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工业以太网介绍 OMRON 邹竹 现场总线的结构 物理层 定义了现场总线的传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤和无线电 传输速率最大传输距离 拓扑结构及信号类型等数据链路层 为所有连接封同一物理通道上的应用进程提供实时协调管理 规定物理层与应用层之间的接口 信息传输的差错校验等 应用层 定义现场总线的命令 响应 数据和事件 分 为用户层提供服务的FMS FieldbusMessagingSpeeication 和与数据链路层连接的FAS F eldbusAeee Sublaye 两个子层 之前工厂现场总线结构 现场设备层 Control 典型的包括远程I O控制 智能型设备如变频器实时网络控制 控制器之间通过网络实现的互锁功能等 典型特点是 数据成组 数据块大小有限但是强调快速 可重复 确定性的通讯 典型地开关量信号5 10毫秒 模拟量40 200毫秒刷新等 某些通过实时总线连接的就地操作员 EOI 站也可归为这一类通讯控制层网络 Collect 通过网络完成的数据采集和发送 如上位HMI完成数据采集和监视控制 同时也包括系统诊断信息的提取等 典型特点是数据通讯量大 要求周期性或者应系统需要实现通讯 典型刷新时间500 1000毫管理层 Configure 过网络完成就地和远程设备以及系统的设置 组态 程序的上载 下载等任务 包括提供路由支持 实现网络设备的定位或者状态浏览功能 典型特点是通讯任务为人为型 突发型 数据传送量非常大 对于现场总线的要求 三个 C 恰好可以完整描述人们对工业网络典型的功能要求 而且通常这三种功能是从顶层到底层 随时随地 贯穿始终的 很难想象 底层丰富的诊断数据如果不能方便地在整个网络架构中提取和共享 这种诊断的实际意义有多大 但是很显然 这三种网络功能 Services 在数据传送量 实时性要求 发生特性上都有着极大的区别 甚至可以说将其融合在一根总线上存在本质上的冲突和矛盾 如何解决这一矛盾 我们的问题是 1 是否可以通过提高总线波特率解决这些矛盾 2 三层网络本身存在纵向集成问题 如何跨越不同的网络层次完整集成这些功能 3 是否可以使用某种代理 Proxy 或者网关来实现这些功能 4 什么是真正可行的解决方案 是否可以通过提高网络波特率解决这些问题呢 答案是否定的 其根本原因在于 影响网络吞吐量 Throughput 的三个要素中 除了波特率 还包括协议的效率和通讯的模式 用以太网 典型1500字节长 去处理位元 bit 信息显然效率不高 其实核心的要素是网络通讯模式对网络带宽的使用效率和不同网络服务的优先级处理问题 毕竟 网络波特率即便大幅提升 终究有一定限制 是有限的资源 三层网络架构的缺点 1 三层网络没有通用的路由服务支持 必须借助于控制器或者网关设备完成不同层次之间的信息传递 2 传统的主从模式的网络是基于轮询或者主从扫描方式工作的 控制器必须要占用其宝贵的处理能力来管理通讯 同时用户必须调用相应的功能块 或编写特定的路由表来完成通讯的任务 这样不仅加重了处理器的负荷 影响系统实时控制性能 而且非专业人员很难达到底层的深度透明访问 这也就是传统系统只能提供有限诊断 甚至网络的浏览也只能限定在静态访问的原因3 拓展性较差 对于大规模应用有较高限制 特别是对于后期追加拓展 面临系统容量限制 4 对于形成整体的网络 存在风险节点 网络生存性差 5 信息集成能力不强 控制站所获取的管理信息有限 大量的数据如设备参数 故障及故障记录等数据很难得到 难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换与信息共享可靠性不易保证 只是将控制分散到若干局部 而未能实现危险的彻底分散 大量I O电缆敷设施工 不仅增加了成本 也增加了系统的不可靠性 6 可维护性不高 由于现场设备信息不全 其在线故障诊断 报警 记录功能不强 很难完成现场设备的远程参数设定 修改等参数化功能 影响了系统的可维护性 为什么以前不用Ethernet作现场总线 Ethemet区别于其他网络 如令牌网 令牌环网 主从式网络等 的重要特点是 它采用的介质访问控制方法一CSMA CD carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection 冲突检测载波监听多点访问 是一种非确定性或随机性通信方式 其基本工作原理是 某节点要发送报文时 首先监听网络 如网络忙 则等到其空闲为止 否则将立即发送 并同时继续监听网络 如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时 将发生碰撞 同时节点立即停止发送 并等待一段随机长度的时间后重新发送 16次碰撞后 控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息 不确定性导致网络可靠性很差Ethemet没有用于现场总线的另外一个重要原因是 