基于几种工业以太网通讯协议的应用及分析

王旸

（唐山三友兴达化纤有限公司，河北 唐山 063300）

1.工业以太网概述

工业以太网它是基于IEEE 802.3(Ethernet)的强大区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET提供一个无缝集成到新的多媒体途径，它多应用于工业控制领域的以太网技术，重点在于利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站之间的相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无缝集成。据资料分析，目前工业以太网开始在监控层网络上逐渐占据主流位置，正在向现场设备层网络渗透。我们可以这样说，工业以太网是当前工业控制领域的一大研究热点。工业以太网相对于以往的自动化技术有很多优势，具体如下：

1.1 通信速率很高。就目前来说，10、100 Mb/s的快速工业以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s。显然，工业以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

1.2 可持续发展力大。工业以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，我们的用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。

1.3 资源共享能力强。随着Internet/Intranet的逐步快速发展，工业以太网已渗透到各个地方，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现"控管一体化"，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

2.基于TCP的工业以太网

现实中，由于TCP/IP协议的可靠性和稳定性比较好，我们经常使用的比如Modbus/TCP、PROFIne等大多数工业以太网协议都选择了TCP/IP。现在笔者就Modbus/TCP的应用做一阐述。

实际生产生活中，我们可以看到并不是所有的工业环境都需要达到微秒级别的时间要求，类似于IDA所采用的RTPS模式虽然能使工业以太网的传输层性能达到一定的精确标准，但同时又增加了成本。同时，有些我们看上去似乎需要UDP协议来体现其高速性能的场合，其实可以通过在物理层和链路层的优化的基础上，结合工业以太网数据量小的特点，采用传统方式的TCP协议来实现。这样即省去了在使用UDP协议时必须做增强开发来构造通信的确定性方面所付出的高额代价，又可以实现工业以太网的实时性要求。

Modbus/TCP协议是在Modbus协议的基础上发展而来的，Modbus/TCP协议的实现是在不改变原有Modbus协议的基础上，只是将它的传输层协议简单的移植到TCP/IP上。因此在TCP/IP网络中Modbus/TCP使用传输控制协议(TCP)进行Modbus应用协议的数据传输。参数和数据使用封装的方法嵌入到TCP报文的用户数据容器中进行传送。另外地址和校验在Modbus/TCP中也由底层的TCP协议来完成。由于传输层以上遵循Modbus协议，所以采用C/S结构，在数据传输前进行之前，需要在客户和服务器之间建立一个TCP/IP连接。服务器使用端口502作为Modbus/TCP连接的端口。连接的建立通常由TCP/IP的Socket接口的软件协议自动实现的，因此对应用完全透明。

如果客户和服务器间TCP/IP连接建立，同样的连接可以根据要求的方向用来传输任意数量的用户数据。客户和服务器还可以同时建立多个TCP/IP连接，最大的连接数量取决于TCP/IP接口的规范。在输入输出数据循环传输的情况下，永久的连接通常维持在客户和服务器之间，只有在发生特殊事件而有必要传送参数和诊断报文时，连接才能在每一次数据传送后被关闭，需要时再次建立。这也是Modbus/TCP在工业以太网中采用TCP做为传输层协议而不采用速度更快的UDP协议的原因所在。

3.基于UDP的工业以太网

目前,有很少数的客户在传输层协议中或部分采用了UDP。笔者单就Ethernet/IP在传输机制和通信模式作一简单比较。在EtherNet/IP中，对于对实时性要求较高的实时I/O数据,采用UDP/IP协议来传送,而对实时性要求不太高的显式信息，就可以采用TCP/IP来传送。

在网络层和传输层EtherNet/IP采用的是INTERNET标准的TCP/IP协议族在单个或多个设备之间传送信息，同样，在这些层标准的CIP信息被打包成TCP/IP包，TCP/IP包允许网上的节点将他们作为以太网信息的一部分。节点发送这些TCP/IP协议包到数据链路层。利用TCP/IP，EtherNet/IP可以传送用于节点之间主/从类型事务的显示报文。

EtherNet/IP利用TCP/IP资源在以太网上传送报文，为了满足ODVA组织一致性要求宣言，EtherNet/IP的产品都要求能完成UCMM接收其他设备的请求。比如像少有的显示报文传输或者实时的I/O数据传输。通过UCMM的通讯服务连接资源被保留。打开一个连接的过程被称为连接生成。而主动提出连接生成的节点就叫做连接生成器。相反，响应该节点的节点就叫做连接目标。

4.工业以太网的应用

就目前来说，工业以太网在控制系统中的应用主要有两个方面。第一个方面是连接HMI和PLC控制系统，现在在国内超过95%的应用都是这一类型的。但是由于以太网结构简单、成本低廉，有很好的灵活性和兼容性而且有较大的网络带宽，各主要PLC厂家都推出了支持以太网接口的PLC和相关的通讯模块。

第二个方面是它取代了现有的工业现场总线，连接变频器和远程IO。目前在国内这种应用例子还比较少，可供选择的适用于工业现场控制的以太网线缆、连接头还不够多，施工布线规范、接地、抗干扰措施等方面的问题还需进一步摸索。现结合化纤类企业浅谈下工业以太网现场总线技术在实际生产中的应用步骤。

这种系统我们假设是在浸压粉工序和熟成工序设立相对独立的现场操作站，每个操作站负责各自的生产维护功能彼此相互独立，互不影响。该系统在黄化工序设立总操作站，除了负责黄化工序的正常生产控制，还应具备控制浸压粉工序和熟成工序的操作维护功能，并且对其相应的操作站有更高的优先权。各操作站之间的设备通过标准的工业以太网连接，该网络要进行相应的冗余设计，以保证网络运行的可靠性。我们对重要关键部位的控制器、网络、模块、电源要进行冗余配置，以保证各工序生产过程的可靠性。这种系统的总操作站要有开发和运行软件功能，其余各操作站要有相应的运行功能，该系统的软件要采用性能价格比相对较高的软件，保证整个系统的稳定可靠运行。

5.工业以太网发展前景和展望

工业以太网以其特有的低成本，高实效，高扩展性及高智能等特点，吸引着越来越多的制造商。正因为如此，在国际上已经开始着手制定一个工业以太网标准。同时，以太网和通信技术的突飞猛进也促使工业以太网技术进一步发展。现在工业以太网技术已经开始向实时工业以太网和无线工业以太网的方向发展。而不久的将来，面向未来工业网络的新一代工业以太网组件也将出现。由于以太网有"一网到底"的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，随着工业以太网技术的发展将会取代现在的基于现场总线的工业网络，成为工业网络中的主流。

[1]张春龙.DCS控制系统的安装与调试[J].中国新技术新产品,2010年03期.

[2]唐洁吉,施波.DCS系统中的设备管理解决方案[A].中国计量协会冶金分会.2010年会论文集[C],2010年.

[3]吴国中.基于先进控制技术的DCS系统的设计与开发[D].南京林业大学,2003年.

[4]边宁宁,费敏锐.一种基于工业以太网的控制系统的设计与实现 [J].仪器仪表学报,2003.8.