过程控制技术第9章(2)

1、9.4 工业以太网控制技术工业以太网控制技术9.4.1 工业以太网系统结构工业以太网系统结构 以太网遵从的是 IEEE802.3 局域网标准。按照国际标准化组织（International Standardization Organization, ISO）开放系统互连（Open System Interconnection, OSI）参考模型的七层结构，以太网仅定义了数据链路层和物理层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持，APPARENT 在定义了 TCP/IP 高层通信协议，并将以太网作为其数据链路和物理层的协议之后，以太网便与 TCP/IP 紧紧地捆绑在一起了。后来，国际互联网

2、采用了以太网和TCP/IP 协议。TCP/IP 的简单和实用被越来越多的用户接受。目前，不仅在办公自动化领域，而且在企业的管理网络、监控网络也广泛地使用以太网技术，并向现场设备层网络延伸。 过去一段时间以来，人们认为以太网是不确定的网络，不适合用于工业控制领域。这主要是因为以太网采用载波监听多路访问冲突检测（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect，CSMA/CD）媒体访问控制机制，不能保证网络传输的确定性和实时性，尤其是在网络负载过重时，传输效率低，甚至丢失数据包。但是，随着以太网技术的进步，网络传输速度的提高（10100 Mbit/s

3、），基本上解决了通信不确定和不及时的问题。实际应用表明，在拥有6000 个I/O的典型工业控制系统中，其通信负荷仅占带宽为10MBit/s以太网的 5% 左右，网络碰撞几乎为零，即使有其它信息在网络上传输，如应用程序的下载、设定值的改变等，网络负荷也保持在 10% 以下，当网络通信负荷在 25% 以下时，可以保证通信畅通。宽泛的传输带宽消除了不确定性，保证了传输的实时性。 1. 以太网的帧结构 以太网的帧就是以太网链路上的数据包。以太网帧是变长的，长度从64字节到1518字节（从目标地址到冗余校验），格式如图 9-12 所示。前导码前导码帧开始符帧开始符目标地址目标地址源地址源地址类型类型/

4、/长度长度负载（数据）负载（数据）冗余校验冗余校验7字节1字节6字节6字节2字节461500字节4字节图 9-12 802.3以太网帧结构 前导码（7个10101010）和帧开始符（10101011）用于接收站点进行帧同步。报头包括源地址和目标地址，目的地址为以太网帧发送的目的网卡地址，源地址是发送端地址。类型表示以太网帧封装的消息协议类型，这是IEEE 802.3 标准定义的；长度表示帧的字长，这是 ISO 802.3 定义的。冗余校验用于检验数据传送是否出现损坏。 另外，当一帧发送出去后，发送方在下一次发送帧之前，需要再发送至少 12 字节的空闲线路状态码，称此为帧间距。 2. 以太网的数

5、据传输 以太网采用的是介质访问控制（Media Access Control, MAC）载波侦听多路存取/冲突检测（CSMA/CD）方法，由介质存取控制层实现。CSMA/CD 的工作与人的会话相似，其工作分为数据发送和数据接收阶段。 1）数据发送阶段 a. 发前先听：任何节点通过通信介质发送信息时，首先应侦听介质上是否有载波（由电压指示）。如果有，则认为其它站点正在传送信息，不发送该帧。 b. 无波就发：如果通信介质在一定时间段内（帧间缝隙 IFG ，Inter Frame Gap）无载波，即没被其它站点占用，则可进行数据帧发送。9.6m c. 等到有空就发：如果其它节点正在传递信息，就一直侦

6、听介质，直到出现 IFG , 立即发送数据。9.6m d. 边发边听：当两个站点在 IFG 到来后，同时发送数据时，就会发生冲突，双方的数据帧均会受损。所以，以太网在发送过程中应不断侦听通信介质，以检测有无冲突。 e. 冲突则等待：如果某站点发送数据时检测到冲突，则立即停止该次发送，并向介质发送“阻塞”信号，告诉其它站点有冲突发生，并丢弃那个正在接收的、受到损坏的数据帧，接下来等待一段随机时间。CSMA/CD 确定等待时间的算法是二进制指数退避算法。 f. 多路重传或夭折：在等待一段时间后（成为后退），欲发送的站点再次发送数据，即重传，如果重传次数大于 16 次，仍发生冲突，则放弃发送（称为夭

