工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET

本章內(nèi)容概述以太網(wǎng)和IEEE802.3因特網(wǎng)與TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET

●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.01概述關(guān)于IEC61158標(biāo)準(zhǔn)缺陷問題的爭論為什么會想到以太網(wǎng)和TC/PIP？應(yīng)用廣泛廉價對工業(yè)以太網(wǎng)的看法●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.029.1以太網(wǎng)和IEEE802.3以太網(wǎng)的產(chǎn)生起源：上世紀(jì)60年代后期到70年代早期，夏威夷大學(xué)的NormanAbramson開發(fā)出ALOHA網(wǎng)絡(luò)爭用技術(shù)，無沖突處理措施70年代中期，Xerox、Intel、Dec在PARC開發(fā)出一種基于ALOHA的LAN網(wǎng)絡(luò)CSMA/CDEther的來歷1980年，DIX聯(lián)盟第1個版本DIX1.01982年，DIX聯(lián)盟第2個版本DIX2.0IEEE802子委員會IEEE802.3的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際情況●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.039.1以太網(wǎng)和IEEE802.3以太網(wǎng)的物理層命名原那么信號速率〔Mbit/s〕帶寬〔基帶或?qū)拵А常L度〔米〕或電纜類型●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.049.1以太網(wǎng)和IEEE802.3以太網(wǎng)的物理層基帶傳輸是指在一條線上只有一個信道，所有的數(shù)據(jù)傳輸只能使用這個信道，基帶采用MANCHESTER編碼。10BASE5是最早也是最經(jīng)典的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)1990年發(fā)布的10BASE-T是以太網(wǎng)開展史上的一個里程碑，它在雙絞線上實(shí)現(xiàn)了10Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。1992年發(fā)布的10BASE-F系列以太網(wǎng)使用的傳輸介質(zhì)是光纖。1995年通過了快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u。1998年開始陸續(xù)發(fā)布了吉位〔千兆位〕以太網(wǎng)1000BASE系列，從2002年開始陸續(xù)發(fā)布了萬兆以太網(wǎng)10GBASE系列。大多數(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)都是基于快速以太網(wǎng)技術(shù)而開發(fā)的?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域一般都是百兆以太網(wǎng)?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.059.1以太網(wǎng)和IEEE802.3以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層分為媒體訪問控制〔MAC〕子層和邏輯鏈路控制〔LLC〕子層。MAC其任務(wù)是解決網(wǎng)絡(luò)上的所有的節(jié)點(diǎn)共享一個信道所帶來的信道爭用問題；LLC其任務(wù)是把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)成幀，并且解決過失控制和流量控制的問題，從而在不可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。介質(zhì)訪問方式是CSMA/CD●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.069.1以太網(wǎng)和IEEE802.3●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET3.以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層以下圖所示為IEEE802.3以太網(wǎng)MAC的幀格式。2007.2V2.079.1以太網(wǎng)和IEEE802.3●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET3.以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層IEEE802.3的封裝格式是在RFCl042中定義的,這里的RFC(RequestForComment)是指有關(guān)Internet的正式文檔。以太網(wǎng)的MAC幀由7個域組成:前導(dǎo)碼、幀前定界碼、目的地址、源地址、長度、數(shù)據(jù)域以及循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC。前導(dǎo)碼用來表示數(shù)據(jù)流的開始,由7字節(jié)組成,每個字節(jié)都是二進(jìn)制數(shù)1和0的交替代碼10101010。它用于通知接收端即將有數(shù)據(jù)幀到來,使接收端能夠利用Manchester編碼的信號跳變來同步時鐘。接下來的是1字節(jié)的幀前定界碼SFD(StartFrameDelimiter),它用來指示數(shù)據(jù)幀的開始,該字節(jié)的編碼形式為10101011。

