浅谈EtherNet/IP 和 PROFINET 网关

作者:网络测试仪资讯时间:2022-08-22 分类:技术新闻热度:443

简介随着各大公司纷纷实现数字化连接,工业以太网的普及度不断超越其他选择。特别是在自动化和工业控制系统中采用物联网 (IoT) 功能,来提高数据可访问性和可用性,这就更是如...

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奈图尔科技(www.ntooler.com)整理消息


随着各大公司纷纷实现数字化连接,工业以太网的普及度不断超越其他选择。特别是在自动化和工业控制系统中采用物联网 (IoT) 功能,来提高数据可访问性和可用性,这就更是如此。在这些应用中,EtherNet/IP 和 PROFINET 是理想选择。

  EtherNet/IP 的结构及其不断扩展的适用性

      EtherNet/IP 是一种工业网络协议,它将通用工业协议 (CIP) 用于标准以太网。该协议工作于网络应用层 — 在网络的两个概念模型中,应用层位于“最顶层”设备和面向用户的层,以允许控制装置和输入/输出 (I/O) 设备之间进行通信。更具体地说,EtherNet/IP 是开放系统互连 (OSI) 和传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 模型的顶层。

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图 1:两个用于描述网络的最常见模型是 OSI 模型和 TCP/IP 模型。(图片来源:Design World)

  EtherNet/IP 采用:

  •   前述的应用层

  •   互联网协议网络层

  •   标准以太网链路层

  请注意,EtherNet/IP 中的 IP 是工业协议的缩写;指的是一些网络协议,最初的开发目的是允许通过 RS-232 和 RS-485(均为工作数据传输标准)等串行连接进行通信。现在,许多此类连接都使用 TCP/IP 等协议通过以太网运行,这在互联网通信中极为常见。EtherNet/IP 通信及其非常标准化的硬件(包括集线器、交换机、路由器、以太网电缆和以太网网卡)由 IEEE 802.3 传输控制协议和互联网协议定义。

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图 2:由于 EtherNet/IP 在应用层工作,因此允许工业控制器与 I/O 之间进行通信。(NT24k 交换机图片来源:Red Lion)

  EtherNet/IP 于 2009 年开发,源于开放式 DeviceNet 供应商协会 (ODVA) 与控制网国际组织 (CI) 在 ODVA 及其成员赞助下的合作。ODVA 本身成立于 1995 年,是一个由 Rockwell AutomaTIon、Cisco、Schneider Electric、Omron 和 Bosch Rexroth 等自动化公司组成的联合体,旨在推动工业自动化的开放和可互操作通信。根据 ODVA 的数据,EtherNet/IP 在工业以太网采用中处于领导地位,2017 年占 25% 的市场份额,2018 年占 28% 的市场份额,并且工业以太网节点的出货量最多。

  目前,EtherNet/IP 是针对工业网络采用 CIP 的四种 ODVA 网络之一。其他网络是 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet。

  CIP 是在工业设备中组织和共享数据的通道。更具体地说,CIP 使用不同类型的消息和服务来交换工业自动化应用中的数据。这些应用包括过程和系统控制、安全、同步、运动、配置和信息。CIP 使这些应用能够与企业级以太网络和互联网进行集成。这是一种用于制造业和工业应用的统一通信网络,被世界各地的厂商广泛采用。

  对于工业协议,数据按照具有数据元素或属性的对象来排序。这些数据对象通常分为必需的对象和应用程序对象。前者可在每个 CIP 中找到。

  EtherNet/IP 相当易于实施,并且与用于工业自动化的标准以太网交换机兼容。但是,EtherNet/IP 的基本形式具有不确定性,因此不适合严格的实时工业应用。CIP MoTIon 可以作为 EtherNet/IP 的补充,并帮助 EtherNet/IP 使用完全符合 IEEE 802.3 和 TCP/IP 以太网标准的未修改以太网,满足对确定性实时控制(包括闭环运动控制)的苛刻要求。

  EtherNet/IP 与 CIP MoTIon 技术相结合,可提供多轴分布式运动控制功能。该协议不仅能进行扩展,而且为运动设计提供一个通用的应用程序接口

  通过 EtherNet/IP 传输数据

  TCP 和用户数据报协议 (UDP) 是互联网以及许多专用网络的基础通信协议。EtherNet/IP 使用 TCP 端口进行所谓的显式消息传递。此类消息传递是指系统向客户端发送数据,以响应对该数据的特定请求。它使用 TCP/IP — 一种面向连接的协议,以显式方式管理客户端与服务器之间的链路。TCP 是 TCP/IP 网络的核心,可帮助对数据包分段,以便数据报文到达目的地。请注意,IP 仅处理数据包;TCP 使两台主机建立连接并交换数据流。TCP 会保证数据的传送,同时保证数据包按照发送顺序进行传送。

