工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)協(xié)議剖析
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4.2 Profinet
Profinet由Siemens 開發(fā)并由Profibus International支持，目前它有3個版本，第一個版本定義了基于TCP/UDP/IP的自動化組件。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來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個代理設(shè)備（proxy）連接到Profinet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動地在Profinet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設(shè)備可通過代理與Profinet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調(diào)用。它將以太網(wǎng)應(yīng)用于非時間關(guān)鍵的通信，用于高層設(shè)備和Profibus-DP現(xiàn)場設(shè)備技術(shù)之間，以便將實時控制域通過代理集成到一個高層的水平上。
第二個版本中，Profinet在以太網(wǎng)上開辟了兩個通道：標(biāo)準(zhǔn)的使用TCP/IP協(xié)議的非實時通信通道，另一個是實時通道，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定義了報文的優(yōu)先級。最多可用7級。
Profinet第三版采用了硬件方案以縮小基于軟件的通道，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間。為連接到集成的以太網(wǎng)交換機，Profinet第三版還開始解決基于IEEE 1588同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\動控制解決方案。
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)交換機實現(xiàn)各設(shè)備間的點對點連接，能同時支持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一方面提供實時I/O通信，一方面實現(xiàn)信息的對等傳輸，其控制部分用來實現(xiàn)實時I/O通信，信息部分則用來實現(xiàn)非實時的信息交換。
4.4 EPA
EPA是在國家科技部“863”計劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、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)劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域即為一個微網(wǎng)段。每個微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段進行分隔，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)進行，而不會占用其他網(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)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個EPA接口，當(dāng)它需要轉(zhuǎn)發(fā)報文時，首先檢查報文中的源IP地址與目的IP地址、EPA服務(wù)標(biāo)識等信息，以確認(rèn)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，并確定報文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，而不會發(fā)生采用一般交換機所出現(xiàn)的廣播風(fēng)爆。
而連接在每個微網(wǎng)段的EPA設(shè)備，通過其內(nèi)置的通信棧軟件，分時向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送報文，以避免兩個設(shè)備在同一時刻向網(wǎng)絡(luò)上同時發(fā)送數(shù)據(jù)，避免報文碰撞，用戶可以預(yù)知其發(fā)出的信息在可預(yù)知的時間內(nèi)到達目的站點。
EPA系統(tǒng)中，支持IEEE 1588的時間同步，還支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀與EPA實時以太網(wǎng)幀的并行傳輸。 4.5 EtherCAT
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德國倍福Beckhoff公司開發(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)的最后一個模塊向第一個模塊發(fā)送一個幀以形成和創(chuàng)建一個物理和邏輯環(huán)。EtherCAT還通過內(nèi)部優(yōu)先級系統(tǒng)，使實時以太網(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。組態(tài)數(shù)據(jù)只在傳輸實時數(shù)據(jù)的間隙（如間隙時間足夠傳輸?shù)脑挘┲袀鬏敚蛘咄ㄟ^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。為了實現(xiàn)這樣的裝置，需要專用ASIC芯片，以集成至少兩個以太網(wǎng)端口，并采用基于IEEE 1588的時間同步機制，以支持運動控制中的實時應(yīng)用。
4.6 Powerlink
Powerlink由貝加萊B&R公司開發(fā)，并由Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化組（Ethernet Powerlink Standardisation Group，EPSG）支持。
Powerlink協(xié)議對第三、四層的TCP（UDP）/IP棧進行了擴展。它在共享式以太網(wǎng)網(wǎng)段上采用槽時間通信網(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，每個站只有在收到主站請求的情況下，才能發(fā)送實時數(shù)據(jù)。因此，在一個特定的時間，只有一個站能夠訪問總線，所以沒有沖突，從而確保了通信的實時性。為此，Powerlink需采用基于IEEE 1588的時間同步。在其擴展的第二版中，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開發(fā)，該協(xié)議的實時擴展是實時可靠數(shù)據(jù)報協(xié)議（Real-time & Reliable Datagram Protocol，RTP），在傳輸層采用UDP協(xié)議，但在IP棧協(xié)議層進行了優(yōu)化以實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)。
4.8 TCnet
TCnet是由日本東芝Toshiba開發(fā)的，它在MAC進行了實時擴展，并基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)開辟了兩個冗余通道連接。
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。其實時擴展采用了在UDP上的實時發(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。它定義了一個結(jié)構(gòu)簡單的、開放和廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。
IDA結(jié)構(gòu)可用于實時和非實時應(yīng)用。其確定性通信可以通過IDA中間件來實現(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，并擴展了Web服務(wù)器的應(yīng)用。
5、結(jié)束語
從工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展形勢看，盡管各種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可能會像現(xiàn)場總線國際之爭那樣，出現(xiàn)多協(xié)議并存局面，但國際上已形成基本一致看法，工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展不可能離開國際主流信息技術(shù)發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用必將越來越廣。在實時以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)上，IT領(lǐng)域中很多主流技術(shù)必將對工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展起到推動作用。
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