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文檔簡介

1、現(xiàn) 場總線的出現(xiàn),對于實現(xiàn)面向設(shè)備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用,但現(xiàn)場總線這類專用實時通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高,速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷,再加上總線 通信協(xié)議的多樣性,使得不同總線產(chǎn)品不能互相互連,互用和互操作等,因而現(xiàn)場總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展受到了極大的限制。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,特別是高 速以太網(wǎng)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)能夠克服了自己本身的缺陷,進入工業(yè)領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng),因而使得人們可以用以太網(wǎng)設(shè)備去代替昂貴的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。1 以太網(wǎng)的主要缺陷 在講以太網(wǎng)的主要缺陷前,有必要先了解一下以太網(wǎng)的通信機制。以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標準,可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。它

2、最早出現(xiàn)在1972,由XeroxPARC所創(chuàng)建。當前以太網(wǎng)采用星型和總線型結(jié)構(gòu),傳輸速率為10Mb/s,100 Mb/s,1000 Mb/s或更高。以太網(wǎng)產(chǎn)生延遲的主要原因是沖突,其原因是它利用了CSMA/CD技術(shù)。在傳統(tǒng)的共享網(wǎng)絡(luò)中,由于以太網(wǎng)中所以的站點,采用相同的物理介質(zhì)相連,這就意味著2臺設(shè)備同時發(fā)出信號時,就會出現(xiàn)信號見的互相沖突。為了解決這個問題,以太網(wǎng)規(guī)定,在一個站點訪問介質(zhì)前,必須先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上有沒有其他站點在同時使用該介質(zhì)。,如果有則必須等待,此時就發(fā)生了沖突。為了減少沖突發(fā)生的幾率,以太網(wǎng)常采用1-持續(xù)CSMA,非持續(xù)CSMA,P-持續(xù)CSMA的算法2。由

3、于以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標設(shè)計的,并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標準的要求,將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在著明顯的缺陷。但其成本比工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低,技術(shù)透明度高,特別是它遵循IEEE802.3協(xié)議為各現(xiàn)場總線廠商大開了方便之門,但是,要使以太網(wǎng)符合工藝上的要求,還必須克服以下缺陷: PLC資料網(wǎng) 1.1 確定性    由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD,該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò)上存在沖突,特別是在網(wǎng)絡(luò)負荷過大時,更加明顯。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò),如果存在著大量的沖突,就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù),使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一

4、處的不確定性,必然會帶來系統(tǒng)控制性能的降低。 1.2 實時性    在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實時可定義為系統(tǒng)對某事件的反應(yīng)時間的可測性。也就是說,在一個事件發(fā)生后,系統(tǒng)必須在一個可以準確預(yù)見的時間范圍內(nèi)做出反映。然而,工業(yè)上對數(shù)據(jù)的傳遞的實時性要求十分嚴格,往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制,當發(fā)生沖突的時候,就得重發(fā)數(shù)據(jù),最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機制是以付出時間為代價的。而且一但出現(xiàn)掉線,那怕是僅僅幾秒種的時間,就有可能造成整個生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備,人身安全事故。 1

5、.3可靠性 PLC資料網(wǎng)     由 于以太網(wǎng)在設(shè)計之初,并不是從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)的。當它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場,面對惡劣的工況,嚴重的線間干擾等,這些都必然會引起其可靠性降低。在生產(chǎn)環(huán)境中工 業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性,可恢復(fù)性,以及可維護性。即保證一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時,不會導(dǎo)致應(yīng)用程序,操作系統(tǒng),甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱 瘓。2.以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用解決機制針對以太網(wǎng)存在的三大缺陷和工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求,目前已采用多種方法來改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì),以滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求。下面介紹幾種解決機制: 2.1 交換技術(shù)為了改善以太網(wǎng)負載較

