《IP工业以太网协议白皮书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IP工业以太网协议白皮书.docx（32页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、EtherNet/IP工业以太网协议白皮书和ControlNetInternational两家国际性制造商组织所拥有，它们都在应用层采用了CIP协议通用工业协议。最近，ODVA和ControlNetInternational共同推出了EtherNet/IP标准工业以太网。本文将介绍它的技术原理和传输机制，和怎样在基于TCP/UDP/IP协议的以太网上实现网络效劳和数据对象的一致性。I.简介工业自动化系统的网络必须为用户提供三种主要的效劳。首先是控制，这也是最为重要的功能。控制效劳主要用于完成控制设备例如PLC与I/O设备例如变频器、传感器和其它执行机构之间的数据交换，并且有苛刻的实时性要求。因
2、此，相应的传输网络必须为这类数据的传输设定较高的优先权或中断等级。其次，还要提供配置效劳，方便用户对自动化设备进展设置和维护。通常，用户需要使用个人计算机PC或类似设备对系统中不同的设备进展编程和配置。这项任务不仅需要单独执行，而且还要在控制系统运行的情况下，支持配置效劳。比方，批量处理经过中的配方管理就需要这样功能。最后，用户需要收集自动化系统运行经过中的各种数据，用于人机界面显示、数据分析、趋势图绘制、故障处理和维护。可见，工业自动化系统的网络必须提供：控制、配置和数据收集三种效劳，这样才能让网络更加高效、灵敏，进而进步自动化系统的整体性能。在网络中，消费者/消费者通讯形式比源/目的通讯形
3、式更容易支持控制、配置和数据收集效劳。在网络应用层协议中，利用分布式对象和消费者/消费者通讯形式，将会更好地知足自动化系统的应用要求。如图1所示，一个典型的工业自动化系统网络构造。由于每种网络都有不同的物理层和数据链路层，其属性和特点也各不一样。因此，在这样的系统中，不要指望某种单一的网络可以知足所有的应用要求，而是需要采用多层网络架构，并且要求不同网络之间的数据具有一致性，进而方便网络间的数据交换与分享。假如在以太网上实现控制、配置和数据收集效劳，同样不可防止其它网络效劳也要在网络上运行。因此，消费者/消费者通讯形式必须做到在同一网段上完全可以与其它效劳共存比方用于网页阅读的HTTP效劳。在
4、图1中可以看到，一个典型的工业自动化系统网络包括：1、信息层网络，通过以太网来实现。许多控制器厂商早就提供对以太网的支持；2、控制层网络，通常利用网络确实定性和介质是否冗余等传统标准来衡量某一网络能否作为控制层网络，ControlNet属于这类网络；3、设备层网络，要求传输数据较少，可以通过一根结实、耐用的电缆来完成数据传输和设备供电，DeviceNet属于这类网络。ODVA开放DeviceNet供给商协会和ControlNetInternational两家组织推出了新的CIP协议成员EtherNet/IP，进而实现了通过以太网提供控制、配置和数据收集效劳。因此，它可以作为图1中的信息层网络和
5、控制层网络来使用。II.CIP协议在以太网上的实现EtherNet/IP协议标准被细分为多个章节和附录，主要内容如图2所示。从图2可以看出，EtherNet/IP、DeviceNet和ControlNet三种网络具有统一的应用层、应用对象库和设备描绘。也就是讲，在七层OSI网络参考模型中，这三种网络只有最低的四层不同，如图3所示。图2描绘了EtherNet/IP的协议构造，通过使用这些不同层面的协议，实现了对控制、配置、数据收集效劳的优化，使得EtherNet/IP在控制领域的应用更加实在可行、更加平安可靠。III.与其它Internet协议共存EtherNet/IP网络的主要优势在于大多数用
6、户可以通过利用现有的以太网技术知识和网络设施，让它们发挥最大的作用，获得更多的投资回报。目前，诸多厂商都能提供以太网设备，使得组建网络的费用大大降低。因此，用户更祈望可以利用目前市面上已有的网络设备，进而控制系统本钱。假如EtherNet/IP网络需要采用指定厂商的特殊物理介质来构建，那么它的优势就不复存在。同样道理，假如EtherNet/IP网络需要一个专门的网络环境来运行，或不能与现有的企业网络相连接，那么它的优势也会黯然失色。因此，EtherNet/IP网络必须可以与现有的Internet和Intranet网络协议共存。这就意味着，在任何地方都要使用TCP/IP协议。A.以太网通讯协议以
