EtherNet/IP工业以太网协议白皮书

2013-8-11 09:45| 编辑:电工学习网| 查看: 35432| 评论: 0

目前以太网TCP/IP协议在工业自动化中的应用

    D. 目前以太网TCP/IP协议在工业自动化中的应用
    目前，基于TCP/IP协议的以太网不仅仅局限于车间范围内的通讯，而且已经能够实现与整个企业Intranet，甚至Internet的连接。在工厂中，以太网通常用于实现如下功能：设备程序维护、MIS或MES系统与现场设备交换数据、内部网页服务、控制设备监管、操作员终端与现场设备通讯、事件记录或报警等。这些功能都需要以太网提供较高的数据吞吐量和广泛的设备连接能力，而响应时间则是第二位需要考虑的问题。现在，虽然有些用户已经将以太网用于自动化控制系统，但是其控制能力具有一定的局限性。比如，通过以太网共享处理器中的数据，这样的应用项目充分发挥了以太网具有较大数据吞吐量的优势，但是它的信息响应时间却不具备较高的确定性和可重复性。
    IV. 网络内及网络间的数据交换
    虽然EtherNet/IP网络具备直接利用以太网进行设备数据采集和配置的功能，但也不要指望单一的网络能够满足所有的需要。某些自动化设备厂商未必提供支持EtherNet/IP网络的设备。另外，较短时期内，如果需要在光电传感器、接近开关等简单的设备中集成EtherNet/IP网络连接功能，可能费用还比较高。
    但是，这些困难并不意味着会阻碍用户将EtherNet/IP网络作为首选网络来使用。相反，用户可以充分利用EtherNet/IP的远程联网能力，像使用本地网络一样来操作远程设备。更为关键的原因在于，网络的应用不需要编制任何程序或者使用中间计算机设备。
     为了实现上述目的，整个工业自动化系统的网络（如图1所示）必须使用一系列通用的服务，所有网路设备均采用通用的对象模型来组织数据。只有实现了数据的一致性，才能够让数据在不同的网络之间进行路由。
    A. 面向对象的数据结构
    未来的Internet将采用一种分布式的对象通讯模型，用于点对点的数据交换，实现企业内部Intranet网络与Internet的相互连接。与DCOM和CORBA等“中间件”标准相比较，虽然两者的实现机理有所不同，但是它们关于分布式对象模型的互操作方法是一致的。分布式对象模型的结构具有显著的优势，它为软件开发者和最终用户提供了方便的手段，无需考虑设备的具体物理位置，利用简单、面向对象和网络化的方法就可以管理设备数据。用户可以通过对象命名和寻址方法，对网络设备地址及其内部数据结构实现透明访问，获得详细信息。
    沿用至今的源/目标通讯模式可能不会在未来的Internet网络环境中继续流行。因为在车间现场的以太网设备需要具备互操作性，既要支持信息应用软件，又要满足实时控制要求，而且通常需要在同一网络中实现。所以，用户需要让不同厂商的设备在同一网络中实现互操作。为了达到这一目的，所使用的应用层协议必须满足一系列的要求，从而在基于TCP/IP协议的以太网上实现设备之间的互操作。
    运行于TCP/IP和UDP/IP协议之上
    实现分布式对象模型
    提供有效的传输模式用于实时I/O数据
    允许控制数据和信息数据在同一个以太网中共存
    满足工业自动化系统的各项要求
    能够被广大自动化设备厂商接受并实施
    B. 通用对象库
    CIP协议家族定义了一系列对象（目前有46个对象）。只有少数对象是针对专门的数据链路层而制定的，其中DeviceNet有1个，ControlNet有3个，EtherNet/IP有1个。其余的对象都是通用的，能够在上述三种网络中使用。
    根据某一类设备所需的功能，今后可以加入新的对象，这将有利于对设备功能的扩充。比如，一个工作在DeviceNet网络上的接近传感器并不支持其它的功能。然而，开发者在使用已定义的公共对象时，还可以在设备供应商自定义寻址范围内（类代码100～199，8位对象类代码空间）创建自己的对象。当然，强烈推荐开发者与ODVA和ControlNet International的特别兴趣小组（SIG）合作，制定更多的通用对象，进一步取代自行开发的专用对象。
    D. 电子数据表
    如果没有相应的机制去识别某一设备到底为外部应用程序提供了哪些对象，那么保持对象模型的一致性也就无从谈起。因此，CIP协议提供了多种方案，用于配置设备： #p#分页标题#e#
    打印出来的数据表
    参数对象和参数对象存根
    电子数据表（EDS）
    电子数据表与参数对象存根相结合
    设备配置信息集合与上述方法相结合
    在使用打印出来的数据表进行设备配置时，配置软件只能提示用户该设备需要用到的服务、类的实例、属性数据以及其它相关信息。虽然这样也能够完成配置工作，但是很不方便，因为这种方法不能判断上下参数的关联，数据的格式以及内容正确与否。
    参数对象提供了另外一种方法，它将设备所有可以配置的数据进行了全面的描述。这样一来，由于设备能够提供所需的信息，使得配置软件可以方便地访问这些参数，并且操作界面也十分友好。参数的属性包括数据类型、工程单位、最小值、最大值、缺省值、比例系数等内容，而且这些内容都保存在设备的非易失性存储芯片中，可以进行读写（或只读）操作。
