摘要：DeviceNet™設(shè)備網(wǎng)和ControlNet™控制網(wǎng)已經(jīng)是廣為人知的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，分別歸ODVA（開(kāi)放DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)）和ControlNet International兩家國(guó)際性制造商組織所擁有，它們都在應(yīng)用層采用了CIP協(xié)議（ 通用工業(yè)協(xié)議）。 最近，ODVA和ControlNet International共同推出了EtherNet/IP（標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)）。本文將介紹它的技術(shù)原理和傳輸機(jī)制，以及如何在基于TCP/UDP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)®上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)對(duì)象的一致性。 I. 簡(jiǎn)介 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)必須為用戶提供三種主要的服務(wù)。首先是控制，這也是最為重要的功能?？刂品?wù)主要用于完成控制設(shè)備（例如PLC）與I/O設(shè)備（例如變頻器、傳感器以及其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之間的數(shù)據(jù)交換，并且有苛刻的實(shí)時(shí)性要求。因此，相應(yīng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)必須為這類(lèi)數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)定較高的優(yōu)先權(quán)或者中斷等級(jí)。其次，還要提供配置服務(wù)，方便用戶對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行設(shè)置和維護(hù)。通常，用戶需要使用個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）或者類(lèi)似設(shè)備對(duì)系統(tǒng)中不同的設(shè)備進(jìn)行編程和配置。這項(xiàng)任務(wù)不僅需要單獨(dú)執(zhí)行，而且還要在控制系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，支持配置服務(wù)。比如，批量處理過(guò)程中的配方管理就需要這樣功能。最后，用戶需要采集自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，用于人機(jī)界面顯示、數(shù)據(jù)分析、趨勢(shì)圖繪制、故障處理和維護(hù)?？梢?jiàn)，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)必須提供：控制、配置和數(shù)據(jù)采集三種服務(wù)，這樣才能讓網(wǎng)絡(luò)更加高效、靈活，從而提高自動(dòng)化系統(tǒng)的整體性能。 在網(wǎng)絡(luò)中，生產(chǎn)者/消費(fèi)者通訊模式比源/目標(biāo)通訊模式更容易支持控制、配置和數(shù)據(jù)采集服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議中，利用分布式對(duì)象和生產(chǎn)者/消費(fèi)者通訊模式，將會(huì)更好地滿足自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用要求。 如圖1所示，一個(gè)典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于每種網(wǎng)絡(luò)都有不同的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其屬性和特點(diǎn)也各不相同。因此，在這樣的系統(tǒng)中，不要指望某種單一的網(wǎng)絡(luò)能夠滿足所有的應(yīng)用要求，而是需要采用多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且要求不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)具有一致性，從而方便網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換與共享。 如果在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)控制、配置和數(shù)據(jù)采集服務(wù)，同樣不可避免其它網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也要在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。因此，生產(chǎn)者/消費(fèi)者通訊模式必須做到在同一網(wǎng)段上完全能夠與其它服務(wù)共存（比如用于網(wǎng)頁(yè)瀏覽的HTTP服務(wù)）。 在圖1中可以看到，一個(gè)典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括：1、信息層網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。許多控制器廠商早就提供對(duì)以太網(wǎng)的支持；2、控制層網(wǎng)絡(luò)，通常利用網(wǎng)絡(luò)的確定性和介質(zhì)是否冗余等傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量某一網(wǎng)絡(luò)能否作為控制層網(wǎng)絡(luò)，ControlNet屬于這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)；3、設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，要求傳輸數(shù)據(jù)較少，能夠通過(guò)一根結(jié)實(shí)、耐用的電纜來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備供電，DeviceNet屬于這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)。 ODVA（開(kāi)放DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)）和ControlNet International兩家組織推出了新的CIP協(xié)議成員——EtherNet/IP，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)以太網(wǎng)提供控制、配置和數(shù)據(jù)采集服務(wù)。因此，它能夠作為圖1中的信息層網(wǎng)絡(luò)和控制層網(wǎng)絡(luò)來(lái)使用。 II. CIP協(xié)議在以太網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn) EtherNet/IP協(xié)議規(guī)范被細(xì)分為多個(gè)章節(jié)和附錄，主要內(nèi)容如圖2所示。 從圖2可以看出，EtherNet/IP、DeviceNet和ControlNet三種網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的應(yīng)用層、應(yīng)用對(duì)象庫(kù)和設(shè)備描述。也就是說(shuō)，在七層OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型中，這三種網(wǎng)絡(luò)只有最低的四層不同，如圖3所示。 圖2描述了EtherNet/IP的協(xié)議結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用這些不同層面的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制、配置、數(shù)據(jù)采集服務(wù)的優(yōu)化，使得EtherNet/IP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用更加切實(shí)可行、更加安全可靠。 III. 與其它Internet協(xié)議共存 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)在于大多數(shù)用戶能夠通過(guò)利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)技術(shù)知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，讓它們發(fā)揮最大的作用，獲得更多的投資回報(bào)。 目前，眾多廠商都能提供以太網(wǎng)設(shè)備，使得組建網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用大大降低。因此，用戶更希望能夠利用目前市面上已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而控制系統(tǒng)成本。 如果EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)需要采用指定廠商的特殊物理介質(zhì)來(lái)構(gòu)建，那么它的優(yōu)勢(shì)就不復(fù)存在。同樣道理，如果 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)運(yùn)行，或者不能與現(xiàn)有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)相連接，那么它的優(yōu)勢(shì)也會(huì)黯然失色。