2007.2V2.089.1以太網(wǎng)和IEEE802.3●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET3.以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層目標(biāo)地址和源地址都是由6字節(jié)組成。目標(biāo)地址的最高位表示該地址是單播地址還是多播地址,如果為0,那么表示該目的站點(diǎn)為單播地址;如果為1,那么表示多播地址,即目的站點(diǎn)為多個地址的一組站點(diǎn);如果目的地址的內(nèi)容全為1,那么表示該幀為播送幀,該幀發(fā)給網(wǎng)絡(luò)上的所有站點(diǎn)。地址的次高位,表示該地址是全局地址還是局部地址,該位為0時表示全局地址;為1時表示局部地址。全局地址由IEEE分配,這樣可以保證世界上沒有任何兩個節(jié)點(diǎn)地址是相同的;局部地址可以由網(wǎng)絡(luò)管理員自行分配,只要保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部沒有兩個節(jié)點(diǎn)地址是一樣的就行了。接下來2字節(jié)的內(nèi)容如果不大于1500,那么表示的是它后面的數(shù)據(jù)區(qū)的長度,這時候數(shù)據(jù)的類型域位于它的數(shù)據(jù)域前面;如果不小于1536,這時候PDU的長度是固定的,用來表示類型,說明高層使用的協(xié)議,比方是IP協(xié)議還是IPX協(xié)議。2007.2V2.099.1以太網(wǎng)和IEEE802.3●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET3.以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)區(qū)的長度為0~1500字節(jié),但為了沖突檢測的需要,如果數(shù)據(jù)區(qū)的長度小于46字節(jié),需要在后面加上一段填充段。數(shù)據(jù)域中真正的數(shù)據(jù)只有38~1492字節(jié),其余的字節(jié)分別是:IEEE802.2中規(guī)定的目的效勞訪問點(diǎn)和源效勞訪問點(diǎn)各1字節(jié)，其值均為AAh;Ctrl字段的1字節(jié),值為03h；Qrgcoda字段的3字節(jié),其值均為OOh;另外的2字節(jié)緊貼在真正的數(shù)據(jù)段之前,用來表示數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)類型。在幀的最后是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼,即4字節(jié)的CRC碼。檢驗(yàn)的范圍從目的地址域開始到數(shù)據(jù)域結(jié)束。在發(fā)送時,發(fā)送站點(diǎn)邊發(fā)送邊計(jì)算得到32位的CRC碼,并把它附在每一幀的后面。接收站點(diǎn)邊接收邊進(jìn)行CRC校驗(yàn),如果發(fā)現(xiàn)錯誤,那么丟棄該幀。2007.2V2.0109.1以太網(wǎng)和IEEE802.3解決以太網(wǎng)競爭問題和提高效勞質(zhì)量的措施目的以太網(wǎng)技術(shù)用到工業(yè)自動化領(lǐng)域必須解決它固有的擁塞、競爭等問題。全雙工以太網(wǎng)〔full－duplexEthernet〕專用以太網(wǎng)交換機(jī)使得全雙工以太網(wǎng)成為可能。專用以太網(wǎng)交換機(jī)的使用有效地消除了競爭。連接到交換機(jī)的每一個節(jié)點(diǎn)都有它自己的專用網(wǎng)段。UTP中的一對用于傳輸數(shù)據(jù)，一對用于監(jiān)聽沖突。全雙工節(jié)點(diǎn)可以同時傳輸和接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)〔dataprioritization〕數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)涉及到為數(shù)據(jù)幀分配優(yōu)先級IEEE開發(fā)了新的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議－IEEE802.1q是專為以太網(wǎng)而開發(fā)的。802.1q為以太網(wǎng)IEEE802.3提供了數(shù)據(jù)優(yōu)先級的解決方案?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0119.1以太網(wǎng)和IEEE802.3解決以太網(wǎng)競爭問題和提高效勞質(zhì)量的措施效勞質(zhì)量〔QualityofService，QoS〕為了解決以太網(wǎng)中的擁塞和競爭問題,除了保證有足夠的帶寬外，還必須保證傳輸延時(即等待時間)是可預(yù)測和有保障的,這就是QoS的實(shí)質(zhì)。802.1q為具體的傳輸建立確定的參數(shù)〔確定性問題〕，保證傳輸延時〔即等待時間〕是可預(yù)測和有保障的。但為了具備這種功能,IEEE802.3的幀必須改變即在它原有幀的源地址和長度之間插入一個4字節(jié)的IEEE802.1q的頭,使用IEEE802.1q后解決了優(yōu)先級的問題,但必須考慮由此而帶來的和標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3設(shè)備不兼容的問題?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0129.2因特網(wǎng)與TCP/IP概述因特網(wǎng)的開展歷程1969年，最早的因特網(wǎng)——ARPANET；20世紀(jì)80年代，因特網(wǎng)——NSFNET；20世紀(jì)90年代以后，商業(yè)因特網(wǎng)?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0139.2因特網(wǎng)與TCP/IP概述TCP/IP〔TransmissionControlProtocol/InternetProtocol〕實(shí)質(zhì)為了解決網(wǎng)絡(luò)互連的問題，人們制定了一系列的協(xié)議，其中最重要的協(xié)議就是TCP/IP，TCP/IP表示傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)地說，TCP/IP實(shí)際上是一個龐大的協(xié)議族，它不僅包括網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的協(xié)議，也包括應(yīng)用層的一些協(xié)議。APRANET的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，它基于以下兩個原那么：一是物理網(wǎng)絡(luò)不完全可靠高可靠性和高健壯性大大促進(jìn)了TCP/IP的開展二是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能依賴于特定的硬件或軟件使得TCP/IP可廣泛地應(yīng)用在各種硬件和軟件平臺上●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0149.2因特網(wǎng)與TCP/IP概述TCP/IP〔TransmissionControlProtocol/InternetProtocol〕TCP/IP的根本標(biāo)準(zhǔn)是由因特網(wǎng)之父VintonG.Cerf和PobertKahn在1974年共同編寫的。1982年，ARPA將TCP/IP定為ARPANET的協(xié)議族，同時國防部也宣布其為軍用標(biāo)準(zhǔn)。