391 18 HYPERLINK l _Toc13648 3.5 World FIP工業(yè)以太網 PAGEREF _Toc13648 20 HYPERLINK l _Toc28212 3.5.1 概述 PAGEREF _Toc28212 20 HYPERLINK l _Toc23441 3.5.2 WorldFip的特點 PAGEREF _Toc23441 20

6、 HYPERLINK l _Toc12112 3.5.3 WorldFip 協議 PAGEREF _Toc12112 21 HYPERLINK l _Toc29886 3.5.4 WorldFip總線典型器件 PAGEREF _Toc29886 22 HYPERLINK l _Toc26084 3.5.5 開發(fā)工具 PAGEREF _Toc26084 23 HYPERLINK l _Toc973 3.5.6 目前存在的一些問題和應用前景 PAGEREF _Toc973 23 HYPERLINK l _Toc29939 4 EthernetI P通信適配器硬件設計與實現 PAGEREF _Toc

7、29939 24 HYPERLINK l _Toc9235 41 硬件系統總體架構 PAGEREF _Toc9235 24 HYPERLINK l _Toc9579 42電源設計 PAGEREF _Toc9579 25 HYPERLINK l _Toc29163 43復位電路設計 PAGEREF _Toc29163 25 HYPERLINK l _Toc25791 44以太網通訊接口設計 PAGEREF _Toc25791 26 HYPERLINK l _Toc25978 441以太網電路原理 PAGEREF _Toc25978 26 HYPERLINK l _Toc28947 442以太網芯

8、片CS8900A-IQ3功能描述 PAGEREF _Toc28947 27 HYPERLINK l _Toc6300 4.5串行通訊接口設計 PAGEREF _Toc6300 28 HYPERLINK l _Toc10228 46 主從USB接口設計 PAGEREF _Toc10228 29 HYPERLINK l _Toc31045 47 外部I0擴展接口設計 PAGEREF _Toc31045 29 HYPERLINK l _Toc5049 5 EtherNet/IP 工業(yè)以太網優(yōu)缺點及發(fā)展前景 PAGEREF _Toc5049 301 現場總線控制技術與工業(yè)以太網20世紀90年代以后隨著

9、現場總線控制技術的逐漸成熟，智能化與功能自治性的現場設備的廣泛應用，嵌入式控制器、智能現場測控儀表和傳感器等方便地接入了現場總線。現場總線控制系統(FCS)是順應智能現場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數字通訊代替4-20mA模擬傳輸技術，但隨著現場總線技術與智能儀表管控一體化(儀表調校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄)的發(fā)展，在控制領域內引起了一場前所未有的革命?？刂茖＜覀兗娂婎A言：FCS將成為21世紀控制系統的主流。然而在控制界對FCS進行概念炒作的時候，卻注意到它的發(fā)展在某些方面的不協調，其主要表現在迄今為止現場總線的通訊標準尚未統一：8種現場總線經過14年的紛爭，最后IEC的現場總線標準化組

10、織經投票，通過以下這8種現場總線成為IEC61158現場總線標準，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，PNet，World FIP，Swift Net，FF之高速EtherNet即HSE。這8種現場總線互不兼容，這也使得各廠商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現場總線(FF)正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層(物理層、數據鏈路層和應用層)和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為3125kbps，高速總線H2的傳輸速度為1 Mbps或25Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時控制的要求

11、。又如廣泛用于汽車行業(yè)的Can總線系統，其最高的傳輸速率為1 Mbps40米；這些現場總線受通訊距離制約較大。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業(yè)系統中被廣泛采用。但是傳統以太網采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測(CSMACD)通訊方式，在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網在工業(yè)應用中的傳輸延滯在230ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網的研究

12、具有工程實用價值，從而產生了一種新型的針對工業(yè)控制領域的以太網一工業(yè)以太網。由于以太網具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用支持技術成熟等優(yōu)點，目前它已經在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統中的信息層與控制層得到了廣泛應用，并呈現向下延伸直接應用于工業(yè)控制現場的趨勢。從目前國際、國內工業(yè)以太網技術的發(fā)展來看，目前工業(yè)以太網在控制層已得到廣泛應用，并成為事實上的標準。未來工業(yè)以太網將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統中的現場設備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。工業(yè)以太網技術作為后起之秀，迅速搶占著其它總線形式的市場，推動其發(fā)展的兩大動力是：光纖環(huán)網的應用、分布智能裝置儀表。光纖環(huán)網解決了