因此，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)必須能夠與現(xiàn)有的Internet和Intranet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存。這就意味著，在任何地方都要使用TCP/IP協(xié)議。 A. 以太網(wǎng)通訊協(xié)議 以太網(wǎng)技術(shù)本身只定義了物理介質(zhì)和介質(zhì)的訪問(wèn)方式（CSMA/CD），并采用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)幀格式和源/目標(biāo)通訊模式來(lái)完成局域網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。就其本身而言，以太網(wǎng)缺少更為復(fù)雜的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的全部應(yīng)用要求。正因?yàn)槿绱?，在?shí)際使用過(guò)程中，還需要讓以太網(wǎng)支持一個(gè)或多個(gè)通訊協(xié)議，讓它們作為以太網(wǎng)的上層協(xié)議，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理等功能。因此，這種上層的通訊協(xié)議決定了網(wǎng)絡(luò)所支持的功能，以及什么樣的設(shè)備能夠連接網(wǎng)絡(luò)，怎樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互操作。 曾經(jīng)有許多協(xié)議在以太網(wǎng)上應(yīng)用過(guò)，例如DECnet™、Novell IPX™、MAP™、TOP、OSI Stack、AppleTalk™以及TCP/IP。在這些協(xié)議中，TCP/IP協(xié)議最為引人矚目，因?yàn)闉樗粌H實(shí)現(xiàn)了全球Internet的互聯(lián)，還能用于構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部的Intranet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息的共享和數(shù)據(jù)交換。TCP/IP作為Internet的協(xié)議，不僅可以運(yùn)行在以太網(wǎng)上，還支持其它物理介質(zhì)。當(dāng)然，以太網(wǎng)也支持其它協(xié)議。但是，由于TCP/IP協(xié)議與以太網(wǎng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了Intranet和Internet的無(wú)縫集成。所以，它們之間的關(guān)系也就越來(lái)越密切。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)論是現(xiàn)在，還是在不遠(yuǎn)的將來(lái)，TCP/IP協(xié)議遲早都會(huì)成為在以太網(wǎng)中占有統(tǒng)制地位的“中間層”協(xié)議，如圖3所示。 B. TCP/IP協(xié)議的起源與特點(diǎn) 多年來(lái)，世界上主流的計(jì)算機(jī)平臺(tái)都提供對(duì)TCP/IP協(xié)議的支持?，F(xiàn)在，它已經(jīng)內(nèi)置到Windows NT™、Windows 2000等操作系統(tǒng)中，成為用戶構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的首選協(xié)議。在許多公司，可能擁有數(shù)臺(tái)工作站、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、服務(wù)器、中型甚至大型計(jì)算機(jī)，單單某一家廠商很難提供所有這些設(shè)備。因此，這些設(shè)備都采用了統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，使得它們都能夠集成到局域網(wǎng)中。 TCP/IP協(xié)議也采用了分層結(jié)構(gòu)，它與OSI七層網(wǎng)絡(luò)參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，以太網(wǎng)技術(shù)只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。網(wǎng)際協(xié)議（IP）對(duì)應(yīng)于第三層——網(wǎng)絡(luò)層，TCP傳輸控制協(xié)議和UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議對(duì)應(yīng)于第四層——傳輸層。在基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，用戶服務(wù)協(xié)議屬于第七層——應(yīng)用層。TCP/IP協(xié)議組沒(méi)有OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的第五層和第六層。 OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型中的每一層都需要使用其下一層協(xié)議所提供的服務(wù)。比如，一個(gè)TCP連接需要在以太網(wǎng)上向另外的設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包。首先，它需要將這個(gè)數(shù)據(jù)包交給IP協(xié)議進(jìn)行處理，由IP協(xié)議將這個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給以太網(wǎng)接口，并確定這個(gè)數(shù)據(jù)包傳送到了目標(biāo)設(shè)備。同時(shí)，作為接收方，IP協(xié)議要通過(guò)以太網(wǎng)接口接收數(shù)據(jù)包，然后將其交給TCP協(xié)議進(jìn)行處理，建立通訊連接。 TCP/IP協(xié)議的最底層是網(wǎng)絡(luò)層，也是IP協(xié)議所在的層面。IP協(xié)議用于在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間，采用無(wú)連接和無(wú)確認(rèn)應(yīng)答的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。因此，IP協(xié)議并不能對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸提供擔(dān)保，而需要由傳輸層協(xié)議或者應(yīng)用層協(xié)議來(lái)完成這一任務(wù)。IP協(xié)議可以運(yùn)行在以太網(wǎng)和多種其它局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中，這正是IP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)內(nèi)部Intranet網(wǎng)絡(luò)和Internet無(wú)縫連接的原因。 在網(wǎng)絡(luò)層中，還有地址分辨協(xié)議（ARP）。ARP協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)IP地址到以太網(wǎng)地址的映射，以及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的地址映射表。當(dāng)某一設(shè)備要將一個(gè)IP數(shù)據(jù)包傳送給其它設(shè)備時(shí)，發(fā)送設(shè)備首先會(huì)嘗試使用本地廣播報(bào)文去詢(xún)問(wèn)目標(biāo)IP地址的設(shè)備，然后將其以太網(wǎng)地址返回給發(fā)送設(shè)備。這一應(yīng)答結(jié)果將被存入發(fā)送設(shè)備內(nèi)部的地址映射表，方便以后使用。值得注意的是，以太網(wǎng)廣播報(bào)文只能在集線器、交換機(jī)和網(wǎng)橋之間傳輸，不能穿透路由器。因此，以太網(wǎng)廣播報(bào)文被限制在一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，而不可能擴(kuò)散到全球范圍的Internet網(wǎng)絡(luò)中。 IP地址是32位的二進(jìn)制數(shù)字，由獨(dú)立的InterNIC網(wǎng)絡(luò)信息中心負(fù)責(zé)分配，在某一網(wǎng)絡(luò)中不能重復(fù)。任何企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部的設(shè)備需要和外界通訊，都必須使用事先分配好的IP地址。這與以太網(wǎng)地址不同，以太網(wǎng)地址是由生產(chǎn)廠商固定在以太網(wǎng)硬件設(shè)備中的地址，不能進(jìn)行更改。用戶可以根據(jù)自身企業(yè)信息系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定和要求，配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址和子網(wǎng)。有時(shí)候可能需要改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址，但是應(yīng)該在此之前做好心細(xì)的規(guī)劃，防止網(wǎng)絡(luò)上某一設(shè)備已經(jīng)占用了特定的IP地址，從而造成IP地址沖突，使得已有的網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。 如果一個(gè)內(nèi)部的局域網(wǎng)通過(guò)路由器與Internet相連接，那么這些設(shè)備的IP地址必須屬于已分配給它使用的IP地址段。