Ethernet／IP協(xié)議簡(jiǎn)介參考

1、EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc28453 1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng) PAGEREF _Toc28453 1 HYPERLINK l _Toc19254 2 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問(wèn)題 PAGEREF _Toc19254 2 HYPERLINK l _Toc3494 2.1 通訊確定性和實(shí)時(shí)性技術(shù) PAGEREF _Toc3494 2 HYPERLINK l _Toc994 3 EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc994 3 HYPERLINK l _Toc

2、25660 3.1 EthernetIP工業(yè)以太網(wǎng) PAGEREF _Toc25660 4 HYPERLINK l _Toc18162 3.1.1 EthernetIP協(xié)議模型及協(xié)議內(nèi)容 PAGEREF _Toc18162 4 HYPERLINK l _Toc27826 3.1.2 EtherNet/IP 的通信機(jī)制 PAGEREF _Toc27826 7 HYPERLINK l _Toc17978 3.2 ProfitNet工業(yè)以太網(wǎng) PAGEREF _Toc17978 7 HYPERLINK l _Toc31736 3.2.1 基本介紹 PAGEREF _Toc31736 8 HYPERL

3、INK l _Toc27566 3.2.2 實(shí)時(shí)通信 PAGEREF _Toc27566 8 HYPERLINK l _Toc8683 3.2.3 PROFINET PAGEREF _Toc8683 9 HYPERLINK l _Toc1672 3.2.4 安全 PAGEREF _Toc1672 10 HYPERLINK l _Toc15464 3.3 Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng) PAGEREF _Toc15464 11 HYPERLINK l _Toc17039 3.3.1 基本信息 PAGEREF _Toc17039 11 HYPERLINK l _Toc32754 3.3.2 特點(diǎn)

4、PAGEREF _Toc32754 12 HYPERLINK l _Toc17074 3.3.3 傳輸方式 PAGEREF _Toc17074 13 HYPERLINK l _Toc2665 3.3.4 CRC PAGEREF _Toc2665 15 HYPERLINK l _Toc16718 3.4 Controlnet工業(yè)以太網(wǎng) PAGEREF _Toc16718 16 HYPERLINK l _Toc30892 3.4.1 原理 PAGEREF _Toc30892 17 HYPERLINK l _Toc27613 3.4.2 ControlNet網(wǎng)絡(luò) PAGEREF _Toc27613

5、17 HYPERLINK l _Toc32283 3.4.3 控制網(wǎng)國(guó)際有限公司 PAGEREF _Toc32283 18 HYPERLINK l _Toc7391 3.4.4 可建造ControlNet的設(shè)備 PAGEREF _Toc7391 18 HYPERLINK l _Toc13648 3.5 World FIP工業(yè)以太網(wǎng) PAGEREF _Toc13648 20 HYPERLINK l _Toc28212 3.5.1 概述 PAGEREF _Toc28212 20 HYPERLINK l _Toc23441 3.5.2 WorldFip的特點(diǎn) PAGEREF _Toc23441 20

6、 HYPERLINK l _Toc12112 3.5.3 WorldFip 協(xié)議 PAGEREF _Toc12112 21 HYPERLINK l _Toc29886 3.5.4 WorldFip總線典型器件 PAGEREF _Toc29886 22 HYPERLINK l _Toc26084 3.5.5 開(kāi)發(fā)工具 PAGEREF _Toc26084 23 HYPERLINK l _Toc973 3.5.6 目前存在的一些問(wèn)題和應(yīng)用前景 PAGEREF _Toc973 23 HYPERLINK l _Toc29939 4 EthernetI P通信適配器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc

7、29939 24 HYPERLINK l _Toc9235 41 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu) PAGEREF _Toc9235 24 HYPERLINK l _Toc9579 42電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc9579 25 HYPERLINK l _Toc29163 43復(fù)位電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29163 25 HYPERLINK l _Toc25791 44以太網(wǎng)通訊接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc25791 26 HYPERLINK l _Toc25978 441以太網(wǎng)電路原理 PAGEREF _Toc25978 26 HYPERLINK l _Toc28947 442以太網(wǎng)芯

8、片CS8900A-IQ3功能描述 PAGEREF _Toc28947 27 HYPERLINK l _Toc6300 4.5串行通訊接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc6300 28 HYPERLINK l _Toc10228 46 主從USB接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc10228 29 HYPERLINK l _Toc31045 47 外部I0擴(kuò)展接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc31045 29 HYPERLINK l _Toc5049 5 EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景 PAGEREF _Toc5049 301 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)20世紀(jì)90年代以后隨著

9、現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的逐漸成熟，智能化與功能自治性的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，嵌入式控制器、智能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表和傳感器等方便地接入了現(xiàn)場(chǎng)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4-20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表管控一體化(儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄)的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場(chǎng)前所未有的革命。控制專(zhuān)家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。然而在控制界對(duì)FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一：8種現(xiàn)場(chǎng)總線經(jīng)過(guò)14年的紛爭(zhēng)，最后IEC的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化組

10、織經(jīng)投票，通過(guò)以下這8種現(xiàn)場(chǎng)總線成為IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，PNet，World FIP，Swift Net，F(xiàn)F之高速EtherNet即HSE。這8種現(xiàn)場(chǎng)總線互不兼容，這也使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)正在制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為例，它采用了ISO的參考模型中的3層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層)和極具特色的用戶(hù)層，其低速總線H1的傳輸速度為3125kbps，高速總線H2的傳輸速度為1 Mbps或25Mbps，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求

11、。又如廣泛用于汽車(chē)行業(yè)的Can總線系統(tǒng)，其最高的傳輸速率為1 Mbps40米；這些現(xiàn)場(chǎng)總線受通訊距離制約較大。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽(tīng)碰撞檢測(cè)(CSMACD)通訊方式，在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱(chēng)為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在230ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(zhǎng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對(duì)以太網(wǎng)的研究