7、折）。 g. 重复前面步骤 a。 2）数据接收阶段 a. 长度校验：接收点检查收到的每个帧，通过对其长度的判别，确定它是否为冲突碎片。如果长度小于 64B，则是碎片。 b. 目的地址校验：如果接收到的不是冲突碎片，则进一步判断该帧地址是本地址，是，则进入步骤 c，否则，返回步骤 a。 c. 完整性检验：对下列指标进行校验，判断是否发生畸变： 长度：如果帧长度大于 1518B（超长帧，可能由错误的 LAN 驱动程序造成），则认为发生畸变。 定界符：定界符必须是 8 为的整数倍。 冗余校验。 d. 进一步处理：通过上述校验的帧，被确认是有效的，接收数据，进行本地处理。 3. Ethernet/IP

8、 协议 在前面叙述 ControlNet 现场总线时，我们曾提过 Ethernet/IP 协议，这里进一步来谈谈。Ethernet/IP 是由 ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）和 ControlNet International 提出的，与 ControlNet 和 DeviceNet 一样，它们都是基于控制与信息协议（CIP）的网络。这是一种面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时 I/O 信息和显式报文信息（如组态、参数设置、诊断等）的有效传输。 Ethernet/IP 采用标准的 Ethernet 和 TCP/IP 技术来传送 CIP 通信

9、包。通用且开放的应用协议CIP，加上已经被广泛使用的 Ethernet 和 TCP/IP 协议，构成了 Ethernet/IP 协议的体系结构，协议各层结构如图 9-13 所示。图 9-13 Ethernet/IP 体系结构 从图中可看出，物理层和数据链路层采用了 Ethernet 技术，传输层和网络层采用了 TCP（UDP）/IP 技术，低层采用了应用层 CIP 协议规范。 1）采用 Ethernet 和 TCP/IP技术 由于 Ethernet/IP 采用了 Ethernet 和 TCP/IP 技术，控制网络能集成到 Internet/Intranet 上，适应全球化的 Internet

10、需要。因为以太网是世界上使用最多的网络，它具有成本低、速度快、有众多支持协议，如 DECnel、NovellIPX、MAP 和 TCP/IP 等。其中，TCP/IP 受到极大重视，并且是Internet的协议。正是将 TCP/IP 协议与 Ethernet 协议结合起来，以太网才适合用于工业控制网络。 利用 TCP（UDP）/IP 传送隐性的 I/O 数据和显性的报文数据。TCP 是一个面向连接的、为点对点提供可靠通信的协议，用它对实时性要求不高的显性信息，如组态、参数设置和诊断等，提供传输是可行的。而对实时性要求较高的 I/O 信息，采用 UDP 协议传送比较合适。因为UDP 是一个无连接的

11、协议，它仅提供设备间发送数据的能力，可工作在单播和广播方式，正是利用它的广播方式，实现数据的快速传递。 Ethernet/IP 采用了生产者/消费者通信模式，而不是传统的源/目的通信模式，来交换对时间要求苛刻的数据。源/目的通信模式下，源端每次只能与一个目的地址通信，如果目的端较多，传输数据的时间难以保证实时性。而在生产者/消费者通信模式下，采用广播的方式，允许网络上所有节点，同时从一个数据源获取同一数据。每个数据源只需一次性地将数据传输到网上，其它节点根据预先的约定，有选择地接收数据。这样避免了带宽浪费，提高了系统的通信效率，同时也能较好地支持其它显性信息的传输。该功能由 CIP 网络、传输

12、层和 IP 多点传送技术来完成。 2）CIP 技术规范 TCP/IP 可使应用层的信息在两个节点之间传输，但是它不能保证网络上这两个节点能有效地通信。有效通信需要网络上的双方使用相同的语言，彼此可理解、应答的软件。具体说，接收方应能识别并理解对方信息的属性和服务需求等内容。只有这样，信息的传输才有意义，通过网络的活动才能发生。在 Ethernet/IP 网络上，CIP 就是这样一种协议，它可以使不同供应商的产品能够彼此交互。 CIP 独立于物理层和数据链路层之上，是一个端到端的、面向对象的、可提供工业设备与计算机设备之间连接的协议。它由对象模型、通用对象库、设备行规、电子数据表和信息管理等组成