作为工业现场智能设备的核心组成部分 微处理器 在20世纪80年代时还处于初期发展阶段 功能简单 数字处理能力不强 不能处理Ethemet上 捆绑 使用的TCP IP协议 处理能力差导致系统不能有效识别和处理现场信息 导致系统安全性差 引入Ethernet的必要性 工业以太网发展动力在于以下几点1 自动化系统需要将生产流程中的所有东西联网 从最底层传感器到公司内部网 Intranet 以实现对于生产过程更为高效的控制2 现代化生产需要工业网络尽可能扁平 最好是单一网络从顶层到车间一网到底 以减少培训 安装和库存方面的费用3 技术条件成熟使得以太网到工业现场成为可能 4 最重要的原因是人们对于生产系统信息化的需求 以应对新经济条件下日益激烈的竞争 生产企业必须不断优化生产过程 提高产出的同时最大限度的利用生产资源 并且企业需要保证整个生产系统非预期的停机时间减少 以减少因此带来的损失 另外在产品周期越来越短的情况下 客户对于产品的个性化需求也在日益提高 都要求生产系统能够在最短时间内完成产品生产的组态或者组态变更 以缩短产品投放市场的时间 日益严格的行业法规也越来越要求生产组织者能以最有效方式来满足这些法规 同时给监管者提供生产方面最大的透明性 基于以上原因使得工业以太网在生产管理方面的作用越来越突出 5Ethernet IP提供了在MES ERP系统中通用的标签 以满足在构建企业信息化系统中对于底层信息的调用和定义 并且减少了底层数据的变化导致整个系统重新组态的风险 Ethernet应用于工业现场尚需解决的主要问题 Ethernet实时通信服务质量 QualityofService QoS 支持策略所谓实时通信服务质量 是指以太网应用于工业控制现场时 为满足工业自动化实时控制要求 而提出的一系列通信特征需求 这些特征包括响应延迟 传输延迟 吞吐量 可靠性 传输失败率 优先级满足通信一致性和互可操作性的应用层 用户层协议规范从ISO OSI的七层通信参考模型来看 以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层 而在其之上的网络层和传输层协议 目前以TCP IP协议为主 表示层 应用层等没有作技术规定 应用较多的是FTP SMTP HTTP Telnet SNMP 这些协议都是非实时性的 因此这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信为此 为满足工业现场控制系统的应用要求 必须在Ethemet TCP IP协议之上 建立完整的 有效的通信服务模型 制定有效的实时通信服务机制 协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务 形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层 用户层协议 进而形成开放的标准 网络可用性网络可用性 亦可称为网络生存性 是指系统中 任何一组件发生故障 都不应导致操作系统 网络 控制器和应用程序以至于整个系统的瘫痪 它包括可靠性 可恢复性 可管理性等几个方面的内容可靠性 组成分布式网络控制系统的控制器 I O模块 操作站 工程师站等硬件设备应满足环境适应性要求 相应的软件 包括设备驱动软件 应用程序 操作系统等 必须工作稳定 可靠可恢复性 是指当系统中任一设备或网段发生故障而不能正常工作时 系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络链路重新链接起来 并将故障进行隔离 同时 系统能自动定位故障 以使故障能够得到及时修复可管理性 是高可用性系统的最受关注的焦点之一 通过对系统和网络的在线管理 可以及时地发现紧急情况 并使得故障能够得到及时的处理 可管理性一般包括性能管理 配置管理 在线变化管理等过程 Ethernet应用于工业现场尚需解决的主要问题 2020 3 16 10 可编辑 网络安全性将工业现场控制设备通过以太网联接起来时 由于使用了TCP IP协议 因此可能会受到包括病毒 黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁 并因此成为众人关心的另一个重要问题 对此 一般可采用网络隔离 如网关 服务器等隔离 的办法 将控制区域内部控制网络与外部信息网络系统分开 此外 还可以通过用户密码 数据加密 防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理 Ethernet应用于工业现场尚需解决的主要问题 Ethernet IP 优秀的工业以太网络 透明的CIP协议CIP协议本身是由DeviceNet和Controllink提出并定义的应用层协议 是专为工业控制设计的基于对象的一种方法 体系结构 数据类型 服务等 提供了访问数据和控制设备操作的服务集和对象库 对象库描述了不同厂商的设备定义 标识等 使类型差别很大的设备可以直接连入网络且被整个系统 看到 实现即插即用 