12、具有工程實(shí)用價(jià)值，從而產(chǎn)生了一種新型的針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)一工業(yè)以太網(wǎng)。由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的信息層與控制層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的趨勢(shì)。從目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在控制層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)作為后起之秀，迅速搶占著其它總線形式的市場(chǎng)，推動(dòng)其發(fā)展的兩大動(dòng)力是：光纖環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用、分布智能裝置儀表。光纖環(huán)網(wǎng)解決了

13、兩大問(wèn)題：第一，輕松解決了在化工、礦業(yè)等極端條件的本質(zhì)防爆問(wèn)題，這一下子將以太交換設(shè)備向前推動(dòng)了一個(gè)層次，使以太網(wǎng)可以到達(dá)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層，第一次成為真正的FieldBus；第二，通過(guò)環(huán)網(wǎng)的冗余提高以太交換的可靠性，從而使工業(yè)以太網(wǎng)第一次可以應(yīng)用對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用環(huán)境中。而分布智能的裝置儀表，解決了所謂以太傳輸時(shí)滯不確定性的詬病。首先，光纖環(huán)網(wǎng)的千兆交換速度，已經(jīng)使絕大部分工業(yè)控制數(shù)據(jù)在可接受的時(shí)間內(nèi)交換，對(duì)于大部分的工業(yè)生產(chǎn)信息，在100ms的時(shí)滯都是可以接受的。而如果所有的控制均需要通過(guò)集中的方式進(jìn)行，顯然這個(gè)時(shí)滯又太大了。可喜的是，工業(yè)控制裝置和智能儀表正在向分布式發(fā)展。這種發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致

14、大量的本地控制指令不需要通過(guò)冗長(zhǎng)的總線來(lái)傳輸，而是由儀表或裝置的本地計(jì)算完成，這就不需要通過(guò)數(shù)據(jù)交換的方式苛刻地要求工業(yè)以太網(wǎng)的確定時(shí)延。2 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問(wèn)題工業(yè)以太網(wǎng)有著許多令人所信服的優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)商業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)仍然有著或多或少的不足和缺陷，經(jīng)過(guò)許多研究機(jī)構(gòu)和工程技術(shù)人員的不懈努力和對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究，使傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)不斷改進(jìn)來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制要求。這些關(guān)鍵技術(shù)包括通信確定性和實(shí)時(shí)性技術(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定性技術(shù)、系統(tǒng)互操作性技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全性技術(shù)、總線供電及本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等。下面就確定性和實(shí)時(shí)性做一些介紹。2.1 通訊確定性和實(shí)時(shí)性技術(shù)傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多路存取

15、載波偵聽(tīng)碰撞(CSMAC通訊方式，即網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)獲取發(fā)送信息報(bào)文的權(quán)利，節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信道，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)則把待發(fā)的信息報(bào)文發(fā)送出去，如果信道忙則處于等待狀態(tài)。在發(fā)送信息后檢測(cè)是否發(fā)生了碰撞，如果出現(xiàn)則退出信道等待重發(fā)。不難想象當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較重的時(shí)候大量節(jié)點(diǎn)都在嘗試重發(fā)進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞，使一些節(jié)點(diǎn)的信息長(zhǎng)時(shí)間得不到發(fā)送，這種特性稱(chēng)為以太網(wǎng)的不確定性。研究表明：傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的傳輸延遲，對(duì)數(shù)據(jù)傳送要求很高的場(chǎng)合是不能夠應(yīng)用的，這也影響了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在確定性和實(shí)時(shí)性方面已經(jīng)基本達(dá)到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的要求。

16、首先，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采用了星形連接代替總線型連接。圖1示意了兩種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中的星形連接用網(wǎng)橋或路由器等設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)分割成多個(gè)網(wǎng)段(Segment)，在每個(gè)網(wǎng)段上以一個(gè)多口集線器為中心，將若干個(gè)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，這樣掛接在同一網(wǎng)段上的所有設(shè)備形成一個(gè)沖突域(Collision)。每個(gè)沖突域均采用CSMACD機(jī)制來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)沖突。這種分段方法可以使每個(gè)沖突域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕、碰撞幾率減小。圖1 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較3 EthernetIP協(xié)議簡(jiǎn)介現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158經(jīng)過(guò)十幾年的爭(zhēng)論和斗爭(zhēng)后，放棄了其制定單一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的初衷，最終發(fā)布了包括8種(第3版修訂后增加了兩種類(lèi)

17、型，而成為10種類(lèi)型)類(lèi)型總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明各大總線各具特點(diǎn)、不可互相替代的局面得到世界工控界的認(rèn)可。目前有Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)，EthernetlP工業(yè)以太網(wǎng)，F(xiàn)F HSE工業(yè)以太網(wǎng)，ProfitNet工業(yè)以太網(wǎng),Controlnet工業(yè)以太網(wǎng),PNet工業(yè)以太網(wǎng)，Swift Net工業(yè)以太網(wǎng)，World FIP工業(yè)以太網(wǎng)等幾種協(xié)議。下來(lái)我們就各協(xié)議進(jìn)行介紹。3.1 EthernetIP工業(yè)以太網(wǎng)EtherNetIP(EtherNet Industry Protoco1)是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系。它是由兩大工業(yè)組織ODVA(OpenDeviceNet Vendors Ass

18、ociation)ControlNet International所推出的最新的成員。和DeviceNet以及ControlNet一樣，它們都是基于CIP(Control and Informalon Protoco1)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它是一種是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式的實(shí)時(shí)I0信息和顯式信息(包括用于組態(tài)參數(shù)設(shè)置、診斷等)的有效傳輸。EtherNetIP采用和DevieNet以及ControlNet相同的應(yīng)用層協(xié)CIP(Control and Information Protoco1)，因此，它們使用相同的對(duì)象庫(kù)和一致的行業(yè)規(guī)范，具有較好的一致性。EtherNetIP采用標(biāo)準(zhǔn)的Ethe

