EtherNet/IP――唯一兼容于IEEE 802.3标准和TCP/IP协议

　　　　EtherNet/IP �C 唯一兼容于 IEEE 802.3标准和TCP/IP协议的高性能I/O及运动控制网络

　　　　　　　转自：[url]http://www.iianews.com[/url] 2006年07月20日

闭环驱动控制的数字网络

虽然模拟量接口仍然在闭环驱动控制系统中广泛使用，但是运动控制网络已经成为当今高性能数字驱动器必备的通讯方式。与模拟量接口相比，运动控制网络具有以下优点：

・   利用单一的网络介质代替多达18根以上的硬接线
・   具有较强的抗电磁干扰能力
・   通过网络，运动控制器可以直接对驱动器进行配置，避免采用其它单独的驱动器配置软件带来的不便
・   在设备替换时，自动对驱动器进行配置
・   为运动控制器提供全面、丰富的驱动器诊断和状态信息
・   支持高分辨率、多转绝对位置反馈
・   支持数字式、高分辨率控制命令
・   支持驱动器位置、速度、转矩控制运行模式。其中，位置模式可以实现高性能的分布式位置闭环控制

　　二十世纪九十年代初期问世的SERCOS（串行光纤链路）是第一种被广泛采用的开放式运动控制网络（IEC/EN 61491）。SERCOS可以高性能、稳定地运行，支持超过500余种标准IDN功能（IDN=识别号，用于访问对象和属性）。除了SERCOS之外，目前还出现了数种专门用于运动控制的网络。

运动控制网络的问题

无论是 SERCOS 接口，还是其它专用运动控制网络，都存在这样一个问题：它们对现场设备，例如 I/O 、变频器（ VFD ）、限位开关、接近传感器以及其它类似设备的支持非常有限，以至于多数应用项目都需要采用另外的现场设备网络，比如 DeviceNet 或者 Profibus DP ，从而弥补专用运动控制网络的不足。这样一来，多种网络的采用势必增加了系统配置和集成的复杂性，限制了系统的性能，增加了成本。

在现场设备网络中增加闭环驱动控制功能也存在一定的问题。如果在同一网络中支持闭环驱动控制和其它现场设备，目前的现场总线网络通讯带宽和数据传输确定性很难达到平衡与妥协。

最近，由于新技术的采用，以太网已经逐步开始在车间现场的控制系统中应用。 EtherNet/IP 是已经被广泛采用的车间现场设备以太网解决方案，现在 EtherNet/IP 扩展协议 CIP Motion 可用于支持闭环驱动控制。

基于以太网的闭环驱动控制

虽然车间现场对以太网的认可，促成了基于以太网的闭环驱动控制解决方案的出现。表 1 中列出了部分解决方案：
                     表 1: 基于以太网的闭环驱动控制解决方案
               

Powerlink

EtherCat

SynqNet

SERCOS III

Profinet IRT (V3)

EtherNet/IP (CIP Motion)

　　在上述基于以太网的解决方案中，只有EtherNet/IP（CIP Motion）采用了标准的以太网技术，完全符合以太网标准，包括IEEE 802.3标准和TCP/IP协议。其它解决方案只使用了部分以太网标准，因而并不完全符合以太网的要求。例如，它们虽然采用了IEEE 802.3标准指定的以太网物理层规范，但是将CSMA/CD数据链路层协议改为自己专有的时间排定机制，利用专用的ASIC芯片对数据流进行编码，或者采用多模式操作技术。

　　由于缺乏对IEEE 802.3标准的全面支持，其它以太网解决方案可能存在下列问题：

• 不能采用标准以太网设施――包括交换机、网关、路由器
• 采用专门的ASIC芯片，迫使用户必须采用单一厂商提供的处理器
• 不兼容标准的商用以太网设备、工具和服务
• 限制了网络的拓扑结构和扩展
• 采用基于时间排定的网络访问机制，增加了网络配置的复杂程度

 

EtherNet/IP概述
　　EtherNet/IP于2001年问世，它是专门针对工业自动化应用的网络。与DeviceNet和ControlNet一样，EtherNet/IP采用通用工业协议（CIP）作为其应用层协议。目前，遍及全球的厂商生产超过1000种基于CIP协议的产品。CIP协议支持各种控制、配置和信息处理服务，包括显式报文（用于信息传输，灵活的报文交换）以及隐式报文（用于控制和实时I/O数据的传输），支持轮询、周期和状态改变数据传输触发机制，点对点单播和广播数据传输方式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1: EtherNet/IP协议栈

