1、工業(yè)以太網(wǎng)2010-10-26主要內(nèi)容l概述lprofinetlff hselethernet powerlinklethernet/iplepalmodbus概述l一直以來，工業(yè)控制是采用現(xiàn)場總線來實現(xiàn)的，但由于種種原因，現(xiàn)場總線的種類越來越多，各種現(xiàn)場總線之間由于沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致互操作性很差，因此引入了低成本、高速率、應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)。l然而，以太網(wǎng)的實時性和可靠性較差，難以滿足工業(yè)控制要求，因此，相關(guān)組織對以太網(wǎng)進(jìn)行了一些擴(kuò)展，稱為工業(yè)以太網(wǎng)。l工業(yè)以太網(wǎng)對實時性的解決有些是通過應(yīng)用層來做的，如ethernet/ip、modbus等，這些網(wǎng)絡(luò)的實時性較差；也有一些技術(shù)在tcp、ip

2、和以太網(wǎng)都做了實時性的擴(kuò)展，如profinet、ethernet powerlink，以及我國提出的標(biāo)準(zhǔn)epal下面將分別介紹這些不同的工業(yè)以太網(wǎng)。profinetl由profibus發(fā)展而來，從應(yīng)用層到物理層的整體解決方案。協(xié)議棧提供標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類實時通信通道l標(biāo)準(zhǔn)通道：tcp/ip，非實時l實時通道：旁路了tcp/ip，使用了報文優(yōu)先級l同步實時通信：同步實時asic芯片，進(jìn)一步縮短軟件處理時間為實時數(shù)據(jù)預(yù)留時間片，標(biāo)準(zhǔn)通道數(shù)據(jù)只能在時間片外發(fā)送在一個周期內(nèi)通過分隔時間域來傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)。循環(huán)實時報文通過確定性通道(irt channel)來傳遞；而tcp/ip報文則通過標(biāo)準(zhǔn)通道

3、(open channel)來傳遞lprofinet三種通信方式tcp/ip：標(biāo)準(zhǔn)方式，響應(yīng)時間100ms實時通信：旁路協(xié)議棧，通過實時通道和優(yōu)先級方式提高實時性，510ms同步實時通信：設(shè)備同步、劃分時間片，響應(yīng)時間1ms lprofinet的實時通信軟件層通過實時操作系統(tǒng)(和報文優(yōu)先級)實現(xiàn)軟實時(software rt)通信問題同步實時通信(irt,isochronous rt)l除了使用rt軟件外，還需要硬件支持。這里，由以太網(wǎng)第二層運行的時間觸發(fā)協(xié)議實現(xiàn)，通過switch-asic ertec同步實時交換芯片保證，不需要vlan優(yōu)先級，但是，需要對mac幀的類型域和標(biāo)識符域(工業(yè)環(huán)境

4、中用標(biāo)識符域區(qū)分報警和事件)作修改。l采用了ieee1588時間同步協(xié)議，可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的亞微秒級同步。并且通過周期性同步信息克服漂移。同步過程如右圖：結(jié)論：ff hse（foundation fieldbus high speed ethernet） l 基金會現(xiàn)場總線（ff）是專為過程自動化而設(shè)計的通訊協(xié)議。ff最初包括低速總線h1（速率為3125kbps）和高速總線h2（速率為1mbps和25mbps）兩部分。但隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動化水平的提高，控制網(wǎng)絡(luò)的實時信息傳輸量越來越大，h2的設(shè)計能力已不能滿足實時信息傳輸?shù)膸捯蟆ｈb于此，現(xiàn)場總線基金會放棄了原有h2總線計劃，取而