6、重時的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題,可以使用以太網(wǎng)交換機(switch)。它采用將共享的局域網(wǎng)進行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個沖突域之間用交換機連接,以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生,提高系統(tǒng)的確定性,但該方法成本較高,在分配和緩沖過程中存在一定的延時。 2.2 高速以太網(wǎng) PLC資料網(wǎng)我們知道當網(wǎng)絡(luò)中的負載越大的時候,發(fā)生沖突的慨率也就越大。有資料顯示當一個網(wǎng)絡(luò)的負菏低于36%時,基本上不會發(fā)生沖突,在負荷為10%以下時,10M以太網(wǎng)沖突機率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級數(shù)

7、的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度,就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負荷。幸運的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達100M/S,1G/S的高速以太網(wǎng),在加上細致全面的設(shè)計及對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的數(shù)量和通信流量進行控制,完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。 2.3 IEEE1588對時機制IEEE1588定義了一個在測量和控制網(wǎng)絡(luò)中,與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計算和分配對象有關(guān)的精確同步時鐘的協(xié)議(PTP)。此協(xié)議并不是排外的,但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù),精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網(wǎng)絡(luò)通信時同步控制信號產(chǎn)生一定的波動時,它所達到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于

8、基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。 PLC資料網(wǎng) 通過采用這種技術(shù),以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達到的精度遠遠超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外,在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢。     一個包括IEEE1588對時機制的簡單系統(tǒng)至少包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘,那么活動的主時鐘將根據(jù)最優(yōu)化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性,如果新時鐘加入系統(tǒng)或現(xiàn)存的主時鐘與網(wǎng)絡(luò)斷開,則其他時鐘會重新決定主時鐘。如果多個PTP子 系統(tǒng)需

9、要互聯(lián),則必須由邊界時鐘來實現(xiàn)。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統(tǒng)相聯(lián),并且為整個系統(tǒng)提供時鐘標準。因此這個子系統(tǒng)的主時鐘是整個系統(tǒng) 的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口,通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統(tǒng)。邊界時鐘的端口對子系統(tǒng)來說是普通時鐘。    IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步,使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信,從而達到了通信時間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作,使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時間波動降低到可以接受的,不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一

10、大優(yōu)點是其標準非常具有代表性,并且是開放式的。由于它的開放性,現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標準應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準,這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。 PLC資料網(wǎng)3典型工業(yè)以太網(wǎng)隨著以太網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展及它的80%的市場占有率和現(xiàn)場總線的明顯缺陷,促使工控領(lǐng)域的各大廠商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品且兼容性強的工業(yè)以太網(wǎng)。其中應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)之一是德國西門子公司研發(fā)的SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)。它提供了開放的,適用于工業(yè)環(huán)境下各種控制級別的不同的通信系統(tǒng),這些通信系統(tǒng)均基于國家和國際標準,符合ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型

11、。SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)主要體系結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)絡(luò)硬件,網(wǎng)絡(luò)部件,拓撲結(jié)構(gòu),通行處理器和SIMATIC NET軟件等部分組成。 3.1 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)基本類型和網(wǎng)絡(luò)硬件SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)有2種類型,分別為10Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)和100Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)。它是利用帶傳輸技術(shù),基于IEEE802.3利用CSMA/CD介質(zhì)訪問方法的單元級和控制級傳輸網(wǎng)絡(luò)。在西門子工業(yè)以太網(wǎng)中,通常使用的的物理傳輸介質(zhì)是屏蔽雙絞線(TP),工業(yè)屏蔽雙絞線(ITP)以及光纖。TP連接常用于端對端的連接。一個數(shù)據(jù)終端設(shè)

12、備(DTE)直接連接到網(wǎng)絡(luò)連接元件端口,而該設(shè)備負責(zé)將信號進行放大和轉(zhuǎn)發(fā)。在SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)中,這些網(wǎng)絡(luò)連接元件有OLM(光學(xué)鏈接模板)ELM(電氣連接模板)OSM(光學(xué)交換機模板)和ESM(電氣交換機模板)。DTE與連接元件之間通過TP或ITP電纜連接。 PLC資料網(wǎng)  3.2 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部件SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部件包括工業(yè)以太網(wǎng)鏈路模板OLM,ELM和工業(yè)以太網(wǎng)交換機OSM/ESM和ELS以及工業(yè)以太網(wǎng)鏈路模塊OMC。其中OLM(光鏈路模塊)有3個ITP接口和二個BFOC接口。ITP