互聯(lián)網(wǎng)即互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)集合，特別是使用TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)集合。而因特網(wǎng)就是連接起來的TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)。上世紀(jì)80年代，UNIX綁定了TCP/IP，NSF也命令組成NSFNET的所有NSF資助的超級計(jì)算機(jī)中心和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都將TCP/IP作為它們的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。所有這一切根本上確定了TCP/IP在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中的事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)的地位?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0159.2因特網(wǎng)與TCP/IPTCP/IP模型TCP/IP早，OSI晚TCP/IP沒有按一種標(biāo)準(zhǔn)去開發(fā)設(shè)計(jì)，但最終成為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)；OSI是國際標(biāo)準(zhǔn)，但最終使用者很少。TCP/IP只有4層，最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層實(shí)際上不是通常意義上的層，它僅僅是網(wǎng)絡(luò)層和底層的接口。TCP/IP協(xié)議本身并沒有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，在實(shí)際使用時，它借用其他通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，TCP/IP協(xié)議通過它的網(wǎng)絡(luò)接口和其他通信網(wǎng)絡(luò)連接起來。正因?yàn)槿绱?，TCP/IP才能作為因特網(wǎng)的根底，在多種局域網(wǎng)〔如以太網(wǎng)〕、多種播送網(wǎng)〔如公共數(shù)據(jù)網(wǎng)〕中廣泛應(yīng)用。TCP/IP模型:開始并沒有什么“模型〞，為了和OSI進(jìn)行比較，才畫出了一個模型?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0169.2因特網(wǎng)與TCP/IPTCP/IP各層的功能網(wǎng)絡(luò)層該層包括網(wǎng)絡(luò)接口層和因特網(wǎng)層把數(shù)據(jù)包由源節(jié)點(diǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)需要解決報(bào)文格式定義、路由選擇、阻塞控制和網(wǎng)際互聯(lián)等一系列問題。TCP/IP中的網(wǎng)絡(luò)層是基于數(shù)據(jù)報(bào)文無連接的,每個數(shù)據(jù)報(bào)文都必須包含目的節(jié)點(diǎn)的地址其工作原理是,源節(jié)點(diǎn)的傳輸層把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分為一個個的數(shù)據(jù)報(bào)文,交給網(wǎng)絡(luò)層;網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)一定的算法,為每個數(shù)據(jù)報(bào)文單獨(dú)選擇路由;每個數(shù)據(jù)報(bào)文沿所選擇的路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后,由目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層拼裝成原始的數(shù)據(jù)報(bào)文,然后上交給目的節(jié)點(diǎn)的傳輸層。核心和靈魂是因特網(wǎng)協(xié)議IP，IP協(xié)議不保證效勞的可靠性,它不提供任何核查或追蹤功能,不檢查報(bào)文的遺失或丟棄,端到端的過失控制及數(shù)據(jù)報(bào)流的排序等工作都由高層協(xié)議負(fù)責(zé)所以它一般和TCP配合使用〔TCP是面向連接的〕?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0179.2因特網(wǎng)與TCP/IPTCP/IP各層的功能網(wǎng)絡(luò)層IP地址在因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中起著非常重要的作用,它用來在因特網(wǎng)中標(biāo)識節(jié)點(diǎn)位置的節(jié)點(diǎn)地址。IPv4的節(jié)點(diǎn)地址由32位二進(jìn)制數(shù)組成,分為4組,每組8位,中間用圓點(diǎn)隔開。因?yàn)槲覀兒茈y讀懂二進(jìn)制數(shù)字,所以IP地址一般采用十進(jìn)制數(shù)表示,如9就是一個IP地址。IP地址由主機(jī)標(biāo)識(HostID)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(NetworkID)兩局部組成。IPv4地址又分為5類(A、B、C、D、E),其中A、B、C類有實(shí)際應(yīng)用。在A~C類IP地址中,明確規(guī)定了哪個局部表示網(wǎng)絡(luò)ID,哪個局部表示主機(jī)ID。為了提高IP地址的使用效率,還可以把一個網(wǎng)絡(luò)通過子網(wǎng)掩碼劃分為多個子網(wǎng)?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0189.2因特網(wǎng)與TCP/IPTCP/IP各層的功能網(wǎng)絡(luò)層除IP外,網(wǎng)絡(luò)層還包括其他一些重要協(xié)議,包括ARP、RARP、ICMP和IGMP等,它們均是作為對IP的補(bǔ)充。地址解析協(xié)議(ARP)用于在IP地址的情況下確定物理地址。反向地址解析協(xié)議(RARP)用于在物理地址的情況下確定IP地址。因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)主要負(fù)責(zé)因路由問題而引起的過失報(bào)告和控制,也可用于網(wǎng)際測試。