19、rNet和TCPIP技術(shù)來(lái)傳送CIP通信包，這樣，通用且開(kāi)放的應(yīng)用層協(xié)議CIP加上已經(jīng)被廣泛使用的EtherNet和TCPIP協(xié)議，就構(gòu)成EtherNetIP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。協(xié)議的各層結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 應(yīng)用CIP的EtherNet/IP3.1.1 EthernetIP協(xié)議模型及協(xié)議內(nèi)容1.物理層和數(shù)據(jù)鏈路層EtherNetIP在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用以太網(wǎng)。其主要由以太網(wǎng)控制器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。從圖2可看出，不久的將來(lái)會(huì)出現(xiàn)更合適的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的芯片。但是上面的協(xié)議無(wú)須改變。2.網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層EtherNetIP在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用標(biāo)準(zhǔn)的TCPIP技術(shù)。對(duì)于面向控制的實(shí)時(shí)I

20、0數(shù)據(jù)，采用UDPIP協(xié)議來(lái)傳送，而對(duì)于顯式信息(如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等)則采用TCPIP來(lái)傳送過(guò)程監(jiān)控層流通的數(shù)據(jù)基本是顯式信息，采用TCPIP來(lái)傳送，其優(yōu)先級(jí)較低。而將來(lái)采用工業(yè)以太網(wǎng)EtherNetIP協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，流通的數(shù)據(jù)基本是實(shí)時(shí)IO數(shù)據(jù)，采用UDPIP脅議來(lái)傳送，其優(yōu)先級(jí)較高。3.控制及信息協(xié)議(ClP)控制及信息協(xié)議(CIP)是一種為工業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議，被DeviceNet、ControlNet、EtherNetIP等3種網(wǎng)絡(luò)所采用，因此這3種網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)地統(tǒng)稱(chēng)為CIP網(wǎng)絡(luò).（1）CIP的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)報(bào)文CIP協(xié)議最重要的特點(diǎn)是可以傳輸多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)。工業(yè)應(yīng)用中所需要

21、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型有IO、互鎖、配置、故障診斷、程序上載或下載等。這些不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)對(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量的要求是不同的。重要的傳輸服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)有確定性、單位時(shí)間內(nèi)有通信行為的節(jié)點(diǎn)所占的比例、響應(yīng)時(shí)間等。CIP根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量要求的不同，把報(bào)文分為兩種：顯式報(bào)文和隱式報(bào)文。顯式報(bào)文用于傳輸對(duì)時(shí)間沒(méi)有苛求的數(shù)據(jù)，比如程序的上載下載、系統(tǒng)維護(hù)、故障診斷、設(shè)備配置等。由于這種報(bào)文包含解讀該報(bào)文所需要的信息，所以稱(chēng)為顯式報(bào)文。隱式報(bào)文用于傳輸對(duì)時(shí)間有苛求的數(shù)據(jù)，如IO、實(shí)時(shí)互鎖等。由于這種報(bào)文不包含解讀該報(bào)文所需要的信息，其含義是在網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)就確定的，所以稱(chēng)為隱式報(bào)文。由于隱式報(bào)文通常用于傳輸I

22、O數(shù)據(jù)，隱式報(bào)文又稱(chēng)為IO報(bào)文或隱式IO報(bào)文。在網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議的支持下，CIP用不同的方式傳輸不同類(lèi)型的報(bào)文，以滿(mǎn)足它們對(duì)傳輸服務(wù)質(zhì)量的不同要求。DeviceNet給予不同類(lèi)型的報(bào)文不同的優(yōu)先級(jí)，隱式報(bào)文使用優(yōu)先級(jí)高的報(bào)頭，顯式報(bào)文使用優(yōu)先級(jí)低的報(bào)頭。ControlNet在預(yù)定時(shí)問(wèn)段發(fā)送隱式報(bào)文，在非預(yù)定時(shí)問(wèn)段發(fā)送顯式報(bào)文。而EthemetIP用TCP來(lái)發(fā)送顯式報(bào)文，用UDP來(lái)發(fā)送隱式報(bào)文。面向連接CIP還有一個(gè)重要特點(diǎn)是面向連接，即在通信開(kāi)始之前必須建立起連接，獲取惟一的連接標(biāo)識(shí)符(connection ID)。如果連接涉及到雙向的數(shù)據(jù)傳輸，就需要兩個(gè)CID。CID的定義及格式是與具體網(wǎng)絡(luò)有關(guān)

23、的，比如，DeviceNet的CID定義是基于CAN標(biāo)識(shí)符的。通過(guò)獲取CD，連接報(bào)文就不必包含與連接有關(guān)的所有信息，只需要包含CID即可，從而提高了通信效率。不過(guò)，建立連接需要用到未連接報(bào)文。未連接報(bào)文需要包括完整的目的地節(jié)點(diǎn)地址、內(nèi)部數(shù)據(jù)描述符等信息，如果需要應(yīng)答，還要給出完整的源節(jié)點(diǎn)地址。對(duì)應(yīng)于兩種CIP報(bào)文傳輸，CIP連接也有兩種，即顯式連接和隱式連接。建立連接需要用到末連接報(bào)文管理器(unconnected Message ManagerUCMM)，它是CIP設(shè)備中專(zhuān)門(mén)用于處理未連接報(bào)文的一個(gè)部件。如果節(jié)點(diǎn)A試圖與節(jié)點(diǎn)B建立顯式連接，它就以廣播的方式發(fā)出一個(gè)要求建立顯式連接的未連接請(qǐng)求

