日志档案

发表于 2009/7/20 11:23:58

0

精华帖

标签: 以太网 现场总线

工业以太网和工业实时以太网的安装,调试和诊断技术(一)

  1  前言
  自从20世纪70年代中期,美国XEROX公司提出了以太网这个新概念,首次提出采用一种传输媒介将Xerox打印机与数个计算机相连进行通讯的构思,即带有冲突检测的载波侦听多路存取(CSMA/CD)的方法以后,短短的三十多年以来,随着科技的不断发展,这一设想在实践中得到了不断的改进,从而形成一致而又强大的局域网技术。IT的工程师们从实际应用出发采取了各种措施改进以太网的技术,今天,作为物理层基础的以太网与最广泛的,标准化的通信协议的TCP/IP的有机结合,成为了现代通信技术最成熟的使用方法。


  图1 Robert M. Metcalfe博士著名的草图

  以太网技术在办公领域的广泛应用使得从事自动控制技术研究的人们自然而然想到是否也能将日益发展、日益标准化的以太网技术应用到工业的领域之中来。 因此,近几年来,在国内的自动控制领域中产生了一个非常热门的话题, 即现场总线技术与以太网技术之争,尽管现场总线技术近十多年来在工业控制领域得到了迅速发展,并且在工业自动化系统中得到了广泛的应用。然而随着IT技术的不断革新,通讯网络技术的不断完善,使得当前从事自动化技术的专业人员面临着一个问题:是否刚刚进入中国的现场总线将被以太网技术所代替?是否Ethernet就是现场总线的未来呢?目前为止,我们对于这个问题还不能给予一个简单的回答,但是专家们公认:自动化技术中通信方式一直在发展变化,并逐渐趋向开放和透明的系统解决方案。信息的连续性正在变得越来越重要。这时候引入以太网和互联网技术将会使目前所谓集中型自动化系统真正成为带有分散型智能化的网络控制。以太网虽然不是一种现场总线,是属于局域网技术,主要用于办公管理系统的通讯。但是由于这种通讯方法的广泛应用和技术的完整性,很多研究人员一直在探索如何将以太网技术应用于工业控制系统领域中去,以满足工业控制系统对通讯提出的要求。但是现场工程师们对以太网的了解大多来自他们对传统商业以太网的认识。许多控制系统工程的网络通信的实施往往由IT部门的技术人员来实施。但是,IT工程师们对于以太网的了解,仅仅局限于办公自动化商业以太网的实施经验,不能发挥以太网在工业控制系统中应用的真正的优势,不懂得工业控制数据传输对以太网的要求, 也不理解如何将以太网内在的特殊功能用于工业的领域,如拓扑网络结构的改变,冗余方案,可靠性,及时性等等,从而产生许多不清楚的概念和想法。从根本上来讲包括:
  (1)对以太网,工业以太网和工业实时以太网的区别不明确;
  (2)对以太网在办公领域应用与在工业领域应用的必要条件不明确;
  (3)对工业以太网与工业实时以太网应用的领域不明确;
  (4)对工业以太网的组态、安装、调试的方法不了解。
  正由于这些不确定的因素大大地限制了以太网技术在工业现场的应用。正由于对于对这些概念的认识不够,往往在工程的实施中为了节省初期工程实施的成本,工程设计人员将简单的以太网的模块应用于工业环境的现象,这给整个控制系统留下不稳定因素,对今后的生产的可靠性带来来不可估量的隐患。 因此,今天尽管以太网已在OFFICE世界得到广泛应用,但是在越来越多的自动化系统工程开发应用基于以太网的通信网络结构的时候,必须考虑工业应用中对于通讯系统提出了许多近乎苛刻的特殊要求,如要求数据采集的确定性,实时性、在恶劣的工况下运行的可靠性,现场安装调试的方便性等。总之 在最恶劣和苛刻的条件和环境中也能操作可靠并显示被控对象的行为,是对每个希望在工业领域应用以太网技术的设计人员和工程师的最大的挑战。
  目前,在国内正在大力地推广应用工业以太网,各种各样的工业以太网的研讨会、产品介绍会、各种类型的培训班层出不穷,对普及工业以太网技术起了重要的作用, 使人们了解了国际工业以太网的发展的趋向、工业以太网在工业领域应用的重要性,人们也在讨论选择工业以太网应该考虑的因素,但是就工业以太网技术在自动控制领域应用的基本问题,如工业以太网系统的安装、调试和诊断等方面的讨论却较少。本连载将对在工业以太网应用中遇到的安装,调试和诊断的问题作一介绍,并希望通过与读者的互相沟通,将我们的使各行业工业以太网的应用水平得到提高。连载将分以下几大部分:
  (1)以太网技术的简介
  (2)工业以太网和工业实时技术的特点
  (3)无线以太网技术的特点
  (4)工业以太网的安装连接和抗干扰技术
  (5)工业以太网的组态和调试技术
  (6)工业以太网的安全和诊断技术
  (7)工业以太网网络的管理功能软件-Factory Manager
  (8)工业以太网今后的发展方向
  (9)  总结
  2  以太网技术简介
  2.1 以太网的发展历史
  以太网(Ethernet)这个名字来自于无线电技术。19世纪时,很多科学家认为电磁波的传输需要一种媒介,这种媒介被称为擡ther敗T?0世纪70年代中期,美国XEROX公司提出了以太网这个新概念,采用了CSMA/CD(载波侦听多路存取/冲突检测)的访问方法。第一个以太网系统,能够通过1000多米的同轴电缆,连接超过100个站点,实现3Mbps的数据传输速率。
  表1 以太网的发展历史


