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Ethernet/IP工业以太网的研究及应用

2023-03-14 来源:V品旅游网
第l9卷 第9期 电子设计工程 2011年5月 Vo1.19 No.9 Electronic Desiers Ena May.2011 Ethernet/IP工业以太网的研究及应用 李武杰,郑晟,陈文辉 (太原理工大学信息工程学院,山西太原030024) 摘要:介绍了工业以太网的发展改进状况.对Etlleme ̄P这种新型工业以太网的协议模型及其采用的“生产者,消费 者”通讯模式和面向“连接”的,CIP(Common Indus al Protocol,CIP)报文通信机制做了详细分析,同时指出了Ether- net/IP网络应用在工业控制领域的优势。提出了Ethernet/IP工业以太网在高速公路隧道监控中具体的组网方案和通 讯设置手段.利用Etheme ̄P网络成功地实现了对该高速公路隧道的良好监控。 关键词:工业以太网;Ethernet,IP协议;生产者,消费者;连接 中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2011)o9—0026-04 Research and application of EthernefliP industrial Ethernet LI Wu-jie,ZHENG Sheng,CHEN Wen—hui (College ofInformation Engineering,Taiyuan University foTechnology,Taiyuan 030024,China) Abstract:It describes the improved development status of industrial Ethernet。then it not only makes the detailed analysis about the Etheme ̄P protocol model,its“producer/consumer’’communication mode and the CIP message communication mechanism which is facing the“link”.but also points out the advantage of Etheme ̄P netw0rk application in industrial contro1.Simultaneously,it advances the method of Etheme ̄P network composition and communication settings of the Ethernet/IP network in the expressway tunne1.It successfully achieved a good monitoring in the expressway tunnel by using the Ethernet/IP network. Key words:Industrial Ethernet;Etheme ̄P;producer/consumer;connection 随着我国经济的高速发展,高效通畅的交通系统成为经 Collision Detect)介质访问机制.不能预测节点的信息具体什 济进一步发展的基本需求,因此,高速公路得以不断发展和 么时间发送出去.导致了该系统的不确定性。每个网络节点 壮大。对高速公路进行实时监控是高速公路管理的一个重要 要通过竞争来取得信息包的发送权.通信时节点监听信道, 环节,而隧道属于高速公路的咽喉地段,对它的良好监控是 只有发现信道空闲时,才能发送信息.如检测到信息发生碰 高速公路“高速、安全、舒适”的重要保障。 撞.还需要退出重发,因此无法保证确定的排队延迟和通信 过去高速公路隧道监控的本地控制系统多采用工业现 响应的确定性,导致实时性差 。不确定性和非实时性是其作 场总线,采用的基本上为本地控制器(PLC)所使用的现场总 为工业控制网络的最主要障碍。 线系统。Intranet/Internet等信息技术的飞速发展,要求从现场 针对这些问题,出现了多种改进方案:1)限制网络负荷, 控制层到上级管理层之间能实现全面的无缝信息集成,并提 提高网络传输速率。