西门子6ES7214-1AD23-0XB使用方法

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基于UDP的工业以太网
        目前,至少有基金会现场总线的HSE、Ethernet/IP、iDA以及ADS-net在传输层协议中或部分或全部的采用了UDP。由于篇幅有限,以下仅就HSE和Ethernet/IP在传输机制和通信模式作简单比较。
4.1 ETHERNET/IP
         在EtherNet/IP中，对于对实时性要求较高的实时I/O数据,采用UDP/IP协议来传送,而对实时性要求不太高的显式信息(如组态、参数设置和诊断等)则采用TCP/IP来传送。EtherNet/IP 有两种形式的报文连接：
•显示报文连接：是一种点对点的关系，用于促进两个节点之间的请求――应答连接。这种连接是较通用的并且能无所不及。
•隐式报文：主要用于以常规的时间间隔传送特定应用的I/O数据。这种连接自然是多播方式，即建立一对多的关系用以发挥生产消费模式的优点。
        在网络层和传输层EtherNet/IP 采用的是INTERNET标准的TCP/IP协议族在单个或多个设备之间传送信息，同样，在这些层标准的CIP信息被打包成TCP/IP包，TCP/IP包允许网上的节点将他们作为以太网信息的一部分。节点发送这些TCP/IP协议包到数据链路层。利用TCP/IP ， EtherNet/IP可以传送用于节点之间主/从类型事务的显示报文。
        对于实时报文，EtherNet/IP 通过基于IP的UDP协议采用组播方式实现，组播针对一组地址的目标站。这就是CIP的隐式报文在EtherNet/IP 上的传送方式。隐式报文通常只有I/O数据，没有协议信息。这就意味着通讯一建立数据已被提前定义了，自然处理的时间就是较小的。UTP无须建立通道也不对通讯做保，但尽管如此，UDP的隐式报文比显式报文更小更快捷。所以EtherNet/IP通过 UDP/IP传送I/O数据典型地包含了关键时间控制信息。CIP的连接机制包含了提供**时机制，即可以检测数据发送错误，这对于可靠的控制系统是很关键的。
        EtherNet/IP 利用TCP/IP资源在以太网上传送报文，为了满足ＯＤＶＡ组织一致性要求宣言，EtherNet/IP 的产品都要求能完成ＵＣＭＭ接收其他设备的请求。比如像少有的显示报文传输或者实时的Ｉ／Ｏ。通过ＵＣＭＭ的通讯服务连接资源被保留。打开一个连接的过程被称为连接生成。而主动提出连接生成的节点就叫做连接生成器。相反，响应该节点的节点就叫做连接目标。
总结一下，也就是说，隐示报文是通过以太网实体采用UDP/IP资源以多播方式传送数据。
4.2．Ethernet/IP的HSE
        下面将结合一个实例来说明通信模式对TCP/UDP协议选择问题的影响，研究目标是现场总线基金会旗下的工业以太网标准——HSE。
       HSE协议中一个重要的组成部分是:现场设备访问代理(FDA)，FDA将整个HSE从概念为两个部分。FDA及其以下的部分，包括HSE管理代理(HMA)，它们一起提供HSE通信服务，构成了HSE通信栈。其功能主要相对于OSI七层参考模型一到四层间的部分;FDA以上的实体包括系统管理内核、虚拟现场设备，局域网冗余实体等，统一称为HSE应用进程，它们利用通信栈提供的服务，和对等实体通信。它们可以看做是通信栈的用户层。接下来将重点讨论FDA以下的部分涉及到的HSE的通信模型和通信方式等问题，而HSE的用户层等方面的其它内容将在下一章中讨论。FDA代理在通信模型中主要提供下列服务:
1)作FDA Session的代理;
2)FDA Session 和FMS VCR的接口;
3)TCP /UDP 和 FDA Session之间的接口;
4)转发上面 4种 应用层的消息.
        而FDA Session是一种应用关系，提供和FDA代理的通信，HSE VCR提供对HSE VFD的访问，用于传递FMS报文。有三种不同的FDA Session：
Client/Server(客户/服务器)
Sesions,Publisher/Subscriber(公布/订阅)
Sessions,Report Source/Sink(报告源/接收)Sessions.
       HSE Session位于TCP/IP协议之上，利用以太网和TCP/IP协议传输HSE总线的服务报文，是FF HSE现场总线通信的核心模块。
        Session与 它所支持的VCR端点具有相同的类型，HSE基于业界广泛使用TCP/IP协议簇一共提供了两种通信方式:：
1客户机/服务器(C/S)，采用单播通信模式;
2发布者/预定者(P/S)，报文源服文接收，采用多播通信模式;
其中单播方式提供确认性的FMS服务，而多播提供的FMS服务是无确认的。具体实现中，以套接字方式为基础。
        对于 C/S服务类型的通信，底层采用基于流的套接字，提供有确认的通信服务，故传输层基于TCP协议构建。虽然C/S也可以基于数据报的套接字来实现，但一般不采用这种方式（DCOM是个例外）。
       对于采用发布者/预定者、报文源/报文接收两种采用多播的通信模式，底层采用基于数据的套接字，提供无确认的通信服务，故传输层基于UDP协议构建。同时，在发送和接收两端，VCR和Session节点是预先组态好的。这样，多播方式的通信过程比客户机/服务器类型的方式要简单许多。这样使得在多数场合，HSE使用的是多播方式的通信模式更具优势。以至于在一些资料中，HSE和Ethernet/IP、IDA等一块被认为是基于UDP的工业以太网实施方案