13、接口可以連接三個終端設(shè)備和網(wǎng)段,BFOC接口可以連接二個光路設(shè)備(如OLM等),速度為10Mbit/s。ELM(電氣鏈路模塊)有3個ITP接口和一個AUI接口。通過AUI接口可以將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到LAN上,速度為10Mbit/s。在普通OSM上,電氣接口(TP/ITP)都是10/100 Mbit/s自適應(yīng)的且線序自適應(yīng)。光纖接口為100 Mbit/s全雙工的BFOC接口,適用于多模光纖連接。二個OSM之間的最遠距離為3km。在同一個網(wǎng)段上最多可以連接50個OSM,則擴展距離為150km。同時它還有地址學(xué)習(xí),地址刪除,設(shè)置傳輸波特率(10或100 Mbit/s)及自適

14、應(yīng)功能,簡化了網(wǎng)絡(luò)配置和增強了網(wǎng)絡(luò)擴展能力。此外,根據(jù)IEEE802.1Q標準,OSM/ESM還支持VLAN(虛擬局域網(wǎng)),它提供數(shù)據(jù)包的VLAN優(yōu)先權(quán)標簽。它將數(shù)據(jù)分配為由低到高(0-7)的優(yōu)先權(quán)級別,對于沒有目的地址的數(shù)據(jù)包則被視為低優(yōu)先權(quán)的數(shù)據(jù)幀。 PLCPLC資料網(wǎng)  3.4 環(huán)網(wǎng)冗余在西門子工業(yè)以太網(wǎng)中,每個OSM/ESM上(除OSM TP22和ESM TP40)都有standby-sync接口。使用一對OSM/ESM,通過DIP開關(guān)設(shè)置備用(standby)主站和備用從站。用ITP XP標準電纜,將備用接口連接起來,則該對OSM/E

15、SM可以用來冗余連接另外一個環(huán)網(wǎng)。備用主站和從站之間通過ITP XP9/9標準電纜連接。當備用主站通道出現(xiàn)故障時,備用從站連接通道工作;當備用主站通道恢復(fù)正常時,備用主站會通知備用從站,備用的從站將停止工作。而整個網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的時間小于0.3m。 3.5 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器常用的SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器(CP),包括用在S7PLC站上的處理器CP243-1系列,CP343-1系列,CP443-1系列以及用在PC上的網(wǎng)卡,并提供ITP,RJ45及AUI等以太網(wǎng)接口。它們以10/100 Mbit/s的

16、速度將PLC或PC連接至工業(yè)以太網(wǎng)。CP系列模板是為S7系列PLC在組成工業(yè)以太網(wǎng)進行通信時使用的,通過CP系列模板用戶可以很方便的將S7系列PLC通過以太網(wǎng)進行連接,并且支持使用STEP7-Micro/WIN32軟件.通過以太網(wǎng)對S7系列PLC進行遠程組態(tài),編程和診斷.同時,通過CP,S7系列中各PLC之間可以進行以太網(wǎng)連接,并且還可以同PC上的OPC Server進行通信。 PLC資料網(wǎng) 3.6 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)軟件  SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)軟件包括SIMATIC NET V

17、6.2和OPC(OLE for Process Control),其中SIMATIC NET軟件提高了統(tǒng)一的Windows屆面,同時也集成并更新了更多的功能,特別是它提供了APC(Advanced PC Configuration)高級PC配置工具,通過APC的組態(tài),PC可以作為整個系統(tǒng)控制系統(tǒng)的一個站點同其他PLC站進行通信,同時提供了OPC Server以及數(shù)據(jù)處理功能。OLE(對象連接和嵌入式)本身是基于Microsoft COM技術(shù)的一個應(yīng)用,而OPC接口是基于OLE的開放的統(tǒng)一的軟件接口。OPC不依靠于某一個廠商,幾乎所以的工控軟,硬件控制商都已集成了OPC接口,因此各不同硬件廠商之間的

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