如果內(nèi)部局域網(wǎng)不與Internet相連接，那么它的IP地址分配就可以按照自己的要求來(lái)進(jìn)行。隨著Internet的普及和廣泛應(yīng)用，可用的IP地址資源已經(jīng)瀕臨枯竭。目前，人們正在研究使用新的IP地址形式，也就是IPv6，它支持48位二進(jìn)制的IP地址形式，這樣一來(lái)，就有充足的IP地址供人們使用。 與以太網(wǎng)地址類(lèi)似的是，IP地址也分為非廣播（單目標(biāo)）、多點(diǎn)傳送（目標(biāo)組）和廣播（網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備都能接收）地址。因此，IP地址必須通過(guò)相應(yīng)的IP軟件和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑵溆成涑蓪?duì)應(yīng)的以太網(wǎng)地址。 TCP/IP協(xié)議制定了TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）兩種協(xié)議用于數(shù)據(jù)傳輸。它們都屬于OSI七層網(wǎng)絡(luò)參考模型中的傳輸層。TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，用于確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。一旦在兩個(gè)設(shè)備之間建立起TCP連接，TCP協(xié)議將用于拆分、組裝數(shù)據(jù)包，檢測(cè)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)重新發(fā)送，通常用于在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。TCP協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)設(shè)備。一旦由于某種原因造成傳輸失敗，TCP協(xié)議將確保TCP連接的收發(fā)雙方應(yīng)用程序能夠得知這一故障。TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)以字節(jié)流的形式提供給它上一層的應(yīng)用層協(xié)議。同時(shí)，應(yīng)用層還要對(duì)字節(jié)流數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和分割。 TCP協(xié)議只適合于非廣播（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）傳輸方式，通常在Telnet（終端仿真）、FTP（文件傳輸）以及HTTP（Web服務(wù)）等應(yīng)用中采用。在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，TCP協(xié)議通常用于計(jì)算機(jī)向PLC下載梯形圖程序，或者人機(jī)界面軟件對(duì)PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，以及兩臺(tái)PLC之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息交換。 UDP是一種非常簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議，它采用無(wú)連接的通訊方式，用于在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)報(bào)文收發(fā)。它并不能保證數(shù)據(jù)能夠從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送到另外一個(gè)，也沒(méi)有數(shù)據(jù)重發(fā)功能，甚至不知道目標(biāo)設(shè)備是否已經(jīng)收到了數(shù)據(jù)。因此，需要應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的握手信號(hào)或者連接管理，通常在較小流量要求的服務(wù)中才使用UDP協(xié)議，例如SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）和NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）。UDP協(xié)議與TCP協(xié)議相比，傳輸能力和資源占用都比較低，因而能夠進(jìn)行更小、更簡(jiǎn)單、更快捷的數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議支持非廣播、多點(diǎn)傳送和廣播三種不同的傳輸方式。在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，UDP協(xié)議通常用于網(wǎng)絡(luò)管理、對(duì)可靠性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸，或者由應(yīng)用程序的其它功能實(shí)現(xiàn)自身的可靠性，比如在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中采用閃存芯片進(jìn)行編程。 有關(guān)TCP/IP協(xié)議及其應(yīng)用的技術(shù)資料已經(jīng)被歸檔，稱(chēng)為請(qǐng)求評(píng)注（RFC），由Internet工程任務(wù)組（IETF）負(fù)責(zé)維護(hù)。IETF是一個(gè)獨(dú)立性的組織，用于制定Internet的各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。所有RFC資料都是公開(kāi)的，用戶可以從IETF的網(wǎng)站免費(fèi)下載。 C. 應(yīng)用層協(xié)議及互操作性 TCP/IP協(xié)議提供一系列的服務(wù)，無(wú)論是在局域網(wǎng)中，還是在廣闊的Internet中，都可以保證兩個(gè)設(shè)備之間的相互通訊。但是，單獨(dú)采用TCP/IP協(xié)議并不能確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊效率，它只能保證應(yīng)用層信息能夠成功地在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。 為了提高通訊效率，需要在相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上安裝兼容的應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件必須相互懂得對(duì)方所提供的服務(wù)，能夠在TCP/IP（UDP/IP）協(xié)議的基礎(chǔ)上，使用通用的報(bào)文格式進(jìn)行通訊。RFC資料提供了Internet常用應(yīng)用服務(wù)的文檔，例如FTP、HTTP、Telnet、SNMP、SMTP（E-mail）等，詳細(xì)定義了它們的工作機(jī)理。因此，任何廠商只要根據(jù)RFC資料的要求進(jìn)行生產(chǎn)和程序開(kāi)發(fā)，就可以確保設(shè)備之間能夠相互通訊，甚至是不同廠商的設(shè)備。這種通過(guò)應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備之間相同通訊的能力被稱(chēng)為互操作性。 雖然文件傳輸（FTP）、終端仿真（Telnet）、電子郵件（SMTP）和其它通用的服務(wù)已經(jīng)在IETF的領(lǐng)導(dǎo)下確定下來(lái)。但是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，情況卻不是這么簡(jiǎn)單。雖然某些自動(dòng)化廠商的設(shè)備能夠工作在以太網(wǎng)上，也采用了TCP/IP協(xié)議，但是它們卻有著不同的應(yīng)用層協(xié)議。這樣一來(lái)，在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)中，不同自動(dòng)化廠商的設(shè)備即便可以與局域網(wǎng)相連接，在物理上能夠?qū)崿F(xiàn)共存，卻不能進(jìn)行設(shè)備之間的互操作。比如，A廠商的PLC不能通過(guò)TCP/IP連接，方便地共享B廠商PLC中的數(shù)據(jù)；或者A廠商工作站內(nèi)的軟件不能對(duì)B廠商的設(shè)備編程或者配置?？梢?jiàn)，由于缺乏互操作性，即便在同一個(gè)項(xiàng)目，同一個(gè)以太網(wǎng)中，用戶也很難將不同廠商的以太網(wǎng)設(shè)備集成在一起，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。 EtherNet/IP協(xié)議能夠與任何現(xiàn)有的協(xié)議共存，它們都可以運(yùn)行在TCP/UDP傳輸層之上。 D. 目前以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用 目前，基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)不僅僅局限于車(chē)間范圍內(nèi)的通訊，而且已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)與整個(gè)企業(yè)Intranet，甚至Internet的連接。在工廠中，以太網(wǎng)通常用于實(shí)現(xiàn)如下功能：設(shè)備程序維護(hù)、MIS或MES系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交換數(shù)據(jù)、內(nèi)部網(wǎng)頁(yè)服務(wù)、控制設(shè)備監(jiān)管、操作員終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊、事件記錄或報(bào)警等。