工业网络及应用技术 课件 项目4 EthernetIP总线及其应用

项目4EthernetIP总线及其应用目录2.1项目描述2.2知识准备2.3任务1用PLC控制电机运转2.4任务2触摸屏应用2025/7/2313:282.1项目描述项目目标（1） 学习Modbus总线协议（2） 了解系统的基本构成（3） 熟悉SoMachine软件平台（4） 学习两种PLC和ATV变频器Modbus数据通讯数据交互的方式（5） 学习VijeoDesignerBasic触摸屏编程软件的基本操作（6） 学习HMI和PLC通讯原理2025/7/2313:282.1项目描述2.实践环境

硬件设备：

软件环境：SoMachine编程软件、VijeoDesignerBasic触摸屏编程软件实验设备数量备注TM241CEC24T1施耐德PLCATV320U04M2C1ATV320变频器,0.37kW71M2-41变频电机，0.37kWUSBMiniB线1PLC下载程序调试使用TCSESU083FN018口工业交换机，Ethernet/IP总线（RJ45口）HMIRXOHCA30011工控机Ethernet/IP总线（RJ45口）HMIGXU35121GXU触摸屏4.1项目描述4.2知识准备4.3操作任务采用EthernetIP总线实现PLC对变频器的控制思考题项目4项目描述4.1项目描述1.项目目标 1）了解Ethernet/IP以太网协议的特点 2）学习利用Ethernet/IP总线实现PLC对变频器的控制2.实践环境硬件设备软件环境：SoMachine编程软件、VijeoDesignerBasic1.1编程软件实验设备清单及说明实验设备数量备注TM241CEC24T1施耐德PLCATV320U04M2C1ATV320变频器,0.37kWVW3A36161Ethernet/IP通讯卡71M2-41变频电机，0.37kWUSBMiniB线1PLC下载程序调试使用项目准备EtherNet/IP全称EtherNetIndustryProtocol。EtherNet/IP建立在以太网标准UDP/IP与TCP/IP之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个基于CIP的应用层协议。EtherNet/IP于2009年正式成CIP协议的成员，目前由ODVA负责管理和维护，在北美、欧洲、日本和中国EtherNet/IP都有广泛应用，世界上最大的汽车制造商通用汽车公司将EtherNet/IP订为其汽车制造厂的生产标准，施耐德电气等国际化自动化制造商也纷纷推出了基于EtherNet/IP总线的自动化产品。一、以太网通信模型以太网标准实际上只是定义了OSI参考模型中的数据链路层和物理层标准，即网络传输介质及其参数的定义和说明（物理层）和报文帧的形成纠错以及传输速率的调整（数据链路层）等，数据链路层和物理层也经常被合并称为网络接口层。实际应用中OSI模型中的其他协议分层一般由高层协议完成，如由TCP/IP协议实现传输层和网络层，通过高层的HTTP、FTP等协议实现和最终用户的交互，以太网模型与OSI互连参考模型对应关系如图4.1所示。以太网通信模型一、以太网通信模型通常所说的TCP/IP是一组协议的总称，即协议簇，包含100多个互相关联的网络协议，其中IP（InternetProtocol）协议是网络层主要协议，TCP协议和UDP协议是传输层主要协议，一般将IP、TCP和UDP视为三种基本协议，是协议簇里其它协议的基础。TCP(UDP)/IP协议软件包主要是对来自应用层通信输出接口的数据进行TCP(UDP)/IP封装，并将封装后的数据包发送给以太网收发控制器发送到网络上去，或者对来自以太网收发控制器接收的数据进行解包，并将用户数据传送给上层应用层通信服务接口，供应用层进行进一步的处理。TCP/IP通信协议采用了四层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的服务来完成自己的需求。① 应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。② 传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。