7、太网技术本身只定义了物理介质和介质的访问方式CSMA/CD，并采用简单的数据帧格式和源/目的通讯形式来完成局域网设备之间的数据交换。就其本身而言，以太网缺少更为复杂的功能来实现局域网的全部应用要求。正因为如此，在实际使用经过中，还需要让以太网支持一个或者多个通讯协议，让它们作为以太网的上层协议，负责数据传输，实现网络管理等功能。因此，这种上层的通讯协议决定了网络所支持的功能，和什么样的设备可以连接网络，如何实现网络设备之间的互操作。曾经有许多协议在以太网上应用过，例如DECnet、NovellIPX、MAP、TOP、OSIStack、AppleTalk和TCP/IP。在这些协议中，TCP/IP
8、协议最为引人瞩目，因为为它不仅实现了全球Internet的互联，还能用于构建企业内部的Intranet网络，实现企业信息的分享和数据交换。TCP/IP作为Internet的协议，不仅可以运行在以太网上，还支持其它物理介质。当然，以太网也支持其它协议。但是，由于TCP/IP协议与以太网的结合，实现了Intranet和Internet的无缝集成。所以，它们之间的关系也就越来越亲密。在工业现场，无论是如今，还是在不远的将来，TCP/IP协议迟早都会成为在以太网中占有统制地位的“中间层协议，如图3所示。B.TCP/IP协议的起源与特点多年度来，世界上主流的计算机平台都提供对TCP/IP协议的支持。如今
9、，它已经内置到WindowsNT、Windows2000等操作系统中，成为用户构建计算机网络的首选协议。在许多公司，可能拥有数台工作站、网络打印机、效劳器、中型甚至大型计算机，单单某一家厂商很难提供所有这些设备。因此，这些设备都采用了统一的TCP/IP协议，使得它们都可以集成到局域网中。TCP/IP协议也采用了分层构造，它与OSI七层网络参考模型的对应关系如图3所示。从图3可以看出，以太网技术只定义了物理层和数据链路层。网际协议IP对应于第三层网络层，TCP传输控制协议和UDP用户数据报协议对应于第四层传输层。在基于TCP/IP协议的网络中，用户效劳协议属于第七层应用层。TCP/IP协议组没有
10、OSI网络参考模型的第五层和第六层。OSI网络参考模型中的每一层都需要使用其下一层协议所提供的效劳。比方，一个TCP连接需要在以太网上向另外的设备发送一个数据包。首先，它需要将这个数据包交给IP协议进展处理，由IP协议将这个数据包发送给以太网接口，并确定这个数据包传送到了目的设备。同时，作为接收方，IP协议要通过以太网接口接收数据包，然后将其交给TCP协议进展处理，建立通讯连接。TCP/IP协议的最底层是网络层，也是IP协议所在的层面。IP协议用于在两个网络设备之间，采用无连接和无确认应答的方式发送数据包。因此，IP协议并不能对数据的传输提供担保，而需要由传输层协议或应用层协议来完成这一任务。
11、IP协议可以运行在以太网和多种其它局域网或者广域网中，这正是IP协议可以实现企业内部Intranet网络和Internet无缝连接的原因。在网络层中，还有地址分辨协议ARP。ARP协议用于实现IP地址到以太网地址的映射，和维护网络设备中的地址映射表。当某一设备要将一个IP数据包传送给其它设备时，发送设备首先会尝试使用本地播送报文去询问目的IP地址的设备，然后将其以太网地址返回给发送设备。这一应答结果将被存入发送设备内部的地址映射表，方便以后使用。值得注意的是，以太网播送报文只能在集线器、交换机和网桥之间传输，不能穿透路由器。因此，以太网播送报文被限制在一个子网内，而不可能扩散到全球范围的Int
12、ernet网络中。IP地址是32位的二进制数字，由独立的InterNIC网络信息中心负责分配，在某一网络中不能重复。任何企业网内部的设备需要和外界通讯，都必须使用事先分配好的IP地址。这与以太网地址不同，以太网地址是由消费厂商固定在以太网硬件设备中的地址，不能进展更改。用户可以根据自身企业信息系统的相关规定和要求，配置网络设备的IP地址和子网。有时候可能需要改变网络设备的IP地址，但是应该在此之前做好心细的规划，防止网络上某一设备已经占用了特定的IP地址，进而造成IP地址冲突，使得已有的网络不能正常工作。假如一个内部的局域网通过路由器与Internet相连接，那么这些设备的IP地址必须属于已分
