实用的工业以太网服务—透明就绪
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实用的工业以太网服务—透明就绪. 施耐德电气(中国)投资有限公司:华镕. 内容提要. TCP/IP 以太网的优势 实时 TCP/IP 以太网探讨 施耐德的透明就绪战略 透明就绪给用户带来的好处. 应用层. 表示层. 会话层. 传输层. 网络层. CSMA/CD. 物理层. 什么是以太网?. IEEE 规定有关以太网标准 802.3 数据链路层使用 CSMA/CD 物理层 10 Base5 粗缆, RG-8 500 meters 10Base 2 细缆, RG-58 185 meters

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Presentation Transcript

实用的工业以太网服务—透明就绪

施耐德电气(中国)投资有限公司:华镕


内容提要

  • TCP/IP以太网的优势

  • 实时TCP/IP以太网探讨

  • 施耐德的透明就绪战略

  • 透明就绪给用户带来的好处


应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

CSMA/CD

物理层

什么是以太网?

  • IEEE 规定有关以太网标准 802.3

  • 数据链路层使用 CSMA/CD

  • 物理层

    • 10Base5 粗缆, RG-8500 meters

    • 10Base 2 细缆, RG-58 185 meters

    • 10BaseT 双绞线, 100 meters

    • 10BaseFL 光纤

    • 100BaseTx双绞线

    • 100BaseFx 光纤

  • 物理拓扑

    • 总线式 10Base5, 10Base2

    • 星型 10Base T, 10Base FL, 100BaseT


应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

Transmission Control Protocol

数据链路层

Internet Protocol

物理层

为什么用TCP/IP?

  • TCP/IP 的设计者希望用他把不同的网连接在一起。

  • 简化OSI 模型


Tcp ip
TCP/IP 有那些服务?

  • Transport Control Protocol / Internet Protocol

    • Extremely rich suite message formats …….

      • Telnet Remote terminal emulation

      • FTP File transfer protocol

      • SNMP Simple network mngt protocol

      • SMTP Simple Mail transfer protocol

      • DNS Domain name service

      • POP3 Post office protocol

      • NTP Network Time Protocol

      • HTTP Hyper text transfer protocol

      • Bootps Bootstrap Protocol Server

      • MODBUS现在您知道了 !!!

      • ……………………等等,等等...

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Internet 因特网

  • 1965 美国国防部远景规划局提出

  • ARPANET

  • MILNET

  • 1970s, TCP/IP Protocol

  • 接入教育网

  • TCP/IP 允许不同介质上、网络上的应用


因特网的兴起

  • Internet 的使用每100 天增加一倍

  • 收音机 : 30 年达到 5 千万个用户

    • 电视机 : 13 年

    • Internet : 4 年

  • 1998年, 3 月, 1 日,星期六

    • 2亿5千8百万人有Internet的访问

  • 1998年, 3 月, 1 日,星期六

    • 大约有30,487,793 www网站

  • 1999年底,上网用户:890万,上网计算机:350万,www站点:1.5万, 出口带宽351M

  • 2004年6月,上网用户:8700万,上网计算机:3630万台,www站点:62.7万个, 出口带宽53.9G

几个事实:


World Wide Web

  • 互联网提供的最重要的一种服务

  • 服务器端使用 HTML (超文本描述语言) 编写程序

  • HTML:超文本描述语言

    • Hyper Text Markup Language

  • 客户端使用浏览器浏览, 如:微软的IE, 网景的 Navigator,Mozilla 的 Firefox等

  • HTTP:超文本传输协议

    • - Hyper Text Transfer Protocol


应用层

表示层

会话层

传输层

应用层(HTTP, SMTP, POP3, Modbus... )

网络层

Transmission Control Protocol

数据链路层

Internet Protocol

物理层

CSMA/CD

物理层 (10BaseT, 10BaseFL, … )

TCP/IP 以太网

  • TCP/IP 加上底层的以太网而构成的网络

  • 在应用层,用户可以使用一系列现有的协议

    • HTTP, SMTP, POP3, Modbus, 等


两个容易混淆的概念

  • 以太网不一定就是TCP/IP以太网

    • 如:NOVELL网,DECNET网

  • 支持TCP/IP不一定就是以太网

    • 如:