13、，其目的有两个：一是传输与 I/O 设备相联系的面向控制的数据，二是传输与控制系统相关的其他信息，如系统组态、系统参数、故障诊断等。 CIP 对象模型使用抽象模型概念描述可供使用的一系列通信服务、节点的外部特征、CIP产品获得和交换信息的通用方法。CIP 使用面向对象的结构，使得开发者和最终用户使用简单的、具有广泛网络接口的网络设备，具体的网络地址和内部设备数据结构对用户透明。 CIP 簇包括一些通用定义的对象，它们可分为三类：通用对象、应用对象和网络特定对象。除网络特定对象外，其他对象均可被 Ethernet/IP、ControlNet 和 DeviceNet 使用。这些对象在结构上分为类（

14、Classes）、示例（Instances）和属性（Attributes）。CIP 对象在寻址时采用的方法有：媒体访问标识（MAC ID）、类标识（Class ID）、示例标识（Instance ID）、属性标识（Attribute ID）和服务代码（Service Code）等。 CIP 设备行规为设备提供了一致性规范，从而使设计具有一致性的设备更容易。一般而言，功能相似的产品可能具有完全不同的结构、表现出完全不同的特点，而 CIP 设备行规提供了给予对象结构和属性的详细描述，可解决这些不同的问题。它对常用的设备类型提供较为详细的设计方案，每种设备均由某些对象和与特定设备相关的可选属性组成。

15、属于同一设备模型的所有设备，必须支持共同的标识和通信状态数据。设备描述是针对设备定义的，包括设备的各种特定数据。符合设备类型描述的多个供货上提供的简单设备，如按钮、电动机起动器、气动执行器等，在逻辑上是可互换的。 图 9-14 是一个支持 CIP的Ethernet/IP 设备的对象模型，每个工业设备都由对象库中一部分对象组成，有些是必须实现的，有些是可选择的。每个设备应包括的对象至少有一个对象、一个实体对象、一个与网络连接相关的对象和一个信息路由对象。Ethernet/IP 中与网络连接相关的对象为 TCP/IP 对象和 Ethernet 连接对象。TCP/IP 对象包括 TCPIP 使用协议

16、的信息，Ethernet连接对象包括 Ethernet/IP 通信连接的通信参数信息。除此之外，还可根据实际应用，选择添加其它对象。 电子数据表提供了一种为设备进行标准配置的方法，它可保存设备的配置数据。采用简单的电子数据表格（Electronic Data Sheet, EDS）格式，开发商可以将产品的特殊信息提供给供货商。 Ethernet/IP 使用 TCP（UDP）/IP 来封装网络信息，包括显性信息和隐性信息连接等。显性报文适用于两个设备间多用途的点对点报文传递，为典型的请求/响应网络通信方式，通常用于节点的配置、故障诊断等。显性报文使用优先级低的连接 ID，报文包括要执行的服务和相

17、关对象的属性和地址。隐性报文适用于对实时性要求高和面向控制的数据，如 I/O 数据。隐性信息连接为一个生产应用与一个或多个消费应用之间提供适当的专用通信路径。I/O 报文通常使用优先级高的连接 ID,通过一点或多点连接进行报文交换。报文的格式和内容前面已经介绍过.图 9-14 Ethernet/IP 对象模型 3）CIP 封装 CIP 是独立于物理层、数据链路层、网络层和传输层的协议，在发送 CIP 数据包之前，应对其进行封装，即将 CIP 报文封装到 TCP（UDP）帧中。Ethernet/IP 规范了为 CIP 提供承载服务，在应用层的底层提供了CIP信息的封装服务。CIP通过隐性和显性信

18、息提供用于存取和控制设备的服务。CIP 数据包有一个专用的以太网首部、IP 首部、TCP 首部和封装首部。封装首部的字段含有控制命令、格式、状态信息和同步数据等，这允许 CIP 数据通过 TCP 或 UDP 传送，并确在保接收方进行解码。 从上述介绍可知，采用 Ethernet、TCP/IP 技术和 CIP 规范的 Ethernet/IP 具有以下优点：一是解决了设备间的一致性问题，工业控制网络中的设备通信、交互已经不是传统意义上的数据传输，而更多的是面向对象和开放的网络应用，需要解决互操作的难题：设备间互相通信，可理解信息的准确含义，以及来自不同生产商的同类产品在逻辑上可互换；二是 Ethe