它是封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中傳輸?shù)?局部彌補(bǔ)了IP在可靠性方面的缺陷。因特網(wǎng)組管理協(xié)議(IGMP)用于多目的傳送設(shè)備之間的信息交換協(xié)議。●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0199.2因特網(wǎng)與TCP/IPTCP/IP各層的功能傳輸層根本目的是為通信雙方的主機(jī)提供端到端的效勞，即為兩個應(yīng)用進(jìn)程提供可靠而且合算的數(shù)據(jù)傳輸。要具備尋址、建立連接、撤除連接、流控制和緩存、多路復(fù)用、崩潰恢復(fù)等一系列的功能。傳輸層協(xié)議是端口對端口的。所謂的端口是某個應(yīng)用進(jìn)程用來存儲數(shù)據(jù)的部件,是應(yīng)用進(jìn)程傳輸效勞的入口點(diǎn)。應(yīng)用進(jìn)程和與之對應(yīng)的端口之間的接口是由節(jié)點(diǎn)上的操作系統(tǒng)提供的。應(yīng)用進(jìn)程獲取一個端口后,可以用通常的讀寫語句來訪問它。每個端口都有惟一的端口號,該端口號可用于尋址。傳輸控制協(xié)議〔TCP〕提供的是面向連接的、端到端的可靠的通信協(xié)議。TCP速度慢、效率低，但可靠性和平安性高。TCP通常和無連接的IP一起使用。用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議UDP與TCP并行的一個獨(dú)立協(xié)議，它和IP一樣是無連接的協(xié)議，所以它的效率高，但不可靠。每個UDP報(bào)文中除了包含用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)外,還有報(bào)文的目的端口號和源端口號,從而UDP軟件可以把報(bào)文傳送給正確的接收者。UDP適合于在簡單的交互場合使用?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0209.2因特網(wǎng)與TCP/IPTCP/IP各層的功能應(yīng)用層根本目的是為通信雙方的主機(jī)提供端到端的效勞，即為兩個應(yīng)用進(jìn)程它沒有像OSI模型劃分的那么細(xì)致和明確,但這也正是它簡單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)之一。應(yīng)用層有很多協(xié)議來滿足不同應(yīng)用的需要與TCP有關(guān)的應(yīng)用：遠(yuǎn)程仿真終端協(xié)議(Telnet)、文件傳輸協(xié)議(FTP)、簡單郵件傳輸協(xié)議(SMTP)、郵件協(xié)議(POP)?；赨DP的應(yīng)用層協(xié)議有普通文件傳輸協(xié)議(TFTP)、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)〔NFS〕、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議〔SNMP〕、自舉〔引導(dǎo)〕協(xié)議〔BOOTP〕和域名效勞〔DNS〕?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0219.3工業(yè)以太網(wǎng)概述實(shí)質(zhì)：基于以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)開發(fā)出來的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)為什么還要開展和使用工業(yè)以太網(wǎng)？關(guān)于IEC61158經(jīng)過十幾年的制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的努力,雖不能說失敗,但I(xiàn)EC611581畢竟是一個妥協(xié)的產(chǎn)物,多標(biāo)準(zhǔn)的局面就像4~20A標(biāo)準(zhǔn)信號誕生前測量儀表的信號標(biāo)準(zhǔn)一樣,給今天現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣和開展帶來了非常不利的影響。雖然現(xiàn)場總線技術(shù)是開放的,其互換性和互操作性都很好，但大多數(shù)情況是針對某一種現(xiàn)場總線技術(shù)而言的,不同的現(xiàn)場總線技術(shù)之間雖說可以通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)互通,但這時設(shè)備和裝置之間的互換性和互操作性就根本上喪失了;現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)吞吐能力也比較低,在底層應(yīng)用還沒多大問題,但對于一些實(shí)時性要求非常高的應(yīng)用場合,或在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的高層實(shí)施信息綜合和管理時,現(xiàn)場總線技術(shù)的局限性就顯現(xiàn)出來了。所以,功能更強(qiáng)大、技術(shù)更普及、標(biāo)準(zhǔn)更統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)成為業(yè)界共同的追求。●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0229.3工業(yè)以太網(wǎng)概述為什么還要開展和使用工業(yè)以太網(wǎng)？選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)？顯然以太網(wǎng)和TCP/IP是首選。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過多年的開展,特別是在因特網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用,使得它的技術(shù)更為成熟和完善。以太網(wǎng)和TCP/IP的結(jié)合成為IT行業(yè)中事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),它們得到了廣闊產(chǎn)品制造商和用戶的普遍認(rèn)同。所有這一切使得廣闊的用戶了解和掌握了以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù),另一方面支持它們的軟硬件產(chǎn)品也非常豐富,從而使產(chǎn)品的價格低廉、質(zhì)量優(yōu)良。另外,以太網(wǎng)技術(shù)還在飛速開展,主流以太網(wǎng)已變?yōu)?00Mb/s,1000Mb/s及10Gb/s以太網(wǎng)也已發(fā)布和使用,數(shù)據(jù)傳輸速度高滿足了實(shí)時控制的要求和高層信息化的要求?