13、兩大問題：第一，輕松解決了在化工、礦業(yè)等極端條件的本質防爆問題，這一下子將以太交換設備向前推動了一個層次，使以太網可以到達工業(yè)現場層，第一次成為真正的FieldBus；第二，通過環(huán)網的冗余提高以太交換的可靠性，從而使工業(yè)以太網第一次可以應用對可靠性要求較高的應用環(huán)境中。而分布智能的裝置儀表，解決了所謂以太傳輸時滯不確定性的詬病。首先，光纖環(huán)網的千兆交換速度，已經使絕大部分工業(yè)控制數據在可接受的時間內交換，對于大部分的工業(yè)生產信息，在100ms的時滯都是可以接受的。而如果所有的控制均需要通過集中的方式進行，顯然這個時滯又太大了。可喜的是，工業(yè)控制裝置和智能儀表正在向分布式發(fā)展。這種發(fā)展趨勢，導致

14、大量的本地控制指令不需要通過冗長的總線來傳輸，而是由儀表或裝置的本地計算完成，這就不需要通過數據交換的方式苛刻地要求工業(yè)以太網的確定時延。2 工業(yè)以太網實時性問題工業(yè)以太網有著許多令人所信服的優(yōu)點。但是傳統商業(yè)以太網技術應用到工業(yè)現場仍然有著或多或少的不足和缺陷，經過許多研究機構和工程技術人員的不懈努力和對關鍵技術的研究，使傳統以太網技術不斷改進來滿足工業(yè)現場控制要求。這些關鍵技術包括通信確定性和實時性技術、系統穩(wěn)定性技術、系統互操作性技術、網絡安全性技術、總線供電及本質安全與安全防爆技術等。下面就確定性和實時性做一些介紹。2.1 通訊確定性和實時性技術傳統以太網采用總線式的拓撲結構和多路存取

15、載波偵聽碰撞(CSMAC通訊方式，即網絡上的每個節(jié)點都通過競爭的方式來獲取發(fā)送信息報文的權利，節(jié)點通過監(jiān)聽信道，當發(fā)現信道空閑時則把待發(fā)的信息報文發(fā)送出去，如果信道忙則處于等待狀態(tài)。在發(fā)送信息后檢測是否發(fā)生了碰撞，如果出現則退出信道等待重發(fā)。不難想象當網絡負荷比較重的時候大量節(jié)點都在嘗試重發(fā)進而導致網絡堵塞，使一些節(jié)點的信息長時間得不到發(fā)送，這種特性稱為以太網的不確定性。研究表明：傳統以太網在工業(yè)控制中的傳輸延遲，對數據傳送要求很高的場合是不能夠應用的，這也影響了以太網技術在工業(yè)底層控制網絡中的應用。隨著以太網技術的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網在確定性和實時性方面已經基本達到了工業(yè)現場實時控制的要求。

16、首先，在網絡拓撲結構上采用了星形連接代替總線型連接。圖1示意了兩種不同的網絡拓撲結構。其中的星形連接用網橋或路由器等設備將網絡分割成多個網段(Segment)，在每個網段上以一個多口集線器為中心，將若干個設備或節(jié)點連接起來，這樣掛接在同一網段上的所有設備形成一個沖突域(Collision)。每個沖突域均采用CSMACD機制來管理網絡沖突。這種分段方法可以使每個沖突域的網絡負荷減輕、碰撞幾率減小。圖1 以太網網絡拓撲結構的比較3 EthernetIP協議簡介現場總線國際標準IEC 61158經過十幾年的爭論和斗爭后，放棄了其制定單一現場總線標準的初衷，最終發(fā)布了包括8種(第3版修訂后增加了兩種類

17、型，而成為10種類型)類型總線的國際標準。這說明各大總線各具特點、不可互相替代的局面得到世界工控界的認可。目前有Modbus-IDA工業(yè)以太網，EthernetlP工業(yè)以太網，FF HSE工業(yè)以太網，ProfitNet工業(yè)以太網,Controlnet工業(yè)以太網,PNet工業(yè)以太網，Swift Net工業(yè)以太網，World FIP工業(yè)以太網等幾種協議。下來我們就各協議進行介紹。3.1 EthernetIP工業(yè)以太網EtherNetIP(EtherNet Industry Protoco1)是適合工業(yè)環(huán)境應用的協議體系。它是由兩大工業(yè)組織ODVA(OpenDeviceNet Vendors Ass

18、ociation)ControlNet International所推出的最新的成員。和DeviceNet以及ControlNet一樣，它們都是基于CIP(Control and Informalon Protoco1)協議的網絡。它是一種是面向對象的協議，能夠保證網絡上隱式的實時I0信息和顯式信息(包括用于組態(tài)參數設置、診斷等)的有效傳輸。EtherNetIP采用和DevieNet以及ControlNet相同的應用層協CIP(Control and Information Protoco1)，因此，它們使用相同的對象庫和一致的行業(yè)規(guī)范，具有較好的一致性。EtherNetIP采用標準的Ethe