24、報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點(diǎn)都接收到該請(qǐng)求，并判斷是否發(fā)給自己的，節(jié)點(diǎn)B發(fā)現(xiàn)是發(fā)給自己的，其UCMM就做出反應(yīng)，也以廣播的方式發(fā)出一個(gè)包含CID的未連接響應(yīng)報(bào)文，節(jié)點(diǎn)A接收到后，得知CID，顯式連接就建立了。隱式連接的建立更為復(fù)雜，它是在網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)建立的，在這一過(guò)程中，需要用到多種顯式報(bào)文傳輸服務(wù)。CIP把連接分為多個(gè)層次，從上往下依次是應(yīng)用連接、傳輸連接和網(wǎng)絡(luò)連接。一個(gè)傳輸連接是在一個(gè)或兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上建立的，而一個(gè)應(yīng)用連接是在一個(gè)或兩個(gè)傳輸連接的基礎(chǔ)上建立的。生產(chǎn)者消費(fèi)者模型在傳統(tǒng)的源目的通信模式下，源端每次只能和一個(gè)目的地址通信，源端提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須保證每一個(gè)目的端的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)一些

25、目的端可能不需要這些數(shù)據(jù)，因此浪費(fèi)了時(shí)間，而且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間會(huì)隨著目的端數(shù)目的多少而改變。而在EtherNeLIP所采用生產(chǎn)者消費(fèi)者通信模式下，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)不是由具體的源、目的地址聯(lián)系起來(lái)，而是以生產(chǎn)者和消費(fèi)者的形式提供，允許網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)從一個(gè)數(shù)據(jù)源存取同一數(shù)據(jù)，因此使數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到了最優(yōu)化，每個(gè)數(shù)據(jù)源只需要一次性的把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，其它節(jié)點(diǎn)就可以選擇性地接收這些數(shù)據(jù)，避免了浪費(fèi)帶寬，提高了系統(tǒng)的通信效率，能夠很好地支持系統(tǒng)的控制、組態(tài)和數(shù)據(jù)采集。（2） CIP 協(xié)議功能及特征EtherNet/IP 其特色就是被稱(chēng)作控制和信息協(xié)議的CIP 部分。CIP 一方面提供實(shí)時(shí)I/O 通信

26、，一方面實(shí)現(xiàn)信息的對(duì)等傳輸。其控制部分通過(guò)隱形報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O 通信，信息部分則通過(guò)顯性報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。CIP 協(xié)議的一個(gè)重要的特性，是其介質(zhì)無(wú)關(guān)性。即CIP 作為應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)施與底層介質(zhì)無(wú)關(guān)。這就是人們可以在控制系統(tǒng)和I/O 設(shè)備上靈活實(shí)施這一開(kāi)放協(xié)議的原因。同樣，當(dāng)未來(lái)新型的通訊手段出現(xiàn)時(shí)，人們一樣可以方便地將其移植到更高性能的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)施，并且提供全部的網(wǎng)絡(luò)功能，保證與原有現(xiàn)場(chǎng)總線或者以太網(wǎng)技術(shù)的透明性和一致性。3.1.2 EtherNet/IP 的通信機(jī)制1. 通信模式不同于源/目的通信模式，EtherNet/IP 采用生產(chǎn)/消費(fèi)模式，它允許網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)源

27、的數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)/消費(fèi)模式中，數(shù)據(jù)被分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，每一個(gè)數(shù)據(jù)源一次性的將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，其他節(jié)點(diǎn)選擇性的讀取這些數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)的通信效率。2. CIP 報(bào)文通信CIP 報(bào)文定義了顯式報(bào)文和隱式報(bào)文兩種報(bào)文類(lèi)型, 隱式報(bào)文是對(duì)時(shí)間有苛刻要求的I/O信息(時(shí)間觸發(fā)、控制器互鎖等等)，此時(shí)數(shù)據(jù)量不大但需要高的速度或需要較長(zhǎng)的源節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)連接時(shí)間，所以這部分采用的是速度較快的UDP 協(xié)議；顯式報(bào)文數(shù)據(jù)量較大但不需要一直連接所以這部分采用TCP 協(xié)議。CIP 報(bào)文的通信分為無(wú)連接的通信和基于連接的通信。無(wú)連接的報(bào)文通信是CIP 定義的最基本的通信方式。設(shè)備的無(wú)連接通信資源由無(wú)連接報(bào)文管理

28、器UCMM 管理。無(wú)連接通信不需要任何設(shè)置或任何機(jī)制保持連接激活狀態(tài); 基于連接的報(bào)文通信是CIP 網(wǎng)路傳遞報(bào)文的另一種方式,可用來(lái)傳遞I/O數(shù)據(jù)和顯式報(bào)文。這種通信方式支持生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的多點(diǎn)傳輸關(guān)系, 一次向多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)傳輸。3.2 ProfitNet工業(yè)以太網(wǎng)3.2.1 基本介紹隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能程度的不斷提高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分散程度也越來(lái)越高。工業(yè)控制系統(tǒng)正由分散式自動(dòng)化向分布式自動(dòng)化演進(jìn)，因此，基于組件的自動(dòng)化（Component Based Automation，CBA）成為新興的趨勢(shì)。工廠中的相關(guān)的機(jī)械部件、電氣/電子部件和應(yīng)用軟件等具有獨(dú)立工作能力的工藝模塊抽