19、rnet/IP 组成的控制网可以比较容易地集成到Internet/Intranet上，通过 Internet 来管理整个企业网；三是Ethernet/IP 与 ControlNet、DeviceNet 一样，采用了相同的应用层，具有共享的对象库和设备规范，因而得到广泛的技术和产品服务支持。 9.4.2 工业以太网的关键技术工业以太网的关键技术 尽管以太网有许多优点，但是，将原本是用于商务的它，用于工业控制领域，客观上的确存在一些问题或缺陷。对于这些问题和缺陷，通过研究人员和工程技术人员的共同努力，问题正在逐步加以解决，缺陷正被弥补。尤其是一些关键技术，正被突破，形势正朝好的方向发展。这些关键技

20、术主要有：网络通信的确定性和实时性、系统的稳定性、互操行、网络安全与防范等。 1. 网络通信的确定性和实时性 传统以太网采用载波监听多路访问冲突检测（CSMA/CD）媒体访问控制机制，当网络负载较重时，容易产生传输延时，甚至数据包丢失现象，网络传输的确定性和实时性难以保证，这意味着通过网络构成的控制系统的性能和稳定没有保障。 随着网络技术的进步，以太网传输数据的速度逐步提升，网络传输信息的效率进一步提高，在网络负载量一定的前提下，网络时延、数据包丢失和线路阻塞等不良现象发生的概率会越来越小，从而网络通信的确定性和实时性进一步得到加强。以下几条措施，可在一定程度上提升通信的确定性和实时性： 一是

21、采用星形连接代替总线型连接。具体是用网桥或路由器将网络分割成多个网段，在每个网段上以一个多口集线器为中心，将多个设备或节点连接起来，挂在同一网段上的设备形成一个冲突域，每个冲突域采用 CSMA/CD 机制来管理网络冲突。这种分段与集线的方法可减小每个冲突域负荷和碰撞几率。 二是用智能交换设备代替共享式集线器，使交换设备各端口之间可形成多个数据通道，避免广播风暴，降低网络信息流量。端口之间信息报文的输入输出不受 CSMA/CD 介质访问控制协议约束。每个端口就是一个冲突域，各冲突域可通过智能交换设备隔离。 三是采用全双工通信技术，使设备端口间两对双绞线或两根光纤可同时接收和发送报文，不受 CSM

22、A/CD 约束。于是节点间传输数据发生碰撞的可能很小。 2. 系统可靠性技术 由于网络控制系统通常分布在工况差、环境恶劣的场合，如高温、高湿、振动、粉尘或电磁干扰等，整个网络设备及其连线都应安全可靠，确保稳定运行。其性能与指标应高于商务以太网系统。 对于一些关键性的机器或设备，应采用冗余结构，一旦出现故障，可立即启用。也就是网络控制系统中的可恢复性，它是指当以太网中任意设备或网段发生故障，影响正常工作时，系统依靠事先设计的自动恢复程序，启动备用程序或设备，同时将故障进行隔离，并通过声或光报警，避免任一局部故障影响整个系统的正常运行，并迫使生产停止。 3. 系统互操作性技术 OPC (Objec

23、t Linking and Embedding（OLE）for Process Control) 互操作是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间，通过统一的应用层协议进行通信和互用，功能和性能类似的设备可互换。作为系统开放的特点之一，互操作向用户承诺了来自不同制造商的设备可互相通信，并且在多厂商产品集成环境中共同工作。互操作一方面为用户提供了更多的市场选择机会，另一方面可提高构成系统的质量和性能。互操作性是决定某通信技术能否被广大自动化设备制造商和用户接受、并进行大面积推广应用的关键。OPC 基金会的 OPC接口标准已经得到众多生产商的一致支持，应用该标准和技术将极大地提高工业以太网的互操作性。

24、 OPC 是建立在微软的OLE（即现在的ActiveX）、COM（Component Object Model，组件对象模型）和 DCOM（Distributed Component Object Model，分布式组件对象模型）技术基础上，用于过程控制和制造自动化中应用软件开发的一组包括接口、方法和属性的标准。OLE/COM 提供了一种软件架构，其基础是可复用的二进制的软件组件，一个完整的应用软件可用这些组件适当地组合而成，它们之间可以相互通信，并共享数据。在此基础上，OPC 为工业自动化系统中的各种不同现场器件或设备之间的通信提供了一个公共接口，即为不同的应用之间交换数据提供了一种标准机制

