西门子6ES7231-0HF22-0XA0代理直销

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1  引言
    当前网络技术的迅速发展，给制造业带来了新的变化和重大影响。网络向控制领域的渗透引起了控制结构的改革，提高了控制效果，相应的也进一步促进了网络技术的发展。网络控制系统（Networked Control Systems，简称NCS），即信号经过网络进行传输的闭环控制系统[1-3]。它是计算机技术、通信技术与控制技术发展和融合的产物，体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势。
    欧美运动控制厂商陆续发布了基于100Mb/s以太网的分布式智能控制系统，提出“网络就是控制器”的观点。其特点是：
    （1）类似Internet的结构，对数据的实时传输不需要编程，不需要考虑网络的层次结构；
    （2） 对用户来说，只有一组数据和一个程序，所有数据在网络中只需表达一次，程序和数据均可以重复使用，网络扮演真正服务器的作用；
    （3） 可连接到Internet，实现整个工厂**化联网；
    （4） 以太网既是连接到各种智能模块的系统总线，又是连接现场设备的现场总线，内部和外部的通信在此没有什么区别，集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间将内部通信从外部通信中分离出来。

2  以太网在工业应用中的不足
    高速以太网的出现虽然缩短了响应时间，提高了网络的性能，但并没有完全解决其在工业控制中的问题。
    （1）没有根本解决不确定性
    虽然目前以太网的传输速度大幅度提高，但它仅仅是上平均速度的提高，这对严格的实时控制系统来说是不可靠的。交换机的引入会增加网络的复杂程度，而且交换机不能保在恶劣的工业环境中正常工作。即使增加以太网的带宽，系统的效率也不会随着带宽的提高而线性增长。例如，具有6个16bitI/O的系统，其巡回时间是1.9ms,其中数据在网络上的传递时间为0.69ms,剩余的1.21ms是软件延迟时间。由于软件延迟时间不随带宽变化，因此在100Mbps的快速以太网上，该系统的巡回时间是0.69/10+1.21=1.28ms。可以看出网络速度提高到1000%，而巡回速度只提高了33%。 
    （2）带宽利用率不高
    如果建一个有6个I/O节点的网络，每个节点有16bit的I/O，则该网络的总通信量是6*2*72*8=6912bit，因为以太网实际帧长度为72个字节。而CAN总线的有效帧长只有64bit，且没有较小数据包长度限制。相同的远程I/O系统CAN只需6*2*64=768bit的通信量，是以太网效率的9倍。即使以太网较小帧长度为64个字节也足以使只有16 bit的 I/O不堪重负。
    （3）安全性不高
    以太网不能给现场设备供电，没有冗余，不能及时恢复，一处故障可能会导致整个系统的瘫痪。与Internet/Intranet连接虽然可以实现控制网络与数据信息网络的接合，大大降低企业成本，但信息网络的故障可能会导致工业控制网络也不能正常工作，增大故障率，且的存在使得控制网络的信息安全受到了威胁。
    （4）应用层定义正在形成新的互联壁垒
    以太网与工业现场控制相结合的一个重要出发点是以太网有良好的互联性，当前众多厂商开发的工业以太网专题">工业以太网在上层协议，特别是应用层上未形成统一的标准。例如,若要将Modbus Profibus、Devicenet、controlnet、canopen协议转换到TCP/IP上，把多种不同的协议应用于同一网络，并让它们与同一主机在同一时间对话，则每种协议都要有一个DRIVER。因此，供应商设计了不同的协议，并把它们统称为工业Ethernet网，但是它并未真正解决通用标准的问题。

3  基于Ethernet的网络控制系统设计原理
    在网络运动控制系统的运行过程中，所有控制设备都是以网络形式连接的，可以实现远距离的调速及控制参数的设定等。由于现场总线可以把多个设备连接成网络，并按公开、规范的通信协议，实现网络上的设备与计算机的通讯和控制。所以采用现场总线可以方便地建立远程多机调速系统。
    现场总线运动控制系统一般由多个分布传动点构成，其交/直流调速系统网络化设计如图1所示。该网络化系统主要由变送器、交/流伺服驱动器、交/流伺服电机、现场总线、PLC控制器或独立式运动控制器、控制计算机等构成。在此网络化系统基础上，通过远程网络进一步构成远程控制系统。

1  引言
    10年前，微电子技术、计算机网络技术与信息技术首先完成了办公环境的。随后，由世界导出的信息技术，如以个人PC为基础的共存标准、OPC接口技术、互连网技术及其工具(诸如HTTP和XML等)、以及电子商务技术等都以快速和更新的势头迅猛发展，同时开始向各个领域急速渗透。较近几年，随着关键技术的突破，信息技术将全面进入工业自动化领域，工业自动化系统的各个层面都会受到IT技术的冲击。
过去一直认为，作为信息技术基础的Ethernet是为IT领域应用而开发的，在工业自动化领域只能得到有限应用，这是由于:
(1) Ethernet采用CSMA/CD碰状检测方式，在网络负荷较重时，网络的确定性(determinism)不能满足工业控制的实时要求;
(2) Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求;
(3) 在工厂环境中，Ethernet抗干扰(EMI)性能较差。若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能;
(4) Ethernet网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。