    由于参数对象方法将所需的全部参数信息都保存在设备中，无疑增加了小型设备的负担，尤其是DeviceNet从设备。因此，开发人员对参数对象方法进行了简化，称为参数对象存根。这种方法也支持对参数数据进行访问，但是它并不描述这一数据的任何含义。这时，就需要使用EDS电子数据表。在电子数据表中保存有全部参数对象的信息以及与之相对应的存根。因此，电子数据表与参数对象存根的配合使用，既能够方便地实现参数对象方法的全部功能，又避免给单个设备造成负担。
    另外，设备配置信息集合方法可以允许对大批量的参数数据进行上传和下载。
    E. 报文协议
    通过网络访问任何设备的内部对象都需要使用非连接通讯管理对象或连接通讯管理对象。
     由于EtherNet/IP是基于连接的网络。因此，一个CIP协议连接数据包会发送到网络上。一旦连接建立成功，就会对该连接分配一个连接标识（CID）。如果这种连接是双向的数据交换，就会给它分配两个连接标识，如图6所示。
    既然大多数基于CIP协议的报文都采用连接方式进行通讯，就需要对两个尚未连接的设备进行连接初试化的方法做出定义。这一工作是通过名为非连接通讯管理对象（UCMM）来实现的，它专门用于处理连接请求。一旦通讯连接建立成功，设备所需的全部通讯资源，包括中间CIP协议的桥接和路由，都将被保留。这样一来，使得数据交换过程所需的网络负载和带宽占用降低到最小限度。
    所有在CIP协议中的网络连接分为两大类：显式报文连接和隐式（I/O数据）报文连接。
    显式报文连接用于两个设备之间的普通信息传输，可以使用多用途的通讯路径。这类连接在网络仲裁机制中被认为是消息连接。显式报文使用典型的请求/应答网络通讯模式，通常需要访问报文路由对象。每一个请求报文包含有明确的显式信息，例如接收方的网络地址、需要执行的动作以及产生适当的响应等内容。
     隐式报文连接通过专用的特殊通讯路径或端口，在生产者应用对象和多个消费者应用对象之间建立连接。这类报文专门用于传输I/O数据，在网络仲裁机制中被认为是I/O连接。在控制层网络中，隐式报文有着大量的应用。隐式报文数据的含义已经在通讯连接建立、分配连接标识的时候完成了定义。因此，隐式报文中只包含具体应用对象的数值。也就是说，通过连接标识“含蓄”地定义了报文数据的具体含义，因此称为“隐式报文”。
    这两种报文连接方式都支持网络间的桥接，详细内容将在后续章节中讨论。
    F. 隐式连接
    如上所述，所有的隐式连接必须是两个设备之间的直接连接。在每个连接方向上，需要源地址、目标地址和连接标识。隐式报文通过应用层CIP协议的外部事件进行触发。
    在实际使用中，DeviceNet和ControlNet的源地址、目标地址就是设备的节点地址。在EtherNet/IP网络中，就是设备的IP地址。
    然而，TCP数据包中的CIP帧含有关于目标地址的额外信息——通讯路径，它表示数据帧在传输过程中的“跳跃”路径。
    如图1所示，在一个典型工业自动化系统网络中，编程软件通过个人计算机连接到信息层网络，由它发出一个报文，需要传送给设备层的电机起动器。在这一过程中，数据帧首先进入信息层网络，然后进入控制层网络，最后进入设备层网络，整个过程至少需要三次网络“跳跃”。通过一系列的“跳跃”，CIP数据帧的内容在整个旅途过程中都是完好无缺的，并且先后使用了TCP数据包、ControlNet数据包和CAN总线数据包。
    只要CIP数据帧中的路径完好无缺，电机起动器就可以通过CAN总线数据包将返回的报文按照原路径回传。无需考虑通讯的发起设备是否在同一物理网络中，而是通过桥接，将数据传送给本地的EtherNet/IP网络设备，甚至可以通过Internet路由给远程的网络设备，实现数据的透明传输。
     在这个示例中，电机起动器遵守DeviceNet规范，编程计算机遵守EtherNet/IP规范，这两个设备能够相互理解对方设备的数据组织形式。
     前面已经提到，每个设备都必须支持一系列的强制性对象，其中之一就有标识对象。标识对象的强制性属性有供应商ID、设备类型、产品代码和修订版本等内容。源设备在发出报文之前，可以从目标设备中获得上述信息，而无需事先知道它到底是什么设备。通过这些数据，就能找到与之唯一对应的EDS电子数据表文件，从而知道该设备能够支持哪些公共对象，多数情况下，还能知道供应商定义的特殊对象。当然，由于某些设备已经包含了全部的参数对象，无需EDS电子数据表文件就可以直接获取设备的数据。这种机制不受目标设备网络类型的约束，可以从图2和图5中得知，数据对象不依赖于网络，也就是说，相同的报文可以发送给相同的数据对象，既不依赖于设备，也不依赖于网络连接。
     由于EtherNet/IP网络仍然构建于TCP/IP协议之上，因此具备进一步的扩展潜力。例如，并不要求源设备必须位于信息层网络中。位于控制层网络的plc可以通过一个连接信息层网络的PLC或者网桥设备（无需关心控制层网络到底是EtherNet/IP网络还是ControlNet网络），发起需要多次“跳跃”的报文，并可以将信息层网络作为“跳跃”过程的一个中间环节。在这一功能的帮助下，两个分别连入ControlNet网络的PLC，即便是远隔重洋，也可以通过Internet，使用显式报文实现数据交换。

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