這些功能都需要以太網(wǎng)提供較高的數(shù)據(jù)吞吐量和廣泛的設(shè)備連接能力，而響應(yīng)時(shí)間則是第二位需要考慮的問(wèn)題?，F(xiàn)在，雖然有些用戶已經(jīng)將以太網(wǎng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，但是其控制能力具有一定的局限性。比如，通過(guò)以太網(wǎng)共享處理器中的數(shù)據(jù)，這樣的應(yīng)用項(xiàng)目充分發(fā)揮了以太網(wǎng)具有較大數(shù)據(jù)吞吐量的優(yōu)勢(shì)，但是它的信息響應(yīng)時(shí)間卻不具備較高的確定性和可重復(fù)性。 IV. 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換 雖然EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)具備直接利用以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集和配置的功能，但也不要指望單一的網(wǎng)絡(luò)能夠滿足所有的需要。某些自動(dòng)化設(shè)備廠商未必提供支持EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。另外，較短時(shí)期內(nèi)，如果需要在光電傳感器、接近開(kāi)關(guān)等簡(jiǎn)單的設(shè)備中集成EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)連接功能，可能費(fèi)用還比較高。 但是，這些困難并不意味著會(huì)阻礙用戶將EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)作為首選網(wǎng)絡(luò)來(lái)使用。相反，用戶可以充分利用EtherNet/IP的遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)能力，像使用本地網(wǎng)絡(luò)一樣來(lái)操作遠(yuǎn)程設(shè)備。更為關(guān)鍵的原因在于，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不需要編制任何程序或者使用中間計(jì)算機(jī)設(shè)備。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示）必須使用一系列通用的服務(wù)，所有網(wǎng)路設(shè)備均采用通用的對(duì)象模型來(lái)組織數(shù)據(jù)。只有實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的一致性，才能夠讓數(shù)據(jù)在不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行路由。 A. 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 未來(lái)的Internet將采用一種分布式的對(duì)象通訊模型，用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部Intranet網(wǎng)絡(luò)與Internet的相互連接。與DCOM和CORBA等“中間件”標(biāo)準(zhǔn)相比較，雖然兩者的實(shí)現(xiàn)機(jī)理有所不同，但是它們關(guān)于分布式對(duì)象模型的互操作方法是一致的。分布式對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，它為軟件開(kāi)發(fā)者和最終用戶提供了方便的手段，無(wú)需考慮設(shè)備的具體物理位置，利用簡(jiǎn)單、面向?qū)ο蠛途W(wǎng)絡(luò)化的方法就可以管理設(shè)備數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)對(duì)象命名和尋址方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址及其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)透明訪問(wèn)，獲得詳細(xì)信息。 沿用至今的源/目標(biāo)通訊模式可能不會(huì)在未來(lái)的Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中繼續(xù)流行。因?yàn)樵谲?chē)間現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)設(shè)備需要具備互操作性，既要支持信息應(yīng)用軟件，又要滿足實(shí)時(shí)控制要求，而且通常需要在同一網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。所以，用戶需要讓不同廠商的設(shè)備在同一網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)互操作。為了達(dá)到這一目的，所使用的應(yīng)用層協(xié)議必須滿足一系列的要求，從而在基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互操作。 運(yùn)行于TCP/IP和UDP/IP協(xié)議之上 實(shí)現(xiàn)分布式對(duì)象模型 提供有效的傳輸模式用于實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù) 允許控制數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)在同一個(gè)以太網(wǎng)中共存 滿足工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的各項(xiàng)要求 能夠被廣大自動(dòng)化設(shè)備廠商接受并實(shí)施 B. 通用對(duì)象庫(kù) CIP協(xié)議家族定義了一系列對(duì)象（目前有46個(gè)對(duì)象）。只有少數(shù)對(duì)象是針對(duì)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)鏈路層而制定的，其中DeviceNet有1個(gè)，ControlNet有3個(gè)，EtherNet/IP有1個(gè)。其余的對(duì)象都是通用的，能夠在上述三種網(wǎng)絡(luò)中使用。 根據(jù)某一類(lèi)設(shè)備所需的功能，今后可以加入新的對(duì)象，這將有利于對(duì)設(shè)備功能的擴(kuò)充。比如，一個(gè)工作在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的接近傳感器并不支持其它的功能。然而，開(kāi)發(fā)者在使用已定義的公共對(duì)象時(shí)，還可以在設(shè)備供應(yīng)商自定義尋址范圍內(nèi)（類(lèi)代碼100～199，8位對(duì)象類(lèi)代碼空間）創(chuàng)建自己的對(duì)象。當(dāng)然，強(qiáng)烈推薦開(kāi)發(fā)者與ODVA和ControlNet International的特別興趣小組（SIG）合作，制定更多的通用對(duì)象，進(jìn)一步取代自行開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用對(duì)象。 D. 電子數(shù)據(jù)表 如果沒(méi)有相應(yīng)的機(jī)制去識(shí)別某一設(shè)備到底為外部應(yīng)用程序提供了哪些對(duì)象，那么保持對(duì)象模型的一致性也就無(wú)從談起。因此，CIP協(xié)議提供了多種方案，用于配置設(shè)備： 打印出來(lái)的數(shù)據(jù)表 參數(shù)對(duì)象和參數(shù)對(duì)象存根 電子數(shù)據(jù)表（EDS） 電子數(shù)據(jù)表與參數(shù)對(duì)象存根相結(jié)合 設(shè)備配置信息集合與上述方法相結(jié)合 在使用打印出來(lái)的數(shù)據(jù)表進(jìn)行設(shè)備配置時(shí)，配置軟件只能提示用戶該設(shè)備需要用到的服務(wù)、類(lèi)的實(shí)例、屬性數(shù)據(jù)以及其它相關(guān)信息。雖然這樣也能夠完成配置工作，但是很不方便，因?yàn)檫@種方法不能判斷上下參數(shù)的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)的格式以及內(nèi)容正確與否。 參數(shù)對(duì)象提供了另外一種方法，它將設(shè)備所有可以配置的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的描述。這樣一來(lái)，由于設(shè)備能夠提供所需的信息，使得配置軟件可以方便地訪問(wèn)這些參數(shù)，并且操作界面也十分友好。參數(shù)的屬性包括數(shù)據(jù)類(lèi)型、工程單位、最小值、最大值、缺省值、比例系數(shù)等內(nèi)容，而且這些內(nèi)容都保存在設(shè)備的非易失性存儲(chǔ)芯片中，可以進(jìn)行讀寫(xiě)（或只讀）操作。 由于參數(shù)對(duì)象方法將所需的全部參數(shù)信息都保存在設(shè)備中，無(wú)疑增加了小型設(shè)備的負(fù)擔(dān)，尤其是DeviceNet從設(shè)備。因此，開(kāi)發(fā)人員對(duì)參數(shù)對(duì)象方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，稱(chēng)為參數(shù)對(duì)象存根。這種方法也支持對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，但是它并不描述這一數(shù)據(jù)的任何含義。這時(shí)，就需要使用EDS電子數(shù)據(jù)表。