基于幾種工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議的應(yīng)用及分析

王旸

（唐山三友興達(dá)化纖有限公司，河北 唐山 063300）

1.工業(yè)以太網(wǎng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)它是基于IEEE 802.3(Ethernet)的強大區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET提供一個無縫集成到新的多媒體途徑，它多應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，重點在于利用交換式以太網(wǎng)技術(shù)為控制器和操作站，各種工作站之間的相互協(xié)調(diào)合作提供一種交互機制并和上層信息網(wǎng)絡(luò)無縫集成。據(jù)資料分析，目前工業(yè)以太網(wǎng)開始在監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上逐漸占據(jù)主流位置，正在向現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)滲透。我們可以這樣說，工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域的一大研究熱點。工業(yè)以太網(wǎng)相對于以往的自動化技術(shù)有很多優(yōu)勢，具體如下：

1.1 通信速率很高。就目前來說，10、100 Mb/s的快速工業(yè)以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s。顯然，工業(yè)以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求。

1.2 可持續(xù)發(fā)展力大。工業(yè)以太網(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，我們的用戶在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入，對于這一點，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)都是無法比擬的。同時，機器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。

1.3 資源共享能力強。隨著Internet/Intranet的逐步快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已滲透到各個地方，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)"控管一體化"，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。

2.基于TCP的工業(yè)以太網(wǎng)

現(xiàn)實中，由于TCP/IP協(xié)議的可靠性和穩(wěn)定性比較好，我們經(jīng)常使用的比如Modbus/TCP、PROFIne等大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都選擇了TCP/IP。現(xiàn)在筆者就Modbus/TCP的應(yīng)用做一闡述。

實際生產(chǎn)生活中，我們可以看到并不是所有的工業(yè)環(huán)境都需要達(dá)到微秒級別的時間要求，類似于IDA所采用的RTPS模式雖然能使工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸層性能達(dá)到一定的精確標(biāo)準(zhǔn)，但同時又增加了成本。同時，有些我們看上去似乎需要UDP協(xié)議來體現(xiàn)其高速性能的場合，其實可以通過在物理層和鏈路層的優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)量小的特點，采用傳統(tǒng)方式的TCP協(xié)議來實現(xiàn)。這樣即省去了在使用UDP協(xié)議時必須做增強開發(fā)來構(gòu)造通信的確定性方面所付出的高額代價，又可以實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的實時性要求。

Modbus/TCP協(xié)議是在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，Modbus/TCP協(xié)議的實現(xiàn)是在不改變原有Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上，只是將它的傳輸層協(xié)議簡單的移植到TCP/IP上。因此在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中Modbus/TCP使用傳輸控制協(xié)議(TCP)進行Modbus應(yīng)用協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。參數(shù)和數(shù)據(jù)使用封裝的方法嵌入到TCP報文的用戶數(shù)據(jù)容器中進行傳送。另外地址和校驗在Modbus/TCP中也由底層的TCP協(xié)議來完成。由于傳輸層以上遵循Modbus協(xié)議，所以采用C/S結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)傳輸前進行之前，需要在客戶和服務(wù)器之間建立一個TCP/IP連接。服務(wù)器使用端口502作為Modbus/TCP連接的端口。連接的建立通常由TCP/IP的Socket接口的軟件協(xié)議自動實現(xiàn)的，因此對應(yīng)用完全透明。

如果客戶和服務(wù)器間TCP/IP連接建立，同樣的連接可以根據(jù)要求的方向用來傳輸任意數(shù)量的用戶數(shù)據(jù)。客戶和服務(wù)器還可以同時建立多個TCP/IP連接，最大的連接數(shù)量取決于TCP/IP接口的規(guī)范。在輸入輸出數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸?shù)那闆r下，永久的連接通常維持在客戶和服務(wù)器之間，只有在發(fā)生特殊事件而有必要傳送參數(shù)和診斷報文時，連接才能在每一次數(shù)據(jù)傳送后被關(guān)閉，需要時再次建立。這也是Modbus/TCP在工業(yè)以太網(wǎng)中采用TCP做為傳輸層協(xié)議而不采用速度更快的UDP協(xié)議的原因所在。

3.基于UDP的工業(yè)以太網(wǎng)

