工业以太网控制网络技术应用与发展.ppt 19页

该程序可以完成应用程序的初始化、数据读取、数据输出。 所谓工业以太网,一般是指在技术上与商用以太网(即IEEE802)兼容,产品强度、适用性、实时性、互操作性、可靠性 8 工业以太网技术 8.1 工业以太网技术发展现状、抗干扰和本质安全可以满足工业现场的需要,目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面: 1. 通信确定性和实时性 工业控制网络区别于普通数据网络的最大特点是必须满足控制功能的实时性要求,即信号传输必须足够快,满足信号的确定性。实时控制往往要求某些变量的数据在准确的时间刷新。由于以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式,当网络负载较重时,网络传输的不确定性无法满足工业控制的实时性要求。 因此,传统的以太网技术难以满足控制系统所需的精确定时通信的实时性要求,一直沿用至今。 将其视为非确定性网络。 然而,快速以太网和交换以太网技术的发展为解决以太网的非确定性问题带来了新的机遇,使这种应用成为可能。 2. 稳定性和可靠性 以太网进入工控领域的另一个主要问题是它使用的连接器、集线器、交换机和电缆都是为商业领域设计的,而不是为更恶劣的工业现场环境(如Redundant DC)设计的电源输入、高温、低温、防尘等),因此商用网络产品不能用于可靠性要求高的恶劣工业现场环境。

此外,在实际应用中,骨干网可采用光纤传输,现场设备连接可采用屏蔽双绞线,重要网段也可采用冗余网络技术,以提高网络的抗干扰能力和可靠性。 3、为满足工业现场控制系统的应用需求,工业以太网协议必须在以太网+TCP/IP协议的基础上建立完整有效的通信服务模型,制定有效的实时通信服务机制,以及协调工业现场控制系统。 实时和非实时信息的传输服务,形成了为广大工控厂商和用户所接受的应用层和用户层协议,进而形成了开放的标准。 为此,各个现场总线组织将以太网引入到其现场总线系统的高速部分,利用以太网和TCP/IP技术,以及原有的低速现场总线应用层协议,从而形成了所谓的工业以太网协议。 ,如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。从目前的趋势来看,以太网进入工控领域是必然的,但几个标准会同时存在。 现场总线目前处于一个比较稳定的时期,现有的现场总线还会存在,并不是每一种总线都会被工业以太网所取代。 伴随各种现场总线而来的工业以太网标准在不久的将来不会完全统一,多种协议和标准将同时存在。 工业以太网是根据工业控制的要求,制定相应的应用层和用户层协议,使以太网和TCP/IP技术真正应用到控制层,扩展到现场层,IT行业使用尽可能在信息层。 所有有效和最新的结果。

因此,工业以太网和以太网在工业上的应用根本不是一个概念。 1. IDA的通信结构和通信协议 IDA(The Interface for Distributed Automation)是一个完全基于以太网的工业以太网规范,结合了基于web的实时分布式自动化环境和集中式安全架构,目标是创建一个去中心化的基于 TCP/IP 的自动化解决方案。 2、Ethernet/IP通讯结构和通讯协议 ODVA不仅拥有DeviceNet和ControlNet,还控制着另一种总线EtherNet/Industrial Protocol(EtherNet/IP),它结合了DeviceNet和ControlNet目标库CIP(Control and Information Protocol,控制和信息协议,包括所有经典 PLC 操作)与以太网物理介质捆绑在一起。 8.2 工业以太网的主要标准BootP-Bootstrap Protocol,(Internet)Self-guiding Protocol DHCP-Dynamic Host Configuration Protocol,[TCP/IP]动态主机配置协议Application Program API(应用程序接口)IDA目标模型ModBus TCP P/S NDDS30 C/S Information BootP + DHCP Web File Transfer eMail HTTP Server FTP Server SNAP Client Option Stack UDP TCP IP Ethernet IDA协议栈 图8-46 IDA协议栈 IDA协议栈如图8-46所示。