13、配给它使用的IP地址段。假如内部局域网不与Internet相连接，那么它的IP地址分配就可以按照自己的要求来进展。随着Internet的普及和广泛应用，可用的IP地址资源已经濒临枯竭。目前，人们正在研究使用新的IP地址形式，也就是IPv6，它支持48位二进制的IP地址形式，这样一来，就有充足的IP地址供人们使用。与以太网地址类似的是，IP地址也分为非播送单目的、多点传送目的组和播送网络上的每个设备都能接收地址。因此，IP地址必须通过相应的IP软件和以太网驱动程序将其映射成对应的以太网地址。TCP/IP协议制定了TCP传输控制协议和UDP用户数据报协议两种协议用于数据传输。它们都属于OSI七层网
14、络参考模型中的传输层。TCP协议是一种面向连接的协议，用于确保数据的可靠传输。一旦在两个设备之间建立起TCP连接，TCP协议将用于拆分、组装数据包，检测错误、数据重新发送，通常用于在两个网络设备之间提供高质量的数据传输。TCP协议可以确保数据从一个网络设备传输到其它网络设备。一旦由于某种原因造成传输失败，TCP协议将确保TCP连接的收发双方应用程序可以得知这一故障。TCP协议将数据以字节流的形式提供应它上一层的应用层协议。同时，应用层还要对字节流数据进展识别和分割。TCP协议只合适于非播送点对点传输方式，通常在Telnet终端仿真、FTP文件传输和HTTPWeb效劳等应用中采用。在工业自动化应
15、用中，TCP协议通常用于计算机向PLC下载梯形图程序，或人机界面软件对PLC数据进展读写，和两台PLC之间的点对点信息交换。UDP是一种非常简单的传输协议，它采用无连接的通讯方式，用于在两个网络设备之间进展简单的数据报文收发。它并不能保证数据可以从一个网络设备发送到另外一个，也没有数据重发功能，甚至不知道目的设备是否已经收到了数据。因此，需要应用层协议实现设备之间的握手信号或连接收理，通常在较小流量要求的效劳中才使用UDP协议，例如SNMP简单网络管理协议和NFS网络文件系统。UDP协议与TCP协议相比，传输才能和资源占用都比拟低，因此可以进展更小、更简单、更快捷的数据传输。UDP协议支持非播
16、送、多点传送和播送三种不同的传输方式。在工业自动化应用中，UDP协议通常用于网络管理、对可靠性要求不高的数据传输，或由应用程序的其它功能实现自身的可靠性，比方在网络设备中采用闪存芯片进展编程。有关TCP/IP协议及其应用的技术资料已经被归档，称为恳求评注RFC，由Internet工程任务组IETF负责维护。IETF是一个独立性的组织，用于制定Internet的各种标准协议。所有RFC资料都是公开的，用户可以从IETF的网站免费下载。C.应用层协议及互操作性TCP/IP协议提供一系列的效劳，无论是在局域网中，还是在广阔的Internet中，都可以保证两个设备之间的互相通讯。但是，单独采用TCP/
17、IP协议并不能确保网络设备的通讯效率，它只能保证应用层信息可以成功地在两个设备之间进展传输。为了进步通讯效率，需要在相应的网络设备上安装兼容的应用软件。应用软件必须互相懂得对方所提供的效劳，可以在TCP/IPUDP/IP协议的根底上，使用通用的报文格式进展通讯。RFC资料提供了Internet常用应用效劳的文档，例如FTP、HTTP、Telnet、SNMP、SMTPE-mail等，详细定义了它们的工作机理。因此，任何厂商只要根据RFC资料的要求进展消费和程序开发，就可以确保设备之间可以互相通讯，甚至是不同厂商的设备。这种通过应用层协议实现不同厂商设备之间一样通讯的才能被称为互操作性。固然文件传
18、输FTP、终端仿真Telnet、电子邮件SMTP和其它通用的效劳已经在IETF的指导下确定下来。但是在工业自动化领域，情况却不是这么简单。固然某些自动化厂商的设备可以工作在以太网上，也采用了TCP/IP协议，但是它们却有着不同的应用层协议。这样一来，在车间现场中，不同自动化厂商的设备即便可以与局域网相连接，在物理上可以实现共存，却不能进展设备之间的互操作。比方，A厂商的PLC不能通过TCP/IP连接，方便地分享B厂商PLC中的数据；或A厂商工作站内的软件不能对B厂商的设备编程或配置。可见，由于缺乏互操作性，即便在同一个工程，同一个以太网中，用户也很难将不同厂商的以太网设备集成在一起，构成一个系