25、。作为中心数据源的 OPC 服务器负责向各客户应用，如人机接口（Human Machine Interface, HMI）、数据采集和监控系统（(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)、先进控制等，提供生产过程现场的数据。这些数据来自 PLC、现场仪表、监控设备以及其他工业自动化设备。采用 OPC 技术的软件结构如图 9-15 所示。 图 9-15 OPC 的软件结构 OPC形成的环境可使硬件供应商和软件供应商之间有明确的分工，并使他们各精其业。软件开发商可集中精力提高软件的性能和增加新的功能，而不必花费资源去开发大量支持各种硬件的驱动

26、程序；硬件制造商则有积极性去开发自己产品的 OPC 服务器；用户则可获得结构模块化的、可复用的产品（即专业厂商提供的、由各特定领域专家用 C 或 C 编写的软件组件），并利用 VB 或其它语言将这些组件装配起来，就可满足自己需要的应用软件，而不必关心从某具体点硬件获取数据的技术细节。 工业以太网仅规范了网络模型的 14 层，现在在应用层还存在多种不同的协议，如 FF 的HSE、PNO 的 ProfiNet、Rockwell 的 Ethernet/IP 等。不论采用何种应用层协议，基于工业以太网的控制系统均可实现从现场仪表到企业管理级的透明集成，并直接接入互联网。但是这些应用层协议之间不能通信和

27、交换数据。 4. 网络安全技术 由于工业以太网从设备层向控制层、信息层的递进，以及与企业网和 Internet 联通，使得数据共享、生产监控和事务管理变得越来越便捷和高效。同时，也产生了网络安全的问题，具体包括技术层面和信息层面，涉及网络管理和使用权限、敏感数据的保密和防止外界网络黑客对系统的恶意攻击等一系列问题。如何解决好这类问题，是工业以太网成功应用于生产现场的一项重要内容。 常用的措施是网络隔离。采用具有数据包过滤功能的交换机将内部控制网络与外部网络分隔开来，交换机除了实现正常的以太网交换功能以外，可作为控制网络与外界网络的唯一关卡，对网络中传输的数据包实施有选择通过，即包过滤技术。具体

28、说，交换机依据系统内部实现设定的过滤条件，检查数据流中每个数据包的部分内容，根据数据包的源地址和目的地址使用的 TCP 端口，与 TCP 链路状态等条件，判定是否准许该数据包通过。只有符合包过滤逻辑要求的，才能访问内部控制网络。 除此以外，还可通过引入防火墙机制，实现对内部控制网络的访问进行限制，禁止非授权用户对网络的访问，杜绝外部用户可能给控制网络带来不良影响和风险。 5. 总线供电技术 总线供电也叫总线馈电，它是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，而且还给现场设备提供工作电源，起到一线两用的作用。总线供电不仅减少网络线缆铺设，减少系统成本，使网络和系统便于维护，而且在恶劣和危险的现场，

29、总线供电具有重要的现实意义。从前的商务以太网仅用于计算机和网络通信，工作站和网络设备已经（或者容易）具备工作电源，不存在总线供电的要求。所以，工业以太网需要一种合适的总线供电方法。 目前对现场工业以太网的总线供电方法主要有两种：一是在以太网标准的基础上，修改物理层技术规范，将以太网的曼彻斯特（Manchester）信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离出来。注意修改后的以太网应在物理层上与传统以太网兼容；二是不改变目前以太网物理层结构，而是通过连接电缆中的空闲线缆，为现场设备提供工作电源。但必须注意电源信号电缆与数据电缆之间的电磁干扰的问题。 第一种方法虽然与传统的

30、现场总线采用的总线供电方法一致，一线两用，节省布线，但是，它与传统以太网在物理介质上传输的信号，在形式上不一致。所以，基于这种修改后的以太网设备与传统的以太网设备不能直接互连，而必须增加额外的转接设备，才能实现与传统以太网设备（如计算机以太网卡）的连接通信。 几年前推出的 IEEE802.3af 标准对 Power Over LAN 总线供电进行了规范，现在国外已有这类专用设备出现在市场上，预计它将成为未来工业以太网总线供电的统一标准。 6. 本质安全与安全防爆技术 对于在工业生产过程中防火防爆的问题，我们在前面章节中已经讨论过，这里是针对工业以太网用于危险场所的防护措施。具体说，对于工作在生

