EtherNet/IP:与现场总线的较量

Michael Robinson阐述EtherNet/IP由于可以运用以太网商业技术,因此完胜其它解决方案。

自1973年问世以来,以太网便大幅改变了世界。未来,它也将继续在短时间内传输最大数据吞吐量,完善传输架构,不断演变从而满足下一代工业趋势的各种机电范围,且能用于最小的微处理器中。该网络实现的技术进步也使过程和工厂自动化领域受益匪浅。
二十年前,过程自动化市场通过专有方式满足远程I/O点对点通信需求。这些方式虽然成功且受到支持,但用户逐渐希望自动系统能通过以太网自动与前台系统连接并分享更多数据。
于是自动化供应商开始通过以太网连接控制系统,他们发现在以太网这样的非确定性网络基础上配置设备控制要求并不可行。
随着过程用户从传统4-20mA模拟装置向数字设备通信转型,现场总线网络的出现满足了以太网无法企及的需求。
如今,以太网通信克服了许多曾经无法克服的缺点,在现场设备通信领域中赢得了一席之地。
工厂自动化中,以太网网络用于将自动机械、变速驱动装置、促动器等与自动控制器相连。过程控制领域中,EtherNet/IP现用于将流量计(图1)、测压仪表和类似现场设备与分布式控制系统、编程控制器和混合编程自动控制器相连。
 
图1:用户意识到优势后EtherNet/IP连接的过程仪表逐渐普及,如Endress+Hauser Promass Coriolis流量计。
纵使万能网络并不存在,EtherNet/IP确实拥有其它一些现场总线架构无法实现的优点(表1).本文将对这些优点进行探讨。
工业以太网协议
在以太网帧中几乎可以采用任何应用协议。没有哪一种特定的协议能满足所有工业需求。而应用协议更像一个工具箱,用户从中选取满足和支持其特定自动化应用需求的某些工具,提供所需性能和安全性。
•更易与广泛的主机系统连接
•同时与多个主机通信
•具备以太网经验即可迅速上手
•可利用一切以太网工具与技术
•利用QoS优先网络流量
•利用SNMP监管网络
•配置交换机时网络拓扑选择更多
•更好的支持无线数据传输
•标准以太网工具实现更强安全性
•规模经济保障未来效益超越现场总线
表1:EtherNet/IP超越现场总线的优势
 
图2:CIP应用协议组适用于广泛的网络类型,包括以太网和CAN等来源:ODVA
本文重点放在EtherNet/IP,受开放设备供应商协会(ODVA, www.odva.org)支持的工业以太网协议上。EtherNet/IP采用IEEE802.3定义的标准以太网帧以及ODVA与ControlNet International的通用工业协议(CIP)应用协议对象库。
图2(上半部分蓝红区域)表示如何在数个不同的物理网络架构中配置CIP应用库,绿色表示以太网物理架构。由于各层不存在物理应用接口,对用户而言这是独一无二的优势。使CIP库能与不同物理网络无缝桥接和路由连接,无论以太网或CAN等其它网络皆可。
 