19、统。EtherNet/IP协议可以与任何现有的协议共存，它们都可以运行在TCP/UDP传输层之上。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，而且已经可以实现与整个企业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或者MES系统与现场设备交换数据、内部网页效劳、控制设备监管、操作员终端与现场设备通讯、事件记录或者报警等。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才能，而响应时间那么是第二位需要考虑的问题。如今，固然有些用户已经将以太网用于自动化控制系统，
20、但是其控制才能具有一定的局限性。比方，通过以太网分享处理器中的数据，这样的应用工程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确实定性和可重复性。IV.网络内及网络间的数据交换固然EtherNet/IP网络具备直接利用以太网进展设备数据收集和配置的功能，但也不要指望单一的网络可以知足所有的需要。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，假如需要在光电传感器、接近开关等简单的设备中集成EtherNet/IP网络连接功能，可能费用还比拟高。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
21、户可以充分利用EtherNet/IP的远程联网才能，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效劳，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，才可以让数据在不同的网络之间进展路由。A.面向对象的数据构造将来的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的互相连接。与DCOM和CORBA等“中间件标准相比拟，固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
22、互操作方法是一致的。分布式对象模型的构造具有显著的优势，它为软件开发者和最终用户提供了方便的手段，无需考虑设备的详细物理位置，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构造实现透明访问，获得详细信息。沿用至今的源/目的通讯形式可能不会在将来的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，又要知足实时控制要求，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。为了到达这一目的，所使用的应用层协议必须知足一系列的要求，进而在基于TCP/IP协
23、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形式用于实时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知足工业自动化系统的各项要求可以被广阔自动化设备厂商承受并施行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，可以在上述三种网络中使用。根据某一类设备所需的功能，今后可以参加新的对象，这将有利于对设备功能的扩大。比方，一个工作在DeviceNet网络上的接近传感
24、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，还可以在设备供给商自定义寻址范围内类代码100199，8位对象类代码空间创立自己的对象。当然，强烈推荐开发者与ODVA和ControlNetInternational的十分兴趣小组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.电子数据表假如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：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