5、代之的是將現(xiàn)場總線技術(shù)與成熟的高速商用以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的新型高速現(xiàn)場總線ff hse（high speed ethernet）。lff現(xiàn)場總線基金會明確將hse定位于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)internet集成。由hse鏈接設(shè)備將h1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)主干上并進(jìn)一步送到企業(yè)erp和管理系統(tǒng)。操作員主控室可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運行情況。現(xiàn)場設(shè)備同樣也可以從網(wǎng)絡(luò)獲控制信息。hse網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) l鏈接設(shè)備(linking device)將ff h1網(wǎng)絡(luò)連接到hse網(wǎng)段上，hse鏈接設(shè)備同時也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)功能，它網(wǎng)橋功能能夠用來連接多個h1總線網(wǎng)段，使不同h1網(wǎng)段上面h1設(shè)備之間能夠進(jìn)行對等通信而

6、無需主機(jī)系統(tǒng)干預(yù)。hse主機(jī)可以與所有鏈接設(shè)備和鏈接設(shè)備上掛接h1設(shè)備進(jìn)行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備，并接收來自現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)監(jiān)控和報表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)可直接映射到標(biāo)準(zhǔn)功能塊flexible function block中。ff hse的體系結(jié)構(gòu)ff hse protocol stacklhse低四層直接采用以太網(wǎng)+tcp/ip，應(yīng)用層和用戶層直接采用ff h1應(yīng)用層服務(wù)和功能塊應(yīng)用進(jìn)程規(guī)范。可靠性冗余技術(shù)lhse除了具有高帶寬和更好的開放性之外，除了具有高帶寬和更好的開放性之外，靈活的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備冗余形式以及靈活功能靈活的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備冗余形式以及靈活功能塊技術(shù)是塊技術(shù)是hs

7、e的兩個特色技術(shù)。的兩個特色技術(shù)。lhse規(guī)范支持包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)應(yīng)用的冗余。規(guī)范支持包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)應(yīng)用的冗余。hse冗余提供通信路徑冗余（冗余網(wǎng)絡(luò)）冗余提供通信路徑冗余（冗余網(wǎng)絡(luò)）和設(shè)備冗余兩類，允許所有端口通過選擇和設(shè)備冗余兩類，允許所有端口通過選擇連接不同路徑。連接不同路徑。可靠性冗余技術(shù)可靠性冗余技術(shù)l通信路徑冗余是通信路徑冗余是hse交換機(jī)、鏈接設(shè)備和主交換機(jī)、鏈接設(shè)備和主機(jī)系統(tǒng)之間的物理層介質(zhì)冗余，或稱介質(zhì)冗機(jī)系統(tǒng)之間的物理層介質(zhì)冗余，或稱介質(zhì)冗余。冗余路徑對應(yīng)用是透明的，當(dāng)其中一條余。冗余路徑對應(yīng)用是透明的，當(dāng)其中一條路徑發(fā)生中斷時，可選用另一條路徑通信。路徑發(fā)生中斷時，可選用另一

8、條路徑通信。l設(shè)備冗余是為了防止由于單個設(shè)備冗余是為了防止由于單個hse設(shè)備的故設(shè)備的故障造成控制失敗，在同一網(wǎng)絡(luò)中附加多個相障造成控制失敗，在同一網(wǎng)絡(luò)中附加多個相同設(shè)備。同設(shè)備。可靠性冗余技術(shù)l在在hse的體系結(jié)構(gòu)圖中，每個的體系結(jié)構(gòu)圖中，每個hse設(shè)備中專門設(shè)備中專門設(shè)計了一個設(shè)計了一個lan冗余實體（冗余實體（hselre），提供，提供容錯處理，容錯處理，lre周期地發(fā)送和接收冗余診斷信周期地發(fā)送和接收冗余診斷信息。每個息。每個hse設(shè)備通過診斷信息建立一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過診斷信息建立一個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表，它記錄著連入網(wǎng)絡(luò)中的所有狀態(tài)表，它記錄著連入網(wǎng)絡(luò)中的所有hse設(shè)備設(shè)備的詳細(xì)狀態(tài)信息，根據(jù)這