31、产现场的装置和通信设备，应该采取怎样的防火防爆技术措施，以保证生产现场的生命和财产安全。 现场设备的防火防爆技术包括两类：一是隔爆型，如增安、气密和浇封等，二是本质安全型。与隔爆型技术相比，本质安全型技术采用抑制点火源能量作为主要手段，它具有结构简单、体积小，成本低的特点，可在系统工作状态下进行维护，因而被广泛采用；采用隔爆型的防火防爆措施比较严密，由设备本身故障，如短路、火线意外触地等引发的电火花，不会外泄，安全有保障，但是隔爆成本比本质安全型高。 在生产线现场，工业以太网控制系统主要有以太网交换机、传输介质、变送器、执行器和过程现场设备。通过以太网传输的电流信号有 60-70mA，工作电压

32、为 5V，功耗不算小。图9-16为工业以太网现场安全防爆措施，生产过程与工业以太网智能节点之间安装有信号隔离栅，过程设备设有本质安全措施。9.4.3 几种典型工业以太网几种典型工业以太网 从集散控制系统到现场控制总线系统，主要生产网络控制系统厂家的产品，各具特色、不可替代。虽然一些专业组织和团体，发布了不少行业和国际标准，但各大公司考虑到自身的利益和技术的特殊性，使得产品之间兼容和互换问题一直没有很好解决，并使这类问题在工业以太网这个目前重要控制形式上得到了延续。图 9-16 工业以太网现场安全防爆措施 工业以太网来源于商务以太网，但工业数据通信网络与信息网络不同，工业数据通信不仅要解决线路的

33、互连，更要解决信号的互通，也就是网络上不同设备之间能够互相识别、互相理解和互相操作。具体说，信号互通是，网络上需互相通信的设备采用的通信介质、信号类型、信号大小，以及链路层协议等符合同一标准，并连接到同一网络上，实现彼此间的交流与互操作。互操作意味着通信与互用，功能与性能类似的设备可互换。这是工业数据通信网络区别于一般信息技术网络的重要标志。 对应于 ISO/OSI 开放系统互连模型，ISO/IEC 802.3 仅规定了以太网的物理层、数据链路层规范，而作为以太网事实上的标准 TCP/IP 协议，也只规定了网络层与传输层规范。其中网络层规定了基于 IP 的网络连接、维持和解除，即规定了基于IP

34、的路由选择；而 TCP（包括 UDP）协议则规定了开放系统之间的数据传送控制、收发确认、差错控制等。显然，仅仅采用以太网加 TCP/IP 协议是无法解决开放系统之间的信息互通问题。要解决基于以太网的工业现场设备之间的互操作性问题，需要在以太网、TCP（UDP）/IP 协议的基础上，制定统一且适用于工业现场控制的应用层服务和协议。至于 ISO/OSI 通信模型中的会话层、表示层等中间层次，为降低设备通信处理负荷，可以省去，改在应用层直接定义与 TCP/IP 协议的接口。 随着工业以太网技术的推广与应用，工业以太网协议规范作为行业标准引起业内人士的关注。世界上各大自动化公司为了保护自己的投资利益和

35、扩大产品的应用范围，纷纷提出了自己的工业以太网控制技术方案，下面是其中几种典型代表。 1. EthernetIP 工业以太网 2000 年 3 月，ControlNet 国际（ControlNet International）、工业以太网协会（The Industrial Ethernet Association）和开放的 DeviceNet 供应商协会（Open DeviceNet Vendor Association, ODVA）联合发表了 Ethernet/IP，并试图将这个基于 Ethernet 的应用层协议作为工业自动化标准。 以太网工业协议（Ethernet/IP）是一种开放的工业

36、网络标准，支持显性和隐性的报文，使用商务以太网芯片和物理媒体。该网络使用有源星形拓扑结构，如图 9-17 所示，设备点对点地连接到交换机。图中 PLC 为可编程控制器，SLC 为单线路控制器。星形结构支持10Mbit/s 和 100 Mbit/s 的产品，可让两者混合使用，该型拓扑具有接线简单、排查故障容易和维护简单等特点。 图 9-17 Ethernet/IP 星形拓扑结构 Ethernet/IP 使用了以下成熟技术：（1）IEEE 802.3 物理和数据链路协议；（2）Ethernet TCP/IP 协议组；（3）控制与信息协议（CIP），它提供 I/O 报文和信息，以及对等层通信报文。E