网络带宽从最初的10 Mb/s发展到现在 供一个开放的基础构架,但目前的现场总线系统还不能满足 的100 Mb/s甚至l 000 Mb/s以上.足够的带宽可以承受足够 这些要求ll1。而Ethemet/IP等实时工业以太网的提出则为隧 大的负荷.当网络负荷不超过带宽的36%时。网络冲突率很 道监控提供了新的技术支持。 低131,通讯的不确定性问题得到很大的淡化。2)采用全双工交 1工业以太网 换式技术。交换式以太网在源端和交换设备的目标端之间提 供一个直接快速的点到点连接。交换机把网络分成不同的冲 工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术,在技 突域,避免了CSMA/CD介质访问控制的约束,同时可以对网 术上与商用以太网(即IEEE 802.3标准)兼容,但是实际产品 络进行扩展。全双工通信使通讯设备端口之间两队传输线上 和应用却又完全不同。工业以太网在材质的选用、产品的强 同时接收和发送报文帧,任一节点发送报文帧时不再发生冲 度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质 突。3)采用星形拓扑结构将网段划分为若干网段,使每个冲 安全性等方面完全满足工业现场的需要。 突域的网络负荷减轻,碰撞几率减小嗍。4)采用虚拟局域网 以太网采用的CSMA/CD(Carrier Sense Muhiple Access/ (VLAN)技术,将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段,建 收稿日期:2011-03一O1 稿件编号:201102082 立跨越不同物理局域的网段。每个VLAN具有惟一标识的网 作者简介:李武杰(1985一),男,山西运城人,硕士研究生。研究方向:工业自动化控制,工业网络技术在工业、交通等领域的应用。 -26- 李武杰,等Ethemet/IP工业以太网的研究及应用 2.2 Ethernet/IP的通信机制 号。当VLAN进行帧的广播传送时在各站所发出的信息帧的 帧头源地址中采用了帧标识处理法,信息帧中有MAC地址 和惟一标识 帧在定义的VLAN端口中传播时只有极小的延 采用CIP协议是Etlleme优P的一大特色,其通信机制如下: 1)通信模式 迟。其他VLAN收不到广播信息帧,避免了广播风暴的产生。 多种改进技术的应用.以及新技术的不断出现极大地淡 E ̄emedP采用“生产者(producer)/消费者(consumer)”通 信模式,在此种模式下,数据之间的关联是以生产者和消费者 的形式提供。生产者是数据的发起者。向网络上发送数据包。 数据包被分配一个指示数据内容“唯一”的标识符。消费者是 化和消除了以太网进入工业控制领域的障碍.而Ethemet/IP 等实时工业以太网也相继推出。 2 Ethernet,】口E’协议 数据的接收者,所有的消费者都可以通过“唯一的”标识符从 网络中获取需要的数据。这样就允许网络上所有的节点同时 Ethernet/IP(Ethemet Industry Protoco1)是由ODVA(Open Device Net Vendors Association)和Control Net International两 大国际工业组织所推出的面向工业自动化应用的工业应用 层协议。 2.1 Ethemet,口协议模型 EtIlemet/IP协议基于标准的以太网技术。使用所有传 统的以太网协议和标准的TCP/IP(Transmission Control Protocol/In ̄met Protcoo1)协议[51,并且采用了通用工业协议 (Common Industrial Protocol,CIP),共同构成E ̄emeWIP协 议的体系结构。该协议的各层结构如图1所示。 行规和 圃圃圃圆圆 用户层 l 应用对象库 应用层l ClP报文:显性,I/0、路由 l 传输层[二口[二口 网络层[二二二二二二二二] 络层l ! l 数据链路层 物理层f t物he理r ̄层 l 图1 Ethemct/IP协议架构图 Fig.1 The structure of Ethemet industry protocol 1)在物理层和数据链路层采用标准以太网技术意味着 Etheme ̄P可以和现在所有的标准以太网设备透明衔接工 作.并且保证了Ethemet/IP会随着以太网技术的发展而进一 步发展。 