25、据表进展设备配置时，配置软件只能提示用户该设备需要用到的效劳、类的实例、属性数据和其它相关信息。固然这样也可以完成配置工作，但是很不方便，因为这种方法不能判断上下参数的关联，数据的格式和内容正确与否。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展了全面的描绘。这样一来，由于设备可以提供所需的信息，使得配置软件可以方便地访问这些参数，并且操作界面也特别友好。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，可以进展读写或者只读操作。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
26、DeviceNet从设备。因此，开发人员对参数对象方法进展了简化，称为参数对象存根。这种方法也支持对参数数据进展访问，但是它并不描绘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和与之相对应的存根。因此，电子数据表与参数对象存根的配合使用，既可以方便地实现参数对象方法的全部功能，又防止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展上传和下载。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者连接通讯管理对象。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
27、。一旦连接建立成功，就会对该连接分配一个连接标识CID。假如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展通讯，就需要对两个尚未连接的设备进展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恳求。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，都将被保存。这样一来，使得数据交换经过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
28、用处的通讯途径。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恳求/应答网络通讯形式，通常需要访问报文路由对象。每一个恳求报文包含有明确的显式信息，例如接收方的网络地址、需要执行的动作和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途径或者端口，在消费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，隐式报文中只包含详细应用对象的数值。也就是讲，通过连接标识“含蓄地定义了报文数据的详细含义，因此称为“
29、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、目的地址和连接标识。隐式报文通过应用层CIP协议的外部事件进展触发。在实际使用中，DeviceNet和ControlNet的源地址、目的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帧含有关于目的地址的额外信息通讯途径，它表示数据帧在传输经过中的“跳跃途径。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
30、设备层的电机起动器。在这一经过中，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，整个经过至少需要三次网络“跳跃。通过一系列的“跳跃，CIP数据帧的内容在整个旅途经过中都是完好无缺的，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数据帧中的途径完好无缺，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途径回传。无需考虑通讯的提议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。在这个例如中，电机起动器遵守DeviceNet标