37、thernet/IP的闪亮之处是在 TCP/UDP/IP 之上附加了 CIP，提供了一个公共应用层，如图 9-18 所示。CIP 的控制部分用于实时 I/O 报文和隐性报文，信息部分用于报文交换，即显性报文。ControlNet、DeviceNet 和 Ethernet/IP 都使用该协议通信，三层网络分享相同的对象库、对象和行规（Device Profile），多个供应商的装置能在三层网络中实现即插即用。Ethernet/IP能够处理每包多达 1500 字节的大批量数据，也能管理大批数据。Ethernet 技术目前正在快速发展，成本也在下降，Ethernet/IP 有望获得越来越广泛的应用。

38、 图 9-18 Ethernet/IP 通信协议模型 2. Modbus-IDA 工业以太网 由德国Phoenix Contact公司和法国 Schneider 电气公司等多家公司于2000 年 3 月联合成立的IDA（Interface for Distributed Automation）组织，提出了一套基于 Ethernet、TCP/IP 的用于分布式自动化的接口标准，利用该标准，可以建立基于 Ethernet 和 Web 的分布式智能控制系统。该组织在开发工业以太网方面做了大量开创性工作，定义了一些新概念，提出了一些方法：用于 节点间实时管理通信的对象结构；为了实现不同生产商的工具和设

39、备之间的对象交换，借用基于 XML（eXtensible Markup Language）的对象描述和交换机制；通过定义一个安全层，增强网络的安全性；为了同步设备的时钟，定义了高精度的同步方法；定义了设备描述、IP 寻址和设备映像等方法，简化设备的安装和替换程序，实现真正意义上的即插即用。 Modbus 协议原为美国 Modicon 公司于上世纪 70 年代发表的用于 PLC 产品的通信协议。由于功能完善，实现容易，适用于工业用户需要的通信类别，因而得到了广泛应用，并成为工业通信事实上的标准。早期的 Modbus 协议建立在TIA/EIA（Telecommunications Industri

40、es Association/Electronic Industries Association）标准 RS-232F 和 RS-485A 串行链路的基础上。近年来，随着 Modbus 协议不断发展，Web Server、Ethernet 和 TCP/IP 等技术被引入应用协议。2002 年 5 月以法国Schneider公司为首的MODBUS组织（Modbus Organization）发布了 Modbus TCPIP 规范，它是建立在 IETF（Internet Engineering Task Force）标准 RFC793 和 RFC791 基础上，Modbus TCP/IP 通信体系

41、结构如图 9-19 所示。 由图可知，Modbus 报文服务在 Ethernet TCP/IP 网络上的设备之间，提供客户机/服务器（Client/Server）通信。该通信模式建立在四种类型报文基础上，具体是：Modbus 请求、Modbus 证实、Modbus 指示和 Modbus 响应。Modbus 报文服务于网络上设备之间实时信息交换。 Modbus TCP/IP 用简单的方式，将Modbus帧嵌入 TCP 帧，面向连接传送，需要响应（ UDP 不需要响应），其差错检验在应用层完成。该请求响应模式很适合 Modbus 的主站/从站特性，交换式 Ethernet 为用户提供确定性服务。在

42、 TCP 帧中采用开放的 Modbus 可提供一种系统规模可伸缩的方案，有10100个网络节点，无需采用多目的传送（Multicast）技术。 图 9-19 Modbus TCP/IP 通信结构 基于 Ethernet TCP/IP 和 Web 互联网技术的分布式智能自动化系统结构框图见图 9-20 所示。其中，DIO 为分布式 I/O（Distributed I/O），RIO 为远程 I/O（Remote I/O），ASI 为执行器传感器接口（Actuator-Sensor Interface），BG 为网关设备，vvvf 为变频调速（Variable Velocity Variable F

43、requency），ERP 为企业资源计划（Enterprise Resource Planning），MRP 为材料需求计划（Material Requirements Planning），HMI 为人机接口（Human Machine Interface），Intranet 为企业内部网，Internet 为互联网。 图 9-20 Modbus-IDA 工业以太网系统结构 该系统为总线型分级分布式结构（也可采用其它形结构，如环形）。管理级采用以太网TCP/IP 标准，有商务以太网集线器、交换机和收发器等组成，可以完成各种管理任务；控制级包括 PLC、分布式 I/O、电动机速度控制器和网关等