③ 网络层：负责提供基本的数据封包传送功（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。④ 网络接口层（以太网）：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如以太网、SerialLine等）来传送数据。二、IP、TCP、UDP协议本小节简单介绍TCP/IP协议簇的三种基本协议IP、TCP和UDP，第8章将对这三种基本协议及其所属的网络层、传输层的一些概念和原理进行详细介绍。1. IP协议IP协议中规定了进行通信时应遵守的规则，例如IP数据包的组成、路由器如何将IP数据包送到目的主机等。各种物理网络在链路层所传输的基本单元为MAC帧，物理网络不同，物理地址（MAC地址）不同，MAC帧格式也不同。IP协议的作用就是向传输层提供统一的IP包，即将各种不同格式的MAC帧转换为统一的IP包，并将MAC帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址（IP地址）。这样，这些不同物理网络MAC帧的差异对上层而言就不复存在了。正因为这一转换，才实现了不同类型物理网络的互联。IP协议面向无连接，IP网中的节点路由器根据每个IP包的包头IP地址进行寻址，这样同一个主机发出的属于同一报文的IP包可能会经过不同的路径到达目的主机。IP完成寻址、路由选择和分段组装功能，路由选择是以单个IP数据包为基础的，概括而言是确定某个IP数据包到达目的主机需经过哪些路由器。路由选择可以由源主机决定，也可以由IP数据包所途经的路由器决定。在IP协议中，路由选择依靠路由表进行。在IP网上的主机和路由器中均保存了一张路由表，路由表指明下一个路由器（或目的主机）的IP地址。路由表由目的主机地址和去往目的主机的路径两部分组成。其中，去往目的主机的路径通常是下一个路由器的地址，也可是目的主机的IP地址。IP数据包在实际传送过程中所经过的物理网络帧的最大长度可能不同，当长IP数据包需通过短帧子网时，需对IP数据包进行分段与组装。IP协议实现分段与组装的方法是给每个IP数据包分配一个唯一的标志符，且报头部分还有与分段与组装相关的分段标记和位移。IP数据包在分段时，每一段需包含原有的标志符。为了提高效率、减轻路由器的负担，重新组装工作由目的主机来完成。二、IP、TCP、UDP协议2.TCP协议TCP位于传输层，是一个端对端、面向连接的协议。该协议弥补了IP协议的某些不足，其中比较突出的有两个方面：一是TCP协议能够保证在IP数据包丢失时进行重发，能够删去重复收到的IP数据包，还能保证准确地按原发送端的发送顺序重新组装数据；二是TCP协议能区别属于同一应用报文的一组IP数据包，并能鉴别应用报文的性质。这一功能使得某些具有四层协议功能的高端路由器可以对IP数据包进行流量、优先级、安全管理、负荷分配和复用等智能控制。TCP协议是面向连接的。所谓连接，是指在进行通信之前，通信双方必须建立连接才能进行通信，而在通信结束后终止其连接。相对于面向无连接的IP协议而言，TCP协议具有高可靠性。当目的主机接收到由源主机发来的IP包后，目的主机将向源主机回送一个确认消息，这是依靠目的主机的TCP协议来完成的。TCP协议中有一个重传记时器（RTO），当源主机发送IP包即开始计时。如在超时之前收到确认信号，则计时器回零；如果计时器超时，则说明该IP包已丢失，源主机应进行重传。对于重传记时器，确定合适的计时时长是十分重要的，它由往返时间来决定。TCP协议能够根据不同情况自动调节记时时长。TCP协议所建立的连接是端到端的连接，即源主机与目的主机间的连接。网络中每个转接节点（路由器）对TCP协议段进行透明传输。总之，IP协议不提供差错报告和差错纠正机制，而TCP协议向应用层提供了面向连接的服务，以确保网络上所传送的数据包被完整、正确、可靠地接收。一旦数据有损伤或丢失，则由TCP协议负责重传。二、IP、TCP、UDP协议TCP协议对应用层协议规定了整数标志符，称为端口序号。被规定的端口序号成为保留端口，其值在0~1023内（如端口序号80，用于HTTP）。此外，还有自由端口序号，供用户程序使用，或者用来区分两台主机间相同应用层协议的多个通信，即两台主机间复用多个用户会话连接。