　　

目前，负责支持和推广 EtherNet/IP 在工业自动化领域应用的相关组织有： ODVA 开放设备网供应商协会、 ControlNet International （ CI ）、 IAONA 工业自动化开放网络联盟和 IEA 工业以太网协会。

EtherNet/IP 与 CIP Motion

　　EtherNet/IP 已经被广泛应用于工厂中，控制着多种多样的现场设备。以前，虽然有众多支持 EtherNet/IP 网络的设备，但仍然没有支持 EtherNet/IP 网络的闭环驱动控制器。由于这种原因，在需要闭环驱动控制时，还要采用其它的网络。正如上文所述，用户并不希望这样，这种方式不仅增加了系统配置的复杂程度，降低了系统性能，还增加了成本。

 

为了弥补这一不足，研发人员定义了新的 CIP 对象，专门用于高性能、闭环驱动控制。这一 CIP 对象称为“ CIP Motion ”。虽然 CIP Motion 对象独立于具体的网络，但它将首先在 EtherNet/IP 网络中实现。之所以选择 EtherNet/IP ，是因为它已经被广泛应用，具有较高的通讯带宽，适用于分布式闭环驱动控制。基于 EtherNet/IP 的 CIP Motion 具有如下关键特性：
• 　　全面支持IEEE 802.3标准和TCP/IP 协议
• 　　采用标准的商用以太网硬件部件――ASIC芯片、交换机、路由器等
• 　　配合数字驱动器的闭环控制，支持转矩、速度以及位置控制操作模式
• 　　全面兼容现有及今后的EtherNet/IP现场设备
• 　　支持丰富的网络拓扑结构，包括星型、主干/分支、菊花链路等
• 　　具有丰富的功能
　　　- 控制器与驱动器的通讯
　　　- 控制器与驱动器，驱动器与驱动器之间的点对点通讯
　　　- 支持集中或分布式运动控制
　　　- 支持变频器和伺服驱动器

新方法――时间同步分布式控制

有人认为，一方面要遵守 IEEE 802.3 标准和 TCP/IP 协议，另一方面还要采用标准的以太网硬件，是不可能的。而其它基于以太网的分布式闭环驱动控制解决方案由于都采用了专用的措施，因而不能完全符合 IEEE 802.3 标准的要求。 EtherNet/IP 通过一种具有创造性的闭环控制方法――“时间同步分布式控制”，利用标准的以太网硬件、 IEEE 802.3 标准和 TCP/IP 协议，达到了闭环驱动控制所需的高性能和确定性要求。

传统的分布式闭环驱动控制采用基于时间的同步方式，这种方式要求网络准确无误地传输对时间有苛刻要求的周期性数据。为了实现精确的位置和速度控制，周期性的数据传输要求网络延迟抖动小于 1µs 。基于 IEEE 802.3 CSMA/CD 数据链路层协议的以太网无法实现小于 1µs 的网络延迟抖动。通过采用时间排定算法代替标准的 CSMA/CD 数据链路层协议，是解决该问题的一种方法。目前，大多数基于以太网的运动控制网络都采用这种方法。但是，这一方法存在下列问题：

•　　 增加了网络配置复杂性――必须事先排定网络数据传输
• 　　需要采用专门的硬件（例如网关），用于将独立的运动控制网络和其它采用TCP/IP协议的网络连接起来
• 　　只有支持时间排定数据链路层的节点设备才能在同一子网中，除非采用专门的交换机或者网关（说明这
      是一种非常封闭的网络，支持的产品有限）　　　　　　
• 　　在某些情况下，需要采用非标准的以太网硬件（比如ASIC芯片、交换机、网关等），不仅限制对产品的
      选择，还增加了系统成本
• 　　当商用以太网技术已经发展到1Gbps（千兆网），接近10Gbps（万兆网）时，它们还处于相对落后、性能
      较低的水平
　　为了在运动控制项目中使用， EtherNet/IP 采用了不同的方法，称为“时间同步分布式控制”。该方法使用时间标记数据包缓解了周期性数据传输要求小于 1µs 延迟扰动给网络带来的压力。利用这种方法，无需将 CSMA/CD 数据链路层协议改为其它专用协议，或者采用特殊的 ASIC 芯片，既能全面符合 IEEE 802.3 的要求，又能为数字式驱动器提供稳定、高效的闭环控制性能。全面符合 IEEE 802.3 标准要求，将让网络具有如下优点：

