工业以太网技术简介

1、工业以太网2010-10-26主要内容l概述lprofinetlff hselethernet powerlinklethernet/iplepalmodbus概述l一直以来，工业控制是采用现场总线来实现的，但由于种种原因，现场总线的种类越来越多，各种现场总线之间由于没有统一标准，导致互操作性很差，因此引入了低成本、高速率、应用广泛的以太网技术。l然而，以太网的实时性和可靠性较差，难以满足工业控制要求，因此，相关组织对以太网进行了一些扩展，称为工业以太网。l工业以太网对实时性的解决有些是通过应用层来做的，如ethernet/ip、modbus等，这些网络的实时性较差；也有一些技术在tcp、ip

2、和以太网都做了实时性的扩展，如profinet、ethernet powerlink，以及我国提出的标准epal下面将分别介绍这些不同的工业以太网。profinetl由profibus发展而来，从应用层到物理层的整体解决方案。协议栈提供标准通信通道和两类实时通信通道l标准通道：tcp/ip，非实时l实时通道：旁路了tcp/ip，使用了报文优先级l同步实时通信：同步实时asic芯片，进一步缩短软件处理时间为实时数据预留时间片，标准通道数据只能在时间片外发送在一个周期内通过分隔时间域来传输实时和非实时数据。循环实时报文通过确定性通道(irt channel)来传递；而tcp/ip报文则通过标准通道

3、(open channel)来传递lprofinet三种通信方式tcp/ip：标准方式，响应时间100ms实时通信：旁路协议栈，通过实时通道和优先级方式提高实时性，510ms同步实时通信：设备同步、划分时间片，响应时间1ms lprofinet的实时通信软件层通过实时操作系统(和报文优先级)实现软实时(software rt)通信问题同步实时通信(irt,isochronous rt)l除了使用rt软件外，还需要硬件支持。这里，由以太网第二层运行的时间触发协议实现，通过switch-asic ertec同步实时交换芯片保证，不需要vlan优先级，但是，需要对mac帧的类型域和标识符域(工业环境

4、中用标识符域区分报警和事件)作修改。l采用了ieee1588时间同步协议，可实现联网设备间的亚微秒级同步。并且通过周期性同步信息克服漂移。同步过程如右图：结论：ff hse（foundation fieldbus high speed ethernet） l 基金会现场总线（ff）是专为过程自动化而设计的通讯协议。ff最初包括低速总线h1（速率为3125kbps）和高速总线h2（速率为1mbps和25mbps）两部分。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的提高，控制网络的实时信息传输量越来越大，h2的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。鉴于此，现场总线基金会放弃了原有h2总线计划，取而

5、代之的是将现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现场总线ff hse（high speed ethernet）。lff现场总线基金会明确将hse定位于实现控制网络与互联网internet集成。由hse链接设备将h1网段信息传送到以太网主干上并进一步送到企业erp和管理系统。操作员主控室可以使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获控制信息。hse网络拓扑结构 l链接设备(linking device)将ff h1网络连接到hse网段上，hse链接设备同时也具有网桥和网关功能，它网桥功能能够用来连接多个h1总线网段，使不同h1网段上面h1设备之间能够进行对等通信而

6、无需主机系统干预。hse主机可以与所有链接设备和链接设备上挂接h1设备进行通信，使操作数据能传送到远程现场设备，并接收来自现场设备数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块flexible function block中。ff hse的体系结构ff hse protocol stacklhse低四层直接采用以太网+tcp/ip，应用层和用户层直接采用ff h1应用层服务和功能块应用进程规范。可靠性冗余技术lhse除了具有高带宽和更好的开放性之外，除了具有高带宽和更好的开放性之外，灵活的网络和设备冗余形式以及灵活功能灵活的网络和设备冗余形式以及灵活功能块技术是块技术是hs

7、e的两个特色技术。的两个特色技术。lhse规范支持包括标准以太网应用的冗余。规范支持包括标准以太网应用的冗余。hse冗余提供通信路径冗余（冗余网络）冗余提供通信路径冗余（冗余网络）和设备冗余两类，允许所有端口通过选择和设备冗余两类，允许所有端口通过选择连接不同路径。连接不同路径。可靠性冗余技术可靠性冗余技术l通信路径冗余是通信路径冗余是hse交换机、链接设备和主交换机、链接设备和主机系统之间的物理层介质冗余，或称介质冗机系统之间的物理层介质冗余，或称介质冗余。冗余路径对应用是透明的，当其中一条余。冗余路径对应用是透明的，当其中一条路径发生中断时，可选用另一条路径通信。路径发生中断时，可选用另一

8、条路径通信。l设备冗余是为了防止由于单个设备冗余是为了防止由于单个hse设备的故设备的故障造成控制失败，在同一网络中附加多个相障造成控制失败，在同一网络中附加多个相同设备。同设备。可靠性冗余技术l在在hse的体系结构图中，每个的体系结构图中，每个hse设备中专门设备中专门设计了一个设计了一个lan冗余实体（冗余实体（hselre），提供，提供容错处理，容错处理，lre周期地发送和接收冗余诊断信周期地发送和接收冗余诊断信息。每个息。每个hse设备通过诊断信息建立一个网络设备通过诊断信息建立一个网络状态表，它记录着连入网络中的所有状态表，它记录着连入网络中的所有hse设备设备的详细状态信息，根据这