，F(xiàn)在絕大多數(shù)企業(yè)的局域網(wǎng)都使用以太網(wǎng),如果在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中也使用以太網(wǎng)技術(shù),那么可以使信息集成更為方便和簡單,同時使得電子商務(wù)、電子制造的實(shí)現(xiàn)也更加方便,最重要的是使得整個工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得簡單了。●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0239.3工業(yè)以太網(wǎng)2.需要解決的問題通信的實(shí)時性問題以太網(wǎng)是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò),它采用CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制方式,其本質(zhì)上是非實(shí)時的,平等競爭的介質(zhì)訪問方式不能滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域的實(shí)時性要求。所以非實(shí)時性和不確定性是以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用的最大障礙和致命弱點(diǎn)。對環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性問題以太網(wǎng)是按辦公條件的環(huán)境來設(shè)計(jì)的,而工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境條件在溫度、濕度、振動、拉伸強(qiáng)度、電磁干擾等方面都比辦公環(huán)境條件惡劣。所以必須對以太網(wǎng)的安裝方式、設(shè)備等進(jìn)行改進(jìn),才能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境條件的要求?？偩€供電問題在學(xué)習(xí)PRORBUS-PA和AS-i時,我們接觸到了總線供電的概念。采用總線供電可以減少網(wǎng)絡(luò)電纜,降低安裝的復(fù)雜性和費(fèi)用,使網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的易維護(hù)性得以提高。在環(huán)境惡劣和危險(xiǎn)的場合,總線供電更能顯示出其必要性和重要性。目前的以太網(wǎng)還不能滿足總線供電的要求。●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0249.3工業(yè)以太網(wǎng)2.需要解決的問題本質(zhì)平安與防爆問題工業(yè)現(xiàn)場存在易燃、易爆和有毒等場合,這時就必須采用一定的防爆技術(shù)來保證工業(yè)現(xiàn)場的平安生產(chǎn)。在以太網(wǎng)中,現(xiàn)有的交換機(jī)、傳輸介質(zhì)和現(xiàn)場設(shè)備要用到有本質(zhì)平安要求的工業(yè)現(xiàn)場,還需要在低功耗設(shè)計(jì)和技術(shù)方面采取措施。其他問題以太網(wǎng)要想真正用到工業(yè)現(xiàn)場,還存在不少其他問題,如設(shè)備之間的互操作性、網(wǎng)絡(luò)的平安性及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?這些問題的存在制約著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程。另外,現(xiàn)場級的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的價格問題也是一個重要的因素,它們和現(xiàn)場總線設(shè)備相比,到底有多大的優(yōu)勢,也都是要考慮的問題?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0259.3工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)狀技術(shù)上的改造針對以上以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場使用面臨的問題,現(xiàn)已出現(xiàn)了不少解決方案。如對以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時性和確定性的要求,當(dāng)然對其只是小改進(jìn)或者變相的改進(jìn),而不能改動最根本的CSMA/CD介質(zhì)訪問方式,不然就改變了以太網(wǎng)的性質(zhì);采用能滿足工業(yè)現(xiàn)場要求的連接方式來滿足現(xiàn)場設(shè)備的安裝和可靠性要求;至于在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)總線供電和防爆等技術(shù)還在進(jìn)一步的開發(fā)和研究之中。大公司增加開發(fā)力度許多大公司都提出了工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案,并且也陸續(xù)推出了自己的產(chǎn)品。比較有影響的如FF的高速以太網(wǎng)HSE、Rockwell公司的以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議Ethernet/IP、SIEMENS公司的PROFINET、Schneider公司的MODBUS/TCP,以及IDA集團(tuán)的分布式自動化接口(IDA,InterfaceforDistributedAutomation)等。●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0269.3工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)狀幾種主要的工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IPODVA、CI和IEA三個國際組織在2000年聯(lián)合推出的,Rockwell公司是它的主要支持者。基于以太網(wǎng)技術(shù)、TCP/IP技術(shù)和CIP技術(shù)，因此它兼具工業(yè)以太網(wǎng)和CIP網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。HSE2000年3月29日,FF發(fā)布了HSE的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),即HSEFS1.0版,200012月又發(fā)布了第2版,HSEFS1.1。