EtherNet/IP

2006/12/15 8:54:00
EtherNet/IP – 唯一兼容于 IEEE 802.3标准和TCP/IP协议的高性能I/O及运动控制网络 闭环驱动控制的数字网络 虽然模拟量接口仍然在闭环驱动控制系统中广泛使用,但是运动控制网络已经成为当今高性能数字驱动器必备的通讯方式。与模拟量接口相比,运动控制网络具有以下优点: ·利用单一的网络介质代替多达18根以上的硬接线 ·具有较强的抗电磁干扰能力 ·通过网络,运动控制器可以直接对驱动器进行配置,避免采用其它单独的驱动器配置软件带来的不便 ·在设备替换时,自动对驱动器进行配置 ·为运动控制器提供全面、丰富的驱动器诊断和状态信息 ·支持高分辨率、多转绝对位置反馈 ·支持数字式、高分辨率控制命令 ·支持驱动器位置、速度、转矩控制运行模式。其中,位置模式可以实现高性能的分布式位置闭环控制 二十世纪九十年代初期问世的SERCOS(串行光纤链路)是第一种被广泛采用的开放式运动控制网络(IEC/EN 61491)。SERCOS可以高性能、稳定地运行,支持超过500余种标准IDN功能(IDN=识别号,用于访问对象和属性)。除了SERCOS之外,目前还出现了数种专门用于运动控制的网络。 运动控制网络的问题 无论是SERCOS接口,还是其它专用运动控制网络,都存在这样一个问题:它们对现场设备,例如I/O、变频器(VFD)、限位开关、接近传感器以及其它类似设备的支持非常有限,以至于多数应用项目都需要采用另外的现场设备网络,比如DeviceNet或者Profibus DP,从而弥补专用运动控制网络的不足。这样一来,多种网络的采用势必增加了系统配置和集成的复杂性,限制了系统的性能,增加了成本。 在现场设备网络中增加闭环驱动控制功能也存在一定的问题。如果在同一网络中支持闭环驱动控制和其它现场设备,目前的现场总线网络通讯带宽和数据传输确定性很难达到平衡与妥协。 最近,由于新技术的采用,以太网已经逐步开始在车间现场的控制系统中应用。EtherNet/IP是已经被广泛采用的车间现场设备以太网解决方案,现在EtherNet/IP扩展协议CIP Motion可用于支持闭环驱动控制。 基于以太网的闭环驱动控制 虽然车间现场对以太网的认可,促成了基于以太网的闭环驱动控制解决方案的出现。表1中列出了部分解决方案:
表1:表1: 基于以太网的闭环驱动控制解决方案
在上述基于以太网的解决方案中,只有EtherNet/IP(CIP Motion)采用了标准的以太网技术,完全符合以太网标准,包括IEEE 802.3标准和TCP/IP协议。其它解决方案只使用了部分以太网标准,因而并不完全符合以太网的要求。例如,它们虽然采用了IEEE 802.3标准指定的以太网物理层规范,但是将CSMA/CD数据链路层协议改为自己专有的时间排定机制,利用专用的ASIC芯片对数据流进行编码,或者采用多模式操作技术。 由于缺乏对IEEE 802.3标准的全面支持,其它以太网解决方案可能存在下列问题: ·不能采用标准以太网设施——包括交换机、网关、路由器 ·采用专门的ASIC芯片,迫使用户必须采用单一厂商提供的处理器 ·不兼容标准的商用以太网设备、工具和服务 ·限制了网络的拓扑结构和扩展 ·采用基于时间排定的网络访问机制,增加了网络配置的复杂程度 EtherNet/IP概述 EtherNet/IP于2001年问世,它是专门针对工业自动化应用的网络。与DeviceNet和ControlNet一样,EtherNet/IP采用通用工业协议(CIP)作为其应用层协议。目前,遍及全球的厂商生产超过1000种基于CIP协议的产品。CIP协议支持各种控制、配置和信息处理服务,包括显式报文(用于信息传输,灵活的报文交换)以及隐式报文(用于控制和实时I/O数据的传输),支持轮询、周期和状态改变数据传输触发机制,点对点单播和广播数据传输方式。
图图 1: EtherNet/IP协议栈