• 　　使用标准的以太网部件――ASIC芯片、交换机、路由器等。由于采用标准的部件，有大量的商用产品可
           供选择，能够显著降低系统成本。另外，工厂中的以太网再也不是“专用” 和“特殊”的网络，用户可
           以使用种类丰富的标准以太网工具
• 　　无需事先排定网络数据传输，排定数据传输会增加网络配置的复杂性
• 　　数据包大小和内容可以动态改变。利用这一功能，可以实现数据的动态组合，删除不必要的状态和命令数
           据，动态改变驱动器运行模式
• 　　任何符合IEEE 802.3标准的以太网设备都可以接入网络，无需专门的交换机或者网关
• 　　支持丰富的网络拓扑结构，包括星型、主干/分支、菊花链路
• 　　无论是最终用户，还是设备厂商，都可以方便地将网络升级到1Gbps，甚至10Gbps，从而提供更强的性能

　　 在采用星型、主干 / 分支、菊花链路等网络拓扑结构时，无需考虑特殊的配置要求。星型拓扑结构允许任意单个节点从网络中移除，而不影响其余的节点。主干 / 分支拓扑结构可用于分布式的星型网络配置，其优点同上。菊花链路拓扑结构所需的电缆长度最小，但是当移除某一节点时，可能会导致链路中下游节点脱离网络。典型的星型、主干 / 分支、菊花链路拓扑结构配置如图 2 、图 3 和图 4 所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　

图 2 : 星型拓扑结构

　　　　　　　　　　　　　　　 图 3: 菊花链路拓扑结构
　　　　　　　　　　 图 4: 主干/ 分支拓扑结构

EtherNet/IP -CIP Motion技术
　　在 EtherNet/IP 网络上，用于实现 CIP Motion 的关键技术如下：
• 　　IEEE 1588时间同步服务 (CIP Sync) 及相关辅助硬件
• 　　时间标记周期数据报文
• 　　按照IEEE 802.1P 标准定义的QoS (Quality of Service)服务质量
• 　　采用可管理和全双工交换机，避免网络数据冲突，提高传输性能
• 　　通过UDP/IP，实现周期数据传输
• 　　通过UDP/IP，实现非周期数据传输
• 　　通过TCP/IP，实现显式报文传输

CIP Sync     

CIP Sync 定义了一系列时间服务，已经加入到 CIP 协议中，通过 IEEE 1588 时间同步标准连接 CIP 对象模型和 EtherNet/IP 网络。在这种时间同步分布式控制机制中，采用分布的时间参考源，提供含有时间标记的数据包。 CIP Sync 完全符合 IEEE 1588 标准，这是一种可用于网络测量和控制系统的精确时间同步协议。在硬件辅助模式下， IEEE 1588 协议可以提供纳秒级（十亿分之一秒）时钟分辨率，在 EtherNet/IP 网络中的分布式控制器、驱动器和其它设备中，实现 +/- 100 纳秒的时钟同步功能。利用这种时间同步功能，可以方便地在分布式节点之间实现同步操作。 CIP Sync 1588 实现原理如图 5 所示。

　　　　　　　　　　　 图 5 : CIP Sync - IEEE 1588 实现原理

时间标记周期性数据

当一个周期性运动控制报文被创建时，时间标记数据作为报文的一部分存在其中。在一个循环周期中，根据传输周期开始时的实际位置采样信息，周期性数据将最新的命令值从运动规划器传送给每个驱动器。通常情况，运动规划器位于运动控制器中，它将负责与分布在 EtherNet/IP 网络上的驱动器进行通讯。如果一个运动控制报文在下一个周期出现了延迟，报文中的时间标记信息将用于补偿这种延迟。基于时间补偿的技术避免了需要绝对准确无误的数据传输要求。因而，可以使用标准的 IEEE 802.3 CSMA/CD 数据链路层协议进行控制，避免了采用其它专用数据链路层协议，构建所谓的“基于以太网”的运动控制网络。

 

QoS 服务质量

通过采用全双工、带管理的交换机，可以最大程度减少运动控制器与驱动器之间在网络上的数据冲突。这将显著提高周期性报文传输的确定性。同时，还要考虑运动控制器的处理能力以及分发数据包的能力。根据处理器的能力和以太网技术，系统将确定 PPS 值（每秒钟处理数据包的能力）。高速闭环驱动控制周期性报文以非常高的速度进行传输。由于在单一网络中需要支持众多驱动器，有可能很快超过运动控制器处理接收数据包的能力。为了解决这一问题，可以通过增加运动控制器的 PPS 能力，降低接收数据包处理要求来实现。 QoS 优先级可以用于识别接收到的运动控制数据包，在标准的堆栈处理过程中，实现旁通。