  EtherNet/IP 使用 UDP 端口进行隐式报文传送,即系统通信以预定的时间间隔从预设的存储位置发送到控制器或其他客户端。此类通信的速度远比显式报文传送得快,并且 UDP 连接的单向数据传输(无验证接收)简化了周期性系统更新。

  确定性通信中的 PROFINET

  PROFINET 是另一种技术标准,它定义了通过工业以太网进行数据通信的方式。PROFINET 对标准以太网进行了修改,即使在具有挑战性的应用中,也能确保正确、及时地传输数据。该标准的定义规定了从工业设备和系统收集数据的方式,以满足往往紧迫的特定时间限制。PROFINET 源自 PROFIBUS,后者是一种用于支持自动化的现场总线通信标准。PROFIBUS 是基于工业以太网的经典串行现场总线,而 PROFINET 则更进一步,具有更多的功能,允许更快、更灵活地通信,以控制自动化组件。

  实际上,到 2018 年,PROFINET 占有 30% 的工业网络市场份额,成为全球领先的基于以太网的工业自动化通信解决方案。每年有超过五百万台支持 PROFINET 的设备进入市场。

  PROFINET 和 PROFIBUS 通信是确定性的,因此允许采用精确的 I/O 结构限制来支持自动化系统,并且它们定义的 I/O 结构有助于精确计算更新时间。PROFINET 还可以提供同步实时 (IRT) 数据交换。IRT 本质上是利用 PROFINET 的超精确时钟来优先处理某些类型的数据流量,并缓冲其余数据流量。在高要求应用(例如运动控制)和确定性要求比实时操作更高的其他应用中,IRT 的表现十分出色。在实时数据交换中,总线周期时间不到 10 毫秒。相比之下,IRT 数据交换发生在几十微秒到几毫秒之间。

  例如,在包装和贴标操作中,PROFINET 可支持数据传输,以确保在不到一秒钟到仅一毫秒的时间内将瓶子灌装到精确的液位。此外,PROFINET 还可以检测和量化装瓶过程中的任何异常情况,并向操作人员发出警报,同时立即关闭过程。

  关于 PROFINET 硬件的旁注

  标准以太网仅适用于家庭、办公室和选定工业监控环境中的数据传输。相比之下,PROFINET 的工业以太网适合安装在要求确定性数据通信的恶劣工业设施中。PROFINET 电缆和连接器与标准以太网中所使用的不同,包括具有重型锁定机构的连接器和加固型工业电缆。无论是集成到其他硬件中,还是作为独立元件构建,PROFINET 路由器都是工作于第三层网络层(在前面提到的网络模型中),并使用 IP 地址进行通信。这些路由器连接局域网 (LAN) 并形成广域网 (WAN),同时采用算法确定网络之间的理想数据传输路线。某些 PROFINET 交换机还采用光纤连接。这些超快的元器件通过网关元件将支持 PROFINET 的设备集成到以太网络(或 PROFIBUS)中,实现铜线到光纤的转换。

  PROFINET 管理型和非管理型交换机

  PROFINET 交换机工作于前述概念网络模型的第二层,即数据层。它们的功能是控制数据信号在网络中的接收和传输操作。

  非管理型 PROFINET 交换机通过连接到预定设备端点的适当端口发送传入的以太网数据。端口可能有一个 LED 指示灯来显示数据流的存在,但这些非管理型交换机通常不会提供更多关于该数据流的信息,或对数据流进行管理。

  相比之下,管理型 PROFINET 交换机更加智能,可以使用不同的 IT 协议,包括用于 PROFINET 的简单网络管理协议 (SNMP) 和链路层发现协议 (LLDP)。由于管理型交换机具有智能性,因此通常用于防止停机是首要目标的地方,以及故障排除十分有用的地方。当然,它们通常比非管理型交换机成本更高。