在電子數(shù)據(jù)表中保存有全部參數(shù)對(duì)象的信息以及與之相對(duì)應(yīng)的存根。因此，電子數(shù)據(jù)表與參數(shù)對(duì)象存根的配合使用，既能夠方便地實(shí)現(xiàn)參數(shù)對(duì)象方法的全部功能，又避免給單個(gè)設(shè)備造成負(fù)擔(dān)。 另外，設(shè)備配置信息集合方法可以允許對(duì)大批量的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳和下載。 E. 報(bào)文協(xié)議 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)任何設(shè)備的內(nèi)部對(duì)象都需要使用非連接通訊管理對(duì)象或連接通訊管理對(duì)象。 由于EtherNet/IP是基于連接的網(wǎng)絡(luò)。因此，一個(gè)CIP協(xié)議連接數(shù)據(jù)包會(huì)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。一旦連接建立成功，就會(huì)對(duì)該連接分配一個(gè)連接標(biāo)識(shí)（CID）。如果這種連接是雙向的數(shù)據(jù)交換，就會(huì)給它分配兩個(gè)連接標(biāo)識(shí)，如圖6所示。 既然大多數(shù)基于CIP協(xié)議的報(bào)文都采用連接方式進(jìn)行通訊，就需要對(duì)兩個(gè)尚未連接的設(shè)備進(jìn)行連接初試化的方法做出定義。這一工作是通過(guò)名為非連接通訊管理對(duì)象（UCMM）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它專(zhuān)門(mén)用于處理連接請(qǐng)求。一旦通訊連接建立成功，設(shè)備所需的全部通訊資源，包括中間CIP協(xié)議的橋接和路由，都將被保留。這樣一來(lái)，使得數(shù)據(jù)交換過(guò)程所需的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和帶寬占用降低到最小限度。 所有在CIP協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)連接分為兩大類(lèi)：顯式報(bào)文連接和隱式（I/O數(shù)據(jù)）報(bào)文連接。 顯式報(bào)文連接用于兩個(gè)設(shè)備之間的普通信息傳輸，可以使用多用途的通訊路徑。這類(lèi)連接在網(wǎng)絡(luò)仲裁機(jī)制中被認(rèn)為是消息連接。顯式報(bào)文使用典型的請(qǐng)求/應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)通訊模式，通常需要訪問(wèn)報(bào)文路由對(duì)象。每一個(gè)請(qǐng)求報(bào)文包含有明確的顯式信息，例如接收方的網(wǎng)絡(luò)地址、需要執(zhí)行的動(dòng)作以及產(chǎn)生適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)等內(nèi)容。 隱式報(bào)文連接通過(guò)專(zhuān)用的特殊通訊路徑或端口，在生產(chǎn)者應(yīng)用對(duì)象和多個(gè)消費(fèi)者應(yīng)用對(duì)象之間建立連接。這類(lèi)報(bào)文專(zhuān)門(mén)用于傳輸I/O數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)仲裁機(jī)制中被認(rèn)為是I/O連接。在控制層網(wǎng)絡(luò)中，隱式報(bào)文有著大量的應(yīng)用。隱式報(bào)文數(shù)據(jù)的含義已經(jīng)在通訊連接建立、分配連接標(biāo)識(shí)的時(shí)候完成了定義。因此，隱式報(bào)文中只包含具體應(yīng)用對(duì)象的數(shù)值。也就是說(shuō)，通過(guò)連接標(biāo)識(shí)“含蓄”地定義了報(bào)文數(shù)據(jù)的具體含義，因此稱(chēng)為“隱式報(bào)文”。 這兩種報(bào)文連接方式都支持網(wǎng)絡(luò)間的橋接，詳細(xì)內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)中討論。 F. 隱式連接 如上所述，所有的隱式連接必須是兩個(gè)設(shè)備之間的直接連接。在每個(gè)連接方向上，需要源地址、目標(biāo)地址和連接標(biāo)識(shí)。隱式報(bào)文通過(guò)應(yīng)用層CIP協(xié)議的外部事件進(jìn)行觸發(fā)。 在實(shí)際使用中，DeviceNet和ControlNet的源地址、目標(biāo)地址就是設(shè)備的節(jié)點(diǎn)地址。在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)中，就是設(shè)備的IP地址。 然而，TCP數(shù)據(jù)包中的CIP幀含有關(guān)于目標(biāo)地址的額外信息——通訊路徑，它表示數(shù)據(jù)幀在傳輸過(guò)程中的“跳躍”路徑。 如圖1所示，在一個(gè)典型工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，編程軟件通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)連接到信息層網(wǎng)絡(luò)，由它發(fā)出一個(gè)報(bào)文，需要傳送給設(shè)備層的電機(jī)起動(dòng)器。在這一過(guò)程中，數(shù)據(jù)幀首先進(jìn)入信息層網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入控制層網(wǎng)絡(luò)，最后進(jìn)入設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)過(guò)程至少需要三次網(wǎng)絡(luò)“跳躍”。通過(guò)一系列的“跳躍”，CIP數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容在整個(gè)旅途過(guò)程中都是完好無(wú)缺的，并且先后使用了TCP數(shù)據(jù)包、ControlNet數(shù)據(jù)包和CAN總線數(shù)據(jù)包。 只要CIP數(shù)據(jù)幀中的路徑完好無(wú)缺，電機(jī)起動(dòng)器就可以通過(guò)CAN總線數(shù)據(jù)包將返回的報(bào)文按照原路徑回傳。無(wú)需考慮通訊的發(fā)起設(shè)備是否在同一物理網(wǎng)絡(luò)中，而是通過(guò)橋接，將數(shù)據(jù)傳送給本地的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，甚至可以通過(guò)Internet路由給遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。 在這個(gè)示例中，電機(jī)起動(dòng)器遵守DeviceNet規(guī)范，編程計(jì)算機(jī)遵守EtherNet/IP規(guī)范，這兩個(gè)設(shè)備能夠相互理解對(duì)方設(shè)備的數(shù)據(jù)組織形式。 前面已經(jīng)提到，每個(gè)設(shè)備都必須支持一系列的強(qiáng)制性對(duì)象，其中之一就有標(biāo)識(shí)對(duì)象。標(biāo)識(shí)對(duì)象的強(qiáng)制性屬性有供應(yīng)商ID、設(shè)備類(lèi)型、產(chǎn)品代碼和修訂版本等內(nèi)容。源設(shè)備在發(fā)出報(bào)文之前，可以從目標(biāo)設(shè)備中獲得上述信息，而無(wú)需事先知道它到底是什么設(shè)備。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，就能找到與之唯一對(duì)應(yīng)的EDS電子數(shù)據(jù)表文件，從而知道該設(shè)備能夠支持哪些公共對(duì)象，多數(shù)情況下，還能知道供應(yīng)商定義的特殊對(duì)象。當(dāng)然，由于某些設(shè)備已經(jīng)包含了全部的參數(shù)對(duì)象，無(wú)需EDS電子數(shù)據(jù)表文件就可以直接獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)。這種機(jī)制不受目標(biāo)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的約束，可以從圖2和圖5中得知，數(shù)據(jù)對(duì)象不依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)，也就是說(shuō)，相同的報(bào)文可以發(fā)送給相同的數(shù)據(jù)對(duì)象，既不依賴(lài)于設(shè)備，也不依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)連接。 由于EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)仍然構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議之上，因此具備進(jìn)一步的擴(kuò)展?jié)摿?。例如，并不要求源設(shè)備必須位于信息層網(wǎng)絡(luò)中。位于控制層網(wǎng)絡(luò)的PLC可以通過(guò)一個(gè)連接信息層網(wǎng)絡(luò)的PLC或者網(wǎng)橋設(shè)備（無(wú)需關(guān)心控制層網(wǎng)絡(luò)到底是EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)還是ControlNet網(wǎng)絡(luò)），發(fā)起需要多次“跳躍”的報(bào)文，并可以將信息層網(wǎng)絡(luò)作為“跳躍”過(guò)程的一個(gè)中間環(huán)節(jié)。