19、rNet和TCPIP技術來傳送CIP通信包，這樣，通用且開放的應用層協議CIP加上已經被廣泛使用的EtherNet和TCPIP協議，就構成EtherNetIP協議的體系結構。協議的各層結構如圖2所示。圖2 應用CIP的EtherNet/IP3.1.1 EthernetIP協議模型及協議內容1.物理層和數據鏈路層EtherNetIP在物理層和數據鏈路層采用以太網。其主要由以太網控制器芯片來實現。從圖2可看出，不久的將來會出現更合適的物理層和數據鏈路層協議，會出現相應的芯片。但是上面的協議無須改變。2.網絡層和傳輸層EtherNetIP在網絡層和傳輸層采用標準的TCPIP技術。對于面向控制的實時I

20、0數據，采用UDPIP協議來傳送，而對于顯式信息(如組態(tài)、參數設置和診斷等)則采用TCPIP來傳送過程監(jiān)控層流通的數據基本是顯式信息，采用TCPIP來傳送，其優(yōu)先級較低。而將來采用工業(yè)以太網EtherNetIP協議的現場設備層，流通的數據基本是實時IO數據，采用UDPIP脅議來傳送，其優(yōu)先級較高。3.控制及信息協議(ClP)控制及信息協議(CIP)是一種為工業(yè)應用開發(fā)的應用層協議，被DeviceNet、ControlNet、EtherNetIP等3種網絡所采用，因此這3種網絡相應地統稱為CIP網絡.（1）CIP的特點有以下幾點報文CIP協議最重要的特點是可以傳輸多種類型的數據。工業(yè)應用中所需要

21、傳輸的數據類型有IO、互鎖、配置、故障診斷、程序上載或下載等。這些不同類型的數據對傳輸服務質量的要求是不同的。重要的傳輸服務質量評價指標有確定性、單位時間內有通信行為的節(jié)點所占的比例、響應時間等。CIP根據所傳輸的數據對傳輸服務質量要求的不同，把報文分為兩種：顯式報文和隱式報文。顯式報文用于傳輸對時間沒有苛求的數據，比如程序的上載下載、系統維護、故障診斷、設備配置等。由于這種報文包含解讀該報文所需要的信息，所以稱為顯式報文。隱式報文用于傳輸對時間有苛求的數據，如IO、實時互鎖等。由于這種報文不包含解讀該報文所需要的信息，其含義是在網絡配置時就確定的，所以稱為隱式報文。由于隱式報文通常用于傳輸I

22、O數據，隱式報文又稱為IO報文或隱式IO報文。在網絡底層協議的支持下，CIP用不同的方式傳輸不同類型的報文，以滿足它們對傳輸服務質量的不同要求。DeviceNet給予不同類型的報文不同的優(yōu)先級，隱式報文使用優(yōu)先級高的報頭，顯式報文使用優(yōu)先級低的報頭。ControlNet在預定時問段發(fā)送隱式報文，在非預定時問段發(fā)送顯式報文。而EthemetIP用TCP來發(fā)送顯式報文，用UDP來發(fā)送隱式報文。面向連接CIP還有一個重要特點是面向連接，即在通信開始之前必須建立起連接，獲取惟一的連接標識符(connection ID)。如果連接涉及到雙向的數據傳輸，就需要兩個CID。CID的定義及格式是與具體網絡有關

23、的，比如，DeviceNet的CID定義是基于CAN標識符的。通過獲取CD，連接報文就不必包含與連接有關的所有信息，只需要包含CID即可，從而提高了通信效率。不過，建立連接需要用到未連接報文。未連接報文需要包括完整的目的地節(jié)點地址、內部數據描述符等信息，如果需要應答，還要給出完整的源節(jié)點地址。對應于兩種CIP報文傳輸，CIP連接也有兩種，即顯式連接和隱式連接。建立連接需要用到末連接報文管理器(unconnected Message ManagerUCMM)，它是CIP設備中專門用于處理未連接報文的一個部件。如果節(jié)點A試圖與節(jié)點B建立顯式連接，它就以廣播的方式發(fā)出一個要求建立顯式連接的未連接請求