  EtherNet/IP 与 PROFINET 特性的直接比较

  EtherNet/IP 的行业特定适应性正在改变许多行业。例如,包装行业使用 EtherNet/IP 来实现高速通信、确定性和实时性能。化工、传统自动化和发电等行业使用 EtherNet/IP 来持续量化输出。另外,还有一些工业应用涉及全自动化过程,需要计数和实时数据采集来进行控制。在这种情况下,EtherNet/IP 和 PROFINET 都擅长创建此类应用所需的确定性网络。

  不妨考虑 EtherNet/IP 和 PROFINET 的信号质量、报文大小和更新率,来了解两者之间的差异细节。PROFINET 通常比 EtherNet/IP 更快,并且通常采用标准硬件进行部署,不过 PROFINET IRT 需要特定的硬件。EtherNet/IP 基于面向对象的编程,并且依赖于商业成品 (CotS) 元器件,因此具有更高的互操作性。实际上,CotS 元器件和硬件的使用与办公室环境中普遍采用的变体并无不同,这意味着对于实现高速工业连接,EtherNet/IP 是非常划算的选择。此类大部分硬件具有规模经济和可互换特性,有助于大限度地降低前期成本。

  相比之下,支持 PROFINET 的元器件可以集成到基于 PROFIBUS 的现场总线中,能够有效地补充现有系统,而无需完全替换。现有设备可以共用并且现有网络接受添加补充性硬件,这种做法具有诸多成本优势。即便如此,PROFINET 技术的前期成本也可能比基于 EtherNet/IP 的方案高出多达 15%。安装较容易可部分抵消该成本,据估计,PROFINET 的安装复杂性(即成本)大约是 Ethernet/IP 的一半。

  EtherNet/IP 和 PROFINET 支持的拓扑结构和元器件也有所不同。网络拓扑结构是指网络中链路和节点的排列。链路是无线和有线技术,例如同轴电缆、带状电缆和双绞线电缆,以及光纤电缆。而网络节点是集线器、网桥、交换机、路由器、调制解调器和防火墙接口。拓扑结构包括星形、直线形、环形、菊花链形和网状网络形。

  EtherNet/IP 网络主要使用星形拓扑,并辅以其他拓扑:环形拓扑按顺序连接多个设备 — 即使环内的电缆被切断,每个设备也会保持其控制路径。树形拓扑使用设备组之间用线连接的设备或交换机;任何中断都会提示算法确定下一个最可行的解决路径。

  PROFINET 的直线形拓扑使用最少的电缆,无需外部交换机;通过独立的交换机连接到任何星形和树形拓扑。在这种结构下,如果星形或树形交换机发生故障,则所有节点的通信均会受到影响,这可能会出现问题。因此,为了保证通信的连续性,PROFINE 通过添加设备来支持拓扑结构,以便在电缆或节点发生故障时提供介质备份和其他元件。

  请注意,EtherNet/IP 和 PROFINET 网络部署在集中和分散控制的系统中,有时在结合了两种控制方式的系统中工作。借助 EtherNet/IP 和 PROFINET,集中式系统使用客户端-服务器设置,有一个中心服务器连接一个或多个客户端节点。客户端节点向中心服务器提交请求,而不是自行进行处理,同时服务器完成所有的主要处理工作。在分散式系统中,每个节点都自主执行自己的逻辑。系统的最终操作是所有节点逻辑的总和。

  EtherNet/IP 和 PROFINET 网关

  无论是独立的硬件,还是与路由器、防火墙或服务器功能集成在一起,网关都会控制着数据在给定网络中的进出,有时还控制着不同系统之间的数据流。这包括一些专门设计用于在 EtherNet/IP 和 PROFINET 网络之间进行 I/O 通信的网关。对于后者,大多数网关都充当 PROFINET 设备和 EtherNet/IP 适配器,以实现自动兼容。

  除了自身的主要作用,在信号定时、计数、计算、比较和处理任务方面,网关还可以减轻系统的 PLC 负担。对于具有路由器功能的 EtherNet/IP 和 PROFINET 网关,则能让计算机通过互联网发送和接收数据。如今,连接到网络的智能人机界面 (HMI) 有时还可以兼作自动化系统与控制器之间的网关,以简化系统的调试和维护。

  连接未来的工业自动化装置

  EtherNet/IP 和 PROFINET 连接正在以从未有的敏捷性和 IIoT 功能,实现自动化与工业控制的创新组合。随着硬件、软件和连接技术以新的方式利用 EtherNet/IP 和 PROFINET,它们将帮助系统满足日益严苛的工业生产需求。

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