工業(yè)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議剖析
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時(shí)間：2016-12-20
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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4.2 Profinet
Profinet由Siemens 開(kāi)發(fā)并由Profibus International支持，目前它有3個(gè)版本，第一個(gè)版本定義了基于TCP/UDP/IP的自動(dòng)化組件。采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP+以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM來(lái)完成節(jié)點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過(guò)一個(gè)代理設(shè)備（proxy）連接到Profinet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動(dòng)地在Profinet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過(guò)代理與Profinet上面的COM對(duì)象進(jìn)行通信，并通過(guò)OLE自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)COM對(duì)象之間的調(diào)用。它將以太網(wǎng)應(yīng)用于非時(shí)間關(guān)鍵的通信，用于高層設(shè)備和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備技術(shù)之間，以便將實(shí)時(shí)控制域通過(guò)代理集成到一個(gè)高層的水平上。
第二個(gè)版本中，Profinet在以太網(wǎng)上開(kāi)辟了兩個(gè)通道：標(biāo)準(zhǔn)的使用TCP/IP協(xié)議的非實(shí)時(shí)通信通道，另一個(gè)是實(shí)時(shí)通道，旁路第三層和第四層，提供精確通信能力。該協(xié)議減少了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，以減小通信棧的吞吐量。為優(yōu)化通信功能，Profinet根據(jù)IEEE 802.p定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。最多可用7級(jí)。
Profinet第三版采用了硬件方案以縮小基于軟件的通道，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間。為連接到集成的以太網(wǎng)交換機(jī)，Profinet第三版還開(kāi)始解決基于IEEE 1588同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)控制解決方案。
4.3 Ethernet/IP
Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議）由ROCKWELL定義，并由ODVA和ControlNet International支持。EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，能同時(shí)支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商業(yè)產(chǎn)品，Ethernet/IP協(xié)議由IEEE 802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP（Control Information Protocol）等三個(gè)部分組成，前面兩部分為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，其特色就是被稱(chēng)作控制和信息協(xié)議的CIP部分。Ethernet/IP為了提高設(shè)備間的互操作性，采用了ControlNet和Devicenet控制網(wǎng)絡(luò)中相同的CIP，CIP一方面提供實(shí)時(shí)I/O通信，一方面實(shí)現(xiàn)信息的對(duì)等傳輸，其控制部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分則用來(lái)實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。
4.4 EPA
EPA是在國(guó)家科技部“863”計(jì)劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、重慶郵電學(xué)院、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等單位聯(lián)合成立了浙江中控技術(shù)股份有限公司總裁金建祥教授為組長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)起草工作小組起草。
EPA系統(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)控制區(qū)域，每個(gè)控制區(qū)域即為一個(gè)微網(wǎng)段。每個(gè)微網(wǎng)段通過(guò)EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段進(jìn)行分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)EPA設(shè)備間的通信被限制在本控制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，而不會(huì)占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。
處于不同微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設(shè)備間的通信，需由相應(yīng)的EPA網(wǎng)橋進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個(gè)EPA接口，當(dāng)它需要轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)，首先檢查報(bào)文中的源IP地址與目的IP地址、EPA服務(wù)標(biāo)識(shí)等信息，以確認(rèn)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，并確定報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，而不會(huì)發(fā)生采用一般交換機(jī)所出現(xiàn)的廣播風(fēng)爆。
而連接在每個(gè)微網(wǎng)段的EPA設(shè)備，通過(guò)其內(nèi)置的通信棧軟件，分時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送報(bào)文，以避免兩個(gè)設(shè)備在同一時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免報(bào)文碰撞，用戶(hù)可以預(yù)知其發(fā)出的信息在可預(yù)知的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的站點(diǎn)。