9、張網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表，的詳細(xì)狀態(tài)信息，根據(jù)這張網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表，lre來選擇決定使用哪條路徑或端口來傳送信息。來選擇決定使用哪條路徑或端口來傳送信息。hse的容錯處理方法增強(qiáng)了控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性的容錯處理方法增強(qiáng)了控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。和安全性。實時性lff hse主要使用udp來傳輸重要的控制信息，這些信息對實時性有較高要求。而對于一些實時性要求并不是那么苛刻的通信則使用tcp傳輸。lff hse沒有更多保證實時性的措施。ethernet powerlinklethernet powerlink（epl）標(biāo)準(zhǔn)是一種可滿足最苛刻實時要求（4級）、并已投入實際應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)。lethernet powel

10、ink主要技術(shù)指標(biāo)：用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)ieee802.3u（fastether-net）作為傳輸媒介；傳輸速率100mb/s；使用標(biāo)準(zhǔn)hub和標(biāo)準(zhǔn)接線；實時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達(dá)200s；抖動小于1s；可同時傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)；可同時傳輸ip協(xié)議；使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備。工作原理時間槽通信管理機(jī)制l為避免沖突、盡量利用帶寬，epl在時間上重新組織了網(wǎng)絡(luò)中站間信息交換機(jī)制，在csma基礎(chǔ)上引入時間槽管理機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)其中一個站點充當(dāng)管理站管理網(wǎng)絡(luò)通信，對其他所有站點給定同步節(jié)拍，分別分配各站發(fā)布權(quán)限，各站只能在得到發(fā)布權(quán)限后才可發(fā)布信息。一個epl通信周期可分成4個階段epl通信周期的4個階段l1開始階段：

11、管理員發(fā)布“通信周期開始（soc）”信號，信號以廣播方式發(fā)給所有站點。此信號發(fā)出后，各站點就此同步。l2同步階段：這階段中所有站點進(jìn)行同步信息交換，管理站按照一個事先定義的順序給某站發(fā)一個prq幀，要求此站發(fā)布信息。此站得到發(fā)布許可后，以廣播形式發(fā)出一幀prs回應(yīng)信息，所有站點都可收到這幀信息，也包括那些應(yīng)該得到這幀信息的站點。epl通信周期的4個階段l3異步階段：這個階段是給無實時要求的信息留下的，管理站發(fā)給某站一個“邀請”幀，此站便可發(fā)布非同步信息，比如一幀ip信息。l4閑置階段：到下一個周期前的等待時間。ethernet powerlink和tcp/ip的兼容性l實現(xiàn)貫穿管理層到現(xiàn)場層乃

12、至傳感器、執(zhí)行器層的通信。l通過兩個機(jī)制來實現(xiàn)這個目標(biāo)：實時和非實時（異步）信息可同時傳輸；透明地在異步時間槽發(fā)送和接收ip協(xié)議信息。ethernet powerlink和tcp/ip的兼容性lethernet powerlink接口函數(shù)api和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)驅(qū)動函數(shù)完全兼容。在應(yīng)用層上，基于ip的協(xié)議或軟件都可不加改動就直接使用。在通信實時性不重要時，如程序下載、系統(tǒng)編程診斷或參數(shù)配置過程中，用ethernet powerlink的開放模式可使所有站點作為普通以太網(wǎng)站點的模式來使用（非實時模式）。在這個模式下epl站點對普通以太網(wǎng)來說完全透明。ethernet/ip（industrial pro

13、tocol）概述l在工業(yè)控制上，現(xiàn)場總線已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，形成了主要的幾種協(xié)議作為不同工業(yè)控制領(lǐng)域的規(guī)范l為了適應(yīng)以太網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用，各協(xié)議都進(jìn)行了針對性的改良，其中由devicenet及controlnet發(fā)展得到的就是ethernet/ipl其核心是在應(yīng)用層采用cip（control and information protocol）協(xié)議與以太網(wǎng)結(jié)合ethernet/ip協(xié)議模型enternet/ip的說明-cip協(xié)議lenternet/ip是自上而下從應(yīng)用層來完成以太網(wǎng)和工業(yè)應(yīng)用結(jié)合的過程，enternet/ip額外加入網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，和現(xiàn)場總線可以通過工業(yè)路由器相連lcip協(xié)議對上層應(yīng)

