工业以太网通信协议研究及应用

工业以太网通信协议研究及应用

发表时间：2018-04-24T14:54:01.377Z 来源：《防护工程》2017年第36期作者：林立胜

[导读] Modbus/TCP是用于控制和管理自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品。

南京富岛软件公司 210032

摘要：在绝大多数工业控制通信方面都是采用现场总线技术方式来实现的。但长期以来现场总线种类繁多、同时又没有统一标准而导致互不兼容，使得系统集成和信息集成面临着巨大挑战，所以引入了应用广泛、高速率、低成本的以太网技术。但以太网的可靠性和实时性比较差，难以适应工业控制的要求，故相关组织对以太网进行了一些扩展，称为工业以太网。随着工业4.0的发展，相信工业以太网技术将越来越重要。本文就常见工业以太网通信协议简介及应用作出阐述。

关键词：现场总线技术、工业以太网、EtherCat、Ethernet/IP、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethernet/PowerLink、MechatroLink

1常见工业以太网通信协议

1.1、Modbus/TCP

Modbus/TCP是用于控制和管理自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品。

由此可见，它覆盖了使用TCP/IP协议的Intranet企业内部网和Internet互联网环境中Modbus报文的用途。

该协议的最常见用途是为例如I/O、PLC模块以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。

Modbus/TCP协议是作为一种实际的自动化标准发行的。既然Modbus已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。

然而该规范力图阐明Modbus中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是Modbus作为可编程的协议交替用于PLC的多余部分。

Modbus/TCP 在美国比较流行，它由两部分组成，即IDA分散式控制系统的结构与Modbus/TCP 的信息结构的结合。Modbus/TCP定义了一个简单的开放式又广泛应用的传输协议网络用于主从通讯方式。

1.2.、Ethernet/IP

Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议，这里的IP表示Industrial-Protocal。

它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。Ethernet/IP是在应用层提高了以太网的实时性。

1.3、EnterCat

EtherCat以太网控制自动化技术是一个以Ethernet以太网为基础的开放架构的现场总线系统。

EtherCat名称中的Cat为Control Automation Technology控制自动化技术首字母的缩写，最初由德国倍福自动化有限公司BeckhoffAutomationGmbH研发。

EtherCat为拓扑的灵活性和系统的实时性能树立了新的标准，同时它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括可选线缆冗余、功能性安全协议(SIL3)和高精度设备同步。

EtherCat通过协议内部的优先权机制可区别传输数据的优先权(Process Data)，组态数据或参数的传输是在一个确定的时间段中通过一个专用的服务通道进行(Acyclic Data)，EtherCat操作系统的以太网功能与传输的IP协议兼容。

EtherCat设备分从站和主站，从站一般是伺服驱动器、IO模块、板卡、网关等等，主站通常是运动控制器等。

1.4、Ethernet/PowerLink

鉴于以太网的蓬勃发展和CanOpen在自动化领域的广阔应用基础，Ethernet/PowerLink融合了这两项技术的优缺点，既拥有Ethernet 的开放性、高速接口，又参考了CanOpen在工业领域良好的PDO和SDO数据定义；

在某种意义上说Ethernet/PowerLink就是Ethernet上的CanOpen，在物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的PDO和SDO对象字典的结构。

Ethernet/PowerLink主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要求。

1.5、MechatroLink

MechatroLink是一个用在工业自动化的开放式通讯协定，最早由安川电机开发，现在则由MechatroLink协会Mechatrolink Members Association维护。

MechatroLink协议分为两种：

MechatroLink-III，定义传送接口为以太网的通讯协定架构，速度最快为100Mbit/s，允许最多62个从站。

MechatroLink-II，定义传送接口为RS-485的通讯协定架构，速度最快为10Mbit/s，允许最多30个从站；

MechatroLink的目标领域主要是以运动控制为中心的现场网络，可连接的设备包括CNC、PLC、PC卡、运动控制器、变频器、外围图像处理设备、伺服驱动器、外围IO设备等。

MechatroLink协会的主要成员基本上都是日本的自动控制厂商，包括欧姆龙、横河电机、安川电机等。

1.6、ProfiNet

ProfiNet由西门子主导的Profibus国际组织ProfiBus International-PI推出，是基于工业以太网技术的自动化总线标准。

作为一项战略性的技术创新，ProfiNet为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，涵括了例如运动控制、实时以太网、网络安全、分布式自动化以及故障安全等当前自动化领域的热点话题；

作为跨供应商的技术，ProfiNet可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线如ProfiBus技术，保护现有投资。

ProfiNet是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为运动控制、分布式自动化、网络安装、实时通信、IT 标准和信息安全、故障安全、过程自动化和分布式现场设备。