    随着信息网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了促进Ethernet在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网专题">工业以太网协会(industrial Ethernet Association)，并与美国ARC Advisory Group、AMR Rebbbbbb研究中心和Gartner Group等机构合作开展工业以太网关键技术的研究。

    为了解决在无间断的工业应用领域，网络能在较端恶劣的条件下稳定地工作的问题，美国Synergetic Micro System公司和德国Hirschmann公司专门开发和生产导轨式收发器系列、集线器系列和交换机系列，它们安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电;接插件采用牢固的DB-9结构。Woodhead Connectivity公司已研制成特殊封装的工业以太网专题">工业以太网接插件RJ-Lnxx IP67，能与RJ-45商用接插件和其他工业以太网产品一起使用。美国NET Silicon公司研制的工业以太网通信接口芯片，每片价格已降至10美元左右，与各种现场总线芯片相比，价格具有较大优势。

    鉴于工业以太网专题">工业以太网的快速发展和关键问题的突破，使得工业自动化领域控制级以上的通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向下逐渐延伸。工业以太网技术正在加快推广应用，使用哪一种工业以太网协议规范作为标准提到了议事日程。在工业控制领域，以太网技术的发展不可能脱离原来的DCS、PLC和FCS控制与管理系统基础，各国的工业自动化系统公司为了保护已有的投资利益和扩大自己公司产品的应用范围，纷纷提出工业以太网技术方案，从而出现了现场总线在转向工业以太网的同时，又将现场总线之争让路给工业以太网的局面。

2  工业以太网专题">工业以太网的4个竞争者
    目前，工业以太网专题">工业以太网技术主要有4个竞争者，它们是:Modbus-IDA(Modbus protocol on TCP/IP)工业以太网、Ethernet/IP(the ControlNet/Devicenet bbbbbbs on TCP/IP)工业以太网、Foundation Fieldbus HSE(High Speed Ethernet)工业以太网和PROFINET(Profibus on Ethernet)工业以太网。

(1) Modbus-IDA工业以太网专题">工业以太网
    IDA(Interface for Distributed Automation)组织是由德国Phoenix Contact公司和法国Schneider电气公司等多家公司于2000年3月联合成立的，该组织提出一套基于Ethernet、TCP/IP的用于分布式自动化的接口标准，利用这个接口标准，可以建立基于Ethernet和Web的分布式智能控制系统。IDA组织开发的工业以太网专题">工业以太网的主要定义:协议、方法和用于节点间实时和管理通信的对象结构;为了实现不同生产商工具和设备间的对象交换，将使用基于XML的对象描述和交换机制;通过定义一个安全层，将大大增强网络的安全性;为了同步设备的时钟，定义了高精度同步的方法;定义了设备描述、IP寻址和设备映象等方法，简化设备的安装和替换，实现真正意义上的即插即用。

    Modbus协议原为美国Modicon公司于70年代所发表的用于PLC产品的通信协议。由于其功能比较完善，很容易实现，适用于不少工业用户所需要的通信类别，所以被许多系统供应商采纳，得到很广泛的应用，已成为事实上的工业通信标准。早期的Modbus协议似乎建立在TIA/EIA标准RS-232F和RS-485A串行链路的基础上，近年来，随着Modbus协议不断发展，已经将Web Server、Ethernet和TCP/IP等技术引入应用协议，于是，在2002年5月以法国Schneider公司为首的MODBUS组织(Modbus Organization)发表了Modbus TCP/IP规范，它建立在IETF标准RFC 793和RFC 791基础上。

    Modbus TCP/IP基本上用简单方式将Modbus帧嵌入TCP帧，这是一种面向连接的传送，它们需要响应。使用UDP不需要响应，其差错检验通常在应用层完成。上述请求/响应技术很适用于Modbus的主站/从站特性，交换式Ethernet为用户提供确定性特性。在TCP帧中使用开放的Modbus可提供一种系统规模可伸缩的方案，由10个网络节点到100个网络节点，*采用多目的传送(Multicast)技术。

    从上面的叙述可以看出，Modbus组织和IDA集团都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互联网技术的分布式智能自动化系统，因此，合并后Modbus IDA工业以太网专题">工业以太网将会更加完善，其系统构成框图如图1所示。从图1中可以看出，该系统是总线型分级分布式系统结构，当然以太网也可以采用环型拓扑结构。管理级采用以太网TCP/IP标准，它由目前流行的商用以太网集线器、交换机和收发器等构成，可完成用户各种管理功能;控制级包括PLC、IPC、分布式I/O、人机界面、电机速度控制器和网关等，采用Modbus TCP/IP协议，完成各种控制功能;现场级可采用基于Modbus协议或Ethernet协议的各类设备和I/O装备;嵌入式Web服务是系统核心技术之一，使用标准的Internet浏览器就可以读取设备的各类信息、设备的配置和查看历史故障记录。同时，集成式Web服务器可完成系统设备的诊断功能。

设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。
  
    　随着互联网技术的发展与普及推广，使ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网专题">工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：
 
（一）通信确定性与实时性

    　工业控制网络不同于普通数据网络的较大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于ethernet采用csma/cd方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。
 
    　然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，ethernet的通信速率从 10m、100m增大到如今的1000m、10g，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使ethernet 通信确定性和实时性大大提高。
 
（二）稳定性与可靠性
 
传统的ethernet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。