完全的标准化和开放性Ethernet IP的实质就是标准以太网 TCP IP CIP协议 也就是Ethernet IP采用标准的ASIC芯片作为信息处理器并于标准的以太网相互兼容 这也就意味着客户所采用的工业用以太网交换机可以从Cisco 赫斯曼等采用ASIC芯片的制造厂商购买 目前Ethernet IP已经成为了IEC61158和IEC61784的标准 Ethernet IP 优秀的工业以太网络 先进性和成熟性Ethernet IP采用Producer Comsumer技术 较之传统的主从式结构 通讯速率和效率要提高3倍以上 在效率 实时性和灵活性方面都有独特的优势 最主要是其在Ethernet上增加的CIP协议已经历时十几年使用经验 在各方面都接受了各类型的测试和考验 具有非常高的高可靠性 集成性hernet IP最大的特点就是在应用层实施了成熟 先进和统一的CIPro协议 使得他在DeviceNet Controllerlink等目前现存的总线技术结合使用时 有完全相同的对象库 设备描述和相同的控制服务机制和路由方式 使得基于CIP的网络无论如何怎样组合 都有高效 一致 透明的全功能通讯服务 并且所有通讯均无需任何程序来实现发展性CIP协议的一个重要特性就是其介质无关性 即CIP作为应用层协议实施与底层介质无关 这也就是人们可以在控制系统与I O设备上灵活实施一种开发协议的原因 同样在未来有新的通讯方式出现时 人们可以非常方便的将CIP协议移植到高性能网络上实现而不改变目前现有的架构和网络通讯方式 兼容性Ethemet IP的引入的另一个优点是兼容性 Ethernet IP所采用的CIP协议是完全集成于TCP IP之上 使工业以太网更容易地与工厂底层充当主角的各种现场总线系统FCS集成和并存 实时性Ethemet IP定义了显式 explicit 和隐式 implicit 种报文 前者用于对时间无严格要求的点对点组态信息 报文的数据段载有协议信息及其服务的性能说明 要求各个接点必须解析每个报文 执行响应的任务 其报文的长短 出现频率有很大的变化 显式报文是由TCP协议完成的 对实时性要求高的信息 则使用隐式报文由UDP 用户数据报 II 来传输 因其传输帧中不含协议信息 只有数据 故报文较短 运行时节点的处理时间大大缩短 在交换以太网的支持下具有实时性的保证 开放性Ethemet IP将从应用层来的CIP报文压缩 封装成TCP或UDP的帧格式 然后通过具有Switch结构的Ethemet发送 在接受点拆包后还原为CIP报文 交给使用者 Ethemet IP在2000年3月提出后 目前已得到超过4O0家的大公司 如Rockwell OMRON等 的支持 设备对象库在加快扩大 是目前工业以太网研究的一个新的热点内容 ODVA还提供免费的设备对象库的开发工具包和样例程度 供厂家开发自己的设备对象描述 Ethernet IP 优秀的工业以太网络 Ethernet IP简单介绍 基于EthernetTCP或UCP IP的Ethernet IP是工业自动通讯的一个扩展 这里的IP表示为Industrial Protocal 在2000年底ODVA组织首先提出Ethernet IP的概念 以后SIG SpecialInterestGroups 进行了规范工作 ODVA组织目前有300多个成员 并有自己的测试中心 实际上 所有的Ethernet IP的CIP 控制和信息协议 已运用在Controllink和Devicenet上了 这里将这一方法移植到Ethernet的TCP IP和UCP IP的通道上来实现 Ethernet IP的规范是公开的 并由ODVA组织提供 另外除了办公环境上使用的HFTP FTP JMTP SNMP的服务程序 Ethernet IP还具有生产者 客户服务 容许有时间要求的信息在控制器与现场I O模块之间的数据传送 非周期性的信息数据的可靠传输 如程序下载 组态文件 采用TEP技术 而有时间要求和同期性控制数据的传输由UCP的堆栈来处理 为了减少Ethernet IP在各种现场设备互相间传输实现的复杂性 Ethemet IP预先规定了一些设备的标准规定 如气动设备等不同类型的规定 CIP协议目前进行了以太网的准实时性和安全总线的实施工作 采用IEEE1588标准的分散式控制器同步机制的CIPsync基于Ethemet IP的技术结合安全机制实现的CIPSafty安全控制都在开发之中 2005年出现CIPSafty的产品 2006年实现CIPsync的技术 Ethernet IP简单介绍 1 采用创新的 效率和实时性更高的Producer Consumer 生产者 消费者 模式来取代传统的主从Source Destination 源 目的 模式 开放现场总线技术EtherNet IP ControlLink DeviceNet FF都是采用生产者 消费者技术的典型代表 OMRON自动化现场总线体系结构就构筑在这些开放总线产品的基础之上 如图所示 Ethernet IP简单介绍 各层总线采用同一个应用层协议CIP CommonIndustrial