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一次看懂五大工业通讯标准
 

【作者: 籃貫銘】2020年03月10日 星期二

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在工业通讯的应用场景中,存在着许多不同的标准与协议,尽管这些标准在设计的思维和所欲解决的问题非常相似,但各自的运作原理与技术架构却是大相迳庭。


本文即针对目前主要的五大工业通讯标准:EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、Modbus、POWERLINK的运作原理与技术特性进行说明,让读者们一次看懂这些标准各自的优势,以及其在应用与导入时的不同。


EtherCAT


图1 :  EtherCAT
图1 : EtherCAT

EtherCAT是一种即时乙太网路技术,最早由Beckhoff Automation所提出。该协议是在IEC标准里的IEC61158中揭露,为针对有即时连线需求的自动化技术软硬体所设计。


EtherCAT在2003年被提出,同年EtherCAT工作小组(ETG)就成立,并迅速成为全球主要的工业乙太网路与现场总线(Fieldbus)组织。


这项协议的提出,主要聚焦在缩短周期时间(Cycle Times),使之小於100毫秒(μs),同时具备低抖动的特性,以达成更精确的同步(Synchronization)(低於1毫秒),此外,降低硬体成本也是其专注的特性之一。


运作原理

相较於一般工业通讯方案,EtherCAT利用一种「快速通过」(on the fly)的技术,以改善网路传输的延迟与不同步的问题。它基本的运作原理是EtherCAT网路上的主装置(Master)端所传送的讯号,会通过网路上所有的节点(Node),而网路上所有的从属装置(Slave)会以「快速通过」的形式,读取这个讯号後,同时在这个讯框(Frame)往下游移动时,再??入它的资料在讯框之内。


而这个讯框只会被硬体的运作延迟所影响,区间中最後一个节点会侦测到一个开放的埠,并以乙太网路技术的全双工(Duplex)特性,把传送讯息回给主装置。


主装置所传送的讯号的最大有效资料率超过90%,而且由於全双工的特性,理论上的有效资料率超过100 Mbit/s(位元每秒)。


不过EtherCAT网路的主端是唯一允许主动传送讯框的节点,其它的节点只能往下游传递而已。而这个概念避免了非预期的延迟,并确保即时传讯的能力。


而主端使用标准的乙太网路媒体存取控制(MAC),而不需要外加的通讯处理器,此设计让主端可以在任何硬体平台上实施乙太网路埠,不理会其所运行的硬体平台和或者应用软体。


EtherCAT的从属端则使用ESC(EtherCAT Slave Controller),以在整个硬体中来处理讯框的快速通过,让网路的效能可预测,并在从属端的独立性可以的实施。


技术特性

EtherCAT将其负载(Payload)嵌入到标准乙太网路讯框中,而这个讯框被视为EtherType字段中的标识符(0x88A4)。由於EtherCAT协议针对短数据运算周期进行了优化,因此可以不必使用协定堆叠(Protocol stacks),例如TCP/IP或UDP/IP。


EtherCAT还提供了在不接触控制器或不更新从属设备的情况下,让现有系统增加云端连接的弹性,例如边缘闸道(Edge Gateway)可以通过EtherCAT主端的电子邮件闸道(Mailbox Gateway)功能,读取所有EtherCAT从属设备中的任何资料。


此外,使用开放式介面,允许在主设备内或直接在从属设备中整合任何基於IT的协议,包括OPC UA、MQTT、AMQP或任何其他协议,从而为IoT提供直接连接,而没有从感测器到云端设备的协议不连续性的问题。


PROFINET


图2 :  PROFINET
图2 : PROFINET

PROFINET是一种开放式的工业乙太网标准,涵盖了自动化技术所有的需求。 无论是生产自动化、制程自动化,还是驱动应用,PROFINET都具备相应的支援。这项技术已经是汽车产业的标准,并在机械制造中广泛应用,也在食品和包装、物流和加工产业得到了广泛验证。


运作原理

作为一个工业通用的标准,PROFINET提供了大量的功能,而这些功能被以明确的规划为「一致性等级」(Conformance Classes,CC),它提供了各种不同的最小属性值的实作简述。


PROFINET一致性等级(CC)是一种基於应用需求的分类,对Profinet系统的功能的分类分级标准。CC分类不仅规定了Profinet设备的基本功能、可选功能,以及相对应的功能测试规范,以及如何取得CC等级的认证。


目前PROFINET CC分级标准中,分为CC-A、CC-B与CC-C三类。


冘 CC-A:提供PROFINET IO基本功能,以及即时通讯(Real-time)的规范。原则上所有的IT服务都可以使用而没有限制,典型的应用如商业自动化,都在此层次,而无线通讯则是被指定至此一等级。


* CC-B:除CC-A提供功能外,还扩展了其他基於IT网路机制与拓朴资讯的诊断功能。


* CC-C:描述了具有硬体支援的频宽预留和同步的等时性即时通讯(Isochronous Real-Time,IRT)通信的设备的基本功能,它也是等时应用的基础。