目前,负责支持和推广EtherNet/IP在工业自动化领域应用的相关组织有:ODVA开放设备网供应商协会、ControlNet International(CI)、IAONA工业自动化开放网络联盟和IEA工业以太网协会。 EtherNet/IP 与CIP Motion EtherNet/IP已经被广泛应用于工厂中,控制着多种多样的现场设备。以前,虽然有众多支持EtherNet/IP网络的设备,但仍然没有支持EtherNet/IP网络的闭环驱动控制器。由于这种原因,在需要闭环驱动控制时,还要采用其它的网络。正如上文所述,用户并不希望这样,这种方式不仅增加了系统配置的复杂程度,降低了系统性能,还增加了成本。 为了弥补这一不足,研发人员定义了新的CIP对象,专门用于高性能、闭环驱动控制。这一CIP对象称为“CIP Motion”。虽然CIP Motion对象独立于具体的网络,但它将首先在EtherNet/IP网络中实现。之所以选择EtherNet/IP,是因为它已经被广泛应用,具有较高的通讯带宽,适用于分布式闭环驱动控制。基于EtherNet/IP的CIP Motion具有如下关键特性: ·全面支持IEEE 802.3标准和TCP/IP 协议 ·采用标准的商用以太网硬件部件——ASIC芯片、交换机、路由器等 ·配合数字驱动器的闭环控制,支持转矩、速度以及位置控制操作模式 ·全面兼容现有及今后的EtherNet/IP现场设备 ·支持丰富的网络拓扑结构,包括星型、主干/分支、菊花链路等 ·具有丰富的功能 -控制器与驱动器的通讯 -控制器与驱动器,驱动器与驱动器之间的点对点通讯 -支持集中或分布式运动控制 -支持变频器和伺服驱动器 新方法——时间同步分布式控制 有人认为,一方面要遵守IEEE 802.3标准和TCP/IP协议,另一方面还要采用标准的以太网硬件,是不可能的。而其它基于以太网的分布式闭环驱动控制解决方案由于都采用了专用的措施,因而不能完全符合IEEE 802.3标准的要求。EtherNet/IP通过一种具有创造性的闭环控制方法——“时间同步分布式控制”,利用标准的以太网硬件、IEEE 802.3标准和TCP/IP协议,达到了闭环驱动控制所需的高性能和确定性要求。 传统的分布式闭环驱动控制采用基于时间的同步方式,这种方式要求网络准确无误地传输对时间有苛刻要求的周期性数据。为了实现精确的位置和速度控制,周期性的数据传输要求网络延迟抖动小于1µs。基于IEEE 802.3 CSMA/CD数据链路层协议的以太网无法实现小于1µs的网络延迟抖动。通过采用时间排定算法代替标准的CSMA/CD数据链路层协议,是解决该问题的一种方法。目前,大多数基于以太网的运动控制网络都采用这种方法。但是,这一方法存在下列问题: ·增加了网络配置复杂性——必须事先排定网络数据传输 ·需要采用专门的硬件(例如网关),用于将独立的运动控制网络和其它采用TCP/IP协议的网络连接起来 ·只有支持时间排定数据链路层的节点设备才能在同一子网中,除非采用专门的交换机或者网关(说明这是一种非常封闭的网络,支持的产品有限) ·在某些情况下,需要采用非标准的以太网硬件(比如ASIC芯片、交换机、网关等),不仅限制对产品的选择,还增加了系统成本 ·当商用以太网技术已经发展到1Gbps(千兆网),接近10Gbps(万兆网)时,它们还处于相对落后、性能较低的水平 为了在运动控制项目中使用,EtherNet/IP采用了不同的方法,称为“时间同步分布式控制”。该方法使用时间标记数据包缓解了周期性数据传输要求小于1µs延迟扰动给网络带来的压力。利用这种方法,无需将CSMA/CD数据链路层协议改为其它专用协议,或者采用特殊的ASIC芯片,既能全面符合IEEE 802.3的要求,又能为数字式驱动器提供稳定、高效的闭环控制性能。全面符合IEEE 802.3标准要求,将让网络具有如下优点: ·使用标准的以太网部件——ASIC芯片、交换机、路由器等。由于采用标准的部件,有大量的商用产品可供选择,能够显著降低系统成本。另外,工厂中的以太网再也不是“专用” 和“特殊”的网络,用户可以使用种类丰富的标准以太网工具 ·无需事先排定网络数据传输,排定数据传输会增加网络配置的复杂性 ·数据包大小和内容可以动态改变。利用这一功能,可以实现数据的动态组合,删除不必要的状态和命令数据,动态改变驱动器运行模式 ·任何符合IEEE 802.3标准的以太网设备都可以接入网络,无需专门的交换机或者网关 ·支持丰富的网络拓扑结构,包括星型、主干/分支、菊花链路 ·无论是最终用户,还是设备厂商,都可以方便地将网络升级到1Gbps,甚至10Gbps, 从而提供更强的性能 在采用星型、主干/分支、菊花链路等网络拓扑结构时,无需考虑特殊的配置要求。星型拓扑结构允许任意单个节点从网络中移除,而不影响其余的节点。主干/分支拓扑结构可用于分布式的星型网络配置,其优点同上。菊花链路拓扑结构所需的电缆长度最小,但是当移除某一节点时,可能会导致链路中下游节点脱离网络。典型的星型、主干/分支、菊花链路拓扑结构配置如图2、图3和图4所示。
图2:图2: 星型拓扑结构
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