《工业通信与网络技术》第7章以太网-工业以太网与实时以太网-李中伟

1、哈工大网络与电气智能化研究所 工业工业通信与通信与网络网络技术技术主讲教师：李中伟主讲教师：李中伟 佟为明佟为明联系电话：联系电话E-mail：课程邮箱：课程邮箱：，密码：，密码：fieldbus201514 工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网现场总线现场总线长期的标准之争带来之问题：长期的标准之争带来之问题： 干扰了用户选择干扰了用户选择 影响了互操作性和互换性影响了互操作性和互换性 延缓了发展速度，影响了发展前景延缓了发展速度，影响了发展前景用户不断增长的用户不断增长的实时性实时性、同步精度同步精度、通信周期时间通信周期时间等高要等高要求也超出了现场总线

2、能力范围。求也超出了现场总线能力范围。工业以太网工业以太网的诞生：的诞生： 是以太网在工控中的延伸，是现场总线的子集。是以太网在工控中的延伸，是现场总线的子集。 高通信速率、高性价比、易于实现管控一体化。高通信速率、高性价比、易于实现管控一体化。 高速以太网、交换式以太网及全双工通信，提高了以太高速以太网、交换式以太网及全双工通信，提高了以太网通信的可靠性和实时性。网通信的可靠性和实时性。 方便连接企业管理、过程监控及现场设备三层。方便连接企业管理、过程监控及现场设备三层。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网常见工业以太网及其管理组

3、织列表常见工业以太网及其管理组织列表LOGO哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网2013年，年，IMS Research公司发布了工业以太网市场公司发布了工业以太网市场研究报告。国际市场上各类技术研究报告。国际市场上各类技术市场占有率市场占有率如下：如下：哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网4.1工业以太网技术的三种类型（按软工业以太网技术的三种类型（按软/硬件实现方式）硬件实现方式）（1）采用通用以太网控制器和采用

4、通用以太网控制器和TCP/IP协议协议如：如：Ethernet/IPModbus/TCPPROFInet/CbA哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网（2）采用通用以太网控制器和专有过程数据传输协议采用通用以太网控制器和专有过程数据传输协议如：如：Ethernet PowerlinkPROFInet/RT哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网（3）采用专用以太网控制器和专有过程数据传输协议采用专用以太网控制器和专有过程数据传输协议如：如：Ether

5、CATSERCOS-PROFInet/IRT哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网不同工业自动化场合对控制网络不同工业自动化场合对控制网络实时性要求实时性要求不同：不同： 对对信息集成信息集成场合和场合和低要求过程自动化低要求过程自动化应用场合，实时响应应用场合，实时响应时间可为时间可为100ms或更长；或更长； 对对大多数工厂自动化大多数工厂自动化应用场合和应用场合和分布式分布式I/O设备，实时响应设备，实时响应时间要求通常为时间要求通常为510ms； 对于高性能的对于高性能的同步运动控制同步运动控制应用

6、，特别是伺服运动控制系应用，特别是伺服运动控制系统，实时响应时间要求小于统，实时响应时间要求小于1ms，抖动精度小于，抖动精度小于1s。 通用工业以太网技术足以满足前两者要求，对后者却无能通用工业以太网技术足以满足前两者要求，对后者却无能为力。为力。 实时以太网实时以太网的诞生：的诞生： IEC 61784 含含l1种实时以太网，后大部分进入种实时以太网，后大部分进入IEC 61158 Ed.4哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网实时以太网实时以太网是建立在是建立在IEEE802.3 标准的标准的基础上，通过对其和相关标准的实时基础

7、上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以扩展提高实时性，并且做到与标准以太网完全无缝连接的工业以太网。太网完全无缝连接的工业以太网。IEC/sc65的定义的定义IEC 61784哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网4.2典型实时以太网介绍典型实时以太网介绍 EtherCATEthernet PowerlinkPROFInet/IRTEthernet/IPSERCOS-始创公司始创公司倍福倍福(Beckhoff)贝加莱贝加莱(B&R)西门子西门子(Siemens)罗克韦尔罗克韦尔