2)在网络层和传输层,采用UDP(User Datagram Protoco1) 协议传送对实时性要求较高的隐式报文.将UDP报文映射 到IP多播传送。实现高效I,0交换。用TCP协议的流量控制 和点对点特性通过TCP通道传输非实时性的显式报文。 3)基于标准的TCP/IP协议,在TCP或UDP报文的数据 部分嵌入了CIP封装协议.CIP协议是一个端到端的面向对 象并提供了工业设备和高级设备之间连接的协议.独立于物 理层和数据链路层。使得连接在以太网上的各种设备具有较 好的一致性,从而使不同供应商的产品能够互相交互。 从一个数据源存取同一数据。每个数据源节点只需要一次性 的把数据发送到网络上.其他节点就可以选择性地接收这些 数据。避免了浪费带宽,极大地提高了系统的通信效率。 2)采用CIP报文通信 ①CIP报文 CIP报文分为显式报文和隐式报文。显式报文包含解读 该报文所需要的信息.用于传输对时间没有苛刻要求的数 据。隐式报文用于传输对时间有苛刻要求的数据,这种报文 数据的含义在通讯连接建立、分配连接标识时就完成了定 义,报文中只包含具体应用对象的数值。称为隐式报文。 ②面向“连接”的报文通信 CIP将应用对象之间通讯关系抽象为“连接(Connection)”。 并与之相应制定了应用对象逻辑规范。使CIP协议可以不依 赖于某一具体网络硬件技术。用逻辑对象来定义“连接”关 系啕。在通信开始之前必须建立起连接,获取惟一的连接标识 符(Connection ID,CID)。如果连接涉及到双向的数据传输。就 需要分配两个CID。针对报文传输。CIP协议中的网络连接分 为显式报文连接(Explicit Message Connection)和隐式报文连 接(VO Connection)。分别如图2和图3所示。 图2显式报文连接 Fig.2 The explicit messaging connection I/0报文 ・田 图3隐式报文连接 Fig.3 The implicit messaging connection 显式报文连接适用于传送对时间没有严格要求的非实 时信息。显式报文连接使用典型的请求,应答通讯模式,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。它在两个应用对象之间以点对点全双工方式传送报 -27- 《电子设计工程))2011年第9期 文.通讯双方任何一方应用对象都可以根据自身的需求情况 而发起和建立这种“连接”关系.非常便于应用对象之间“交 互式对话”.通讯过程结束后即拆除“连接”并回收资源17]。 隐式(i/o数据)报文连接必须是两个设备之间的直接连 根据这些特性。将Ethemet/IP网络应用在现场.通过 Ethernet/IP网络将区域控制器与主控制器连接在一个网络 中,从而区域控制器与主控制器间的数据交 充分发挥 Ethemet,IP协议面向对象链接和“生产者,消费者”模式快速 接。每个连接方向上需要源地址、目标地址和连接标识,在 Ethemet/IP网络中源地址、目标地址就是设备的IP地址。隐 高效通信的优势。隧道监控室主控制器通过工业以太网与监 控中心管理计算机通信,提供海量信息传输通道。 隧道本地控制网络采用Ethemet/IP工业以太网络结构。 如图4所示。 式报文连接针对传送有一定实时性要求数据的通讯关系,此 种“连接”必须预先使用专门配置工具逐一对与该“连接”相 关联的应用对象及整个数据链路上各个节点进行配置,一旦 “连接”建立成功,设备所需的全部通讯资源都被保留,无需 再对数据作任何描述。该链接实现了网络节点之间的透明数 据交换.当其用于I/O信息传输时能够充分利用“生产者/消 费者”通讯模式的优势。使得数据交换过程所需的网络负载 和带宽占用降到最低,传输效率和可靠性很高。 2.3 Ethernet/IP网络的优势 1)基于标准以太网技术的Ethemet/IP能够使用户充分 利用现有的以太网技术知识和网络知识,使其发挥最大的作 用,获得更多的投资回报。2)可以快速将各种复杂的设备(如 PLC、变频器等)连接在一起构建控制系统并且对设备维护方 便,兼容性强,可以与不同厂商的多种设备实现即插即用和 相互操作。3)通信高效稳定,数据传输距离长,且成本低廉, 可以方便地与Intemet连接。实现控制现场的数据与信息系 统上的资源共享。 图4隧道网络结构 Fig.4 The network of the tunnel monitoring 如图4所示.