29、象成為一個(gè)封裝好的組件，各組件間使用PROFINET連接。通過(guò)SIMATIC iMap軟件，即可用圖形化組態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)各組件間的通訊配置，不需要另外編程，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的配置及調(diào)試過(guò)程。通過(guò)模塊化這一成功理念，可以顯著降低機(jī)器和工廠建設(shè)中的組態(tài)與上線調(diào)試時(shí)間。在使用分布式智能系統(tǒng)或可編程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和I/O時(shí)，還可以擴(kuò)展使用模塊化理念，從機(jī)械應(yīng)用擴(kuò)展到自動(dòng)化解決方案。另外，也可以將一條生產(chǎn)線的單個(gè)機(jī)器作為生產(chǎn)線或過(guò)程中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行定義。作為設(shè)備與工廠設(shè)計(jì)者，工藝模塊化能夠更容易、更好地對(duì)您的設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和再利用。使您能夠?qū)Σ煌目蛻?hù)要求更快、更具靈活性地作出反應(yīng)。您可以對(duì)各

30、臺(tái)設(shè)備和廠區(qū)提前進(jìn)行預(yù)先測(cè)試-極大地縮短系統(tǒng)上線調(diào)試階段。作為系統(tǒng)操作者，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到管理層，你都可以從IT標(biāo)準(zhǔn)的通用通訊中獲得好處。對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展也很容易。3.2.2 實(shí)時(shí)通信1)折疊TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP 是IT 領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時(shí)間大概在100 ms的量級(jí)，不過(guò)，對(duì)于工廠控制級(jí)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間就足夠了。2)折疊實(shí)時(shí)（RT）通訊對(duì)于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求更為嚴(yán)格，大概需要510ms的響應(yīng)時(shí)間。目前，可以使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)達(dá)到這個(gè)響應(yīng)時(shí)間，如PROF

31、IBUS DP。對(duì)于基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)說(shuō)，使用標(biāo)準(zhǔn)通信棧來(lái)處理過(guò)程數(shù)據(jù)包，需要很可觀的時(shí)間，因此，PROFINET提供了一個(gè)優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層（Layer 2）的實(shí)時(shí)通訊通道，通過(guò)該實(shí)時(shí)通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時(shí)間，因此，PROFINET獲得了等同、甚至超過(guò)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。3)折疊同步實(shí)時(shí)（IRT）通訊在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊中，對(duì)通訊實(shí)時(shí)性要求最高的是運(yùn)動(dòng)控制（Motion Control），PROFINET的同步實(shí)時(shí)（Isochronous Real-Time, IRT）技術(shù)可以滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制的高速通訊需求，在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，其響應(yīng)時(shí)間要小于1ms，抖動(dòng)誤

32、差要小于1s，以此來(lái)保證及時(shí)的、確定的響應(yīng)。3.2.3 PROFINET1)折疊分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)集成PROFINET接口，分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以直接連接到PROFINET上。對(duì)于現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，可以通過(guò)代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與PROFINET的透明連接。例如，通過(guò)IE/PB Link（PROFINET和PROFIBUS之間的代理服務(wù)器）可以將一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)透明的集成到PROFINET當(dāng)中，PROFIBUS各種豐富的設(shè)備診斷功能同樣也適用于PROFINET。對(duì)于其他類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線，可以通過(guò)同樣的方式，使用一個(gè)代理服務(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)接入到PROFINET當(dāng)中。2)折疊運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)PROF

33、INET的同步實(shí)時(shí)（IRT）功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制。在PROFINET同步實(shí)時(shí)通訊中，每個(gè)通訊周期被分成兩個(gè)不同的部分，一個(gè)是循環(huán)的、確定的部分，稱(chēng)之為實(shí)時(shí)通道；另外一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)通道，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)通道傳輸。在實(shí)時(shí)通道中，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時(shí)間窗，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總是按固定的次序插入，因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時(shí)間用來(lái)傳遞標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。兩種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)就可以同時(shí)在PROFINET上傳遞，而且不會(huì)互相干擾。通過(guò)獨(dú)立的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道，保證對(duì)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可靠控制。3)折疊網(wǎng)絡(luò)安裝PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形拓?fù)?/p>

34、結(jié)構(gòu)。為了減少布線費(fèi)用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶(hù)方便的實(shí)現(xiàn)PROFINET的安裝。特別設(shè)計(jì)的工業(yè)電纜和耐用連接器滿(mǎn)足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)化，保證了不同制造商設(shè)備之間的兼容性。3.2.4 安全1)折疊標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)安全PROFINET的一個(gè)重要特征就是可以同時(shí)傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗(yàn)證的IT技術(shù)都可以使用（如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET的時(shí)候，我們可以使用這些IT標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)加強(qiáng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)，這意味著調(diào)試和維護(hù)

35、中的成本的節(jié)省。PROFINET實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到管理層的縱向通訊集成，一方面，方便管理層獲取現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)，另一方面，原本在管理層存在的數(shù)據(jù)安全性問(wèn)題也延伸到了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。為了保證現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制數(shù)據(jù)的安全，PROFINET提供了特有的安全機(jī)制，通過(guò)使用專(zhuān)用的安全模塊，可以保護(hù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使自動(dòng)化通訊網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)最小化。2)折疊故障安全在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中，故障安全是相當(dāng)重要的一個(gè)概念。所謂故障安全，即指當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到安全狀態(tài)（即零態(tài)），在這里，安全有兩個(gè)方面的含義，一方面是指操作人員的安全，另一方面指整個(gè)系統(tǒng)的安全，因?yàn)樵谶^(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中，系統(tǒng)出現(xiàn)故障或致命錯(cuò)誤時(shí)很可