  70年代后期,由DEC、Intel和XEROX公司组成的DIX工作组将以太网的传输速率提高到了10MB/s。1995年,IEEE正式通过802.3u快速以太网标准。快速以太网仍然采用CSMA/CD协议,但物理层则提供100M/s传输速率。随后以太网技术进一步发展到1000MB/s(千兆网)和10000MB/s(万兆网)。在这些网络中,不仅仅使用同轴电缆,也可采用双绞线电缆、光纤以及无线传输。传输速度高达100GB/s及以上的以太网网络也正在规划中。
  2.2 以太网的标准
  总部设在纽约的IEEE(国际电气电子工程师协会)负责以太网技术的标准化和发布。1983年,IEEE在DIX工作组的研究基础上,发布了第一个以太网标准IEEE802.3。从此,以太网的标准被IEEE不断地扩展。相关的标准通过子集的方式得到持续不断地发展和加强。表2中列出了最重要的以太网和无线技术的标准。
  表2 以太网标准


  以太网的基本原理为CSMA/CD(载波侦听多路存取/冲突检测)的访问方法。按照OSI参考模型,以太网只定义了物理层和数据链路层。作为一个完整的通信系统,以太网需要高层协议的支持。而70年代中期由美国国防部为其ARPA网开发的TCP/IP协议与以太网技术紧密捆绑在一起。由于后来国际互联网采用了以太网和TCP/IP协议,人们甚至把如超文本链接HTTP等TCP/IP协议组放在一起,称为以太网技术。
  下面将介绍以太网技术、以太网所使用的协议以及在OSI参考模型层结构中的分类。
  2.2.1 OSI参考模型