14、用設(shè)備做出了規(guī)范l采用生產(chǎn)/消費模式進(jìn)行信息傳遞lcip協(xié)議本身和下層介質(zhì)無關(guān)，因此易于移植及擴(kuò)展enternet/ip的說明-實時性與可靠性l以太網(wǎng)的基本協(xié)議不變，通過cip協(xié)議來實現(xiàn)實時性及可靠性lcip控制部分 隱性報文 實時i/o通信 采用udp傳輸 對時間要求較高 lcip信息部分 顯性報文 非實時信息交換 采用tcp傳輸 傳輸量較大enternet/ip的優(yōu)缺點l優(yōu)點：l兼容性好 傳輸速率不錯 接口容易 l缺點：l實時性不夠：全雙工方式 速率提高l報文利用率低l環(huán)境適應(yīng)性：工業(yè)以太網(wǎng)都需要解決的 問題工業(yè)以太網(wǎng)epalepa由中國自主研發(fā)的一組工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，與ethernet/i

15、p等都是行業(yè)規(guī)范之一l傳輸層及網(wǎng)絡(luò)層沿用tcp/ip，即以太網(wǎng)協(xié)議，而在應(yīng)用層加入epa應(yīng)用層協(xié)議，在數(shù)據(jù)鏈路層加入epa通信調(diào)度管理實體工業(yè)以太網(wǎng)epa -同步時鐘l同步時鐘的實現(xiàn)：l1 ptp網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：（oc bc）lm主時鐘，s從時鐘通過報文傳遞校準(zhǔn)l同步報文 跟隨報文 延時請求 延遲相應(yīng)lptp的“結(jié)構(gòu)體”（引擎結(jié)構(gòu)“數(shù)據(jù)集”）工業(yè)以太網(wǎng)epa -同步時鐘l同步時鐘的實現(xiàn)：l2 算法：l時鐘同步算法：通過報文傳遞校準(zhǔn)l最佳時鐘算法：l1 數(shù)據(jù)集比較算法；l2 狀態(tài)決策算法；l同步結(jié)束后，通信調(diào)度實體就可以根據(jù)其調(diào)度策略為各種幀分配時間槽，并以此來體現(xiàn)不同的優(yōu)先級順序。工業(yè)以太網(wǎng)ep

16、a確定性調(diào)度l確定性調(diào)度基礎(chǔ)：同步時鐘l主要通過epa通信調(diào)度管理實體：l不改變數(shù)據(jù)鏈路層對上層的服務(wù)，也不改變與物理層接口，只完成對報文調(diào)度管理l采用方法：l分時發(fā)送機(jī)制 按預(yù)先組態(tài)的調(diào)度方案l對周期非周期報文按不同時間發(fā)送工業(yè)以太網(wǎng)epa確定性調(diào)度l基于時間片調(diào)度和基于優(yōu)先級調(diào)度結(jié)合l調(diào)度優(yōu)先級：l1 所有epa報文均高于其他協(xié)議報文l2 周期性報文擁有最高優(yōu)先級l調(diào)度原理：l調(diào)度宏周期 l周期報文傳送+非周期報文傳送modbus 簡介簡介lmodbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。 modbusl控制器通信使用主從技術(shù)l查詢回應(yīng)周期 modbus 客戶客戶/服務(wù)器模型服務(wù)器模型 l modbus requestl modbus confirmationl modbus indicationl modbus responselthe modbus messaging services are used for real time information exchangemodbusmodbusl簡介簡介l協(xié)議描述協(xié)