而这个分类级别也是作为认证和布线准则的基础,而依据这个分级,目前已有七个应用类别整合了某些应用所需的功能范围。


技术特性

PROFINET虽已进入各种应用领域,但许多新的领域仍不断涌现,例如船舶和铁路应用,甚至是饮料店等日常的民生运营。


目前PROFINET自??为工业4.0的通信骨干,借助其开放式体系结构,所有基於乙太网的IT功能,都能在PROFINET网路上运行,也可以对设备进行开放式存取,并易於整合其他标准,例如OPC UA等。而PROFINET也已在IEC 61158和IEC 61784中被标准化。


另外,乙太网路设备都会使用唯一的MAC地址进行通讯。但在PROFINET系统中,每个现场设备都会收到一个唯一的独特符号名称,而I/O系统里的现场设备就透过这个独特的名称,在工业应用的过程中被识别与配置。启动PROFINET应用程序时,使用此名称就可以解析确切的MAC和IP地址。


对於系统和机器制造商而言,使用PROFINTE标准能将安装、工程设计与试运行的成本降至最低;对於系统操作员来说,PROFINET则透过自动运行的系统单元和较低的维护要求,简化了系统扩展,并提高了系统可用性。


Ethernet/IP


图3 :  EtherNet/IP
图3 : EtherNet/IP

EtherNet/IP标准是在2001年推出,隶属於通用工业协议(Common Industrial Protocol,CIP)的其中一员,但专注於上层的规范。而CIP广泛涵盖了各种制造和制程自动化应用的完整讯息与服务套件,包括控制、安全、同步、运动、配置和讯息,它也号称是真正的媒体讯息独立(media independence)的标准。


运作原理

EtherNet/IP采用了CIP的乙太网技术,而基於乙太网路在商业市场的普遍性,


EtherNet/IP为用户提供了合??标准乙太网路规范的工具,使之易於部署於制造和制程应用之中,从而改善了工业应用场域中的人员、合作夥伴、设备、部门和系统之间的连结性,并为生产力、效率和灵活性开启了新的机会。


EtherNet/IP为制造和制程自动化应用提供了许多独特的优势,例如:可透过单个网路,或将单个网络作为多个分散式CIP网路的骨干,以即时无缝的控制,配置和收集智能设备的数据;以及与标准Internet协议(如HTTP、FTP、SNMP和DHCP)相容;与标准的工业数据存取和交换协议相容(如OPC)。


由於符合IEEE乙太网路标准,EtherNet/IP为用户提供了多种网路介面速度选择,例如10、100 Mbps、1 Gbps,或者更高的速度,此外,还有弹性的网路结构,可与商用乙太网路安装选项相容,包括铜缆、光纤、光纤环和无线网络,以及拓扑,包括星形、线性和环形。同时也支援有IP67等级连接器(RJ45或M12)的工业设备,包含模组,或附有设备标签的网络状态LED,以便於使用。


技术特性

与其他CIP网路一样,EtherNet/IP也遵循开放系统互连(OSI)模型,与所有CIP网路一样,EtherNet/IP在会议层及以上实现CIP,并在传输层及以下,使CIP适应特定的EtherNet/IP技术。


乙太网路具有主动式基础架构网路的独特特徵。因此,与典型的工业网路不同,EtherNet/IP网路基础结构可容纳几??无限数量的点对点连接,并且具有嵌入式交换机技术,可以支援线性和环形拓扑,为用户设计网路提供了更隹的灵活性,以满足当前的需求,同时也保留了未来拓展的弹性与经济效益。


为了进一步降低复杂性,EtherNet/IP还提供了用於配置和控制的单点连接,因为EtherNet/IP支援两种I/O讯息,通常包含对反应时间非常要求的控制数据和显式的讯息,以及包含数据栏位中用於配置和资料收集的典型用户和伺服交易的协议讯息。


而与使用严格的来源-目的模型的其他设备网路相比,EtherNet/IP能更有效的利用频宽,EtherNet/IP系统可以被配置为以主/从类型的关系,或者使用点对点(P2P)分布式控制体系结构进行操作。


Modbus


图4 :  Modbus
图4 : Modbus

Modbus是一种串行通信协定,於1979年由Modicon公司(现在为施耐德电气)提出,是作为可程式化逻辑控制器(PLC)的通讯。现在Modbus已经成为工业领域通讯协定的产业标准之一,它具有公开且无着作权要求、易於部署和维护、灵活的修改弹性等优势。


运作原理

该协议由Modbus协会所管理,他们是一群独立的自动化设备用户与供应商,致力於推动Modbus通讯协议套件的采用,以及推动跨市场的分散式自动化系统架构的发展。它也是一个会员制的贸易协会,并组成「Modbus协会」,是一个非营利组织。


Modbus协定允许多个 (大约240个) 装置连接在同一个网路上进行通讯。在资料采集与监视控制系统(SCADA)中,Modbus通常用来连接监控电脑和远端终端控制系统(RTU)。