24、報文，網絡上所有的節(jié)點都接收到該請求，并判斷是否發(fā)給自己的，節(jié)點B發(fā)現是發(fā)給自己的，其UCMM就做出反應，也以廣播的方式發(fā)出一個包含CID的未連接響應報文，節(jié)點A接收到后，得知CID，顯式連接就建立了。隱式連接的建立更為復雜，它是在網絡配置時建立的，在這一過程中，需要用到多種顯式報文傳輸服務。CIP把連接分為多個層次，從上往下依次是應用連接、傳輸連接和網絡連接。一個傳輸連接是在一個或兩個網絡連接的基礎上建立的，而一個應用連接是在一個或兩個傳輸連接的基礎上建立的。生產者消費者模型在傳統的源目的通信模式下，源端每次只能和一個目的地址通信，源端提供的實時數據必須保證每一個目的端的實時性要求，同時一些

25、目的端可能不需要這些數據，因此浪費了時間，而且實時數據的傳送時間會隨著目的端數目的多少而改變。而在EtherNeLIP所采用生產者消費者通信模式下，數據之間的關聯不是由具體的源、目的地址聯系起來，而是以生產者和消費者的形式提供，允許網絡上所有節(jié)點同時從一個數據源存取同一數據，因此使數據的傳輸達到了最優(yōu)化，每個數據源只需要一次性的把數據傳輸到網絡上，其它節(jié)點就可以選擇性地接收這些數據，避免了浪費帶寬，提高了系統的通信效率，能夠很好地支持系統的控制、組態(tài)和數據采集。（2） CIP 協議功能及特征EtherNet/IP 其特色就是被稱作控制和信息協議的CIP 部分。CIP 一方面提供實時I/O 通信

26、，一方面實現信息的對等傳輸。其控制部分通過隱形報文來實現實時I/O 通信，信息部分則通過顯性報文來實現非實時的信息交換。CIP 協議的一個重要的特性，是其介質無關性。即CIP 作為應用層協議的實施與底層介質無關。這就是人們可以在控制系統和I/O 設備上靈活實施這一開放協議的原因。同樣，當未來新型的通訊手段出現時，人們一樣可以方便地將其移植到更高性能的網絡上實施，并且提供全部的網絡功能，保證與原有現場總線或者以太網技術的透明性和一致性。3.1.2 EtherNet/IP 的通信機制1. 通信模式不同于源/目的通信模式，EtherNet/IP 采用生產/消費模式，它允許網絡上的節(jié)點同時存取同一個源

27、的數據。在生產/消費模式中，數據被分配一個唯一的標識，每一個數據源一次性的將數據發(fā)送到網絡上，其他節(jié)點選擇性的讀取這些數據，從而提高了系統的通信效率。2. CIP 報文通信CIP 報文定義了顯式報文和隱式報文兩種報文類型, 隱式報文是對時間有苛刻要求的I/O信息(時間觸發(fā)、控制器互鎖等等)，此時數據量不大但需要高的速度或需要較長的源節(jié)點和其他節(jié)點連接時間，所以這部分采用的是速度較快的UDP 協議；顯式報文數據量較大但不需要一直連接所以這部分采用TCP 協議。CIP 報文的通信分為無連接的通信和基于連接的通信。無連接的報文通信是CIP 定義的最基本的通信方式。設備的無連接通信資源由無連接報文管理

28、器UCMM 管理。無連接通信不需要任何設置或任何機制保持連接激活狀態(tài); 基于連接的報文通信是CIP 網路傳遞報文的另一種方式,可用來傳遞I/O數據和顯式報文。這種通信方式支持生產者/消費者模式的多點傳輸關系, 一次向多個目的節(jié)點進行高效的數據傳輸。3.2 ProfitNet工業(yè)以太網3.2.1 基本介紹隨著現場設備智能程度的不斷提高，自動化控制系統的分散程度也越來越高。工業(yè)控制系統正由分散式自動化向分布式自動化演進，因此，基于組件的自動化（Component Based Automation，CBA）成為新興的趨勢。工廠中的相關的機械部件、電氣/電子部件和應用軟件等具有獨立工作能力的工藝模塊抽

29、象成為一個封裝好的組件，各組件間使用PROFINET連接。通過SIMATIC iMap軟件，即可用圖形化組態(tài)的方式實現各組件間的通訊配置，不需要另外編程，大大簡化了系統的配置及調試過程。通過模塊化這一成功理念，可以顯著降低機器和工廠建設中的組態(tài)與上線調試時間。在使用分布式智能系統或可編程現場設備、驅動系統和I/O時，還可以擴展使用模塊化理念，從機械應用擴展到自動化解決方案。另外，也可以將一條生產線的單個機器作為生產線或過程中的一個標準模塊進行定義。作為設備與工廠設計者，工藝模塊化能夠更容易、更好地對您的設備與系統進行標準化和再利用。使您能夠對不同的客戶要求更快、更具靈活性地作出反應。您可以對各