9、张网络状态表，的详细状态信息，根据这张网络状态表，lre来选择决定使用哪条路径或端口来传送信息。来选择决定使用哪条路径或端口来传送信息。hse的容错处理方法增强了控制网络的可靠性的容错处理方法增强了控制网络的可靠性和安全性。和安全性。实时性lff hse主要使用udp来传输重要的控制信息，这些信息对实时性有较高要求。而对于一些实时性要求并不是那么苛刻的通信则使用tcp传输。lff hse没有更多保证实时性的措施。ethernet powerlinklethernet powerlink（epl）标准是一种可满足最苛刻实时要求（4级）、并已投入实际应用的工业以太网。lethernet powel

10、ink主要技术指标：用标准以太网ieee802.3u（fastether-net）作为传输媒介；传输速率100mb/s；使用标准hub和标准接线；实时数据传输周期最小达200s；抖动小于1s；可同时传输实时和非实时数据；可同时传输ip协议；使用以太网标准硬件设备。工作原理时间槽通信管理机制l为避免冲突、尽量利用带宽，epl在时间上重新组织了网络中站间信息交换机制，在csma基础上引入时间槽管理机制。网络其中一个站点充当管理站管理网络通信，对其他所有站点给定同步节拍，分别分配各站发布权限，各站只能在得到发布权限后才可发布信息。一个epl通信周期可分成4个阶段epl通信周期的4个阶段l1开始阶段：

11、管理员发布“通信周期开始（soc）”信号，信号以广播方式发给所有站点。此信号发出后，各站点就此同步。l2同步阶段：这阶段中所有站点进行同步信息交换，管理站按照一个事先定义的顺序给某站发一个prq帧，要求此站发布信息。此站得到发布许可后，以广播形式发出一帧prs回应信息，所有站点都可收到这帧信息，也包括那些应该得到这帧信息的站点。epl通信周期的4个阶段l3异步阶段：这个阶段是给无实时要求的信息留下的，管理站发给某站一个“邀请”帧，此站便可发布非同步信息，比如一帧ip信息。l4闲置阶段：到下一个周期前的等待时间。ethernet powerlink和tcp/ip的兼容性l实现贯穿管理层到现场层乃

12、至传感器、执行器层的通信。l通过两个机制来实现这个目标：实时和非实时（异步）信息可同时传输；透明地在异步时间槽发送和接收ip协议信息。ethernet powerlink和tcp/ip的兼容性lethernet powerlink接口函数api和标准以太网驱动函数完全兼容。在应用层上，基于ip的协议或软件都可不加改动就直接使用。在通信实时性不重要时，如程序下载、系统编程诊断或参数配置过程中，用ethernet powerlink的开放模式可使所有站点作为普通以太网站点的模式来使用（非实时模式）。在这个模式下epl站点对普通以太网来说完全透明。ethernet/ip（industrial pro

13、tocol）概述l在工业控制上，现场总线已经发展的比较成熟，形成了主要的几种协议作为不同工业控制领域的规范l为了适应以太网的工业应用，各协议都进行了针对性的改良，其中由devicenet及controlnet发展得到的就是ethernet/ipl其核心是在应用层采用cip（control and information protocol）协议与以太网结合ethernet/ip协议模型enternet/ip的说明-cip协议lenternet/ip是自上而下从应用层来完成以太网和工业应用结合的过程，enternet/ip额外加入网络层和传输层，和现场总线可以通过工业路由器相连lcip协议对上层应

14、用设备做出了规范l采用生产/消费模式进行信息传递lcip协议本身和下层介质无关，因此易于移植及扩展enternet/ip的说明-实时性与可靠性l以太网的基本协议不变，通过cip协议来实现实时性及可靠性lcip控制部分 隐性报文 实时i/o通信 采用udp传输 对时间要求较高 lcip信息部分 显性报文 非实时信息交换 采用tcp传输 传输量较大enternet/ip的优缺点l优点：l兼容性好 传输速率不错 接口容易 l缺点：l实时性不够：全双工方式 速率提高l报文利用率低l环境适应性：工业以太网都需要解决的 问题工业以太网epalepa由中国自主研发的一组工业以太网标准，与ethernet/i

15、p等都是行业规范之一l传输层及网络层沿用tcp/ip，即以太网协议，而在应用层加入epa应用层协议，在数据链路层加入epa通信调度管理实体工业以太网epa -同步时钟l同步时钟的实现：l1 ptp网络拓扑结构：（oc bc）lm主时钟，s从时钟通过报文传递校准l同步报文 跟随报文 延时请求 延迟相应lptp的“结构体”（引擎结构“数据集”）工业以太网epa -同步时钟l同步时钟的实现：l2 算法：l时钟同步算法：通过报文传递校准l最佳时钟算法：l1 数据集比较算法；l2 状态决策算法；l同步结束后，通信调度实体就可以根据其调度策略为各种帧分配时间槽，并以此来体现不同的优先级顺序。工业以太网ep

16、a确定性调度l确定性调度基础：同步时钟l主要通过epa通信调度管理实体：l不改变数据链路层对上层的服务，也不改变与物理层接口，只完成对报文调度管理l采用方法：l分时发送机制 按预先组态的调度方案l对周期非周期报文按不同时间发送工业以太网epa确定性调度l基于时间片调度和基于优先级调度结合l调度优先级：l1 所有epa报文均高于其他协议报文l2 周期性报文拥有最高优先级l调度原理：l调度宏周期 l周期报文传送+非周期报文传送modbus 简介简介lmodbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。 modbusl控制器通信使用主从技术l查询回应周期 modbus 客户客户/服务器模型服务器模型 l modbus requestl modbus confirmationl modbus indicationl modbus responselthe modbus messaging services are used for real time information exchangemodbusmodbusl简介简介l协议描述协