在這一功能的幫助下，兩個(gè)分別連入ControlNet網(wǎng)絡(luò)的PLC，即便是遠(yuǎn)隔重洋，也可以通過(guò)Internet，使用顯式報(bào)文實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 V. 基于EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)的I/O控制 A. 以太網(wǎng)能否作為控制網(wǎng)絡(luò)？ 從傳統(tǒng)意義上來(lái)講，有人不贊成以太網(wǎng)用于控制目的，其原因在于以太網(wǎng)是非確定性的網(wǎng)絡(luò)。這一問(wèn)題已經(jīng)成為業(yè)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。確定性可以幫助用戶準(zhǔn)確估計(jì)在最壞情況下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸能力。同時(shí)，用戶對(duì)可靠性也提出了更高的要求，需要確保每次都能在相同的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸（或者盡快識(shí)別出數(shù)據(jù)不能到達(dá)的情況，以便采取相應(yīng)措施）。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)確定性、可重復(fù)性和數(shù)據(jù)吞吐量上，都有了很大的提高。例如，以太網(wǎng)交換技術(shù)將容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的區(qū)域分割成單個(gè)設(shè)備區(qū)域或者一小組設(shè)備，使得數(shù)據(jù)沖突幾乎可以減少到零。CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)）技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)沖突時(shí)，不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且還可以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通訊。此外，通過(guò)在以太網(wǎng)（IEEE 802.1p）的適當(dāng)位置引入報(bào)文優(yōu)先級(jí)別，可以使交換機(jī)和TCP/IP協(xié)議棧有能力區(qū)分控制/報(bào)警信息數(shù)據(jù)包和編程數(shù)據(jù)包，以及其它的網(wǎng)絡(luò)路由、診斷數(shù)據(jù)（SNMP）。 然而，這些技術(shù)還未在高速控制系統(tǒng)中進(jìn)行嘗試。在某些對(duì)實(shí)時(shí)性有苛刻要求的應(yīng)用項(xiàng)目中，只要比預(yù)定時(shí)間晚一點(diǎn)收到某個(gè)數(shù)據(jù)，就可能造成生產(chǎn)線停機(jī)，影響產(chǎn)量，甚至是損壞產(chǎn)品或設(shè)備。在以太網(wǎng)交換機(jī)中，數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間的變化甚至數(shù)據(jù)包丟失，都有可能造成嚴(yán)重的事故。在信息系統(tǒng)中，交換機(jī)、集線器的損壞最多會(huì)讓信息系統(tǒng)丟失部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)；但是在控制系統(tǒng)中，如果發(fā)生這樣問(wèn)題，不僅會(huì)影響產(chǎn)量，還會(huì)損壞生產(chǎn)設(shè)備。因此，用戶在選擇網(wǎng)絡(luò)時(shí)，都要對(duì)具體的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行充分考慮，以便確定基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)到底是最好的方案，還是可行的方案。 B. 以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展 近年來(lái)，轉(zhuǎn)發(fā)式集線器技術(shù)和以太網(wǎng)網(wǎng)橋技術(shù)已經(jīng)被新的高速交換技術(shù)所取代，交換機(jī)任意兩個(gè)端口之間的數(shù)據(jù)交換延遲已經(jīng)降低到百萬(wàn)分之幾秒。通過(guò)專(zhuān)用的硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)高速交換，使得交換機(jī)具有非常高的背板通訊帶寬。通常情況下，交換機(jī)背板通訊速率大于該設(shè)備所有以太網(wǎng)端口通訊速率之和，因此能夠支持所有端口全速運(yùn)行而不會(huì)發(fā)生沖突。此外，某些交換機(jī)還能夠?qū)?shù)據(jù)幀進(jìn)行臨時(shí)緩沖，用來(lái)解決短時(shí)期內(nèi)對(duì)同一輸出端口的爭(zhēng)奪。 交換機(jī)被稱(chēng)為交換式集線器，屬于第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）的數(shù)據(jù)交換，也稱(chēng)為簡(jiǎn)單交換。實(shí)際上，交換機(jī)就是一臺(tái)多端口的網(wǎng)橋。交換機(jī)上的每個(gè)端口都有自己的沖突域，當(dāng)設(shè)備通過(guò)交換機(jī)連接后，相互之間不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。此外，交換機(jī)上的每個(gè)端口可以配置為半雙工模式（傳統(tǒng)以太網(wǎng)），或者全雙工模式。全雙工模式下，交換機(jī)與連接到某一端口的設(shè)備之間，能夠在每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向上提供10Mbps的連接速率，總共為20Mbps。對(duì)于快速以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，全雙工模式能夠?yàn)槊總€(gè)傳輸方向提供100Mbps的連接速率，總共為200Mbps。與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋類(lèi)似，交換機(jī)內(nèi)部要建立并維護(hù)一個(gè)以太網(wǎng)地址與端口的映射表。當(dāng)交換機(jī)從某一端口接收到數(shù)據(jù)包之后，能夠立即將該數(shù)據(jù)包“交換”到相對(duì)應(yīng)的輸出端口，而這一過(guò)程通常能夠在百萬(wàn)分之幾秒內(nèi)完成。 更先進(jìn)的交換機(jī)支持虛擬局域網(wǎng)功能（VLAN），用戶能夠?qū)粨Q機(jī)進(jìn)行配置，將若干個(gè)端口劃分為一個(gè)組，從該組某一端口接收到的數(shù)據(jù)包只能發(fā)送給組內(nèi)的其它端口。另外，VLAN的劃分通常可以在一臺(tái)交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)交疊，某個(gè)端口可以隸屬于多個(gè)VLAN。這一功能為用戶提供了極大的靈活性，可以將交換機(jī)上相互分割的端口配置為多個(gè)相互交疊的沖突區(qū)域。 與轉(zhuǎn)發(fā)式集線器相比，交換機(jī)能夠支持更大的數(shù)據(jù)吞吐量，不會(huì)像轉(zhuǎn)發(fā)式集線器那樣，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，造成嚴(yán)重的傳輸延遲。因此，在那些負(fù)荷較重、傳輸延遲明顯的網(wǎng)絡(luò)中，最好使用交換機(jī)代替轉(zhuǎn)發(fā)式集線器。雖然交換機(jī)現(xiàn)在的價(jià)格比轉(zhuǎn)發(fā)式集線器貴，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，它的價(jià)格會(huì)迅速下降。到時(shí)候，交換機(jī)將取代轉(zhuǎn)發(fā)式集線器，成為網(wǎng)絡(luò)連接的首選設(shè)備，而它的用途也不僅僅局限于控制領(lǐng)域。 當(dāng)然，交換機(jī)某些性能上的限制可能會(huì)對(duì)一些特殊的應(yīng)用項(xiàng)目造成影響，必須對(duì)這些問(wèn)題加以足夠的重視。例如，來(lái)自多個(gè)端口的數(shù)據(jù)包需要發(fā)送到同一端口，在這種情況下，交換機(jī)內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞。通常的處理辦法是簡(jiǎn)單地丟棄某些數(shù)據(jù)包，或者告訴發(fā)送設(shè)備出現(xiàn)了沖突，待擁塞清除之后再發(fā)送數(shù)據(jù)。具體采用哪種方法處理數(shù)據(jù)擁塞，由交換機(jī)生產(chǎn)廠商做出選擇。另外一個(gè)問(wèn)題在于，交換機(jī)可能會(huì)在數(shù)據(jù)流中插入時(shí)間不等的延遲，這對(duì)于普通的辦公應(yīng)用來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何影響，但是對(duì)于某些工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。 雖然交換機(jī)對(duì)每個(gè)端口的沖突區(qū)域進(jìn)行了隔離，但是它并沒(méi)有對(duì)廣播區(qū)域進(jìn)行隔離。當(dāng)然，如果交換機(jī)支持虛擬局域網(wǎng)功能，也可以通過(guò)設(shè)置VLAN來(lái)隔離廣播區(qū)域。在以太網(wǎng)中，從任一端口接收到的廣播報(bào)文將被發(fā)送給所有端口上的設(shè)備。