进行通信的每台主机的每个用户会话连接都有一个插口序号，它由主机的IP地址和端口序号组成。在Internet中插口序号是唯一的，一对插口序号唯一地标识了一个端口的连接（发端插口序号=源主机IP地址+源端口序号，收端插口序号=目的主机IP地址+目的端口序号）。利用插口序号可在目的主机中区分不同源主机对同一个目的主机相同端口序号的多个用户会话连接。TCP/IP的工作流程为：在源主机上，用户通过启动相应功能开始TCP/IP通信，应用层将一串应用数据流传送给传输层；传输层将应用层的数据流截成分组，并加上TCP报头形成TCP段，送交网络层；在网络层给TCP段加上包括源、目的主机IP地址的IP报头生成一个IP数据包，并将IP数据包送交链路层；链路层在其MAC帧的数据部分装上IP数据包，再加上源、目的主机的MAC地址和帧头，并根据其目的MAC地址，将MAC帧发往目的主机或IP路由器；在目的主机，链路层将MAC帧的帧头去掉，并将IP数据包送交网络层；网络层检查IP报头，如果报头中校验和与计算结果不一致，则丢弃该IP数据包，若校验和与计算结果一致，则去掉IP报头，将TCP段送交传输层；传输层检查顺序号，判断是否是正确的TCP分组，然后检查TCP报头数据。若正确，则向源主机发确认信息，若不正确或丢包，则向源主机要求重发信息；在目的主机，传输层去掉TCP报头，将排好顺序的分组组成应用数据流送给应用程序。这样就完成了一次TCP/IP的通信。三、EtherNet/IP通信模型EtherNet/IP的物理层和数据链路层采用以太网，网络层和传输层采用TCP/IP协议簇，对应会话层、表示层和应用层的是CIP协议，如图所示。EtherNet/IP通信模型四、CIP协议CIP协议即CommonIndustrialProtocol，也称为控制及信息协议，除了EtherNet/IP，还有DeviceNet和ControlNet也在采用CIP来作为应用层协议。CIP协议可以通过一个网络传输多种类型的数据，完成以前需要两个网络才能完成的任务，而且支持多种通信模式和多种I/O数据触发方式，具有良好的实时性、确定性、可重复性和可靠性，特别是可以用基于生产者/消费者模型的方式发送对实时性要求的数据。UDP与TCP位于同一层，UDP是面向非连接的协议，它直接将数据包发送给目标站点，而不建立连接，不保证数据包被发送到目的地，主要用于传输少量信息的场合。UDP协议只是在IP服务上增加了很少的功能，就是端口功能和差错检校的功能。UDP中的报文是一种自带寻址信息的独立的从数据源走到数据目的地的数据包。UDP不保证数据报的传输，也不提供排列次序或重新请求功能。四、CIP协议1. CIP对象模型和报文与第三章介绍的CANopen协议类似，CIP也是面向对象的。CIP用对象模型（ObjectModeling）来描述通信服务、节点外部可见行为、操作和交换信息的一般含义，对象模型相关术语有：① 对象（Object）——产品特定组件的抽象描述。② 类（Class）——描述同一个组件的一组对象。同一个类的对象其类型和行为完全相同，但可以包含不同的属性数据。③ 实例（Instance）——对象的物理存在，即产品特定组件。④ 属性（Attributes）——描述对象外部可见的特征，比如状态信息或者可执行的操作等。⑤ 行为（Behavior）——对象对于不同事件的反应动作，比如接收到服务请求、监测到内部错误时所做出的反应。⑥ 服务（Service）——对象或类可实现的功能。四、CIP协议CIP中的对象大致有两类：与通信有关的对象，如I/O报文、报文路由器对象、标识对象等；与应用有关的对象，如应用对象、参数对象、汇编对象。图4.3描述了CIP对象模型，其中灰色是必需的对象，其余为可选择的对象。表4.1是施耐德M251支持的CIP对象列表。CIP对象模型四、CIP协议CIP报文有显式和隐式两种类型，显式报文用来传输非实时数据，如程序上载与下载、系统维护、故障诊断、设备配置等；隐式报文含义在网络配置时就确定，用来传输实时性数据，如I/O报文等。M251CIP对象列表对象类类ID实例数接口行为影响标识对象011支持复位服务报文路由器对象021显式报文连接汇编对象042定义I/O数据格式连接管理器对象061