HSE采用基于以太網(wǎng)〔IEEE802.3〕＋TCP/IP＋H1的六層結(jié)構(gòu)?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0279.4PROFINET概述1999年底，PI——PROFINET;2000年底，成為IEC61158-10;2002年，第一個軟件包；基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，是一種實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)，同時它無縫地集成現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，從而使現(xiàn)在對于現(xiàn)場總線技術(shù)的投資得到保護(hù)。支撐技術(shù)多，集成的功能強(qiáng)●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0289.4PROFINETPROFINET的通信通信模型●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINETPROFINET的物理層采用了快速以太網(wǎng)的物理層,數(shù)據(jù)鏈路層采用的也是IEEE802.3的標(biāo)準(zhǔn),但采取了不少改進(jìn)措施;網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用了IP/TCP/UDP,OSI中的第5層、第6層未用,根據(jù)分布式系統(tǒng)中PROFINET控制對象的不同,應(yīng)用層分為無連接的和有連接的兩種。2007.2V2.0299.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽通信等級不同的應(yīng)用對象對通信的實(shí)時性要求不同,如一些過程參數(shù)的設(shè)定值、報(bào)警上下限設(shè)定值等就沒有特別的實(shí)時性要求;對實(shí)際過程參數(shù)采樣值和控制值除進(jìn)行循環(huán)更新外,還必須滿足一定的實(shí)時性(一般要求小于10ms)要求;而對運(yùn)動控制系統(tǒng)來說,對實(shí)時性的要求更高,而且對抖動時間也有要求,這種情況下,必須采用等時同步控制方式才能解決問題?？梢赃M(jìn)行縮放的模型,對不同的應(yīng)用采取不同的通信方案。使用TCP/UDP和IP，解決非苛求時間的數(shù)據(jù)通信，如組態(tài)和參數(shù)賦值；使用軟實(shí)時〔SRT〕技術(shù)，解決苛求時間的數(shù)據(jù)通信，如自動化領(lǐng)域的實(shí)時數(shù)據(jù)；使用等時同步實(shí)時〔IRT〕技術(shù)，解決對時間要求嚴(yán)格同步的數(shù)據(jù)通信，如運(yùn)動控制。●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0309.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽通信通道模型通信采用的是生產(chǎn)者〔Provider〕和消費(fèi)者〔Consumer〕方式，數(shù)據(jù)提供者(例如現(xiàn)場的傳感器等)把信號傳送給消費(fèi)者(例如PLC主站),然后消費(fèi)者根據(jù)控制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后,再把輸出數(shù)據(jù)返送給現(xiàn)場的消費(fèi)者(比方執(zhí)行器等)影響數(shù)據(jù)循環(huán)周期的因素分析，提高響應(yīng)速度，縮小循環(huán)時間的方法。圖中的ΔT1是數(shù)據(jù)在提供者處檢測采集和在消費(fèi)者處進(jìn)行處理的時間,屬于循環(huán)時間的范圍,但這段時間和通信協(xié)議無關(guān);ΔT2是數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)提供者一端的通信堆棧進(jìn)行編碼和消費(fèi)者一端通信堆棧進(jìn)行解碼所需要的時間;ΔT3是數(shù)據(jù)在介質(zhì)上傳輸所需時間，對于100Mb/s的以太網(wǎng)，ΔT3可以忽略不計(jì)。由此可以看出,解決工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時性的關(guān)鍵技術(shù)就是減少數(shù)據(jù)通過通信堆棧所占用時間的問題?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0319.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽通信通道模型通信通道模型及其實(shí)質(zhì)TCP/IP或UDP/IP都不能滿足過程數(shù)據(jù)循環(huán)更新時小于10ms的要求,對以太網(wǎng)中影響實(shí)時性和確定性的因素也必須改進(jìn)才能滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域的要求。標(biāo)準(zhǔn)的IT應(yīng)用層協(xié)議可用予PROFINET和MES、ERP等高層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換,開放的標(biāo)準(zhǔn)TCP/UDP/IP通道可用于設(shè)備的參數(shù)化、診斷數(shù)據(jù)讀取等。實(shí)時通道SRT用予高性能的數(shù)據(jù)通信,如循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸和事件控制信號等。等時同步實(shí)時通道IRT用于抖動時間小于1μs的等時模式?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0329.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽實(shí)時通信機(jī)理通過軟件的方法來完成實(shí)時通道的功能去除一些協(xié)議層，減少文本長度；提高通信雙方傳輸數(shù)據(jù)確實(shí)定性，把數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備就緒的時間減至最?。弧睧therType和FrameID〕采用IEEE802.1q標(biāo)準(zhǔn)，增加對數(shù)據(jù)流傳輸優(yōu)先級處理環(huán)節(jié)?！