這就意味著存在一個(gè)問(wèn)題，如果某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，或者沒(méi)有配置好，它可能會(huì)過(guò)多地向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播報(bào)文，從而導(dǎo)致整個(gè)以太網(wǎng)傳輸性能下降。有些交換機(jī)生產(chǎn)廠商采用了相應(yīng)的方法，去抑止這種過(guò)多的廣播報(bào)文。由于以太網(wǎng)廣播報(bào)文也采用TCP/IP協(xié)議用于地址解析。因此，廣播報(bào)文在以太網(wǎng)上的處理方式與其它基于TCP/IP協(xié)議的報(bào)文是平等的。所以這些方法缺少通用性。盡管如此，只要網(wǎng)絡(luò)配置得當(dāng)、操作正常，廣播報(bào)文只會(huì)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的很小比例。 另外，交換機(jī)和轉(zhuǎn)發(fā)式集線器都屬于有源設(shè)備，其內(nèi)部有著復(fù)雜的數(shù)字電路，需要外部供電（通常為交流電）才能工作。一旦交換機(jī)或者集線器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致所有與之相連接的設(shè)備，包括其它交換機(jī)或者集線器，都不能正常通訊。在修好或者替換交換機(jī)、集線器之前，與之相連接的設(shè)備不能與車(chē)間的其它網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。此外，大多數(shù)以太網(wǎng)介質(zhì)和配件都是針對(duì)辦公室或者輕工業(yè)的應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有按照惡劣工業(yè)環(huán)境下控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試（包括允許的溫度范圍、工業(yè)級(jí)CE認(rèn)證、抗沖擊和抗振動(dòng)性能等）。對(duì)于以太網(wǎng)在新領(lǐng)域，尤其是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，這些問(wèn)題都應(yīng)該加以考慮。 C. 以太網(wǎng)性能的發(fā)展 近年來(lái)，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)。IEEE 802.3u規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)快速以太網(wǎng)進(jìn)行了定義。快速以太網(wǎng)基本速率為100Mbps，它與10Mbps以太網(wǎng)采用相同的幀結(jié)構(gòu)、尋址方式和CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議。然而，快速以太網(wǎng)中的所有網(wǎng)絡(luò)定時(shí)參數(shù)都需要除以10。因此，在某些配置情況下，與10Mbps以太網(wǎng)相比，快速以太網(wǎng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離可能會(huì)短一些。 快速以太網(wǎng)具有傳統(tǒng)以太網(wǎng)10倍的線速度，能夠充分滿足高帶寬應(yīng)用項(xiàng)目的要求，例如視頻、音頻傳輸，或者是網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)量的文件交換。盡管如此，某些應(yīng)用項(xiàng)目并不滿足于單純網(wǎng)絡(luò)線速度的提高。特別是在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)，有許多基于微處理器的智能設(shè)備連接到以太網(wǎng)中，例如I/O模塊、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器以及其它接口設(shè)備。這些設(shè)備發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都被封裝到64個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的以太網(wǎng)幀內(nèi)（這是以太網(wǎng)支持的最小幀長(zhǎng)度）。因此，影響這些設(shè)備性能的主要因素在于微處理器速度和嵌入的固件，而不是網(wǎng)絡(luò)的線速度。這些設(shè)備幾乎不可能完全利用10Mbps以太網(wǎng)的帶寬，除非是由于應(yīng)用層協(xié)議的效率較低，造成設(shè)備重復(fù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)輪詢(xún)。 另外一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)在于，100Mbps以太網(wǎng)比10Mbps以太網(wǎng)有著更高的數(shù)據(jù)沖突恢復(fù)能力。正如前面所述，100Mbps以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突后退時(shí)間是10Mbps以太網(wǎng)的十分之一。由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，100Mbps以太網(wǎng)的性能要明顯優(yōu)于10Mbps以太網(wǎng)。而在數(shù)據(jù)沖突不嚴(yán)重的時(shí)候，100Mbps以太網(wǎng)能夠提供更大的帶寬，支持更多的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。如果某一應(yīng)用項(xiàng)目需要使用多個(gè)交換機(jī)，100Mbps的網(wǎng)絡(luò)速率將有利于交換機(jī)之間的連接。當(dāng)然，如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和數(shù)據(jù)沖突在10Mbps以太網(wǎng)中表現(xiàn)不是很明顯，僅僅是簡(jiǎn)單地升級(jí)到100Mbps以太網(wǎng)，這樣的投資并不會(huì)有什么收效。 D. 隱式報(bào)文（I/O信息）在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)中的傳輸 在4.5節(jié)中，已經(jīng)介紹了通訊路徑以及顯式報(bào)文和非連接報(bào)文在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換中的應(yīng)用。 第二類(lèi)報(bào)文，也就是隱式報(bào)文。通過(guò)應(yīng)用層協(xié)議的支持，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的透明數(shù)據(jù)交換，無(wú)論是報(bào)文的“生產(chǎn)者”還是“消費(fèi)者”，在報(bào)文傳輸之前，都知道這個(gè)報(bào)文格式。當(dāng)隱式報(bào)文用于I/O信息傳輸時(shí)，它能夠充分利用生產(chǎn)者/消費(fèi)者通訊模式的優(yōu)勢(shì)。另外，它還可以用于控制器之間預(yù)定信息的傳輸。 在CIP協(xié)議中，隱式報(bào)文有四種主要的應(yīng)用方式： 輪詢(xún) 選通 狀態(tài)改變 周期循環(huán) 輪詢(xún)方式與傳統(tǒng)的I/O網(wǎng)絡(luò)通訊十分相似，掃描器（主站）不斷地向I/O適配器（從站）發(fā)出輸出信息并接收輸入信息。 選通方式是一種特殊的輪詢(xún)，掃描器只發(fā)出一個(gè)多點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文，從設(shè)備會(huì)陸續(xù)將它們的數(shù)據(jù)傳送回掃描器，而不再需要其它來(lái)自掃描器的信息。 周期循環(huán)方式將按照預(yù)定的時(shí)間周期傳送數(shù)據(jù)，每個(gè)報(bào)文都有一個(gè)連接標(biāo)識(shí)。任何其它設(shè)備，只要知道這個(gè)連接標(biāo)識(shí)，就能接收網(wǎng)絡(luò)上符合這一連接標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)。 狀態(tài)改變方式與周期循環(huán)方式類(lèi)似，不同之處在于，只有當(dāng)數(shù)據(jù)變化時(shí)才會(huì)發(fā)出報(bào)文，而不是基于時(shí)間事件。同時(shí)，狀態(tài)改變方式還要發(fā)出一個(gè)周期性循環(huán)的“心跳”信號(hào)，以便讓數(shù)據(jù)的“消費(fèi)者”知道這一設(shè)備還處于在線狀態(tài)，而且工作正常。 上述四種方式中，周期循環(huán)是EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)中首選的隱式報(bào)文數(shù)據(jù)交換方式，它在數(shù)據(jù)完整性和網(wǎng)絡(luò)流量?jī)?yōu)化方面有著較好的平衡。 為了讓CIP協(xié)議能夠在以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵問(wèn)題在于隱式報(bào)文可能有多個(gè)數(shù)據(jù)“消費(fèi)者”，它們要共享同一個(gè)數(shù)據(jù)包，然而TCP協(xié)議只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，所以它發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)包會(huì)被IP層拒絕，而且還可能增加終端設(shè)備的負(fù)荷。 