**TSC工业以太网，致力于工业级关键以太网络基础设施的实施，为正在建设自动化、过程控制、机车及工业控制等领域的客户，设计、制造并推广高可靠性的工业网络产品，以提高他们的生产力。

1、  前言
   
    现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。自80年代以来，有几种现场总线技术已逐渐形成，在一些特定的应用领域显示了各自的优势。

    对用户而言，如何选择适合自己需要的现场总线，来满足工业控制中的实时要求。这需要了解每种现场总线的特点，尤其是数据链路层的通信介质访问控制方式。
   
    按照对时间确定性的支持，现场总线通信介质访问控制方式主要分为两大类：一类采用事件触发方式，它不直接支持时间确定性，多数采用随机载波方式(CSMA)，具有代表性的有CAN和LON等；另一类采用时间触发方式，它直接支持时间确定性，

    通常采用令牌方式，它又可以进一步分为：(1)集中式令牌，具有代表性的有WorldFIP和FF等；(2)分布式令牌，具有代表性的有PROFFBUS等；(3)虚拟令牌，具有代表性的有P-NET等。

    为此，本文针对目前比较流行的，且通信介质访问控制方式具有代表性的4种现场总线——LON、CAN、PBOFIBUS和FF进行简单的介绍，特别是对其通信介质访问控制方式进行了较详细的描述。

2、  LON(LocalE Operation Networks)

    美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网络，在组建分布式监控网络方有优越性。LON技术适合于低层次工业网络，在住宅、楼宇管理、暖通、水处理、食品加工、机器控制与监视等领域被广泛接受。

    LONWORKS采用的LonTalk通信协议遵循ISO／OSI的全部7层模型。LonTalk协议被封装在称之为Neuron神经芯片中得以实现。Neuron神经芯片是IONWORKS的核心，内含3个8位CPC，分别为介质访问控制处理器，网络处理器和应用处理器。可见，Neuon神经芯片不仅作为LON总线的通信处理器，也作为采集和控制的通用处理器。

    LON支持多种拓扑结构，如总线型、星型、环型、混合型等，和多种传输介质，如双绞线、电力线、无线电波、红外线、光纤、同轴电缆和电源线等。可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。采用双绞线时，通信速率为78kbps／2700m/每段以节点，1．25Mbps／130m/每段64个节点。Motomla已开发出IS-78本安物理通道，使LON网络可以延伸到危险区域。

LON的通信介质访问控制方式为带预测P-坚持CSMA。当节点有信息要发送而试图占用通道时，首先在一个固定的周期Beta 1检测通道是否处于网络空闲。为了支持**级，还要增加级时间片，**级越高的所加的时间片越少。随后再根据网络积压参数BL产生一个随机等待时间片W’，W’为0到W之间的随机数，W＝BL*16。当延时结束时，网络仍空闻，节点以概率p=1／W发送报文。此种方式在负载较轻时使介质访问延迟较小化，而在负载较重时使冲突较小化，但不能冲突。图2-1为LON的**级带预测P-坚持CSMA概念示意图。