8、(Rockwell)力士乐力士乐(Rexroth)管理组织管理组织ETGEPSGPNOODVAIGS原始技术原始技术CANopen/SERCOSCANopenProfibusDeviceNet/ControlNetSERCOS传输距离传输距离100m100m100m100m40m拓扑结构拓扑结构任意任意任意任意任意任意任意任意受限（环形）受限（环形）同步方式同步方式分布时钟分布时钟/ IEEE 1588IEEE 1588IEEE 1588IEEE 1588未知未知抖动抖动1s1s1s1s1s硬件实现硬件实现ASIC/FPGAFPGAASICASICASIC开发难度开发难度简单简单简单简单复杂复

9、杂复杂复杂复杂复杂开放性开放性是是是是需授权需授权需授权需授权需授权需授权哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网4.2典型实时以太网介绍典型实时以太网介绍（1）EtherCAT CAT即即Control Automation Technology首字母缩写首字母缩写 采用实时的采用实时的高速动态帧处理高速动态帧处理（Frame Processing on the Fly）机制）机制 每个从站嵌入每个从站嵌入FMMU（现场总线存储管理单元）（现场总线存储管理单元） 2100 Mbps（全双工）（全双工） 几乎

10、支持所有拓扑类型几乎支持所有拓扑类型 每个周期时间每个周期时间 230s，一般更快。，一般更快。 仅需仅需一个一个或或两个帧两个帧即可完成所有节点全部通信即可完成所有节点全部通信 局部网内部使用精准的、小于局部网内部使用精准的、小于1微秒的、确定性微秒的、确定性同步同步误差时间基误差时间基，外部同步对时采用，外部同步对时采用IEEE1588。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网EtherCAT符合符合IEEE802.3的标准帧的标准帧运行原理：运行原理：EtherCAT从站中的从站中的FMMU在报文经过其节点时读取相应在报文经过其节

11、点时读取相应的编址数据，同时把输入数据插入至报文中，并将报文传至的编址数据，同时把输入数据插入至报文中，并将报文传至下一设备。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。由主下一设备。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。由主站发出的帧经过所有从站，最后返回。通常，每周期仅需要站发出的帧经过所有从站，最后返回。通常，每周期仅需要一两个帧即可完成所有通信。一两个帧即可完成所有通信。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网过程数据在报文中的插入过程数据在报文中的插入哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以

12、太网与实时以太网（2）Ethernet Powerlink（EPL）EPL目前有目前有三个版本三个版本，三个版本，三个版本互不兼容互不兼容，这里的介绍，这里的介绍以版本以版本2为主。为主。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网性能特点：性能特点：基于标准的以太网芯片，不需特别的基于标准的以太网芯片，不需特别的ASICs。底层采用底层采用 IEEE802.3u，快速以太网，快速以太网，100Mbps。实时等级达到实时等级达到IAONA的的4级级最小循环周期最小循环周期 200s支持支持CANopen行规行规单网段最多挂接单网段最多挂接

13、240个实时站点个实时站点网络站点之间精确同步，采用网络站点之间精确同步，采用IEEE1588协议。协议。采用称为采用称为时间槽通信管理机制时间槽通信管理机制(SCNM，Slot Communication Network Management)的实时机制的实时机制MAC的基本访问方式为轮询的基本访问方式为轮询哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网SCNM：一个一个EPL网络，只有一个激活的管理节点，它配置所有网络，只有一个激活的管理节点，它配置所有可用的控制节点。预先计划并组织消息组，一个消息组设为可用的控制节点。预先计划并组织消息

14、组，一个消息组设为一个一个EPL循环，包括开始阶段、同步阶段、异步阶段和空闲循环，包括开始阶段、同步阶段、异步阶段和空闲阶段。每阶段时间由管理节点预先配置，长度可不同。管理阶段。每阶段时间由管理节点预先配置，长度可不同。管理节点随时监控循环时间，一旦冲突发生，自动跳到下一个循节点随时监控循环时间，一旦冲突发生，自动跳到下一个循环开始。同步阶段每节点占有固定时槽，由管理节点轮流访环开始。同步阶段每节点占有固定时槽，由管理节点轮流访问，实现通信确定性。异步阶段发送非实时数据，由管理节问，实现通信确定性。异步阶段发送非实时数据，由管理节点调度。点调度。SCNM保证在同一时间只有一个设备可以占用网络保

15、证在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介，杜绝了冲突发生。媒介，杜绝了冲突发生。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网SCNM理念理念循环时间冲突时管理节点的处理方式循环时间冲突时管理节点的处理方式哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网EPL帧格式帧格式位场位场名称名称含义含义SIDService Identifier标识数据类型。包括下面的标识数据类型。包括下面的Ethernet Powerlink帧：帧：SoC(Start of Cyclic，周期起始，周期起始)EoC(