36、能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的爆炸或毀壞。故障安全機(jī)制就是用來(lái)保證系統(tǒng)在故障后可以自動(dòng)恢復(fù)到安全狀態(tài)，不會(huì)對(duì)操作人員和過(guò)程控制系統(tǒng)造成損害。PROFINET集成了PROFISafe行規(guī)，實(shí)現(xiàn)了IEC61508中規(guī)定的SIL3等級(jí)的故障安全，很好的保證的整個(gè)系統(tǒng)的安全。3)折疊過(guò)程自動(dòng)化PROFINET不僅可以用于工廠自動(dòng)化場(chǎng)合，也同時(shí)面對(duì)過(guò)程自動(dòng)化的應(yīng)用。工業(yè)界針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)總線供電，及以太網(wǎng)應(yīng)用在本質(zhì)安全區(qū)域的問(wèn)題的討論正在形成標(biāo)準(zhǔn)或解決方案。PROFIBUS國(guó)際組織計(jì)劃在2006年的時(shí)候會(huì)提出PROFINET進(jìn)入過(guò)程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)級(jí)應(yīng)用方案。通過(guò)代理服務(wù)器技術(shù)，PROFINET可以無(wú)縫的集成現(xiàn)場(chǎng)總線PRO

37、FIBUS和其它總線標(biāo)準(zhǔn)。今天，PROFIBUS是世界范圍內(nèi)唯一可覆蓋從工廠自動(dòng)化場(chǎng)合到過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。集成PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案的PROFINET是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的完美體驗(yàn)。作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的重要組成部分，PROFINET是完全開(kāi)放的協(xié)議，PROFIBUS國(guó)際組織的成員公司在2004年的漢諾威展覽會(huì)上推出了大量的帶有PROFINET接口的設(shè)備，為PROFINET技術(shù)的推廣和普及起到了積極的作用。隨著時(shí)間的流逝，作為面向未來(lái)的新一代工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，PROFINET必將為您和您的自動(dòng)化控制系統(tǒng)帶來(lái)更大的收益和便利。3.3 Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)M

38、odbus是由Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌)在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。ModBus網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過(guò)公用線路或局部專(zhuān)用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過(guò)程監(jiān)控。ModBus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個(gè)系統(tǒng)，各PC可以和中心主機(jī)交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。3.3.1 基本信息為更好地普及和推動(dòng)Modbus在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，目前施耐德公司已將

39、Modbus協(xié)議的所有權(quán)移交給IDA(Interface for Distributed Automation，分布式自動(dòng)化接口)組織，并成立了Modbus-IDA組織，為Modbus今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在中國(guó)，Modbus已經(jīng)成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì):截止到2007年，Modbus的節(jié)點(diǎn)安裝數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了1000萬(wàn)個(gè)。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)

40、識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC

41、，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。3.3.2 特點(diǎn)Modbus具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放，用戶(hù)可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過(guò)400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過(guò)600種。(2)Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線等。(3)Modbus的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂。用戶(hù)使用容易，廠商開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。1）折疊Modbus網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用RS-232-C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、

42、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)?？刂破魍ㄐ攀褂弥?從技術(shù)，即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢(xún))。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢(xún)提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備:主機(jī)和可編程儀表。典型的從設(shè)備:可編程控制器。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢(xún)的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢(xún)的格式:設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯(cuò)誤檢測(cè)域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程

43、中發(fā)生一錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。2）折疊其它類(lèi)型傳輸在其它網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對(duì)等技術(shù)通信，故任何控制器都能初始化和其它控制器的通信。這樣在單獨(dú)的通信過(guò)程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個(gè)內(nèi)部通道可允許同時(shí)發(fā)生的傳輸進(jìn)程。在消息位，Modbus協(xié)議仍提供了主-從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是對(duì)等。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣，當(dāng)控制器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。3）折疊查詢(xún)回應(yīng)周期(1)查詢(xún)查詢(xún)消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備

44、要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息:從何寄存器開(kāi)始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。(2)回應(yīng)如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢(xún)消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù):像寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。3.3.3 傳輸方式在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機(jī)PC通信的能力是同等的。選擇

45、時(shí)應(yīng)視所用ModBus主機(jī)而定，每個(gè)ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII(美國(guó)信息交換碼)，另一種模式是RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)。用戶(hù)選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)(波特率、校驗(yàn)方式等)，在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網(wǎng)絡(luò)上(像MAP和Modbus Plus)Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無(wú)關(guān)的幀。1）折疊傳輸模式特性ASCII可打印字符便

46、于故障檢測(cè)，而且對(duì)于用高級(jí)語(yǔ)言(如Fortran)編程的主計(jì)算機(jī)及主PC很適宜。RTU則適用于機(jī)器語(yǔ)言編程的計(jì)算機(jī)和PC主機(jī)。用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進(jìn)制字符。如欲轉(zhuǎn)換為ASCII模式，則每個(gè)RTU字符首先應(yīng)分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制等量值。用以構(gòu)成報(bào)文的ASCII字符都是十六進(jìn)制字符。ASCII模式使用的字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數(shù)據(jù)的譯碼和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時(shí)報(bào)文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產(chǎn)生長(zhǎng)達(dá)1s的間隔，以適應(yīng)速度較慢的機(jī)器。控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式(ASCII或RTU)中的任何一種

47、在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。2)ASCII模式當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼)模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為一個(gè)ASCII碼(兩個(gè)十六進(jìn)制字符)發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。代碼系統(tǒng) 十六進(jìn)制，ASCII字符0.9,A.F 消息中的每個(gè)ASCII字符都是一個(gè)十六進(jìn)制字符組成每個(gè)字節(jié)的位 1個(gè)起始位 7個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送 1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)校驗(yàn)則無(wú)1個(gè)停止位(有校驗(yàn)時(shí))，2個(gè)Bit(無(wú)校驗(yàn)時(shí))錯(cuò)誤檢測(cè)域 LRC(縱向冗長(zhǎng)檢測(cè))3)折疊RTU模式當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU(遠(yuǎn)程終端單元)

