工業以太網Ethernet/IP協議淺析

李 萍 (蘭州石化職業技術學院信息處理與控制工程系,甘肅蘭州730060)

隨著工業自動化控制系統向著網絡化方向逐步發展,對網絡數據信息傳輸速率提出了更高的要求。但是,現有的網絡結構相對很分散,把整個控制系統細分成了一個個獨立的部分,因而難以實現系統功能。另外,迫切需要一個統一的網絡標準,來滿足用戶對驅動器和用戶接口的需求[1]。迄今為止,在各種網絡數據傳輸技術中,工業以太網技術是較為理想的,因為其具有很多優點,如穩定性可靠、通信速率非常高、有豐富的軟硬件產品和支持技術成熟等,因此,提高網絡數據信息傳輸速率的思路如下,即在TCP/IP以太網標準網絡的基礎上,進一步延伸至工業實時控制系統,將其與通用工業協議——CIP(Con trol and Information Protoco1)相結合,從而獲得更開放、更集成的工業自動化和信息化傳輸協議,即標準工業以太網Ethernet/IP通信協議[2]。為此,筆者將其加以介紹。

1 Ethernet/IP協議模型

Ethernet/IP和Devicenet及Controlnet一樣,都是基于CIP協議的。Ethernet/IP獨到之處是在TCP/UDP/IP上附加了CIP,而CIP能夠作為Ethernet/IP、Controlnet和Devicenet三者共同享有的應用層[3]。其通信協議模型如圖1所示。

圖1 Ethernet/IP通信協議模型

Ethernet/IP工業以太網有著Devicenet現場總線和Contro lnet現場總線都不具備的特點,即其不僅采用了OSI模型中的物理層、數據鏈路層和應用層,還涉及網絡層和傳輸層,并采用了TCP/IP協議。而 Devicenet現場總線和Controlnet現場總線只對物理層、數據鏈路層和應用層進行了定義。Ethernet/IP通信協議模型在應用層的基礎上新增加了用戶層,并對工業控制中的功能塊進行了標準化操作,事先對其輸入、輸出、算法和參數等進行規定,并組成為能夠在現場設備中實現執行功能的應用進程,目的是為了實現不同類型制造商的設備進行混合組態。CIP通用工業協議是Ethernet/IP、Devicenet和Controlnet 3種網絡的交叉點,從而使3種網絡之間實現共享,并借由工業路由器連接起來。

2 Ethernet/IP協議通信原理

CIP控制和信息協議是Ethernet/IP的特色,該協議既提供實時的I/O通信功能,又實現數據信息的對等傳輸功能,其控制模塊利用隱形報文來實現實時的I/O通信功能,信息模塊則利用顯性報文實現非實時狀態的信息交換功能。CIP協議的一個非常重要的特點是介質的無關性,即實施CIP應用層協議時與底層介質無關,這使得人們能夠在控制系統和I/O設備上隨意實施這一開放協議。與源/目的通信模式有很大不同,Ethernet/IP協議采用的是生產/消費的模式,即允許網絡上的節點存取數據時可以同時存取來自同一個源的數據。在新的生產/消費的模式中,數據會被附加上一個屬于自身的唯一標識,數據源將把數據一次性發送到網絡,節點可以選擇性地對這些數據進行讀取,這樣大大提高了數據的傳輸效率。

3 Ethernet/IP協議的特點

EtherNet/IP協議的優點主要包括如下幾點:①系統的兼容性和互操作性良好,而且共享資源的能力很強,能夠方便的實現控制現場數據與信息系統的資源共享。②能夠保證傳輸距離長的數據的傳輸速率。③與Internet連接方便,成本低,十分便于實現與計算機和服務器接口連接,并且有廣泛的技術支持。

EtherNet/IP協議也有缺陷,主要包括如下幾點:①實時性不夠。工業以太網采用的CSMA/CD協議并不支持優先級,導致了Ethernet/IP的實時性較差。②報文的利用率偏低。報文頭部一般都比較大,而載荷數據又相對很少,與一些現場總線協議比較,其報文利用率偏低。③環境適應的實時性差。總線上無電源的情況不僅增加了電源購買和布置的費用,而且與工業以太網與現場總線相比,其更易受到細微電磁波的干擾。

4 結 語

工業以太網作為控制系統網絡發展的一個重要方向,在工業自動化控制網絡方面起著非常重要的作用,而Ethernet/IP作為工業以太網中的一個優良方案,其重要性能將隨著以太網技術 (如高速傳輸技術和信息安全技術等)的不斷發展而越來越完善,因而這種完全開放的協議技術有著巨大的發展潛力和生命力,其應用領域也必將得到不斷擴展和深化。

[1]成繼勛,朱紅萍.工業以太網技術的新進展 [J].自動化儀表,2004,25(12):1～4.

[2]薛吉,邱浩,奚培鋒,等.工業以太網E thernet/IP介紹及其產品開發 [J].低壓電器,2009(5):32～35.

[3]馮冬芹,金建祥,褚健.淺談以太網應用于工業現場的關鍵技術 [J].世界儀表與自動化,2002,6(4):8～13.