隧道左右两洞分别配置6套PLC.3个隧道 3在隧道监控系统中的Ethernet/IP网络构建 3.1 Ethernet/lP网络组建 监控设备室均配置一套主控PLC,每套PLC均配置一个EIP 以太网通讯模块和一台工业以太网交换机。工业以太网交换 机采用北京东土公司的SICOM3O24SM系列交换机用于构建 山西某高速隧道是一条上下分离式。左右洞长度均超过 3 000 m的特长隧道。该隧道采用隧道管理站(即监控中心)、 冗余环网。其使用的DT—Ring冗余环网协议可以使以太网在 50 ms内自动从冗余路径传输数据,增加网络的稳定性和可 靠性。工业以太网交换机之间用光纤以“菊花链”的方式连接 隧道监控室、隧道本地控制的三级监控管理模式。 隧道本地控制即为底层控制,主要采用中小型PLC作为 区域控制器,又称本地控制器。本地控制器通过信号线与分 构成光纤环网,由于隧道很长,所以组成两个相切的冗余环 网。同一环网中任意两个交换机之间的通信都有两条通道, 散在其附近的底层设备相连。主要完成隧道内小区段的信息 采集及控制功能。 隧道监控室控制即为中层控制,采用大型PLC构成主控 控制器实现对各区域控制器协调与控制。同时照明控制、通 当一条通信链路出现故障时.系统会自动寻找到相反方向的 通信链路,保持继续通信。通过中间隧道监控设备室的交换 机,两个相切环网中的交换机之间也可以相互通信.即使环 一和环二中同时任有一处出现光纤链路故障也不会影响网 风控制、交通诱导控制等自动控制功能也是在主控制器中实 现的。一般主控制器都配置触摸屏操作面板.通过触摸屏实 现对隧道现场设备的本地手动控制操作,触摸屏还可显示各 络的通信,极大地增加了系统通信的可靠性。每套本地区域 控制器通过EIP以太网通讯模块用屏蔽双绞线与交换机连 接,经过交换机将数据传输到光纤环网中。 监控中心计算机系统通过监控以太网交换机与下面的 隧道工业以太网连接。当监控中心与隧道监控室的通信全部 设备的运行状态。 监控中心控制即为上层控制.上层设备主要是交通监控 计算机系统,由监控服务器。工作站及通讯设备组成,实现各 中断时,则由隧道监控设备室中的主控制器对隧道内的本地 控制器进行自动控制或通过触摸屏进行本地手动控制:当环 个子系统间的信息交换和人机界面管理。 由于隧道很长.隧道内区域控制器数量多且分布广,受 区域控制器间距离限制,每个区域控制器只控制附近区域内 网通信失败时,隧道内的每个PLC还可以独立运行.对所辖 设备进行自动控制。 3.2 Ethernet/IP网络通讯设置 的设备,因此区域控制器需要与外部交换的信息不多,区域 控制器主要与位于隧道监控室的主控制器进行信息交换而 隧道内工业以太网组网完成后[81,必须对每套控制器上的 隧道内的各个区域控制器之间基本没有信息交换。 -EIP通讯模块进行配置,确定彼此通讯关系后才能正常通信。 28- 李武杰,等Ethemet/IP.r-..1k以太网的研究及应用 首先给每个EIP通讯模块分配一个IP地址(同一网段内 的持续创新和成本降低等带来的优势直接体现在Ethemet/IP 唯一),IP分配完成后,用“Network Configurator"网络配置软件 进行通讯设置。先创建通信标签(Tag。即将PLC中需要与外部 至.术、 网络上,它的性能也会随着以太网其他技术如信息安全技 高速传输技术、高速交换技术等的不断发展而进一步完 通讯的I/O通道注册为Tag),再将相关Tag集合在一起即为 善。可以预见,Ethemet/IP网络将成为新一代工业控制网络的 Tag Set,发送数据的为“生产者”,接收数据的则为“消费者”。 重要发展方向,其应用的领域和作用范围也将得到进一步扩 创建完成后便在标签集之间建立“连接”关系。如图5所示。 展和深化。 链接信息 参考文献: 目标设备IP地址 目标设备标签(Tag)集 【1】Held G.以太网【M】.3版.戴志涛,郑岩,译.北京:人民邮电出 源设备标签(Tag)集 版社.200l0. 遮 包闷隔吐闷RPI 标签集(输入/消费者 J].装备制造技术, 标签(Tag)集名: 堡筌!笪当 生 耋 【2】聂新年.工业以太网现场控制技术的发展【标签(Tag)集名: 2010(4):95—96,l18. 群 NIE Xin-nian. I1le developing of field control technology by 数据流 industrial Ethemet[J].Equipment Manufacturing Technology, ・—-—-—-_一 2010(4):95-96.1l8. 