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自動化工業中的乙太網路(三) Modbus TCP以及PROFINET
 

【作者: ADI】   2018年05月11日 星期五

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在本系列文章的第一部份中,我們探討了在工業自動化與控制中乙太網路相對於現場匯流排的多項優點。乙太網路解決方案提供了卓越的頻寬與較低的設備成本,以及能夠擴展至整個工廠,如同將廠房與企業IT以單一網路連結在一起的能力。考慮到第三項特點,我們也在本系列第二部份中開始深入探討匯聚式全廠乙太網路(CPwE)-- 由Rockwell Automation與Cisco所共同開發的參考架構,透過標準乙太網路串聯IP套件的使用來促進IAC系統的現代化。


CPwE的概觀與總結

CPwE的核心就是試圖協助生產廠商穿越截然不同的傳統序列網路的複雜性,並且實現他們必須要針對使用狀況(例如工業物聯網)去提供給他們工廠的服務整合、直接維護、以及高可用性。透過將IT與控制工程師以及他們所監督的個別系統集結在一起,CPwE可以很理想的將工業運作最佳化,充分利用原物料並確保產品與服務的準時遞送。


EtherNet/ IP已經成為了CPwE的主要實現工具,因為它能夠利用其Logix Control與FactoryTalk平台做為Cisco的乙太網路至工廠框架(Ethernet-to-the-factory framework),也包括了安全性與網路架構與Rockwell Automation的整合式架構之間的連結。在CPwE執行方案中的工業乙太網路交換器以其原生的EtherNet/ IP支援能力而具備了通用的工業通訊協定整合度。


EtherNet/ IP使用標準、未修改的乙太網路技術來實現此項全方位的端點對端點網路整合,而這是透過特別建構的現場匯流排也無法達成的。Cisco-Rockwell的合作也改善了CPwE執行方案~透過使其支援以IEEE 802.11 Wi-Fi為基礎的WLANs。這些WLANs具有精緻的服務品質與流量優先化功能,有助於克服那些經常會困擾工業無線網路的干擾與涵蓋減損等問題。


以標準為基礎的EtherNet/ IP、Modbus TCP、以及某些形式的PROFINET設計是允許透過CPwE進行互動的。


這一次,我們將看到在EtherNet/ IP之外的其他工業乙太網路通訊協定,這些通訊協定在一定程度上支援標準網路。畢竟,CPwE的價值主張中有部份是在於促進IAC網路(大多會在layer 2 LAN模型中溝通)之間的互連性與相互操作性的能力。以標準為基礎的乙太網路/IP、Modbus TCP、以及某些形式的PROFINET設計都允許透過CPwE進行這個層級的互動。乙太網路、IP、以及TCP/UDP都可以被分別使用於layers 2, 3,與4,做為使用標準通訊協定網路裝置之間的通訊用途。


使用於可相互操作與相互連結網路的Modbus TCP與PROFINET

讓我們看看兩種以乙太網路為基礎的解決方案 – Modbus TCP以及少數版本的PROFINET,它們能夠與EtherNet/ IP和其它通訊協定(例如:HTTP、FTP、Telnet等等)互動,不需要非標準網路介面卡以及/或是交換器基礎架構的執行方案。這兩種標準都相當受到歡迎,以2015年1月的全體工業網路來看,PROFINET佔了8%,而Modbus TCP則有3%的市場。


Modbus TCP

Modbus TCP 是受到廣泛使用、供應商中立的Modbus通訊協定,最初是在1979年由Schneider Electric所發表的變異版本。Modbus使用串聯連結,而Modbus TCP則使用乙太網路做為其物理網路,並支援使用於IP網路上資料交換的TCP/IP堆疊。Modbus TCP在1999年獲得標準化,目前可以執行於任何具有TCP/IP插座的裝置當中。


Modbus TCP的開放式標準化設計使其成為了相互可操作環境的絕佳選擇。它可以使用一般的PC乙太網路卡運作,再加上其具有專門分配給它的502埠,因而具有未來性的保證。目前是由Modbus Organization(創立於2004年)管理,遵循Schneider最初開發的Modbus是一個開放式計劃,擁有專注於不斷提昇成本效益之解決方案的廣大供應商社群。


TCP/IP而非UDP的使用,實現了Modbus TCP中大量的同時連結,以及資料交易的維護控制。透過這種方法,Modbus TCP與其Modbus家族的前身所使用的無狀態交易分道揚鑣,並且效法了全球資訊網的極簡主義。


“[ 針對在Modbus TCP中使用TCP/IP ]其主要原因是為了要將個別交易封閉在單一連結中,使其能夠在不需要於客戶端與服務器端應用裝置的部份執行特定動作的狀況下進行辨識、觀察、以及取消,以維持對於交易的控制。” 對於Modbus TCP的即時自動化指引是如此解釋的,” 這點使得該機制對於網路性能的改變具有廣大的容錯能力,並且允許像是防火牆以及代理之類的安全性功能可以輕易的加入其中。”


PROFINET

我們已經在數個其它的項目中提到了PROFINET,所以我們不再深入的探討該通訊協定的所有特點。然而,值得注意的是它的設計-支援標準TCP/IP,以及跳過TCP/IP的特殊堆疊,用以傳輸PROFINET I/O與IRT的即時資料,特別適合用來平衡辦公室乙太網路的便利性以及工業網路的需求。


如同Modbus TCP一樣,PROFINET主要是使用在工業自動化的製程控制方面。它支援簡化的佈線(舉例來說,透過西門子公司的FastConnect系統)、WLAN上的決定性性能、以及與星形、樹形、和環形拓墣(現場匯流排的線性佈局除外)的相容性,這些特性使其成為現代化IAC系統在簡化佈局與提昇性能方面廣受歡迎的選擇。此外,可以輕易的從PROFIBUS(現今使用的工業網路與現場匯流排中最受歡迎者) 轉換過來的能力使得PROFINET整合方案成為了許多生產廠商的一個簡單的決定。


PROFINET、Modbus TCP、以及EtherNet/ IP都是普及技術(例如乙太網路)如何能夠使用於嚴格、可擴展與工業自動化基礎的良好範例。乙太網路使用於工廠中的好處一直都是其熟悉度與彈性,因它可以統一工業與辦公室網路,在像是頻寬與直接支援TCP/IP方面等關鍵領域又能夠超越現場匯流排。CPwE以及正在開發中例如時效性網路(TSN)等計劃的結構將只會在未來數年內延伸乙太網路在自動化工業中的影響力,並且在現在與未來提供更具效能的工廠。


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