目前,有很少數(shù)的客戶在傳輸層協(xié)議中或部分采用了UDP。筆者單就Ethernet/IP在傳輸機制和通信模式作一簡單比較。在EtherNet/IP中，對于對實時性要求較高的實時I/O數(shù)據(jù),采用UDP/IP協(xié)議來傳送,而對實時性要求不太高的顯式信息，就可以采用TCP/IP來傳送。

在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層EtherNet/IP采用的是INTERNET標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議族在單個或多個設(shè)備之間傳送信息，同樣，在這些層標(biāo)準(zhǔn)的CIP信息被打包成TCP/IP包，TCP/IP包允許網(wǎng)上的節(jié)點將他們作為以太網(wǎng)信息的一部分。節(jié)點發(fā)送這些TCP/IP協(xié)議包到數(shù)據(jù)鏈路層。利用TCP/IP，EtherNet/IP可以傳送用于節(jié)點之間主/從類型事務(wù)的顯示報文。

EtherNet/IP利用TCP/IP資源在以太網(wǎng)上傳送報文，為了滿足ODVA組織一致性要求宣言，EtherNet/IP的產(chǎn)品都要求能完成UCMM接收其他設(shè)備的請求。比如像少有的顯示報文傳輸或者實時的I/O數(shù)據(jù)傳輸。通過UCMM的通訊服務(wù)連接資源被保留。打開一個連接的過程被稱為連接生成。而主動提出連接生成的節(jié)點就叫做連接生成器。相反，響應(yīng)該節(jié)點的節(jié)點就叫做連接目標(biāo)。

4.工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

就目前來說，工業(yè)以太網(wǎng)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有兩個方面。第一個方面是連接HMI和PLC控制系統(tǒng)，現(xiàn)在在國內(nèi)超過95%的應(yīng)用都是這一類型的。但是由于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，有很好的靈活性和兼容性而且有較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，各主要PLC廠家都推出了支持以太網(wǎng)接口的PLC和相關(guān)的通訊模塊。

第二個方面是它取代了現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場總線，連接變頻器和遠(yuǎn)程IO。目前在國內(nèi)這種應(yīng)用例子還比較少，可供選擇的適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的以太網(wǎng)線纜、連接頭還不夠多，施工布線規(guī)范、接地、抗干擾措施等方面的問題還需進一步摸索。現(xiàn)結(jié)合化纖類企業(yè)淺談下工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用步驟。

這種系統(tǒng)我們假設(shè)是在浸壓粉工序和熟成工序設(shè)立相對獨立的現(xiàn)場操作站，每個操作站負(fù)責(zé)各自的生產(chǎn)維護功能彼此相互獨立，互不影響。該系統(tǒng)在黃化工序設(shè)立總操作站，除了負(fù)責(zé)黃化工序的正常生產(chǎn)控制，還應(yīng)具備控制浸壓粉工序和熟成工序的操作維護功能，并且對其相應(yīng)的操作站有更高的優(yōu)先權(quán)。各操作站之間的設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)連接，該網(wǎng)絡(luò)要進行相應(yīng)的冗余設(shè)計，以保證網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性。我們對重要關(guān)鍵部位的控制器、網(wǎng)絡(luò)、模塊、電源要進行冗余配置，以保證各工序生產(chǎn)過程的可靠性。這種系統(tǒng)的總操作站要有開發(fā)和運行軟件功能，其余各操作站要有相應(yīng)的運行功能，該系統(tǒng)的軟件要采用性能價格比相對較高的軟件，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。

5.工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展前景和展望

工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本，高實效，高擴展性及高智能等特點，吸引著越來越多的制造商。正因為如此，在國際上已經(jīng)開始著手制定一個工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。同時，以太網(wǎng)和通信技術(shù)的突飛猛進也促使工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進一步發(fā)展。現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開始向?qū)崟r工業(yè)以太網(wǎng)和無線工業(yè)以太網(wǎng)的方向發(fā)展。而不久的將來，面向未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的新一代工業(yè)以太網(wǎng)組件也將出現(xiàn)。由于以太網(wǎng)有"一網(wǎng)到底"的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將會取代現(xiàn)在的基于現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的主流。

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