    LON有完整的7层协议，具备了局域网的基本功能，与异型网的兼容性比现存的任何现场总线都好。它还提供了与LAN的接口，从而实现二者的**结合。同时，LON属于网络型系统，不适合于有大量数据需要采集，进行频繁处理的快速工业控制系统。

    LON通过具有通信与控制功能的Neuron神经芯片、收发器、电源、传感器和控制设备构成的网络节点，采用**的编程工具Neuron C，利用所提供的开发工具：LonBuilder、NodeBuilder和LVS技术，可以快速、方便地开发节点和联网。

  总之，当有大量的短消息需要通信应用时，LON是一个普及、的总线系统。

3、  CAN( Controller Area Network)

    德国 BOSCH公司于1991年推出，用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。主要应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的低层监控，解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。

    CAN采用了ISO／OSI的3层模型：物理层、数据链路层和应用层。

    CAN支持的拓扑结构为总线型。传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率为1Mbps／40m，50kbps／10km，节点数可达110个。

    CAN的通信介质访问方式为带**级的 CS-MA／CA。采用多主竞争式结构：网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线**仲裁技术：当几个节点同时向网络发送信息时，运用逐位仲裁规则，借助帧中开始部分的标识符，**级低的节点主动停止发送数据，而**级高的节点可不受影响地继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。例如，规定0的**级高，在节点发送信息时，CAH总线做与运算。每个节点都是边发送信息边检测网络状态，当某一个节点发送1而检测到0时，此节点知道有更高**级的信息在发送，它就停止发送信息，直到再一次检测到网络空闲。图3-1为A、B、C、D4个节点同时发送信息，最后**级高的节点D有权发送信息，其它节点主动停止发送数据。　　CAN的传输信号采用短帧结构(有效数据较多为8个字节)，和带**级的CSMA/CA的通信介质访问方式，对高**级的通信请求来说，在1Mbps的通信速率时，较长的等待时间为0．15ms，完全可以满足现场控制的实时性要求。

    CAN**的差错检验机理，如5种错误、出错标定和故障界定；CAN传输信号为短帧结构，因而传输时间短，受干扰概率低。这些保了出错率较低，剩余错误概率为报文出错率的4．7x10-11。另外，CAN节点在严重错误的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受其影响。可见，CAN具有高可靠性。

    CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线通信协议部分和微控制器接口部分电路组成。通过简单的连接即可完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。CAN总线上的节点既可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有CAN接口的I／O器件。

    总之，CAN总线的数据通信具有**的可靠性、实时性和灵活性。CAN作为现场设备级的通信总线，同其它总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。

4、  PROFIBUS(Process Fieldbus)

    1986年，德国开始制定。它由3部分组成：Profibus-DP (Decentralized Periphery，分布式外设)，Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification，现场总线信息规范)和Profibus-PA(Process Automation，过程自动化)。不同的部分针对不同的应用场合，因此和Profibus应用领域十分广泛。

    Profibus以ISO／OSI模型为基础，取其物理层和数据链路层。FMS还采用了应用层。DP和FMS使用同样的传输技术和统一的总线访问协议，因此二系统可在同一根总线上混合互操作。通过段锅台器或链接器，使PA系统很方便地集成到皿网络。

    DP和FMS有两种传输技术：一种是RS-485，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型，通信速率为9．6kbps／1200m，12Mbps／100m，每段较多节点数为32，不支持总线供电和本安；另一种是采用光纤，用于电磁兼容性要求高和长距离要求的场合。 PA采用IEC1158-2传输技术，用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型或树型，通信速率为31．25kbps/1900m，每段较多节点数为32，支持总线供电和本安。

    Profibus的通信介质访问控制方式为分布式令牌方式(混合介质存取)。主节点之间为令牌环传递方式，主节点与从节点之间为主从轮询方式。当主节点得到令牌后，允许它在一定的时间内与从节点和／或其它主节点通信。令牌在所有主节点中循环一周的较长时间TTR(设定周期)是事先预定的，决定了各主节点的令体保持时间的长短。主节点之间传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内主节点有充足的时间完成通信任务，主节点与从节点之间的数据交换要尽可能快且简单，地完成数据的实时传输。按这种方式，完成周期性与非周期性的数据交换。