30、臺設備和廠區(qū)提前進行預先測試-極大地縮短系統上線調試階段。作為系統操作者，從現場設備到管理層，你都可以從IT標準的通用通訊中獲得好處。對現有系統進行擴展也很容易。3.2.2 實時通信1)折疊TCP/IP標準通訊PROFINET基于工業(yè)以太網技術，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP 是IT 領域關于通信協議方面事實上的標準，盡管其響應時間大概在100 ms的量級，不過，對于工廠控制級的應用來說，這個響應時間就足夠了。2)折疊實時（RT）通訊對于傳感器和執(zhí)行器設備之間的數據交換，系統對響應時間的要求更為嚴格，大概需要510ms的響應時間。目前，可以使用現場總線技術達到這個響應時間，如PROF

31、IBUS DP。對于基于TCP/IP的工業(yè)以太網技術來說，使用標準通信棧來處理過程數據包，需要很可觀的時間，因此，PROFINET提供了一個優(yōu)化的、基于以太網第二層（Layer 2）的實時通訊通道，通過該實時通道，極大地減少了數據在通訊棧中的處理時間，因此，PROFINET獲得了等同、甚至超過傳統現場總線系統的實時性能。3)折疊同步實時（IRT）通訊在現場級通訊中，對通訊實時性要求最高的是運動控制（Motion Control），PROFINET的同步實時（Isochronous Real-Time, IRT）技術可以滿足運動控制的高速通訊需求，在100個節(jié)點下，其響應時間要小于1ms，抖動誤

32、差要小于1s，以此來保證及時的、確定的響應。3.2.3 PROFINET1)折疊分布式現場設備通過集成PROFINET接口，分布式現場設備可以直接連接到PROFINET上。對于現有的現場總線通訊系統，可以通過代理服務器實現與PROFINET的透明連接。例如，通過IE/PB Link（PROFINET和PROFIBUS之間的代理服務器）可以將一個PROFIBUS網絡透明的集成到PROFINET當中，PROFIBUS各種豐富的設備診斷功能同樣也適用于PROFINET。對于其他類型的現場總線，可以通過同樣的方式，使用一個代理服務器將現場總線網絡接入到PROFINET當中。2)折疊運動控制通過PROF

33、INET的同步實時（IRT）功能，可以輕松實現對伺服運動控制系統的控制。在PROFINET同步實時通訊中，每個通訊周期被分成兩個不同的部分，一個是循環(huán)的、確定的部分，稱之為實時通道；另外一個是標準通道，標準的TCP/IP數據通過這個通道傳輸。在實時通道中，為實時數據預留了固定循環(huán)間隔的時間窗，而實時數據總是按固定的次序插入，因此，實時數據就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時間用來傳遞標準的TCP/IP數據。兩種不同類型的數據就可以同時在PROFINET上傳遞，而且不會互相干擾。通過獨立的實時數據通道，保證對伺服運動系統的可靠控制。3)折疊網絡安裝PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形拓撲

34、結構。為了減少布線費用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便的實現PROFINET的安裝。特別設計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內形成標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。3.2.4 安全1)折疊標準與網絡安全PROFINET的一個重要特征就是可以同時傳遞實時數據和標準的TCP/IP數據。在其傳遞TCP/IP數據的公共通道中，各種業(yè)已驗證的IT技術都可以使用（如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的時候，我們可以使用這些IT標準服務加強對整個網絡的管理和維護，這意味著調試和維護

35、中的成本的節(jié)省。PROFINET實現了從現場級到管理層的縱向通訊集成，一方面，方便管理層獲取現場級的數據，另一方面，原本在管理層存在的數據安全性問題也延伸到了現場級。為了保證現場級控制數據的安全，PROFINET提供了特有的安全機制，通過使用專用的安全模塊，可以保護自動化控制系統，使自動化通訊網絡的安全風險最小化。2)折疊故障安全在過程自動化領域中，故障安全是相當重要的一個概念。所謂故障安全，即指當系統發(fā)生故障或出現致命錯誤時，系統能夠恢復到安全狀態(tài)（即零態(tài)），在這里，安全有兩個方面的含義，一方面是指操作人員的安全，另一方面指整個系統的安全，因為在過程自動化領域中，系統出現故障或致命錯誤時很可

36、能會導致整個系統的爆炸或毀壞。故障安全機制就是用來保證系統在故障后可以自動恢復到安全狀態(tài)，不會對操作人員和過程控制系統造成損害。PROFINET集成了PROFISafe行規(guī)，實現了IEC61508中規(guī)定的SIL3等級的故障安全，很好的保證的整個系統的安全。3)折疊過程自動化PROFINET不僅可以用于工廠自動化場合，也同時面對過程自動化的應用。工業(yè)界針對工業(yè)以太網總線供電，及以太網應用在本質安全區(qū)域的問題的討論正在形成標準或解決方案。PROFIBUS國際組織計劃在2006年的時候會提出PROFINET進入過程自動化現場級應用方案。通過代理服務器技術，PROFINET可以無縫的集成現場總線PRO