44、；现场级采用基于 Modbus 协议或 Ethernet协议的各类设备和 I/O 器件。嵌入式Web服务器是系统核心单元之一，使用标准的Internet浏览器可以读取设备的各种信息、修改设备的配置和查看历史记录，也可以完成设备的故障诊断。 Modbus-IDA 通信协议模型如图 9-21 所示，该模型建立在面向对象的基础上，其对象可通过应用程序接口（Application Program Interface, API）被应用层调用。通信协议同时提供实时服务和非实时服务，其中非实时通信基于 TCP/IP 协议，并充分利用 IT 成熟技术，如基于网页的诊断和配置（Hyper Text Transp

45、ort Protocol, HTTP）、文件传输（File Transfer Protocol, FTP）、网络管理（Simple Network Management Protocol, SNMP）、地址管理（Bootstrapping Protocol/Dynamic Host Configuration Protocol, BOOTP/DHCP）和邮件通知（Simple Message Transfer Protocol, SMTP）等；实时通信服务建立在RTPS（Real-Time Publish-Subscribe）和Modbus 协议之上。RTPS 协议及其应用程序接口由一个对各种

46、设备都一致的中间件来实现，它采用美国 RTI（Real-Time Innovations Inc）公司的 NDDS 3.0（Network Data Delivery Service）实时通信系统，并构建在 UDP 协议上。而 Modbus 协议建立在 TCP 协议之上。 图 9-21 Modbus-IDA 通信协议 3. FF HSE工业以太网 美国 Fieldbus Foundation（FF）于 1998 年采用高速以太网（High Speed Ethernet, HSE）技术开发 H2 现场总线，将 HSE 作为现场总线控制系统控制层以上通信网的主干网，控制层及以下仍使用 H1 现场总

47、线，从而构成了信息集成、控制分散的开放体系结构，系统结构如图 9-22 所示。 图 9-22 HSE 主干网结构 从图中可知，现场层网络 H1 以 31.25 Kbit/s 速度工作，支撑过程控制应用。HSE 遵循标准以太网规范，并根据过程控制实际需要增加了一些功能，其功能可在 Ethernet 结构内无缝地进行操作与控制。所以，FF HSE 可使用当前的商务以太设备。速率为 100Mbit/s 的以太网拓扑采用交换机构成星形连接，并且交换机具有防火墙功能，可阻止敏感信息进出网络。 HSE 遵循 IEEE 802.3 标准，使用标准的 Ethernet 通信媒体。如果使用双绞线，设备与交换机之

48、间的距离为 100 m，如果使用全双工光纤，则距离为 2000 m。HSE 使用连接装置（Linking Device, LD）与子系统 H1 连接。LD 履行网桥功能，容许连接在 H1 链路上的各现场设备完成点对点通信。HSE 采用冗余的交换机和连接装置，可以确保系统的安全与可靠。HSE 支持冗余通信，一旦某链路断开，系统立即启动后备线路，数据流继续传输。 FF 规范了 21 种功能模块供基本的和先进的过程控制使用，并且还规定了柔性功能模块（Flexible Functional Module, FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用。FFB 支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、

49、多路数据采集，并可用作与 PLC 和其它协议通信的网间连接器。 FF HSE的通信系统模块结构如图 9-23 所示。 应用层的现场设备访问代理（Field Device Access Agent, FDAA）是 HSE 通信栈的主体，它的用户实体包括系统管理内核（System Management Kernel, SMK）、虚拟现场设备（Virtual Field Device, VFD）、局域网冗余实体（LAN Redundancy Entity, LRE）等，统称为 HSE 应用进程，它们利用通信栈提供的服务，与对等实体通信，并构成了通信栈的用户层。 （1）网络管理代理（Network M

50、anagement Agent, NMA）的功能是管理网络虚拟通信关系，它支持配置管理、执行管理和出错管理，还要管理HSE的具体 SMIB（System Management Information Base）和 NMIB（Network Management Information Base）对象，以及使用这些对象与 SMK 和 HSE 层管理实体进行互操作。图 9-23 HSE 通信模块结构 （2）VFD 是用来描述一个自动化系统在它的通信伙伴眼里的数据和行为的抽象模型，每个设备都可通过一个或多个 VFD 来展示其在网络交互中可能需要的数据，VFD 可为功能块应用进程（Function Block Application Process, FBA