图 8-47 EtherNet/IP 通信协议模型应用对象库启动器气动阀交流驱动器位置控制其他 CIP 报文; 显式、I/O、路由 DeviceNet 数据链路层 (CAN) ControlNet 数据链路层 (CTDMA) 未来扩展 DeviceNet 物理层 ControlNet 物理层 EtherNet 物理层 未来扩展以太网数据链路层 (CSMA/CD) CIP 通用规范 用户层 应用层传输层物理层网络和数据链路层IP UDP TCP 解包EtherNet/IP 通信协议模型如图8-47 所示。 3、PROFInet的通信结构和通信协议 在PROFInet的第一个发布版本中提供了一个非确定性的控制层结构,有点类似于PROFIBUS网络。 在PROFInet V1.0中,商业以太网、TCP/IP和UDP/IP以及微软的DCOM、OPC和XML的功能得到了极大的增强。 这样,有些偏离了传统PROFIBUS的结构,但实际上很好地嵌入了西门子最近采用的基于组件的自动化策略。 在2003年推出的新版本PROFInet V2.0中,将通过实时通道(绕过TCP/IP协议栈)加入实时功能。

如图8-48所示,它采用了一种旨在减少数据链路层处理通信栈所需时间的传输协议,从而大大缩短网络的刷新时间,保证刷新时间在5~10ms。 除了循环传输,实时通道还可以完成非循环(事件触发、过程数据修改、操作命令下发等)传输。 同时还必须增加网管、web功能、直接集成I/O设备等功能。 4、HSE通讯结构及通讯协议 美国FF(Fieldbus Foundation)采用高速以太网开发通讯网络的骨干网络,在FCS系统的控制层以上,控制层以下仍采用H1现场总线控制层,形成信息集成的开放架构。 HSE 遵循标准以太网规范。 PROFInet DCOM 实时数据 TCP IP 带标准控制的实时软件以太网 数据链路层 Layer 7 Layer 3 Layer 4 Layer 2 图 8-48 PROFInet V2.0 实时数据 优化通信通道 FF 在其规范中指定 21为基本过程控制和高级过程控制提供了多种功能块。 这些标准功能块位于连接到 HSE 的现场设备中,并且只要它们被配置就可以链接。 针对复杂的批处理、混合控制等应用,FF还规定了灵活的功能块,支持数据采集监控、子系统接口、事件序列、多通道数据采集,可作为网络与PLC等进行通讯协议。 连接器之间。 综上所述,我们可以得出这样一个结论:HSE工业以太网为连续过程控制行业和间歇性制造行业所需的连续实时控制提供了多种解决方案。

它为连续过程控制系统、间歇制造控制系统、批次控制系统以及MES、ERP等企业信息管理系统的集成提供了相当成熟的工业以太网标准协议。 HSE 的通信栈如图8-49 所示。 NMA 网络管理代理 VFD 虚拟现场设备 H1 接口 1 H1 接口 n … HSE SMK 系统管理内核 HSE LRE LAN 冗余实体 HSE 管理代理 HSE SMIB HSE NMIB FMS VCRs FDA 会话 FDA(现场设备访问)代理 TCP UDP IP IEEE 802.3 Media Access Control and Physical Layer HSE MIB Management Information Base OD FBAP VFD 1 OD FBAP VFD n DHCP SNMP SNTP 图8-49 HSE通信栈 工业以太网在技术上一般与商用以太网兼容,但在产品设计上是典型的工业通信网络能够满足工业现场在实时性、可靠性和环境适应性方面的需求。 与商用以太网相比,工业以太网在以下几个方面有特殊要求: (1) 要求实时性高,时间确定性好。 (2)传输的信息多为短帧信息,信息交换频繁。 (3) 容错能力强,可靠性和安全性好。

(4)控制网络协议简单实用,工作效率高。 (5) 控制网络结构高度分散。 (6)智能控制设备和控制功能的自主性。 (7)与信息网络的沟通高效,易于实现与信息网络的融合。 (8)设备可靠性和环境适应性。 (9)远距离传输。 (10) 总线供电。 (11)本质安全防爆。 8.3 以太网应用于工业控制需要解决的问题 (12) 网络安全。 (13) 互操作性。 与传统商用以太网相比,工业以太网对设备的要求更为严格。 工业以太网要求设备在恶劣的环境下正常工作,对温度、湿度、抗干扰、电磁兼容、机械强度等方面都有很高的要求。 1、应用广泛以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,得到了广泛的技术支持。 以太网最典型的应用形式是Ethernet+TCP/IP+Web。 几乎所有的编程语言都支持以太网应用开发,如Java、Visual C++、Visual Basic等。 2. 低成本 8.4 工业控制以太网的优势