37、FIBUS和其它總線標準。今天，PROFIBUS是世界范圍內唯一可覆蓋從工廠自動化場合到過程自動化應用的現場總線標準。集成PROFIBUS現場總線解決方案的PROFINET是過程自動化領域應用的完美體驗。作為國際標準IEC61158的重要組成部分，PROFINET是完全開放的協議，PROFIBUS國際組織的成員公司在2004年的漢諾威展覽會上推出了大量的帶有PROFINET接口的設備，為PROFINET技術的推廣和普及起到了積極的作用。隨著時間的流逝，作為面向未來的新一代工業(yè)通訊網絡標準，PROFINET必將為您和您的自動化控制系統帶來更大的收益和便利。3.3 Modbus-IDA工業(yè)以太網M

38、odbus是由Modicon(現為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現場的總線協議。ModBus網絡是一個工業(yè)通信系統，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統結構既包括硬件、亦包括軟件。它可應用于各種數據采集和過程監(jiān)控。ModBus網絡只有一個主機，所有通信都由他發(fā)出。網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數要由所用通信設備決定。采用這個系統，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務。3.3.1 基本信息為更好地普及和推動Modbus在基于以太網上的分布式應用，目前施耐德公司已將

39、Modbus協議的所有權移交給IDA(Interface for Distributed Automation，分布式自動化接口)組織，并成立了Modbus-IDA組織，為Modbus今后的發(fā)展奠定了基礎。在中國，Modbus已經成為國家標準GB/T19582-2008。據不完全統計:截止到2007年，Modbus的節(jié)點安裝數量已經超過了1000萬個。Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。此協議定義了一個控制器能認

40、識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發(fā)出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業(yè)設備，包括PLC

41、，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協議作為他們之間的通訊標準。3.3.2 特點Modbus具有以下幾個特點:(1)標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產品超過600種。(2)Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。(3)Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。1）折疊Modbus網絡傳輸標準的Modbus口是使用RS-232-C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、

42、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪浻蒑odem組網?？刂破魍ㄐ攀褂弥?從技術，即僅一設備(主設備)能初始化傳輸(查詢)。其它設備(從設備)根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。典型的主設備:主機和可編程儀表。典型的從設備:可編程控制器。主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回一消息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus協議建立了主設備查詢的格式:設備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數據、一錯誤檢測域。從設備回應消息也由Modbus協議構成，包括確認要行動的域、任何要返回的數據、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程

43、中發(fā)生一錯誤，或從設備不能執(zhí)行其命令，從設備將建立一錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去。2）折疊其它類型傳輸在其它網絡上，控制器使用對等技術通信，故任何控制器都能初始化和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。提供的多個內部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。在消息位，Modbus協議仍提供了主-從原則，盡管網絡通信方法是對等。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設備，并期望從從設備得到回應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立一從設備回應格式并返回給發(fā)送的控制器。3）折疊查詢回應周期(1)查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能。數據段包含了從設備

44、要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。數據段必須包含要告之從設備的信息:從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。(2)回應如果從設備產生一正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據:像寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內容是否可用。3.3.3 傳輸方式在ModBus系統中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇

45、時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII(美國信息交換碼)，另一種模式是RTU(遠程終端設備)。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(波特率、校驗方式等)，在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網絡，它定義了在這些網絡上連續(xù)傳輸的消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網絡上(像MAP和Modbus Plus)Modbus消息被轉成與串行傳輸無關的幀。1）折疊傳輸模式特性ASCII可打印字符便

46、于故障檢測，而且對于用高級語言(如Fortran)編程的主計算機及主PC很適宜。RTU則適用于機器語言編程的計算機和PC主機。用RTU模式傳輸的數據是8位二進制字符。如欲轉換為ASCII模式，則每個RTU字符首先應分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉換成十六進制等量值。用以構成報文的ASCII字符都是十六進制字符。ASCII模式使用的字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數據的譯碼和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時報文字符必須以連續(xù)數據流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產生長達1s的間隔，以適應速度較慢的機器?？刂破髂茉O置為兩種傳輸模式(ASCII或RTU)中的任何一種