睼LANTag〕PEOFINET把實(shí)現(xiàn)RT功能的VLAN標(biāo)志嵌入到了以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)中，VLAN由4字節(jié)組成,其中有表示優(yōu)先級的3位。在RT幀中有兩個最重要的協(xié)議元素,一個是以太網(wǎng)類型(EtherType),PROFINET使用以太網(wǎng)類型的Ox8892表示該幀是RT幀,該類型是由IEEE指定的區(qū)別于其他協(xié)議的惟一標(biāo)準(zhǔn);另外一個是幀ID碼(FrameID),它用來編址兩個設(shè)備間的特殊的通信通道。僅使用FrameID就可以快速選擇和識別RT幀而不需要任何多余的幀頭標(biāo)志?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0339.4PROFINETPROFINET的通信通信概覽等時同步實(shí)時改進(jìn)快速以太網(wǎng)的層2協(xié)議，使用IEEE1588的PTP〔精確時間協(xié)議〕實(shí)現(xiàn)同步。在IRT中的循環(huán)周期中,時間被分成兩局部,即時間確定的等時通信局部和開放性的標(biāo)準(zhǔn)通信局部。對時間要求苛刻的實(shí)時數(shù)據(jù)在時間確定性通道中傳輸,而對時間要求不高的數(shù)據(jù)(如TCP/IP報(bào)文)在開放性通道中傳輸。IRT通道就像專門留給實(shí)時數(shù)據(jù)的專用高速公路,即使它再空閑,別人也不能使用。等時同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)基于硬件，具備此功能的ASIC具有用于實(shí)時數(shù)據(jù)的循環(huán)同步和數(shù)據(jù)間隔控制功能?；谟布膶?shí)現(xiàn)方案能夠獲得極高的順序精度控制要求,同時也釋放了承擔(dān)PROFINET識別通信任務(wù)的CPU的負(fù)擔(dān)?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0349.4PROFINETPROFINETIO概述相當(dāng)于PROFIBUS-DP；只不過把過去設(shè)備上的PRORBUS-DP接口更換成PROFINET接口就行了。帶PROFINET接口的智能化設(shè)備可以直接連接到網(wǎng)絡(luò)中,而簡單的設(shè)備和傳感器可以集中連接到遠(yuǎn)程I/O模塊上,通過I/O模塊連接到網(wǎng)絡(luò)中。PROFINETIO可以做到:容納范圍廣。從小的設(shè)備、裝置、子系統(tǒng)到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都可以連接到PROFINET中;提供強(qiáng)大的實(shí)時循環(huán)通信功能;快速傳輸消息;提供層次清晰的診斷信息;快速檢測和修正臨時或永久性的錯誤;驅(qū)動時間短；容易安裝;能夠抵御極端的環(huán)境條件。

●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0359.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的組成IO控制器一般由PLC來擔(dān)任IO控制器,系統(tǒng)運(yùn)行時,自動循環(huán)執(zhí)行寫在PLC中的用戶控制程序。IO控制器相當(dāng)于PROFIBUS-DP中的主站。

IO監(jiān)視器用戶可以使用IO監(jiān)視器進(jìn)行組態(tài)、編程,然后把它們下載到IO控制器中。IO監(jiān)視器也可以用來對系統(tǒng)進(jìn)行診斷、分析,相當(dāng)于PROFIBUS-DP中的中的2類主站。

IO設(shè)備是分散于控制現(xiàn)場的各種裝置、設(shè)備或子系統(tǒng),相當(dāng)于PROFIBUS-DP中的從站。三種設(shè)備的通信關(guān)系●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0369.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的工作過程設(shè)備模型由模塊、槽和通道組成；所有的通道都可以被認(rèn)為是一個整體單元由一個控制器控制;每一個通道也可以單獨(dú)操作,由不同的控制器控制。

GSD文件：用XML編寫ID號：16位制造商標(biāo)識符、16位設(shè)備標(biāo)識符工作過程●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0379.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的工作過程通信關(guān)系〔CR〕和應(yīng)用關(guān)系〔AR〕在系統(tǒng)啟動時,控制器使用一個連接幀來'建立控制器和IO設(shè)備之間的AR,在建立AR時,控制器完成了以下工作:PROFINET中的數(shù)據(jù)交換是通過各種通信關(guān)系CR實(shí)現(xiàn)通信關(guān)系的建立在應(yīng)用關(guān)系建立后完成初始化工作：建立控制器和IO設(shè)備之間的AR把有關(guān)AR的參數(shù)傳遞給IO設(shè)備；建立起各種CR，并把CR的參數(shù)傳遞給IO設(shè)備；設(shè)備模型的匹配；建立起報(bào)警CR，并把其CR的參數(shù)傳遞給IO設(shè)備?？拷粨Q幾組報(bào)文來完成的●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0389.4PROFINETPROFINETIOPROFINETIO的工作過程在PROFINET中,可以有多個AR,但至少必須有兩個AR,即控制器和IO設(shè)備之間的AR,以及監(jiān)視器和IO之間的AR。每個AR中可以有多個CR,CR的多少由FrameID和EtherType決定。三種根本的CR非循環(huán)CRs：它是最先建立起來的CR，它用來傳遞組態(tài)數(shù)據(jù)、啟動參數(shù)、診斷數(shù)據(jù)等對時間要求不苛刻的數(shù)據(jù)。I/OCRs：它用來在控制器和IO設(shè)備之間循環(huán)交換實(shí)時I/O數(shù)據(jù)。報(bào)警CR：它用來傳遞報(bào)警信息，是非循環(huán)的。初始化工作完成后,整個系統(tǒng)就進(jìn)入到了正常工作階段。初始化工作完成后,整個系統(tǒng)就進(jìn)入到了正常工作階段?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0399.4PROFINETPROFINETCBA概述基于組件的自動化CBA〔Component-BasedAutomation〕技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)分布式〔Distributed〕裝置、機(jī)器模塊、局部總線等設(shè)備級智能模塊自動化應(yīng)用的概念。