.图3:生产低过敏性婴儿食品的过程厂区采用单一EtherNet/IP网络、Endress+Hauser仪表、Allen-Bradley控制器和Rockwell Automation工业管理交换机。
以太网和 EtherNet/IP
当然,与现场总线不同的是,过程工业中的EtherNet/IP技术仍处于发展中,而成熟的现场总线技术在过去20年中已不断完善。而近年来的发展和技术进步使得EtherNet/IP成为现场总线技术可行的替代选择。
以太网IEEE 802.3现可支持最大10 G/秒的数据传输。尽管配置802.3标准的EtherNet/IP设备目前仅支持铜线和光纤上10/100M/秒的传输率,若网络架构支持,网络流量仍能使用更高的传输率。未来的EtherNet/IP升级版将与以太网共同进步,支持更高的传输率。
EtherNet/IP的优势之一在于使用工业标准设备支持无线传输。在无线网中配置EtherNet/IP时,用户须考虑无线系统配置如何对EtherNet/IP消息计时产生延迟。注意无线现场总线中也存在同样的延迟问题,却不具备以太网无线最新技术发展所带来的优势。
布线距离遵照802.3标准而定,即,采用铜线配置设备至设备距离为100米;采用光纤为2000米。可用以太网供电(PoE),故现场无需电源。产品可用性因供方不同而各异。
以太网交换机也适用于危险区域。一些交换机采用以太网本安电源(PoEX)连接区域1和2中的现场仪表。与现场总线不同的是,它能处理危险区域的多个设备。交换机供应商建议在一根线上仅设置一台设备,以太网交换机价格大幅降低使得成本减少。同样,产品可用性因供方不同而各异。
典型以太网网络拓扑为母线星形。而设备制造商已经开始在设备中内置微型以太网交换机用于线形和环形拓扑,减少了创造星形网络拓扑的麻烦。合理的交换机架构或在某距离处添加通信接口,允许单光纤或铜线接口成为冗余环形架构的节点,都能实现冗余信息。换言之,在需要时将多个仪表和设备连入同一根线上(图3)并提供冗余信息已成为可能。
过程仪表
从过程仪表的角度看待EtherNet/IP协议,仪表应向谁汇报什么内容?首要任务即向自动化或主机系统进行汇报。这便涉及主要过程变量。次要职责便是仪表诊断,最后是仪表配置数据。
仪表所产生数据的每位用户或客户都拥有不同的工具和机制来获取这些数据。且对数据使用各有要求。将这些方面一一纳入考量,且思考EtherNet/IP如何既服务于各独立要求又在过程中创造共性和集中性,能帮助我们理解EtherNet/IP不仅是得力的现场总线型网络,更能提供现在和未来一般的现场总线无法企及的优势。
过程变量
EtherNet/IP按请求数据包间隔率(RPI)将过程变量或I/O数据通信回传至主机系统。用户对RPI进行定义。通常按照应用要求设定RPI。根据设备制造商和所服务应用的不同,EtherNet/IP设备的RPI各异。
过程仪表如科里奥利流量计和电磁流量计等,在EtherNet/IP 网络中的RPI一般为5 ms至10s。设备配置于系统中后,将按照设定的RPI率向自动系统通信I/O数据。对RPI数据速率的不同选择使用户能在过程中优化I/O数据流,并无需依靠实际网络总线速率或帧尺寸要求而利用数据链中的微处理器优化数据处理。还能同时向架构中的多个用户(处理器、设备等)提供I/O数据。除了主要过程变量外,多变量装置,如质量流量计等,还能传输流量、体积、温度等多种变量,同时也与传统现场总线架构类似。
通常,设备制造商决定了在I/O数据结构中将传输的变量配置。一些制造商允许用户配置I/O数据结构。设备供应商配置了将与自动化系统连接的设备配置文件,并定义了变量。
若配置文件准确无误,过程控制工程师便可轻松使设备联网,在系统中进行数据通信。一般来说,只需验证真实设备、设备版本、设备RPI和以太网地址便可让设备投入运行。
诊断数据
视技术员或操作员操作的任务而定,诊断数据可以是一个泛称。对设备而言,打个比方,设备能为自动化系统、操作专员、维护专员、可靠性专员和信息技术(IT)专员提供诊断数据。


Engineering work station(EWS) 工程工作站(EWS)
Operator work station(OWS) 操作员工作站(OWS)
Process automation system server(PASS) 过程自动化系统服务器
图4:多个设备能通过EtherNet/IP访问仪表过程变量和诊断数据,如PLCs、PACs、 DCSes 和 HMIs,并访问PC工作站运行软件的资产管理、ERP、维护、诊断计划与历史。
其中一些诊断数据可涵盖在I/O数据结构中。譬如,科里奥利流量计的诊断数据包括空管探测、传感器偏移、传感器错误、电子错误、不均匀混合错误、环境和过程温度错误及其他信息。配置时可将认为重要的数据考虑在I/O数据内。
设备还需要为控制区域外进行操作的技术员和自动化系统操作员提供诊断数据。举个例子,E&IT技术员采用设备配置软件参考电磁流量计测量电极间的电压增量。通过正确的软件,无需影响过程控制操作技术员便能访问需要的数据。
可采用状态监测系统对EtherNet/IP中的设备进行监测,从而决定是否有诊断信息需以警告形式发送给维护人员。
装备有资产管理、维护、状态监测或HMI/SCADA软件的工业PC可通过以太网接口(图4),直接访问一切所需的I/O和诊断信息。而在现场总线中,在额外花销一大笔费用的情况下,相同的软件必须从过程历史或DSC数据库中才能访问信息。
大多数EtherNet/IP设备支持简单网络管理协议(SNMP)。它让IT技术员能采用标准网络管理工具对网络设备进行监测、故障排除和管理。譬如IT正用SNMP工具监测网络流量。软件工具报告某一EtherNet/IP设备超过其常规数据包传输率,e-mail警告生成并传送至技术员邮箱。因此技术员可采用设备内部web服务器进行故障排除。
利用公司对IT支持架构的投资,消除了过程控制工程师也要担任IT支持工程师角色的负担。
另一方面,使用现场总线需要了解现场总线架构的详细知识,无法利用公司的IT架构,因此过程控制工程师仍然需要挑起网络专家的重担。现场总线要求专业的训练和知识,而使用过以太网的过程自动化或其他专家能迅速上手EtherNet/IP。
EtherNet/IP具备两个主要信息传输连接:I/O数据和显式连接(图5)。显式连接是未按照I/O数据规划但根据需要传输的信息。设备处理I/O数据请求时也能同时处理需要请求。
图5表示以太网TCP/IP组中的UDP/TCP机制,同时配置CIP库的I/O数据和信息传输数据
示例列举了设备诊断数据众多要求中的几种,以及数据传输的不同地点。以太网允许同步搜集设备数据的能力就是它的核心优势。
相较于传统现场总线,EtherNet/IP在主机系统中生成附加配置代码的需求最低,大大减少了主机中过程配置的痕迹。无需网络附加软件配置包或附加网络接口,从而降低了软硬件成本。
这些优势部分来自于使用以太网,并不能全部归功于EtherNet/IP协议。然而,将这些功能植入到现场总线装置上通常会使成本飙升,操作难度增加,且不易支持甚至失去意义。因此有必要配置以太网协议来克服现场总线遭遇的难题和障碍。
 