31、准，编程计算机遵守EtherNet/IP标准，这两个设备可以互相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迫性对象，其中之一就有标识对象。标识对象的强迫性属性有供给商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，可以从目的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，进而知道该设备可以支持哪些公共对象，多数情况下，还能知道供给商定义的特殊对象。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。这种机制不受目的设备网络类型的约束，可以从图2和图
32、5中得知，数据对象不依赖于网络，也就是讲，一样的报文可以发送给一样的数据对象，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，提议需要屡次“跳跃的报文，并可以将信息层网络作为“跳跃经过的一个中间环节。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，可以以通过Internet，使用显式报文实现数据交换。
33、V.基于EtherNet/IP网络的I/O控制A.以太网能否作为控制网络？从传统意义上来讲，有人不赞成以太网用于控制目的，其原因在于以太网是非确定性的网络。这一问题已经成为业界争论的焦点。确定性可以帮助用户准确估计在最坏情况下，网络数据的传输才能。同时，用户对可靠性也提出了更高的要求，需要确保每次都能在一样的时间内完成数据传输或尽快识别出数据不能到达的情况，以便采取相应措施。随着以太网技术的不断开展，在网络确定性、可重复性和数据吞吐量上，都有了很大的进步。例如，以太网交换技术将容易产生数据冲突的区域分割成单个设备区域或一小组设备，使得数据冲突几乎可以减少到零。CSMA/CD带冲突检测的载波监听
34、多路访问技术在网络出现冲突时，不仅可以及时发现，而且还可以恢复网络通讯。此外，通过在以太网IEEE802.1p的适当位置引入报文优先级别，可以使交换机和TCP/IP协议栈有才能区分控制/报警信息数据包和编程数据包，和其它的网络路由、诊断数据SNMP。然而，这些技术还未在高速控制系统中进展尝试。在某些对实时性有苛刻要求的应用工程中，只要比预定时间晚一点收到某个数据，就可能造成消费线停机，影响产量，甚至是损坏产品或者设备。在以太网交换机中，数据包延迟时间的变化甚至数据包丧失，都有可能造成严重的事故。在信息系统中，交换机、集线器的损坏最多会让信息系统丧失局部消费数据；但是在控制系统中，假如发生这样问
35、题，不仅会影响产量，还会损坏消费设备。因此，用户在选择网络时，都要对详细的应用工程进展充分考虑，以便确定基于TCP/IP协议的以太网技术到底是最好的方案，还是可行的方案。B.以太网交换技术的开展近年度来，转发式集线器技术和以太网网桥技术已经被新的高速交换技术所取代，交换机任意两个端口之间的数据交换延迟已经降低到百万分之几秒。通过专用的硬件设备来实现高速交换，使得交换机具有非常高的背板通讯带宽。通常情况下，交换机背板通讯速率大于该设备所有以太网端口通讯速率之和，因此可以支持所有端口全速运行而不会发生冲突。此外，某些交换机还可以对数据帧进展临时缓冲，用来解决短时期内对同一输出端口的争夺。交换机被称
36、为交换式集线器，属于第二层数据链路层的数据交换，也称为简单交换。实际上，交换机就是一台多端口的网桥。交换机上的每个端口都有自己的冲突域，当设备通过交换机连接后，互相之间不会发生数据冲突。此外，交换机上的每个端口可以配置为半双工形式传统以太网，或全双工形式。全双工形式下，交换机与连接到某一端口的设备之间，可以在每个数据传输方向上提供10Mbps的连接速率，总共为20Mbps。对于快速以太网来讲，全双工形式可以为每个传输方向提供100Mbps的连接速率，总共为200Mbps。与传统的网桥类似，交换机内部要建立并维护一个以太网地址与端口的映射表。当交换机从某一端口接收到数据包之后，可以立即将该数据包