TCP/IP接口对象F51TCP/IP配置以太网链接对象F61计数器和状态信息接口诊断对象3501

IO扫描器诊断对象3511

连接诊断对象3521

显式连接诊断对象3531

显式连接诊断清单对象3541

四、CIP协议2.CIP连接CIP是面向连接的协议，即在通信之前必须先建立连接，获得唯一的连接标识符CID（ConnectID），连接也分显式连接和隐式连接两种类型。显式连接的建立过程：若节点A将与节点B建立显式连接，节点A通过广播发送带有B相关信息的连接报文，B节点接收报文并判断是发给自己的，也以广播的方式发送一个包含CID的未连接报文，这样A和B之间的显式连接就建立完毕。隐式连接则是在网络配置时建立的，过程比显式连接要复杂，本书不赘述。CIP支持主从通信模式、多主通信模式、对等通信模式，或者这三种通信模式的任意组合。操作任务采用EthernetIP总线实现PLC对变频器的控制任务要求

TM241作为控制器，采用Ethernet/IP总线协议，控制变频器的正反转运行，并且可以实时改变运行频率。一、系统结构TM241作为控制器，编程实现通过Ethernet/IP总线控制变频器正反转运行，并且可以实时改变运行频率。触摸屏、PLC以及变频器都是走以太网，因此全部挂到交换机上。虽然都是走的以太网物理链路，但是每个设备采用的协议不一样，触摸屏和PLC走ModbusTCP协议，而变频器走的是实时性更高的Ethernet/IP总线协议。整个控制系统结构图如图4.4所示。全部采用超六类标准网线，对于变频器，网线的一端接到变频器Ethernet/IP通讯卡的RJ45口，另一端接到交换机上。变频器的以太网接口如图4.5所示。二、

变频器参数设置使用变频器集成显示终端，对变频器参数进行设置，建议在修改任何参数设置之前先停机，确保人身安全。采用Modbus通讯方式时，变频器参数路径及含义列于表2.10中，根据任务需要，进行相应设置。Ethernet/IP通讯设置参数路径设定值说明COnF---FULL---Con---Cbd---Ethn1选择Ethenet/IP通讯协议COnF---FULL---Con---nd1---iPn0手动分配IP地址COnF---FULL---Con---nd1---iPc0手动分配IP地址COnF---FULL---Con---tFoModbus通讯格式COnF---FULL---Ctl---Fr1Pi通过通讯卡给定频率COnF---FULL---Ctl---CHCFsin组合通道，通过网络启动变频器三、SoMachine编程软件平台的硬件组态因为采用通讯控制变频器的方式只能是选择一种通讯协议，前面项目1的操作任务是采用ModbusRTU协议控制变频器，因此这里只能新建一个程序，不能在之前的程序的基础上编写。1）、新建一个PLC工程，具体操作方法参见2.3.3章节。2）在M241的Ethernet_1中添加工业以太网管理器。在设备树中右键Ethernet_1，添加设备，选择协议管理器中的工业以太网管理器。三、SoMachine编程软件平台的硬件组态3）在工业以太网管理器中添加ATV320变频器。鼠标选中工业以太网管理器，右键添加EtherNet/IPtargets，找到Altivar下面的变频器具体型号Altivar320，双击确认添加变频器，并将该变频器设备重新命名为Belt。三、SoMachine编程软件平台的硬件组态4）双击Ethernet_1，并配置PLC以太网口的IP地址1，以及子网掩码、网关地址，三、SoMachine编程软件平台的硬件组态5）双击工业以太网管理器，进入Scanner菜单，将首选协议选择EtherNet/IP。三、SoMachine编程软件平台的硬件组态6）双击设备Belt，进入目标设置菜单，配置变频器的固定IP地址，即，如图4.11所示，该IP地址是从站变频器的IP地址，如果有多个从站，每个从站必须分别不同的IP地址，但是前3个网段要一样。四、

程序编写1）按照任务4的控制要求，我们需要实现变频器的正反转运行，并且可以实时改变运行频率，因此我们需要建立这些操作的相关变量，如下图4.12，BOOL型变量我们可以在触摸屏制作开关按钮与之关联，实现对动作的操作，DINT型变量可以在触摸屏制作数值显示和设置功能与之关联，实现对PLC程序中的参数的显示和修改。四、

程序编写2）新建一个POU，命名为SR_Belt，在里面编写控制程序。并添加到任务配置的Mast任务里扫描