48、模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的 十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是:在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。代碼系統(tǒng)8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0.9，A.F消息中的每個(gè)8位域都是一或兩個(gè)十六進(jìn)制字符組成每個(gè)字節(jié)的位1個(gè)起始位8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)校驗(yàn)則無(wú)1個(gè)停止位(有校驗(yàn)時(shí))，2個(gè)Bit(無(wú)校驗(yàn)時(shí))3.3.4 CRC1)折疊CRCCRC域是兩個(gè)字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。CRC是先調(diào)入一值是全1的16位寄存器，然后調(diào)

49、用一過(guò)程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個(gè)字符中的8Bit數(shù)據(jù)對(duì)CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗(yàn)位均無(wú)效。CRC產(chǎn)生過(guò)程中，每個(gè)8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相異或(XOR)，結(jié)果向最低有效位方向移動(dòng)，最高有效位以0填充。LSB被提取出來(lái)檢測(cè)，如果LSB為1，寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程要重復(fù)8次。在最后一位(第8位)完成后，下一個(gè)8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。CRC添加到消息中時(shí)，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。CRC-16錯(cuò)誤校驗(yàn)程序如下:報(bào)文(此處只涉及數(shù)據(jù)位，不指起始位、

50、停止位和任選的奇偶校驗(yàn)位)被看作是一個(gè)連續(xù)的二進(jìn)制，其最高有效位(MSB)首選發(fā)送。報(bào)文先與X16相乘(左移16位)，然后看X16+X15+X2+1除，X16+X15+X2+1可以表示為二進(jìn)制數(shù)11000，0000，0000，0101。整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報(bào)文(MSB先發(fā)送)，成為2個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報(bào)文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報(bào)文，若無(wú)錯(cuò)誤，到接收設(shè)備后再被同一多項(xiàng)式(X16+X15+X2+1)除，會(huì)得到一個(gè)零余數(shù)(接收設(shè)備核驗(yàn)這個(gè)CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較)。全部運(yùn)算以2為模(無(wú)進(jìn)位)。習(xí)慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備

51、會(huì)首選送出字符的最右位(LSB-最低有效位)。而在生成CRC情況下，發(fā)送首位應(yīng)是被除數(shù)的最高有效位MSB。由于在運(yùn)算中不用進(jìn)位，為便于操作起見(jiàn)，計(jì)算CRC時(shí)設(shè)MSB在最右位。生成多項(xiàng)式的位序也必須反過(guò)來(lái)，以保持一致。多項(xiàng)式的MSB略去不記，因其只對(duì)商有影響而不影響余數(shù)。生成CRC-16校驗(yàn)字節(jié)的步驟如下:裝如一個(gè)16位寄存器，所有數(shù)位均為1。該16位寄存器的高位字節(jié)與開(kāi)始8位字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果放入這個(gè)16位寄存器。把這個(gè)16寄存器向右移一位。若向右(標(biāo)記位)移出的數(shù)位是1，則生成多項(xiàng)式10，1000，000，0000，001和這個(gè)寄存器進(jìn)行異或運(yùn)算;若向右移出的數(shù)位是0，則返回。重復(fù)和

52、，直至移出8位。另外8位與該十六位寄存器進(jìn)行異或運(yùn)算。重復(fù)，直至該報(bào)文所有字節(jié)均與16位寄存器進(jìn)行異或運(yùn)算，并移位8次。這個(gè)16位寄存器的內(nèi)容即2字節(jié)CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)，被加到報(bào)文的最高有效位。另外，在某些非ModBus通信協(xié)議中也經(jīng)常使用CRC16作為校驗(yàn)手段，而且產(chǎn)生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項(xiàng)式X16+X15+X2+1，單首次裝入的16位寄存器為0000;使用CRC16的反序X16+X14+X1+1，首次裝入寄存器值為0000或FFFFH。2)折疊LRCLRC錯(cuò)誤校驗(yàn)用于ASCII模式。這個(gè)錯(cuò)誤校驗(yàn)是一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，可作為2個(gè)ASCII十六進(jìn)制字節(jié)傳送。把十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)

53、換成二進(jìn)制，加上無(wú)循環(huán)進(jìn)位的二進(jìn)制字符和二進(jìn)制補(bǔ)碼結(jié)果生成LRC錯(cuò)誤校驗(yàn)(參見(jiàn)圖)。這個(gè)LRC在接收設(shè)備進(jìn)行核驗(yàn)，并與被傳送的LRC進(jìn)行比較，冒號(hào)(:)、回車(chē)符號(hào)(CR)、換行字符(LF)和置入的其他任何非ASCII十六進(jìn)制字符在運(yùn)算時(shí)忽略不計(jì)。3.4 Controlnet工業(yè)以太網(wǎng)ControlNet是近年來(lái)推出的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，在同一物理層介質(zhì)鏈路上提供時(shí)間關(guān)鍵性I/O數(shù)據(jù)和報(bào)文數(shù)據(jù)，包括程序的上載/下載，組態(tài)數(shù)據(jù)和端到端的報(bào)文傳遞等通訊支持，是具有高度確定性、可重復(fù)的高速控制和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，I/O性能和端到端通訊性能都較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有較大的提高。3.4.1 原理Control

54、Net是基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式(Producer/ConsumerModel)的網(wǎng)絡(luò)。ControlNet允許在同一鏈路上有多個(gè)控制器共存，支持輸入數(shù)據(jù)或端到端的多路發(fā)送，這就大大的減少了網(wǎng)絡(luò)上的交通量，提高了網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)性能。ControlNet是高度確定性、可重復(fù)性的網(wǎng)絡(luò)。ControlNet能預(yù)見(jiàn)數(shù)據(jù)何時(shí)能夠可靠傳輸?shù)侥繕?biāo)的能力，同時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)添加/刪除情況或網(wǎng)絡(luò)繁忙狀況而保持恒定的能力。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)選擇性設(shè)定有計(jì)劃I/O分組或互鎖時(shí)間，這些要求能得到更進(jìn)一步的保證。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式允許網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)同時(shí)獲取來(lái)自同一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。最終，該模式提高了效