 

QoS 在 IEEE 802.1P 标准中进行了定义。通过在以太网数据包中加入优先级标识，它支持八种优先级。运动控制周期性数据包在 EtherNet/IP CIP Motion 中使用最高的 QoS 优先级，允许快速地处理运动控制数据包。当 EtherNet/IP 运动控制节点收到数据包之后，它将对其优先级进行检查。如果优先级为 1 ，则将其从普通的处理堆栈中旁通，直接传输到缓存器中，优先处理运动控制任务。这种优先级标签同样能够被以太网交换机识别，从而能够优于交换机队列中的其它数据包进行传输，确保运动控制数据包能够优先进行处理。通过上述方法的组合使用，可以最大程度减少以太网运动控制节点的处理工作，降低网路延迟抖动，实现最快速度的运动控制信息传输周期。

 

CIP Motion规范
　　CIP Motion 在 EtherNet/IP 网路上提供一系列丰富的服务和设备概要，用于实现各种功能，支持不同的设备。通过定义下列专门用于驱动控制的功能， CIP Motion 扩展了 CIP 协议的能力。
• 　　利用变频器和伺服驱动器控制转矩、速度、位置
• 　　伺服驱动器和变频器的配置、状态反馈和参数诊断
• 　　单播传输，用于控制器与驱动器之间的通讯
• 　　多播传输、点对点传输 ，用于控制器与控制器、驱动器, 驱动器与驱动器之间的通讯
• 　　支持集中和分布式运动控制规划

在设计上， CIP Motion 规范最大程度缩小了伺服驱动器和变频器之间的差别。这样一来，就可以使用通用的配置服务、通用的状态和诊断服务、通用的应用项目指令，从而支持应用项目级的伺服驱动器和变频器互换。

 

CIP Motion 规范充分利用了最先进的运动控制技术，提供功能丰富、基于现有技术的概要。在概要中大量采用了浮点数据，从而避免了使用整数值和比例换算带来的不便。 CIP Motion 规范专门提供单一化的从属设备接口，以便驱动器厂商开发出支持 EtherNet/IP-CIP Motion 协议的产品。

 

目前， CIP Motion 规范正在由 ODVA 分布式运动控制特别联合工作组负责开发。与 CIP 协议一样， CIP Motion 也将经过全面的一致性测试，确保它的开放性、兼容性和互操作性。

 

EtherNet/IP �C CIP Motion 何时问世？

EtherNet/IP 早已问世，它具有丰富的产品供用户选择，目前总计安装节点已经超过 100 万个。 CIP Motion 是基于 EtherNet/IP 的解决方案，它扩展了对伺服驱动器和变频器的控制。支持 CIP Motion 的产品可以全面支持现有及未来的 EtherNet/IP 产品。

 

目前， CIP Sync 和 CIP Motion 规范正在由 ODVA 分布式运动控制特别联合工作组负责开发。两种用于论证 CIP Sync 和 CIP Motion 协议的原型设备已经进行了内部展示。估计到 2006 年末，将会出现第一种支持 CIP Motion 的产品。

 

总结                   

EtherNet/IP 是一种广泛应用于工业控制领域的以太网，它能够在广阔的区域中支持大量现场设备的连接。 EtherNet/IP CIP Motion 根据现有的网络能力而设计，支持高性能的运动控制。通过 CIP Motion 的功能扩展，使得 EtherNet/IP 能够将现场设备和运动控制器集成在同一网络中，避免了为运动控制系统提供一套独立的通讯网络。这种方法不仅节省了系统成本，还提高了系统性能，降低了系统复杂性。

 

通过使用最先进的技术， EtherNet/IP CIP Motion 能够在符合 IEEE 802.3 标准和 TCP/IP 协议的前提下，提供对运动控制的支持。这样一来，用户就可以使用标准的以太网组件和设备；任何支持 IEEE 802.3 标准的节点，无需特殊的交换机或网关，就能连接到网络中；另外，它还支持未来的以太网组件和技术。

 

从控制器与驱动器的单播通讯，到控制器与驱动器、驱动器与驱动器、控制器与控制器之间的多播通讯， CIP Motion 规范为变频器和伺服驱动器提供了全面而丰富的功能支持。