EPA系統(tǒng)中，支持IEEE 1588的時(shí)間同步，還支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀與EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀的并行傳輸。 4.5 EtherCAT
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德國(guó)倍福Beckhoff公司開(kāi)發(fā)，并由EtherCAT技術(shù)組（EtherCAT Technology Group，ETG）支持。它采用以太網(wǎng)幀，并以特定的環(huán)狀拓?fù)浒l(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)站均從以太網(wǎng)幀上取走與該站有關(guān)的數(shù)據(jù)，或并插入該站本身特定的輸入/輸出數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最后一個(gè)模塊向第一個(gè)模塊發(fā)送一個(gè)幀以形成和創(chuàng)建一個(gè)物理和邏輯環(huán)。EtherCAT還通過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)系統(tǒng)，使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)幀比其他的數(shù)據(jù)（如組態(tài)或診斷數(shù)據(jù)，等）具有較高的優(yōu)先級(jí)。組態(tài)數(shù)據(jù)只在傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的間隙（如間隙時(shí)間足夠傳輸?shù)脑挘┲袀鬏?，或者通過(guò)特定的通道傳輸。EtherCAT還保留標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)功能，并與傳統(tǒng)IP協(xié)議兼容。為了實(shí)現(xiàn)這樣的裝置，需要專(zhuān)用ASIC芯片，以集成至少兩個(gè)以太網(wǎng)端口，并采用基于IEEE 1588的時(shí)間同步機(jī)制，以支持運(yùn)動(dòng)控制中的實(shí)時(shí)應(yīng)用。
4.6 Powerlink
Powerlink由貝加萊B&R公司開(kāi)發(fā)，并由Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化組（Ethernet Powerlink Standardisation Group，EPSG）支持。
Powerlink協(xié)議對(duì)第三、四層的TCP（UDP）/IP棧進(jìn)行了擴(kuò)展。它在共享式以太網(wǎng)網(wǎng)段上采用槽時(shí)間通信網(wǎng)絡(luò)管理（Slot Communication Network Management，SCNM）中間件控制網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量。SCNM采用主從調(diào)度方式，每個(gè)站只有在收到主站請(qǐng)求的情況下，才能發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，在一個(gè)特定的時(shí)間，只有一個(gè)站能夠訪問(wèn)總線，所以沒(méi)有沖突，從而確保了通信的實(shí)時(shí)性。為此，Powerlink需采用基于IEEE 1588的時(shí)間同步。在其擴(kuò)展的第二版中，包括了基于CANopen的通信與設(shè)備行規(guī)。
4.7 VNET/IP
VNET/IP由日本橫河Yokogawa開(kāi)發(fā)，該協(xié)議的實(shí)時(shí)擴(kuò)展是實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（Real-time & Reliable Datagram Protocol，RTP），在傳輸層采用UDP協(xié)議，但在IP棧協(xié)議層進(jìn)行了優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)。
4.8 TCnet
TCnet是由日本東芝Toshiba開(kāi)發(fā)的，它在MAC進(jìn)行了實(shí)時(shí)擴(kuò)展，并基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)開(kāi)辟了兩個(gè)冗余通道連接。
4.9 Modbus-IDA
Modbus/TCP由施耐德電氣定義，并由Modbus-IDA支持，它在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用Modbus協(xié)議。其實(shí)時(shí)擴(kuò)展采用了在UDP上的實(shí)時(shí)發(fā)布者預(yù)訂者（Real-time Publisher Subscriber，RTPS）。
Modbus/TCP是Modbus的延伸，它基于以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，直接應(yīng)用第四層。它定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、開(kāi)放和廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。
IDA結(jié)構(gòu)可用于實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)應(yīng)用。其確定性通信可以通過(guò)IDA中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)。中間件包含了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus/TCP協(xié)議。IDA還采用基于Web的通信應(yīng)用，提供了水平和垂直的集成，并擴(kuò)展了Web服務(wù)器的應(yīng)用。
5、結(jié)束語(yǔ)
從工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展形勢(shì)看，盡管各種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可能會(huì)像現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際之爭(zhēng)那樣，出現(xiàn)多協(xié)議并存局面，但國(guó)際上已形成基本一致看法，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展不可能離開(kāi)國(guó)際主流信息技術(shù)發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣。在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)上，IT領(lǐng)域中很多主流技術(shù)必將對(duì)工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。
評(píng)論