  图2 OSI参考模型的数据交换


  以太网是基于通信系统的OSI(Open System Interconnection)开放系统互联参考模型。OSI参考模型是在1984年由国际标准化组织ISO(International Organization for Standardization)发布的,现在已被公认为计算机互联通信的基本体系结构模型。OSI参考模型对一个开放的网络结构中系统之间的通信进行了系统地描述和标准化。
  通信所需要的功能被分解为七个易于管理的功能层,分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通过这种方式,复杂的通信过程被简化和分解为小的逻辑单元。OSI的七层协议分别执行一个或一组任务,完成特定的网络功能,各层间相对独立,互不影响。
  第1到4层,是面向网络的低层。第5到7层是面向应用的,称为高层。每个独自的低层通过所定义的接口向高的层提供服务。下面是OSI参考模型的七个层次。
  (1)物理层。为它的上一层提供一个物理连接,以及它们的机械、电气、功能和过程特性。如规定使用电缆和接头的类型,传送信号的电压等。
  (2)数据链路层。负责在两个相邻结点间的线路上,无差错的传送以帧为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时,如果接收点检测到所传数据中有差错,就要通知发送方重发这一帧。
  (3)网络层。选择合适的网间路由和交换结点,确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包,包中封装有网络层包头,其中含有逻辑地址信息- -源站点和目的站点地址的网络地址。
  (4)传输层。根据通信子网的特性最佳的利用网络资源,并以可靠和经济的方式为两个端系统(也就是源站和目的站)的会话层之间提供建立、维护和取消传输连接的功能,负责可靠地传输数据。在这一层,信息的传送单位是报文。
  (5)会话层。不参与具体的传输,它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。
  (6)表示层。主要解决拥护信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩加密和解密等工作都由表示层负责。
  (7)应用层。确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。
  2.2.2 CSMA/CD访问方法
  CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect),即载波侦听多路存取/冲突检测,是以太网技术的基本原理。随着科技的发展,带有冲突检测的载波侦听多路存取(CSMA/CD)的方法不断改进,从而形成一致而又强大的局域网技术。CSMA/CD起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议,并进行了改进,使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。
  CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议,网中的各个站(节点)都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前,首先要进行载波监听,只有介质空闲时,才允许发送帧。这时,如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧,则会产生冲突现象,这使发送的帧都成为无效帧,发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生,一旦发生冲突,则应停止发送,以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费,然后随机延时一段时间后,再重新争用介质,重发送帧。
  2.2.3 以太网及相关协议
  标准化的通信是系统互操作性的基本要求,而以太网正是代表了这种标准。以太网自身实现了OSI参考模型的第1层和第2层,这在IEEE802.1-3标准中进行了定义。在OSI参考模型中,以太网上面的层实现了INTERNET协议IP(第3层)和TCP/UDP(第4层)传输协议。以太网和TCP/UDP以及IP规范一起也被称为INTERNET协议包,而TCP/IP通常可看作是整个协议包的同义词。第5到7层提供应用协议,例如FTP, Telnet, SMTP, NSP, SNMP等。
  第一层  物理层
  以太网是一种逻辑总线。数据包被所有参与者所接收。但只有那些目的地址和自身地址相同的设备才会处理。按照IEEE 802.3标准,以太网帧具有特定的格式。
  每个数据包都要在物理介质上按位传送。位流以一个特殊的引导头开始,用于发送者和所有接收者的同步。引导头之后是目标地址,源地址和帧的类型。紧接着是要传送的用户数据和校验域。
  表3 标准以太网帧