47、在標準的Modbus網絡通信。2)ASCII模式當控制器設為在Modbus網絡上以ASCII(美國標準信息交換代碼)模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為一個ASCII碼(兩個十六進制字符)發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產生錯誤。代碼系統 十六進制，ASCII字符0.9,A.F 消息中的每個ASCII字符都是一個十六進制字符組成每個字節(jié)的位 1個起始位 7個數據位，最小的有效位先發(fā)送 1個奇偶校驗位，無校驗則無1個停止位(有校驗時)，2個Bit(無校驗時)錯誤檢測域 LRC(縱向冗長檢測)3)折疊RTU模式當控制器設為在Modbus網絡上以RTU(遠程終端單元)

48、模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的 十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是:在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數據。代碼系統8位二進制，十六進制數0.9，A.F消息中的每個8位域都是一或兩個十六進制字符組成每個字節(jié)的位1個起始位8個數據位，最小的有效位先發(fā)送1個奇偶校驗位，無校驗則無1個停止位(有校驗時)，2個Bit(無校驗時)3.3.4 CRC1)折疊CRCCRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。CRC是先調入一值是全1的16位寄存器，然后調

49、用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數據對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC產生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內容相異或(XOR)，結果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值或一下，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位(第8位)完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。CRC添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。CRC-16錯誤校驗程序如下:報文(此處只涉及數據位，不指起始位、

50、停止位和任選的奇偶校驗位)被看作是一個連續(xù)的二進制，其最高有效位(MSB)首選發(fā)送。報文先與X16相乘(左移16位)，然后看X16+X15+X2+1除，X16+X15+X2+1可以表示為二進制數11000，0000，0000，0101。整數商位忽略不記，16位余數加入該報文(MSB先發(fā)送)，成為2個CRC校驗字節(jié)。余數中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經上述處理而含有CRC字節(jié)的報文，若無錯誤，到接收設備后再被同一多項式(X16+X15+X2+1)除，會得到一個零余數(接收設備核驗這個CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較)。全部運算以2為模(無進位)。習慣于成串發(fā)送數據的設備

51、會首選送出字符的最右位(LSB-最低有效位)。而在生成CRC情況下，發(fā)送首位應是被除數的最高有效位MSB。由于在運算中不用進位，為便于操作起見，計算CRC時設MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數。生成CRC-16校驗字節(jié)的步驟如下:裝如一個16位寄存器，所有數位均為1。該16位寄存器的高位字節(jié)與開始8位字節(jié)進行異或運算。運算結果放入這個16位寄存器。把這個16寄存器向右移一位。若向右(標記位)移出的數位是1，則生成多項式10，1000，000，0000，001和這個寄存器進行異或運算;若向右移出的數位是0，則返回。重復和

52、，直至移出8位。另外8位與該十六位寄存器進行異或運算。重復，直至該報文所有字節(jié)均與16位寄存器進行異或運算，并移位8次。這個16位寄存器的內容即2字節(jié)CRC錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。另外，在某些非ModBus通信協議中也經常使用CRC16作為校驗手段，而且產生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式X16+X15+X2+1，單首次裝入的16位寄存器為0000;使用CRC16的反序X16+X14+X1+1，首次裝入寄存器值為0000或FFFFH。2)折疊LRCLRC錯誤校驗用于ASCII模式。這個錯誤校驗是一個8位二進制數，可作為2個ASCII十六進制字節(jié)傳送。把十六進制字符轉

53、換成二進制，加上無循環(huán)進位的二進制字符和二進制補碼結果生成LRC錯誤校驗(參見圖)。這個LRC在接收設備進行核驗，并與被傳送的LRC進行比較，冒號(:)、回車符號(CR)、換行字符(LF)和置入的其他任何非ASCII十六進制字符在運算時忽略不計。3.4 Controlnet工業(yè)以太網ControlNet是近年來推出的面向控制層的實時性現場總線網絡，在同一物理層介質鏈路上提供時間關鍵性I/O數據和報文數據，包括程序的上載/下載，組態(tài)數據和端到端的報文傳遞等通訊支持，是具有高度確定性、可重復的高速控制和數據采集網絡，I/O性能和端到端通訊性能都較傳統網絡有較大的提高。3.4.1 原理Control

54、Net是基于生產者/消費者模式(Producer/ConsumerModel)的網絡。ControlNet允許在同一鏈路上有多個控制器共存，支持輸入數據或端到端的多路發(fā)送，這就大大的減少了網絡上的交通量，提高了網絡效率和網絡性能。ControlNet是高度確定性、可重復性的網絡。ControlNet能預見數據何時能夠可靠傳輸到目標的能力，同時數據的傳輸時間不受網絡節(jié)點添加/刪除情況或網絡繁忙狀況而保持恒定的能力。在實際應用中，通過網絡組態(tài)時選擇性設定有計劃I/O分組或互鎖時間，這些要求能得到更進一步的保證。生產者/消費者模式允許網絡中所有的節(jié)點同時獲取來自同一數據源的數據。最終，該模式提高了效