37、“交换到相对应的输出端口，而这一经过通常可以在百万分之几秒内完成。更先进的交换机支持虚拟局域网功能VLAN，用户可以对交换机进展配置，将假设干个端口划分为一个组，从该组某一端口接收到的数据包只能发送给组内的其它端口。另外，VLAN的划分通常可以在一台交换机上实现交叠，某个端口可以隶属于多个VLAN。这一功能为用户提供了极大的灵敏性，可以将交换机上互相分割的端口配置为多个互相交叠的冲突区域。与转发式集线器相比，交换机可以支持更大的数据吞吐量，不会像转发式集线器那样，在网络负荷增加时出现数据冲突，造成严重的传输延迟。因此，在那些负荷较重、传输延迟明显的网络中，最好使用交换机代替转发式集线器。固然交
38、换机如今的价格比转发式集线器贵，但是随着技术的开展，它的价格会迅速下降。到时候，交换机将取代转发式集线器，成为网络连接的首选设备，而它的用处也不仅仅局限于控制领域。当然，交换机某些性能上的限制可能会对一些特殊的应用工程造成影响，必须对这些问题加以足够的重视。例如，来自多个端口的数据包需要发送到同一端口，在这种情况下，交换机内部可能会出现数据拥塞。通常的处理方法是简单地丢弃某些数据包，或告诉发送设备出现了冲突，待拥塞去除之后再发送数据。详细采用哪种方法处理数据拥塞，由交换机消费厂商做出选择。另外一个问题在于，交换机可能会在数据流中插入时间不等的延迟，这对于普通的办公应用来讲没有任何影响，但是对于
39、某些工业自动化控制系统，可能会造成严重的后果。固然交换机对每个端口的冲突区域进展了隔离，但是它并没有对播送区域进展隔离。当然，假如交换机支持虚拟局域网功能，可以以通过设置VLAN来隔离播送区域。在以太网中，从任一端口接收到的播送报文将被发送给所有端口上的设备。这就意味着存在一个问题，假如某个设备出现故障，或没有配置好，它可能会太多地向网络发送播送报文，进而导致整个以太网传输性能下降。有些交换机消费厂商采用了相应的方法，去抑止这种太多的播送报文。由于以太网播送报文也采用TCP/IP协议用于地址解析。因此，播送报文在以太网上的处理方式与其它基于TCP/IP协议的报文是平等的。所以这些方法缺少通用性
40、。尽管如此，只要网络配置得当、操作正常，播送报文只会占整个网络数据量的很小比例。另外，交换机和转发式集线器都属于有源设备，其内部有着复杂的数字电路，需要外部供电通常为沟通电才能工作。一旦交换机或集线器出现故障，将导致所有与之相连接的设备，包括其它交换机或集线器，都不能正常通讯。在修好或交换交换机、集线器之前，与之相连接的设备不能与车间的其它网络进展通讯。此外，大多数以太网介质和配件都是针对办公室或轻工业的应用环境而设计的，并没有按照恶劣工业环境下控制设备的标准进展设计和测试包括允许的温度范围、工业级CE认证、抗冲击和抗振动性能等。对于以太网在新领域，尤其是工业现场的应用，这些问题都应该加以考虑
41、。C.以太网性能的开展近年度来，随着以太网技术的开展，先后出现了快速以太网和千兆以太网。IEEE802.3u标准标准对快速以太网进展了定义。快速以太网根本速率为100Mbps，它与10Mbps以太网采用一样的帧构造、寻址方式和CSMA/CD介质访问协议。然而，快速以太网中的所有网络定时参数都需要除以10。因此，在某些配置情况下，与10Mbps以太网相比，快速以太网两个节点之间的间隔可能会短一些。快速以太网具有传统以太网10倍的线速度，可以充分知足高带宽应用工程的要求，例如视频、音频传输，或是网络中大数据量的文件交换。尽管如此，某些应用工程并不知足于单纯网络线速度的进步。十分是在车间现场，有许多
42、基于微处理器的智能设备连接到以太网中，例如I/O模块、传感器、执行机构、变频器和其它接口设备。这些设备发送和接收的数据都被封装到64个字节长度的以太网帧内这是以太网支持的最小帧长度。因此，影响这些设备性能的主要因素在于微处理器速度和嵌入的固件，而不是网络的线速度。这些设备几乎不可能完全利用10Mbps以太网的带宽，除非是由于应用层协议的效率较低，造成设备重复进展点对点的数据轮询。另外一个显著的优势在于，100Mbps以太网比10Mbps以太网有着更高的数据冲突恢复才能。正如前面所述，100Mbps以太网的数据冲突后退时间是10Mbps以太网的特别之一。由于网络负荷较重，经常出现数据冲突，100
43、Mbps以太网的性能要明显优于10Mbps以太网。而在数据冲突不严重的时候，100Mbps以太网可以提供更大的带宽，支持更多的网络负荷。假如某一应用工程需要使用多个交换机，100Mbps的网络速率将有利于交换机之间的连接。当然，假如网络负载和数据冲突在10Mbps以太网中表现不是很明显，仅仅是简单地晋级到100Mbps以太网，这样的投资并不会有什么收效。D.隐式报文I/O信息在EtherNet/IP网络中的传输在4.5节中，已经介绍了通讯途径和显式报文和非连接报文在点对点数据交换中的应用。第二类报文，也就是隐式报文。通过应用层协议的支持，实现了网络节点之间的透明数据交换，无论是报文的“消费者还