  第二层  数据链路层
  由于同一个网络中安装的以太网设备会来自于不同的设备制造商,因此每个以太网设备必须具有全球惟一的MAC地址。MAC地址为48个位,通常采用16进制,例如:00-A0-45-06-40-8B。前面三个字节表示制造商识别号,剩下的三个字节表示适配器的序列号。在数据链路层内,对物理传输介质(媒介访问控制MAC)采用CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)方法。
  第三层  网络层
  网络层实现了INTERNET协议(IP),管理从一个网络到另一个网络的报文路由。目前,我们使用的是32位的编址IPv4(Internet Protocol Version 4)。这四个字节包含了网络地址(网络ID)和终端设备地址(主机ID)。
  在全球性的网络中(例如因特网)中的IP地址必须是唯一的。地址的预留和分配由IANA(互联网地址指派机构)来控制。IP地址主要分为三类:A类、B类和C类。A类网络第一个字节为网络ID,剩余的三个字节表示主机ID,最多可以存在126个A类网络。B类网络前两个字节为网络ID,后两个字节为主机ID,B类网络大约有16000个。C类网络前三个字节为网络ID,最后一个字节为主机ID。C类网络的数量可以在200万个以上。另外,还有D类和E类网络,仅用作研究和特殊用途。
  ARP协议是“Address Resolution Protocol”(地址解析协议)的缩写。在以太网中,一个主机要和另一个主机进行直接通信,必须要知道目标主机的MAC地址。这个目标MAC地址就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址,查询目标设备的MAC地址,以保证通信的顺利进行。
  ICMP(Internet Control Message Protocol,Internet控制消息协议),用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据,但是对于用户数据的传递起着重要的作用。我们在网络中经常会使用到ICMP协议,比如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令,这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。
  營GMP协议(Internet Group Management Protocol,Internet组管理协议)运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间,是IP主机用来报告多址广播组成员身份的协议。通过IGMP协议,一方面可以通过IGMP协议主机通知本地路由器希望加入并接收某个特定组播组的信息;另一方面,路由器通过IGMP协议周期性地查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动状态。IGMP协议的主要作用是解决网络上广播时占用带宽的问题。在网络中,当给所有客户端发出广播信息时,支持IGMP的交换机会将广播信息不经过滤地发给所有客户端。但是这些信息只需要通过组播的方式传输给某一个部分的客户端。
  IPv6协议是“Internet Protocol Version 6”的缩写,它是新的Internet协议,用来替代现在使用的IPv4。IPv6将地址范围增加到128位。IPv6克服和解决了IPv4存在的一些缺陷和问题。如IPv4没有考虑到互联网业务发展如此迅速,给互联网骨干路由器维护路由表及提供快速路由的功能设置带来一定的限制。IPv6解决了这些缺陷,并保持了IPv4许多成功的特点。IPv6具有地址自动配置功能、安全保护功能、认证和加密功能,无需任何的人为干预,主机即可直接连接互联网所需的全部信息等等。
  IPv6 使用 NDP (Neighbor Discovery Protocol,邻居发现协议),而不是IPv4使用的几种协议(ARP,ICMP路由发现协议,ICMP重定向)。主机和路由器使用 NDP 协议执行以下操作:确定相同链路上相邻路由器的链路层地址,并快速清空无效的缓冲值;查找可以代替它转发数据包的相邻路由器;主动跟踪哪些相邻路由器是可以到达的,哪些是不可到达的,并检测发生变化的链路层地址;当到达某个路由器的路径出现故障时,搜索其他正常运行的路由器。
  第四层  传输层
  传输层中实现了TCP和UDP协议。TCP(传输控制协议)是面向连接的协议。TCP协议能为应用程序提供可靠的通信连接,使一台计算机发出的字节流无差错地发往网络上的其他计算机,对可靠性要求高的数据通信系统往往使用TCP协议传输数据。
  TCP连接的建立可以简单的称为三次握手。首先,客户端设备发送SYN报文到相应的服务器设备,要求建立一个TCP连接和指定服务器的端口号,并包含了通信的初始序列号(ISN)。服务器设备发送SYN响应报文,包括自身的递增ISN。服务器再发送一个确认报文,包括客户端的递增ISN。客户端确认服务器的SYN报文,包括递增的ISN。
  UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。UDP是面向非连接的协议,它不与对方建立连接,而是直接就把数据包发送过去。UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。正因为UDP协议没有连接的过程,所以它的通信效果高;但也正因为如此,它的可靠性不如TCP协议高。
  第七层  应用层
  应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层面向不同的网络应用引入了不同的应用层协议。其中,有基于TCP协议的,如文件传输协议(File Transfer Protocol,FTP)、虚拟终端协议(TELNET)、超文本链接协议(Hyper Text Transfer Protocol,HTTP),也有基于UDP协议的,如简单网络管理协议SNMP等。
  表4 各种应用协议在OSI参考模型中的位置

系统分类: 工业以太网   |   用户分类: 工业以太网   |   来源: 无分类

    阅读(2470)    回复(24)