依据其定义,Modbus是位於OSI模型第7层的应用层讯息传递协议,它提供客户/伺服端在不同类型的总线或网路上的设备之间的通讯。在网路上的群体可以在TCP/IP堆叠上的保留系统埠502上存取Modbus。


Modbus协定也是一个Master/Slave架构的协定。有一个master节点,其他使用Modbus协定叁与通讯的就是slave节点。每一个slave装置都有一个唯一的位址。在串行和MB+网路中,只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令。


技术特性

Modbus是一个请求/回应的协定,并提供功能代码指定的服务。它使用的实施方式如下:


* TCP/IP over Ethernet


* 透过各种媒介进行异步串行传输(有线:EIA/TIA-232-E、EIA-422、EIA/TIA-485-A;光纤、无线电等)


* Modbus PLUS,高速权杖传递(Token Passing)网路


Modbus协议定义了独立於底层通讯层的简单协议资料单元(PDU)。Modbus协议在特定汇流排或网路上的资料对应(Data mapping),可在应用数据单元(ADU)上加入一些其他的资料栏位。


Modbus应用数据单元由启动Modbus传递的客户端建立,这个功能向伺服端指名要执行哪种操作。Modbus应用端协议建立由客户端发起的请求的格式。


Modbus数据单元的功能代码字段栏位为一个byte。有效代码的范围是十进位制从1到255(保留的范围是128-255,用以额外的回应)。当从客户端向伺服端设备发送讯息时,功能代码栏位会告诉伺服端执行哪些操作。


POWERLINK


图5 :  POWERLINK
图5 : POWERLINK

POWERLINK是即时乙太网解决方案的其中一员,以绝对的开放性和高性能着称。该标准在2003年释出,由独立的乙太网POWERLINK标准化组织(EPSG)所发布。


运作原理

POWERLINK技术是基於开放的IEEE 802.3和IEC 61784-2标准进行开发,且该技术没有任何专利。开源版本openPOWERLINK於2008年在BSD许可下发布,任何人都可免费取得。


EPSG认为,完全兼容於IEEE 802.3技术是未来的最隹选择。因为POWERLINK将受益於乙太网技术的长期发展,而无需进一步投资。POWERLINK也完全支援标准TCP/IP协议。由於TCP/IP运行在专用的通讯频道上,因此可确保TCP/IP的频宽,而不会影响硬即时资料交换。


与其他即时工业乙太网系统不同,POWERLINK是完全基於软体的解决方案,并百分之一百符合IEEE 802.3乙太网标准。这种完全与标准紧密看齐且没有专用硬体的限制,使POWERLINK能够确保乙太网技术的所有优势和灵活性,能够运用到注重即时传输的协议上。


因此,用户可以继续使用相同的标准硬体元件和诊断工具。为了实现其即时功能,POWERLINK依靠混合轮询(polling)和时间间隔(Time-slot)的方式,一次仅允许一个节点传输数据。


技术特性

POWERLINK网络使用以下通讯结构:任意指定一个节点(例如PLC、运动控制器或工业PC)充当管理节点(MN),所有其他设备均作为受控节点(CN)运行。MN定义了用於同步所有设备的时钟脉冲,并且管理数据通讯周期。


在一个周期的过程中,MN使用PollRequest传讯连续轮询每个CN,PollRequest也从MN到每个轮询的CN传达附加资料。然後,每个CN这次通过PollResponse传讯,将其自己的数据传输到所有其他节点,而一个POWERLINK循环包含三个阶段。


在第一阶段,MN向所有CN发送「周期开始(SoC)」讯框,以同步设备;接着,在第二阶段或同步阶段交换有效负载的数据;周期的第三阶段是异步阶段,在该阶段传输非时间关键型的数据,例如TCP/IP数据或叁数配置数据。


透过结合乙太网路、CANopen和硬即时功能,POWERLINK整合了来自三个不同领域的功能。与其他竞争的标准相比,POWERLINK仍然非常接近乙太网标准,保留了原有的乙太网功能,因此能降低在工业环境中的部署成本。


整合了CANopen技术,是此标准的另一大特色,该技术是一种可靠且经过验证的协议,已在整个自动化领域广泛使用,最後则是对即时性能的支援,经过EPSG的POWERLINK堆叠,让此标准的即时能力有极隹的表现。


结语

很明显的,虽然在技术本身的思考各异,但所欲克服的挑战却是非常类似,就是要解决工业通讯领域的延迟问题,以达成即时(Real-time)控制的需求,让生产可以更加的稳定、安全、有效率。


而在工业4.0与物联网趋势的带动下,在PC领域拥有极高采用率的乙太网路


自然就成为了整合的对象,也因此上述的所有协议都是以此为基础来进行研发,也可预期这个趋势仍将会持续的发酵。


至於要选用哪个协议规范,其实也没有所谓的标准答案,端看整体系统架构与设备的特性来安排,而其依据的准则就是自身建置的经验与供应商选择。但这些标准的技术原理与特性仍是必须理解,因为在强调整合与汇流的未来世界,互通互联是必备的基本思维。


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