Application 应用
Transport 传输
Network 网络
Data link physical 数据链路物理层
Explicit messaging 显式信息传输
Real-time I/O control 实时I/O控制
图5:两种信息传输连接——I/O数据和显式连接(TCP and UDP)——允许仪表向自动化系统传送常规I/O数据,同时响应状态监测或资产管理软件的请求。来源:ODVA
配置数据
配置和记录自动化系统中的过程设备是一项极为费时的任务。EtherNet/IP通过赋予设备不同的接入点并使其利用不同的工具进行配置和维护设备配置信息,从而为用户提供了多种配置和记录设备的选择。
802.3以太网提供了一个大的数据包——最高可达1500字节——在一帧中展示了大量数据块,相比传统现场总线协议,它让设备供应商能提供更多用于通信的设备属性。过程设备的这一配置数据在I/O数据层上与自动化系统进行通信。
这便让自动化系统能够访问过程设备配置参数,让用户能决定是否有可供系统编程人员或工作站操作人员访问的配置参数。为技术员在启动或试车阶段的监测或改变参数提供了灵活性,直接在他们的系统配置程序中便可实现。
采用EtherNet/IP无需要求所有用户使用相同的工具套件。大多数以太网设备都有能为用户提供设备参数访问的内置web服务器。这对未接受过程控制软件或设备配置软件工具相关培训的IT技术员来说十分有利。
由于以太网/IP协议采用标准OSI模式,其它工具组也变得可用,且能在架构中共存并同步发挥作用。
维护专员也拥有专门的工具,如资产配置软件和资产管理软件,记录并变更管理要求。所有上述软件皆能通过EtherNet/IP网络对设备进行操作。
网络优化
EtherNet/IP提供超越局域网至广域网的网络访问。因此I/O数据现能通过标准IT硬件从一个网络跨越至另一个网络。从而让支持人员能对全球任意位置进行访问,制造商和供应商能远程对客户进行支持。
它还能利用IT公司普遍出品的工具对网络进行分段和优化。传统现场总线的实施将数据限制于物理网络中,须通过主机或第三方通信接口才能进行访问。
随着用户在厂区自动化系统网络中不断并入业务/财务网络,网络中的数据也与日俱增。因此迫切需要隔离、限制和保护流量,避免影响自动化网络的数据吞吐量,IT供应商提供了支持上述要求的硬件工具,且该技术现已用于强化的工业以太网设备中。
一些IT供应商也在CIP库中以I/O数据形式提供交换机诊断数据。这种市面上能买到的技术让工程师将一般的硬件设备内部网络流量隔离,使网络拓扑内部关键数据传输更为迅速。
某些应用用户可能无法完全将其数据隔离或限制于虚拟LAN或局域子网络内,它们会争抢网络中交换机处理的数据包。EtherNet/IP在CIP库中拥有标识符,允许交换机对服务质量(QoS)进行配置,将这些数据包优先于网络中的声音、数据和媒体数据包。这种在网络中执行QoS任务的能力为自动化网络数据提供了最优化的网络。
本文未着墨讨论安全性这一广泛且深入的问题,仅说明EtherNet/IP能利用当前IT市场能买到的一切用于以太网的安全特性。在此推荐几篇针对保护聚合网络公开发布的文档, ODVA网站也有讨论保护以太网安全的出版物供参考。
展望未来
在过去40年中,以太网已成为了主流商用网络,未来也将继续捍卫这一地位。厂区与前台不断聚合,这一趋势对自动化设备使至关重要。
过去和目前的实践已经证明,过程设备将变得更加智能。过程设备可分享的信息多种多样,需要更大的网络承载能力。利用以太网进步和巨大的规模经济,EtherNet/IP便能满足这些需求。一个月内连接的以太网节点甚至比史上所有连接的现场总线节点更多。这样的规模经济和巨大技术进步便是让EtherNet/IP在目前和未来完胜现场总线网络的原因。

Michael Robinson是Endress+Hauser公司解决方案业务经理。

评价!您认为该篇文章:

非常好          一般           没有价值

无需注册,直接提交,定期抽奖,祝您好运!

  • 转发至:
  • 收藏到QQ书签

相关报导