【3】Tanenbaum A S.计算机网络【M】.北京:清华大学出版社, 1998. [4】张奇智,尹汝波.交换式工业以太网的现状和研究[J】.传感 源设备rL1 EtherNet/IP 目标设备 器世界,2005,l1(2):34—39. 图5创建“连接”示意图 ZHANG Qi—zhi.YIN Ru-bo.,I1lle state of art in switched Fig.5 The principle of connection establishing industiral Ethernet[J].Sensor World,2005,ll(2):34-39. 创建“连接”关系的同时,选择“连接”类型,即选择“点对 【5】Osterloh H.TCP/IP Primer Plus(中文版)【M】.张金祥,译.北 点连接”或“多点连接”:同时规定每个“连接”通道的请求包 京:人民邮电出版社。2002. 间隔时间(RPI),源设备中的“生产者”便以规定的间隔时间 [6】ControlNet International and Open Device net Vendor 向目标设备“消费者”发送数据。网络设置完成后,网络中所 Association.Ethemet/IP Adaptation of CIP Speciifcation[S]. 有建立了“连接”关系的节点便以“生产者/消费者”模式稳定 2001. 高效地相互通信。 【7】罗晓宇,钟锐华.现场总线技术标准化的思考与CIP协议 4结束语 架构的启发[J].微计算机信息,2005,21(6):60—62. LUO Xiao—yu,ZHONG Rui-hua.The standardization of ifeld 本文给出了Ethemet/IP工业以太网在高速公路隧道监 bus technology and Pilot influence of CIP Architecture[J】. 控系统中的具体运用方案。Ethemet/IP网络在该隧道监控中 Mi-Computer Information,2005,21(6):60-62. 投入运行以来,网络通讯高效、可靠,由此可知,在隧道监控 【8]李爱国.SCTP在工业以太网通信技术中的应用研究【J].现 中采用Ethemet/IP网络作为底层控制网络不失为一种值得 代电子技术,2011(3):16o一162. 推广的优良方案。 U Ai・guo.Application of SCTP in industrial ethemet comm- Ethemet/IP网络采用的CIP协议及“生产者/消费者”通 unication technique[J].Modem Electronics Technique。201 l 讯模式极大地提高了对不同厂商设备的兼容性和网络的通 (3):160—162. 信效率。而基于标准的以太网技术。使得标准以太网技术本身 七七七七电七七七 七电七七七七电 电 电七’ 七七七 七’电七七七电七七 七七七七七专七七七七七七七’七 七 七 七七七★七 七’七七 Synopsys和华虹NEC合作推出低功耗参考流程3.0 全球领先的半导体设计、验证和制造软件及知识产权(IP)供应商新思科技有限公司,以及中国大陆领先的IC代工服务供 应商上海华虹NEC电子有限公司(HHNEC)今日宣布:即日起推出130纳米参考流程版本3.0。该参考流程是Synopsys和华虹 NEC共同合作的结晶.它将Synopsys Eclypse1M低功耗解决方案加入到之前为设计师所提供的各种参考流程之中。设计师们 可直接进入到一条通往华虹NEC的130 nm硅工艺的优化路径,从而确保他们满足其项目和成本要求。 参考流程3.0具有Synopsys GalaxyTM实施平台和Discoverj, 验证平台的实施和验证功能,可确保工程师部署各种先进的低 功耗技术。参考流程3.O增加的功能包括:用于低功耗等效性验证的Synopsys FormalityTM解决方案、用于静态规则检验的 MVRC、用于功率优化的Power CompilerMT,以及用于多电压仿真的带有MVSIM仿真器的VCSTM。 咨询编号:2011091005 —29一 

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