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自动化工业中的乙太网路(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,我们探讨了在工业自动化与控制中乙太网路相对於现场汇流排的多项优点。乙太网路解决方案提供了卓越的频宽与较低的设备成本,以及能够扩展至整个工厂,如同将厂房与企业IT以单一网路连结在一起的能力。考虑到第三项特点,我们也在本系列第二部份中开始深入探讨汇聚式全厂乙太网路(CPwE)-- 由Rockwell Automation与Cisco所共同开发的叁考架构,透过标准乙太网路串联IP套件的使用来促进IAC系统的现代化。


CPwE的概观与总结

CPwE的核心就是试图协助生产厂商穿越截然不同的传统序列网路的复杂性,并且实现他们必须要针对使用状况(例如工业物联网)去提供给他们工厂的服务整合、直接维护、以及高可用性。透过将IT与控制工程师以及他们所监督的个别系统集结在一起,CPwE可以很理想的将工业运作最隹化,充分利用原物料并确保产品与服务的准时递送。


EtherNet/ IP已经成为了CPwE的主要实现工具,因为它能够利用其Logix Control与FactoryTalk平台做为Cisco的乙太网路至工厂框架(Ethernet-to-the-factory framework),也包括了安全性与网路架构与Rockwell Automation的整合式架构之间的连结。在CPwE执行方案中的工业乙太网路交换器以其原生的EtherNet/ IP支援能力而具备了通用的工业通讯协定整合度。


EtherNet/ IP使用标准、未修改的乙太网路技术来实现此项全方位的端点对端点网路整合,而这是透过特别建构的现场汇流排也无法达成的。Cisco-Rockwell的合作也改善了CPwE执行方案~透过使其支援以IEEE 802.11 Wi-Fi为基础的WLANs。这些WLANs具有精致的服务品质与流量优先化功能,有助於克服那些经常会困扰工业无线网路的干扰与涵盖减损等问题。


以标准为基础的EtherNet/ IP、Modbus TCP、以及某些形式的PROFINET设计是允许透过CPwE进行互动的。


这一次,我们将看到在EtherNet/ IP之外的其他工业乙太网路通讯协定,这些通讯协定在一定程度上支援标准网路。毕竟,CPwE的价值主张中有部份是在於促进IAC网路(大多会在layer 2 LAN模型中沟通)之间的互连性与相互操作性的能力。以标准为基础的乙太网路/IP、Modbus TCP、以及某些形式的PROFINET设计都允许透过CPwE进行这个层级的互动。乙太网路、IP、以及TCP/UDP都可以被分别使用於layers 2, 3,与4,做为使用标准通讯协定网路装置之间的通讯用途。


使用於可相互操作与相互连结网路的Modbus TCP与PROFINET

让我们看看两种以乙太网路为基础的解决方案 - Modbus TCP以及少数版本的PROFINET,它们能够与EtherNet/ IP和其它通讯协定(例如:HTTP、FTP、Telnet等等)互动,不需要非标准网路介面卡以及/或是交换器基础架构的执行方案。这两种标准都相当受到欢迎,以2015年1月的全体工业网路来看,PROFINET占了8%,而Modbus TCP则有3%的市场。


Modbus TCP

Modbus TCP 是受到广泛使用、供应商中立的Modbus通讯协定,最初是在1979年由Schneider Electric所发表的变异版本。Modbus使用串联连结,而Modbus TCP则使用乙太网路做为其物理网路,并支援使用於IP网路上资料交换的TCP/IP堆叠。Modbus TCP在1999年获得标准化,目前可以执行於任何具有TCP/IP??座的装置当中。


Modbus TCP的开放式标准化设计使其成为了相互可操作环境的绝隹选择。它可以使用一般的PC乙太网路卡运作,再加上其具有专门分配给它的502埠,因而具有未来性的保证。目前是由Modbus Organization(创立於2004年)管理,遵循Schneider最初开发的Modbus是一个开放式计划,拥有专注於不断提升成本效益之解决方案的广大供应商社群。


TCP/IP而非UDP的使用,实现了Modbus TCP中大量的同时连结,以及资料交易的维护控制。透过这种方法,Modbus TCP与其Modbus家族的前身所使用的无状态交易分道扬镳,并且效法了全球资讯网的极简主义。


“[ 针对在Modbus TCP中使用TCP/IP ]其主要原因是为了要将个别交易封闭在单一连结中,使其能够在不需要於客户端与服务器端应用装置的部份执行特定动作的状况下进行辨识、观察、以及取消,以维持对於交易的控制。” 对於Modbus TCP的即时自动化指引是如此解释的,” 这点使得该机制对於网路性能的改变具有广大的容错能力,并且允许像是防火墙以及代理之类的安全性功能可以轻易的加入其中。”


PROFINET

我们已经在数个其它的项目中提到了PROFINET,所以我们不再深入的探讨该通讯协定的所有特点。然而,值得注意的是它的设计-支援标准TCP/IP,以及跳过TCP/IP的特殊堆叠,用以传输PROFINET I/O与IRT的即时资料,特别适合用来平衡办公室乙太网路的便利性以及工业网路的需求。


如同Modbus TCP一样,PROFINET主要是使用在工业自动化的制程控制方面。它支援简化的布线(举例来说,透过西门子公司的FastConnect系统)、WLAN上的决定性性能、以及与星形、树形、和环形拓??(现场汇流排的线性布局除外)的相容性,这些特性使其成为现代化IAC系统在简化布局与提升性能方面广受欢迎的选择。此外,可以轻易的从PROFIBUS(现今使用的工业网路与现场汇流排中最受欢迎者) 转换过来的能力使得PROFINET整合方案成为了许多生产厂商的一个简单的决定。


PROFINET、Modbus TCP、以及EtherNet/ IP都是普及技术(例如乙太网路)如何能够使用於严格、可扩展与工业自动化基础的良好范例。乙太网路使用於工厂中的好处一直都是其熟悉度与弹性,因它可以统一工业与办公室网路,在像是频宽与直接支援TCP/IP方面等关键领域又能够超越现场汇流排。CPwE以及正在开发中例如时效性网路(TSN)等计划的结构将只会在未来数年内延伸乙太网路在自动化工业中的影响力,并且在现在与未来提供更具效能的工厂。


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