55、率，因為數據只發(fā)送一次，而與數據使用者(Consumer)的數量無關，并且具有精確的同步性。因為數據將同時到達每一個節(jié)點。生產者-消費者模式的優(yōu)點在于:多個節(jié)點可以同時消費(Consume，即讀取)來自同一個生產省(Producer，即數據源)所提供的數據。節(jié)點間易于同步，可以獲得更為精確的系統性能，設備可以實現自主通信，無需系統主站。ControlNet提供了簡單、高度確定而且靈活的傳輸數據方式。ControlNet在執(zhí)行操作、數據實時監(jiān)控時不會影響到I/O控制的性能。因此，ControlNet非常適用于一些控制關系有復雜關聯、要求控制控制信息同步、協調實時控制、數據傳輸速度要求較高的應用場

56、合。ControlNet的明顯優(yōu)點是:同一鏈路上滿足I/O數據、實時互鎖、端到端報文傳輸和編程/組態(tài)等信息應用的多樣要求;是確定性、可重復性的控制網絡，適合離散控制和過程控制;同一鏈路上允許有多個控制器同時共存;輸入數據和端到端信息的多路發(fā)送支持;可選的介質冗余和本征安全;安裝和維護的簡單性;網絡上節(jié)點居于對等地位，可以從任意節(jié)點實現網絡存取;靈活的拓撲結構(總線型、樹型、星型等)和介質選擇(同軸電纜、光纖和其它)。3.4.2 ControlNet網絡控制網是由控制網國際有限公司(ControlNet International,Ltd.)首先提出來的一種開放式網絡。羅克韋爾自動化公司的設計之

57、初就提出了三層網絡的概念,分別是以太網，Controlnet網，Deveicenet網，上層信息用于全廠的數據采集和程序維護;中層自動化和控制層實現實時I/O的控制,控制器的互鎖和報文的傳送;底層設備網用于底層設備的低成本,高效率的信息集成.其中控制網通訊采用當今流行的生產者/消費者模式,該模式采用多信道廣播式,定點傳送，屬于預定性信息，每個信號對應一個單獨的地址，占一個網絡節(jié)點，網絡所有節(jié)點同步,信息吞吐量大,速度快,網絡效率高;因此控制網具有高速,高度確定和可重復性的網絡,特別適用于對時間苛刻要求的復雜應用場合的信息傳輸，但是Controlnet網絡中的節(jié)點數目是有限制的，最高不能超過99

58、個，節(jié)點數超過限制會發(fā)生不可預測的故障，未超過但是過多會影響網速，造成網絡遲滯。Controlnet用同軸網線或者光纖作為介質，相對而言，Controlnet比西門子的Profibus網絡更加穩(wěn)定，易于維護，有助于實現無縫連接。3.4.3 控制網國際有限公司控制網國際有限公司(ControlNet International,Ltd.)是1997年7月由Rockwell等22家企業(yè)發(fā)起成立ControlNet國際化組織(CI)，是個非贏利獨立組織，主要負責向全世界推廣ControlNet技術(包括測試軟件)。目前已有50多個公司參加，如ABB Roboties 、Honeywell Inc.、

59、日本橫河、東芝、Omron等大公司。3.4.4 可建造ControlNet的設備1.ControlLogix，ProcessLogix，FlexLogix系列1756系列ControlLogix55xx控制器，集成多種控制功能:順序控制、傳動控制和過程控制。網絡的橋接無需控制器。高速控制平臺上的高速數據傳輸。1757系列ProcessLogix控制器，5兆數據速率的高吞吐量工業(yè)網絡。使用擴展的診斷方法，維護簡單，多點傳輸(Multicast)特性允許多個控制器共享輸入數據，可選的網絡冗余，增加可靠性。1794系列FlexLogix54xx控制器，面向分布式控制的中小型系統，無與倫比的靈活性，與

60、ControlLogix等同樣采用RSLoqix5000編程，多種編程語言支持，就地安裝可以擴充多達16個FlexI/0模塊，可以安裝任何兩個可選的ControlNet(可選同軸或者光纖介質)、DeviceNet或者lOOMbpsEtherNet/IP。擴展現場I/O和智能設備，通過ControlNet或者EtherNet/IP，實現對等通訊、數據采集、程序下載或者實時互鎖。2.PLC與SLC控制器系列PLC-5可編程控制器內置ControINet通訊,通過ControINet口，提供高速通訊能力,允許處理器輸入中斷和可選的定時中斷。SLC掃描器口適配器模塊，性能最佳的網絡擴展遠程I/0解決方