UDP/IP數(shù)據(jù)包具有多點(diǎn)傳送能力，而且所需的應(yīng)用層協(xié)議也比較簡(jiǎn)單。因此，能夠有效減少終端設(shè)備的處理時(shí)間。 在典型的控制系統(tǒng)中，預(yù)期的通訊連接通常需要以幾個(gè)毫秒為周期，頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。UDP數(shù)據(jù)包并不是直接傳送給具有“真實(shí)”IP地址的接收設(shè)備，而是通過(guò)一個(gè)IP多點(diǎn)傳送地址來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。同基于CIP連接標(biāo)識(shí)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式相比較，這種方法的數(shù)據(jù)包中沒(méi)有在應(yīng)用層信息幀之前指定某個(gè)具體的接收節(jié)點(diǎn)。 在這種情況下，接收設(shè)備作為“消費(fèi)者”，它必須事先知道這個(gè)IP多點(diǎn)傳送地址（事先已經(jīng)由“生產(chǎn)者”——發(fā)送設(shè)備進(jìn)行了分配） 為了達(dá)到這一目的，必須采用非連接報(bào)文管理對(duì)象。 首先，通訊連接的發(fā)起設(shè)備（例如，配置為I/O模式的PLC；而另外的PLC或者其它設(shè)備作為連接的目標(biāo)設(shè)備）發(fā)出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的TCP數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包指明了連接發(fā)起設(shè)備需要接收的數(shù)據(jù)對(duì)象，以及按照什么樣的速率進(jìn)行接收。 然后，目標(biāo)設(shè)備的連接管理對(duì)象將對(duì)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容進(jìn)行審核，判斷其是否符合該數(shù)據(jù)對(duì)象的連接表和刷新周期。如果符合，這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象將作為“生產(chǎn)者”發(fā)送數(shù)據(jù)（例如，采用多點(diǎn)傳送形式），它的連接標(biāo)識(shí)和相關(guān)的多點(diǎn)傳送IP地址將一并回傳給對(duì)應(yīng)的“消費(fèi)者”設(shè)備，如圖7所示。如果不符合，UDP協(xié)議的相關(guān)IP地址和連接標(biāo)識(shí)將被分配，并加載到連接管理對(duì)象中。數(shù)據(jù)不斷地通過(guò)“生產(chǎn)者”發(fā)送，所有知道這個(gè)多點(diǎn)傳送IP地址和連接標(biāo)識(shí)的設(shè)備都可以作為“消費(fèi)者”，接收并使用這些數(shù)據(jù)。 最后，當(dāng)“消費(fèi)者”設(shè)備沒(méi)有連接到網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，必須有相應(yīng)的機(jī)制去關(guān)閉這個(gè)連接。由于UDP/IP協(xié)議采用了無(wú)需應(yīng)答的傳輸機(jī)制，所以“生產(chǎn)者”無(wú)法知道是否有“消費(fèi)者”在線，并且還在接收它發(fā)出的數(shù)據(jù)。為此，每個(gè)“消費(fèi)者”設(shè)備還需要向“生產(chǎn)者”發(fā)送一種特殊的周期循環(huán)報(bào)文。在這樣的連接過(guò)程中，并不傳輸實(shí)際的應(yīng)用數(shù)據(jù)，而是用于表明“消費(fèi)者”設(shè)備仍然在線，因此稱(chēng)為“心跳”連接。例如，“生產(chǎn)者”設(shè)備正在發(fā)送某個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，一旦該數(shù)據(jù)對(duì)象的所有心跳連接超時(shí)，那么與之相關(guān)的連接都將被關(guān)閉。 首先通過(guò)TCP數(shù)據(jù)包建立設(shè)備之間的連接，然后利用UDP連接進(jìn)行I/O數(shù)據(jù)對(duì)象報(bào)文交換，從而將網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用減少到最低限度。 當(dāng)然，隨著100Mbps以太網(wǎng)的應(yīng)用，帶寬占用率已經(jīng)不是主要考慮的問(wèn)題。這種數(shù)據(jù)通訊方式更為明顯的優(yōu)勢(shì)在于，它最大限度地減少了終端設(shè)備需要處理的數(shù)據(jù)包，從而提高了這些設(shè)備支持隱式報(bào)文連接的數(shù)目。 VI. EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì) 由于ControlNet、DeviceNet和EtherNet/IP都使用相同的應(yīng)用層協(xié)議，所以它們之間能夠共享對(duì)象庫(kù)和設(shè)備描述信息。這些數(shù)據(jù)對(duì)象和描述信息可以讓不同廠商的復(fù)雜設(shè)備實(shí)現(xiàn)即插即用和互操作。數(shù)據(jù)對(duì)象的定義非常嚴(yán)格，在同一網(wǎng)絡(luò)中，可以完成實(shí)時(shí)I/O信息、配置信息以及診斷信息的傳送。這就意味著無(wú)需編制特殊的軟件，便可以將各種復(fù)雜的設(shè)備，例如變頻器、機(jī)器人控制器、條形碼掃描器、稱(chēng)重儀等設(shè)備連接在一起。這樣一來(lái)，不僅能夠快速構(gòu)建控制系統(tǒng)，還方便了對(duì)設(shè)備的診斷和維護(hù)。 另外，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)為用戶提供顯式（信息）報(bào)文和隱式（控制）報(bào)文傳輸服務(wù)。這樣一來(lái)，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)就能夠利用輪詢(xún)、周期循環(huán)、狀態(tài)改變等觸發(fā)機(jī)制，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足控制層、設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的各種要求。 除此之外，由于ControlNet和DeviceNet的應(yīng)用已經(jīng)普及，全球范圍內(nèi)有四百多家廠商為這三種網(wǎng)絡(luò)提供多達(dá)五百余種的設(shè)備，而且這些設(shè)備之間還能實(shí)現(xiàn)互操作?？梢?jiàn)，支持EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備覆蓋面相當(dāng)廣泛，其數(shù)目和種類(lèi)也在不斷增長(zhǎng)。 VII. 結(jié)論 由于采用了三項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)：100Mbps快速以太網(wǎng)、交換式以太網(wǎng)和終端設(shè)備全雙工通訊方式，不僅減少了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)沖突的可能性，還使得基于以太網(wǎng)的I/O控制成為可能。 以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議已經(jīng)十分普及，大多數(shù)用戶都以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。同時(shí)，以太網(wǎng)還支持廣泛的兼容設(shè)備，提供較高的數(shù)據(jù)吞吐量，而且相關(guān)配件的價(jià)格也在逐漸降低?？梢灶A(yù)見(jiàn)，無(wú)論是分布式通訊，還是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，從企業(yè)內(nèi)部的Intranet網(wǎng)絡(luò)到貫穿全球的Internet，都將是以太網(wǎng)的天下。在這種環(huán)境下，車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)設(shè)備不僅要在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)控制功能，還要與企業(yè)的信息系統(tǒng)進(jìn)行互操作。用戶也需要將不同廠商的設(shè)備集成在一起。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)備所采用的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該具備如下條件： 基于TCP/IP以及UDP/IP協(xié)議 使用分布式對(duì)象模型 允許控制報(bào)文和信息報(bào)文在同一以太網(wǎng)中共存 提供基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者通訊模式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 滿足工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的各項(xiàng)要求 能夠被廣大自動(dòng)化設(shè)備廠商接受并實(shí)施 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，實(shí)時(shí)控制能力和通用的操作性尤為重要。這些功能都可以通過(guò)TCP/UDP/IP協(xié)議在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)。