16、End of Cyclic，周期结束，周期结束)PollReq（轮询请求）（轮询请求）PollRes（轮询响应）（轮询响应）AsyncInviteAsyncSendAsyncAckNackDAD e s t i n a t i o n Address目标地址目标地址SASource Address源地址源地址哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网最初最初，Powerlink宣称宣称：“只使用标准以太网芯片只使用标准以太网芯片”，但通过软件实现的协议栈性能但通过软件实现的协议栈性能并不令人满意。并不令人满意。现常采用现常采用专用专用集成

17、电路集成电路芯片或芯片或FPGA。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网（3）PROFInet由由PROFIBUS国际组织（国际组织（PI）推出，包括）推出，包括3个版本。个版本。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网PROFInet/CbA：基于标准以太网技术和基于标准以太网技术和TCP/IP协议协议响应时间在响应时间在100 ms量级量级PROFInet/RT：通过软件（通过软件（Layer 2）提供实时通信，）提供实时通信，软实时软实时。典型响应时间典型响应时间510m

18、sPROFInet/IRT：通过通过专用控制器芯片专用控制器芯片实现同步，原理实现同步，原理尚未公开尚未公开。已知其使用的是已知其使用的是时间片处理机制时间片处理机制。一个时间片含两部分：。一个时间片含两部分：实实时通道时通道和和TCP/IP通道通道。实时通道包括时钟同步和确定性通信，。实时通道包括时钟同步和确定性通信，用来传输实时用来传输实时I/O数据；数据；TCP/IP通道用来传输非周期的开放性通道用来传输非周期的开放性数据。数据。周期时间：周期时间：250s-4ms，1s抖动误差。抖动误差。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网

19、PROFInet IRT 时间片结构时间片结构哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网（4）Ethernet/IP在标准的在标准的TCP/IP协议之上附加了公共应用层协议协议之上附加了公共应用层协议CIP（Common Industrial Protoco1）对于面向控制的对于面向控制的实时实时I/O数据数据，采用，采用UDPIP协议传协议传送，送，优先级高优先级高。对于对于显式信息显式信息（如组态、参数设置和诊断等），采（如组态、参数设置和诊断等），采用用TCPIP传送，传送，优先级低优先级低。为进一步提高实时性，为进一步提高实时性，

20、ODVA组织又将组织又将IEEE 1588精精确时间同步协议确时间同步协议用于用于Ethernet/IP，制定了，制定了CIP sync标标准。该标准要求准。该标准要求每秒钟每秒钟由主控制器广播一个由主控制器广播一个同步化信同步化信号号到网络上的各个节点，使所有节点的同步精度准确到网络上的各个节点，使所有节点的同步精度准确到到微秒级微秒级。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网CIP协议族模型协议族模型哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网（5）SERCOS-采用以太网帧的采

21、用以太网帧的动态处理动态处理（on the fly），与），与EtherCAT的功能机制类似。的功能机制类似。将将输入输入和和输出输出数据分为数据分为两帧两帧，即一次循环至少有，即一次循环至少有两帧，从站节点在数据帧经过和返回时两次处理数两帧，从站节点在数据帧经过和返回时两次处理数据。据。采用采用刚性构架刚性构架设计，运行时无法改变网络结构。设计，运行时无法改变网络结构。不能处理不能处理位运算位运算映像映像采用专用的采用专用的延时侦测延时侦测和和补偿方式补偿方式来实现来实现同步同步对时对时哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网SERC

22、OS-循环循环The Master Data Telegram (MDT)Acknowledge telegram (AT)Unified Communication (UC) Channel哈工大网络与电气智能化研究所 4.3实时以太网的发展趋势实时以太网的发展趋势出于利益驱动因素，出于利益驱动因素，种类繁多，标准不统一种类繁多，标准不统一，不同，不同厂商设备通信接口的不兼容，影响了产品之间的互厂商设备通信接口的不兼容，影响了产品之间的互换性与互操作性，但总的发展趋势仍是使用更为开换性与互操作性，但总的发展趋势仍是使用更为开放的通信技术。放的通信技术。网络定时技术和网络定时技术和IEEE-1588IEEE-158