55、率，因?yàn)閿?shù)據(jù)只發(fā)送一次，而與數(shù)據(jù)使用者(Consumer)的數(shù)量無(wú)關(guān)，并且具有精確的同步性。因?yàn)閿?shù)據(jù)將同時(shí)到達(dá)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式的優(yōu)點(diǎn)在于:多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)消費(fèi)(Consume，即讀取)來(lái)自同一個(gè)生產(chǎn)省(Producer，即數(shù)據(jù)源)所提供的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)間易于同步，可以獲得更為精確的系統(tǒng)性能，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自主通信，無(wú)需系統(tǒng)主站。ControlNet提供了簡(jiǎn)單、高度確定而且靈活的傳輸數(shù)據(jù)方式。ControlNet在執(zhí)行操作、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)不會(huì)影響到I/O控制的性能。因此，ControlNet非常適用于一些控制關(guān)系有復(fù)雜關(guān)聯(lián)、要求控制控制信息同步、協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)

56、合。ControlNet的明顯優(yōu)點(diǎn)是:同一鏈路上滿(mǎn)足I/O數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)互鎖、端到端報(bào)文傳輸和編程/組態(tài)等信息應(yīng)用的多樣要求;是確定性、可重復(fù)性的控制網(wǎng)絡(luò)，適合離散控制和過(guò)程控制;同一鏈路上允許有多個(gè)控制器同時(shí)共存;輸入數(shù)據(jù)和端到端信息的多路發(fā)送支持;可選的介質(zhì)冗余和本征安全;安裝和維護(hù)的簡(jiǎn)單性;網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)居于對(duì)等地位，可以從任意節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存取;靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(總線型、樹(shù)型、星型等)和介質(zhì)選擇(同軸電纜、光纖和其它)。3.4.2 ControlNet網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)是由控制網(wǎng)國(guó)際有限公司(ControlNet International,Ltd.)首先提出來(lái)的一種開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)。羅克韋爾自動(dòng)化公司的設(shè)計(jì)之

57、初就提出了三層網(wǎng)絡(luò)的概念,分別是以太網(wǎng)，Controlnet網(wǎng)，Deveicenet網(wǎng)，上層信息用于全廠的數(shù)據(jù)采集和程序維護(hù);中層自動(dòng)化和控制層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O的控制,控制器的互鎖和報(bào)文的傳送;底層設(shè)備網(wǎng)用于底層設(shè)備的低成本,高效率的信息集成.其中控制網(wǎng)通訊采用當(dāng)今流行的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式,該模式采用多信道廣播式,定點(diǎn)傳送，屬于預(yù)定性信息，每個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的地址，占一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)同步,信息吞吐量大,速度快,網(wǎng)絡(luò)效率高;因此控制網(wǎng)具有高速,高度確定和可重復(fù)性的網(wǎng)絡(luò),特別適用于對(duì)時(shí)間苛刻要求的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸，但是Controlnet網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目是有限制的，最高不能超過(guò)99

58、個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)限制會(huì)發(fā)生不可預(yù)測(cè)的故障，未超過(guò)但是過(guò)多會(huì)影響網(wǎng)速，造成網(wǎng)絡(luò)遲滯。Controlnet用同軸網(wǎng)線或者光纖作為介質(zhì)，相對(duì)而言，Controlnet比西門(mén)子的Profibus網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，易于維護(hù)，有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。3.4.3 控制網(wǎng)國(guó)際有限公司控制網(wǎng)國(guó)際有限公司(ControlNet International,Ltd.)是1997年7月由Rockwell等22家企業(yè)發(fā)起成立ControlNet國(guó)際化組織(CI)，是個(gè)非贏利獨(dú)立組織，主要負(fù)責(zé)向全世界推廣ControlNet技術(shù)(包括測(cè)試軟件)。目前已有50多個(gè)公司參加，如ABB Roboties 、Honeywell Inc.、

59、日本橫河、東芝、Omron等大公司。3.4.4 可建造ControlNet的設(shè)備1.ControlLogix，ProcessLogix，F(xiàn)lexLogix系列1756系列ControlLogix55xx控制器，集成多種控制功能:順序控制、傳動(dòng)控制和過(guò)程控制。網(wǎng)絡(luò)的橋接無(wú)需控制器。高速控制平臺(tái)上的高速數(shù)據(jù)傳輸。1757系列ProcessLogix控制器，5兆數(shù)據(jù)速率的高吞吐量工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。使用擴(kuò)展的診斷方法，維護(hù)簡(jiǎn)單，多點(diǎn)傳輸(Multicast)特性允許多個(gè)控制器共享輸入數(shù)據(jù)，可選的網(wǎng)絡(luò)冗余，增加可靠性。1794系列FlexLogix54xx控制器，面向分布式控制的中小型系統(tǒng)，無(wú)與倫比的靈活性，與

60、ControlLogix等同樣采用RSLoqix5000編程，多種編程語(yǔ)言支持，就地安裝可以擴(kuò)充多達(dá)16個(gè)FlexI/0模塊，可以安裝任何兩個(gè)可選的ControlNet(可選同軸或者光纖介質(zhì))、DeviceNet或者lOOMbpsEtherNet/IP。擴(kuò)展現(xiàn)場(chǎng)I/O和智能設(shè)備，通過(guò)ControlNet或者EtherNet/IP，實(shí)現(xiàn)對(duì)等通訊、數(shù)據(jù)采集、程序下載或者實(shí)時(shí)互鎖。2.PLC與SLC控制器系列PLC-5可編程控制器內(nèi)置ControINet通訊,通過(guò)ControINet口，提供高速通訊能力,允許處理器輸入中斷和可選的定時(shí)中斷。SLC掃描器口適配器模塊，性能最佳的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/0解決方