44、是“消费者，在报文传输之前，都知道这个报文格式。当隐式报文用于I/O信息传输时，它可以充分利用消费者/消费者通讯形式的优势。另外，它还可以用于控制器之间预定信息的传输。在CIP协议中，隐式报文有四种主要的应用方式：状态改变周期循环轮询方式与传统的I/O网络通讯特别相似，扫描器主站不断地向I/O适配器从站发出输出信息并接收输入信息。选通方式是一种特殊的轮询，扫描器只发出一个多点传送的数据恳求报文，从设备会陆续将它们的数据传送回扫描器，而不再需要其它来自扫描器的信息。周期循环方式将按照预定的时间周期传送数据，每个报文都有一个连接标识。任何其它设备，只要知道这个连接标识，就能接收网络上符合这一连接标
45、识的数据。状态改变方式与周期循环方式类似，不同之处在于，只有当数据变化时才会发出报文，而不是基于时间事件。同时，状态改变方式还要发出一个周期性循环的“心跳信号，以便让数据的“消费者知道这一设备还处于在线状态，而且工作正常。上述四种方式中，周期循环是EtherNet/IP网络中首选的隐式报文数据交换方式，它在数据完好性和网络流量优化方面有着较好的平衡。为了让CIP协议可以在以太网中实现，其关键问题在于隐式报文可能有多个数据“消费者，它们要分享同一个数据包，然而TCP协议只能用于点对点的数据交换，所以它发送的播送数据包会被IP层回绝，而且还可能增加终端设备的负荷。UDP/IP数据包具有多点传送才能
46、，而且所需的应用层协议也比拟简单。因此，可以有效减少终端设备的处理时间。在典型的控制系统中，预期的通讯连接通常需要以几个毫秒为周期，频繁进展数据交换。UDP数据包并不是直接传送给具有“真实IP地址的接收设备，而是通过一个IP多点传送地址来发送数据。同基于CIP连接标识的点对点传输方式相比拟，这种方法的数据包中没有在应用层信息帧之前指定某个详细的接收节点。在这种情况下，接收设备作为“消费者，它必须事先知道这个IP多点传送地址事先已经由“消费者发送设备进展了分配为了到达这一目的，必须采用非连接报文管理对象。首先，通讯连接的提议设备例如，配置为I/O形式的PLC；而另外的PLC或其它设备作为连接的目
47、的设备发出点对点的TCP数据包，该数据包指明了连接提议设备需要接收的数据对象，和按照什么样的速率进展接收。然后，目的设备的连接收理对象将对数据包的内容进展审核，判断其是否符合该数据对象的连接表和刷新周期。假如符合，这个数据对象将作为“消费者发送数据例如，采用多点传送形式，它的连接标识和相关的多点传送IP地址将一并回传给对应的“消费者设备，如图7所示。假如不符合，UDP协议的相关IP地址和连接标识将被分配，并加载到连接收理对象中。数据不断地通过“消费者发送，所有知道这个多点传送IP地址和连接标识的设备都可以作为“消费者，接收并使用这些数据。最后，当“消费者设备没有连接到网络上时，必须有相应的机制
48、去关闭这个连接。由于UDP/IP协议采用了无需应答的传输机制，所以“消费者无法知道是否有“消费者在线，并且还在接收它发出的数据。为此，每个“消费者设备还需要向“消费者发送一种特殊的周期循环报文。在这样的连接经过中，并不传输实际的应用数据，而是用于说明“消费者设备仍然在线，因此称为“心跳连接。例如，“消费者设备正在发送某个数据对象，一旦该数据对象的所有心跳连接超时，那么与之相关的连接都将被关闭。首先通过TCP数据包建立设备之间的连接，然后利用UDP连接进展I/O数据对象报文交换，进而将网络带宽的占用减少到最低限度。当然，随着100Mbps以太网的应用，带宽占用率已经不是主要考虑的问题。这种数据通讯方式更为明显的优势在于，它最大限度地减少了终端设备需要处理的数据包，进而进步了这些设备支持隐式报文连接的数目。VI.EtherNet/IP网络的优势由于ControlNet、DeviceNet和EtherNet/IP都使用一样的应用层协议，所以它们之间可以分享对象库和设备描绘信息。这些数据对象和描绘信息可以让不同厂商的复杂设备实现即插即用和互操作。数据对象的定义非常严格，在同一网络中，可以完成实时I/O