實(shí)質(zhì)：CBA的控制對象是一個整體的裝置、智能機(jī)器或系統(tǒng)，它的I/O之間的數(shù)據(jù)交換在它們內(nèi)部完成，這些智能化的大型模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)的接口相連，進(jìn)而組成大型系統(tǒng)。產(chǎn)生原因：在工業(yè)生產(chǎn)過程中存在著許多功能相同的裝置或工藝過程相似的環(huán)節(jié)，自動化領(lǐng)域的開展已進(jìn)入到了創(chuàng)立模塊化裝置和機(jī)器的階段。舉例●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0409.4PROFINETPROFINETCBA概述好處大大減少了設(shè)計(jì)工作量；組件之間只需少量的接口完成級聯(lián)；每個模塊都具有高度的自治性，從測試到診斷都無需對整個系統(tǒng)進(jìn)行操作；單個的組件調(diào)試可提前進(jìn)行，從而使系統(tǒng)總體調(diào)試簡單化；系統(tǒng)維護(hù)變得容易?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0419.4PROFINETPROFINETCBA工藝技術(shù)模塊和組件模塊定義：生產(chǎn)實(shí)際中，每個獨(dú)立的環(huán)節(jié)在組成上都有相似的地方，那就是它們都是由機(jī)械、電氣/電子設(shè)備和控制邏輯〔軟件〕來實(shí)現(xiàn)其功能的。由這些要素構(gòu)成的整體單元就是工藝技術(shù)模塊〔technologymodule〕。組成：一個工藝技術(shù)模塊代表的是一個專用的組件，它包括機(jī)械的、必需的電控裝置和相關(guān)的軟件。劃分原那么必須周密地考慮在不同使用設(shè)備中的可復(fù)用性、本錢和實(shí)用性。不能過小、過細(xì)；也不能過大、過粗。

●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0429.4PROFINETPROFINETCBA工藝技術(shù)模塊和組件模塊舉例從用戶的角度出發(fā),工藝技術(shù)模塊必須具有可操作的功能,即通過接口從外部對其進(jìn)行操縱。所以PROFINET組件就是用戶可從外部操作的工藝技術(shù)模塊,也就是具備外部接口的工藝技術(shù)模塊。以下圖所示就是PROFINET組件表示填充工藝技術(shù)模塊的例子。每個組件有一個接口,它包含多個能與其他組件進(jìn)行交換或用其他組件激活的變量,PROFINET組件接口是按照IEC61499來規(guī)定的?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0439.4PROFINETPROFINETCBA現(xiàn)場設(shè)備的結(jié)構(gòu)定義：現(xiàn)場設(shè)備是組件的另外一種稱謂，在最簡單的情況下，CBA就是現(xiàn)場設(shè)備。但是，也可以把多個現(xiàn)場設(shè)備組合成一個組件?，F(xiàn)場設(shè)備的組成：以下圖為現(xiàn)場設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0449.4PROFINETPROFINETCBA現(xiàn)場設(shè)備的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場設(shè)備的組成：只有一個物理設(shè)備〔PDev〕：PDev提供對以太網(wǎng)的訪問進(jìn)口，它包含MAC地址和IP地址。每個組件都使用PDve來尋址。與該組件發(fā)生聯(lián)系的其它設(shè)備就是通過PDev來登入的。一個或多個邏輯設(shè)備〔LDev〕：它是實(shí)際應(yīng)用〔用戶程序〕的登入點(diǎn)，它和RTAuto中的可執(zhí)行的用戶程序相對應(yīng)。每個LDev有一個ACCO；活動控制鏈接對象ACCO〔ActiveControlConnectionObject〕是PROFINET組件的核心局部。ACCO集成在每個CBA設(shè)備內(nèi),既可以作為提供者,也可以作為消費(fèi)者。ACCO確保PROFINETCBA設(shè)備中數(shù)據(jù)交換的協(xié)調(diào),負(fù)責(zé)建立所組態(tài)的通信關(guān)系。對于CBA,所有的通信都是由ACCO發(fā)起的。作為提供者,它自動地準(zhǔn)時向消費(fèi)者發(fā)送其所請求的數(shù)據(jù);作為消費(fèi)者,它向相應(yīng)的RTAuto提供所接收的數(shù)據(jù)。每個LDev有一個或多個運(yùn)行期對象〔RT-Auto〕：實(shí)時自動化〔Real－TimeAuto〕，即包含著工業(yè)技術(shù)功能要求的可執(zhí)行程序，它總是被指定給一個LDev，在一個現(xiàn)場設(shè)備中可以有多個RT-Auto?！窆I(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0459.4PROFINETPROFINETCBA使用過程三個階段創(chuàng)立組件；組件互連；把互連信息下載到現(xiàn)場設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)的組件是由機(jī)器制造商為用戶提供的,但有些情況下需要系統(tǒng)工程師親自去'創(chuàng)立一個組件。組件用標(biāo)準(zhǔn)化的PCD(PROFINETComponentDescription)來描述PCD〔PROFINETComponentDescription〕語言相當(dāng)于GSD文件,PCD使用XML來描述PROFINET組件和它們的技術(shù)接口,并以XML文件的形式來存儲。XML可以使描述數(shù)據(jù)與制造商和平臺格式無關(guān),所有的PROFINET工程工具都能理解XML格式的文件。●工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET2007.2V2.0469.4PROFINETPROFINETCBA使用過程PCD〔PROFINETComponentDescription〕語言在創(chuàng)立組件時,相關(guān)的工具還生成全球惟一的標(biāo)識符(UUID,UniversalUniqueIdentifier),UUID用來標(biāo)識組件及其功能,可以保證只有功能相同的組件才有相同的UUID組件互連組態(tài)工程師在進(jìn)行組態(tài)時,其工作就變得相當(dāng)簡