工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet／IP性能分析

引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )體系結構發(fā)生了一系列變革。近年來(lái)，國際工業(yè)控制領(lǐng)域的共同趨勢是使用基于IEEE 802．3和TCP／IP的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，形成新型基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)，即“工業(yè)以太網(wǎng)”。國際上，比較流行的工業(yè)以太網(wǎng)有Ether-NeL／IP、Profinet、Modbus／TCP，HSE、EtherCAT，PowerLink、EPA等。

目前，工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向有2種：一種是非標準的以太網(wǎng)，在以太網(wǎng)的基礎上二進(jìn)行了改動(dòng)，一般都采用專(zhuān)用的芯片進(jìn)行產(chǎn)品研制，Profinet是其典型代表；另一種是基于標準的以太網(wǎng)，采用工業(yè)級的以太網(wǎng)芯片就能進(jìn)行產(chǎn)品研制，EtherNet／IP正是基于標準以太網(wǎng)的典型代表。

1 EtherNet／IP介紹

通用工業(yè)協(xié)議(Common Industrial Protocol，CIP)為開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)DeviceNet、ControlNet、Componet、EtherNet／IP等網(wǎng)絡(luò )提供了公共的應用層和設備描述。它建立在單一的、與介質(zhì)無(wú)關(guān)的平臺上，為從工業(yè)現場(chǎng)到企業(yè)管理層提供無(wú)縫通信，使用戶(hù)可以整合跨越不同網(wǎng)絡(luò )的有關(guān)安全、控制、同步、運動(dòng)、報文和組態(tài)等方面的信息。有助于使工程化和現場(chǎng)安裝的開(kāi)銷(xiāo)最小化，使用戶(hù)獲得最大的投資收益。

EtherNet／IP技術(shù)是基于標準的TCP／IP協(xié)議的CIP技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)的巧妙結合，只是在TCP或UDP報文的數據部分嵌入了CIP封裝協(xié)議，封裝協(xié)議的主要任務(wù)是定義和規范了如何封裝和傳輸t層協(xié)議報文，以及如何管理和利用下層TCP／IP連接，起到承上啟下的作用。

EtherNet／IP采用高效靈活的數據交換模式——生產(chǎn)者／消費者模式。生產(chǎn)者是數據的發(fā)起者，向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送數據包，數據包攜有指示數據內容的“唯一的”標識符。消費者是數據接收者，任何感興趣的消費者都可通過(guò)標識符從網(wǎng)絡(luò )中獲取需要的數據，這樣，多個(gè)消費者可以接收和使用這些數據。EtherNet／IP的報文主要分為隱式報文和顯式報文，隱式報文主要傳輸一些實(shí)時(shí)I／O數據、功能性安全數據和運動(dòng)控制數據，顯式報文

主要是傳輸一些配置、診斷等數據。EtherNet／IP基于標準的以太網(wǎng)技術(shù)，Ether-Net／IP的數據傳輸的整個(gè)過(guò)程如圖1所示，它利用UDP協(xié)議傳送隱式報文，將UDP報文映射到IP多播傳送，實(shí)現高效I／O交換，有力支持了生產(chǎn)者／消費者模式。并利用TCP的流量控制和點(diǎn)對點(diǎn)特性通過(guò)TCP通道傳輸顯式報文。

圖1 EtherNet／IP協(xié)議架構圖

2 以太網(wǎng)性能分析

以太網(wǎng)最初應用在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，其MAC層采用的是CSMA／CD(載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)／沖突檢測協(xié)議)，當網(wǎng)絡(luò )負荷較高時(shí)，數據的傳輸就會(huì )出現延遲，產(chǎn)生“不確定性”，而該“不確定性”正是工業(yè)控制領(lǐng)域的大忌。因此，在工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展初期，許多人都抱著(zhù)質(zhì)疑的態(tài)度，這大大制約了工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展。

然而，技術(shù)在不斷進(jìn)步，以太網(wǎng)的通信速率從最初的10 MB增大到如今的0．1～10 GB。同樣的通信量，通信速率的提高意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )負荷的減輕，而減輕網(wǎng)絡(luò )負荷則意味著(zhù)確定性的提高。據有關(guān)試驗證明，在網(wǎng)絡(luò )負荷不超過(guò)36％的情況下，以太網(wǎng)基本不會(huì )發(fā)生沖突；在負荷為10％以下時(shí)，10 MB以太網(wǎng)沖突機率為1次／5 a，100 MB以太網(wǎng)則為1次／15 a。而全雙工通信方式也進(jìn)一步避免了沖突的發(fā)生。另外，以太網(wǎng)交換機技術(shù)的迅速發(fā)展，給解決工業(yè)以太網(wǎng)的不確定性帶來(lái)了新的契機。交換機可對網(wǎng)絡(luò )上傳輸的數據進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內節點(diǎn)間數據的傳輸只限在本地網(wǎng)段內進(jìn)行，將數據包沖撞的機會(huì )從根本上減少到零，并且不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )負荷。

與此同時(shí)，許多制造商開(kāi)始致力于研究適用于惡劣工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境的接插件、電纜、集線(xiàn)器、交換機等，網(wǎng)絡(luò )配件來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )的抗干擾能力和可靠性。這些都為以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間通信提供了技術(shù)可能。

3 EtherNet／IP性能分析

在以太網(wǎng)中，TCP是一個(gè)可以提供可靠的數據傳輸服務(wù)面向鏈接的協(xié)議；UDP是一個(gè)能簡(jiǎn)單、快速地傳遞數據報，但不能保證數據報是否安全無(wú)誤地到達目的設備不基于鏈接的協(xié)議。EtherNet／IP采用以太網(wǎng)的UDP傳遞實(shí)時(shí)數據，TCP傳遞諸如配置、診斷等非實(shí)時(shí)數據。為了確保實(shí)時(shí)數據的可靠性，EtherNet／IP協(xié)議增加了一系列措施，如在每次傳輸數據時(shí)都增加了數據頭和序列號，每發(fā)送一次數據報，序列號增加一次，接收方通過(guò)序列號就能判斷數據的有效性，從而確保了數據的可靠性。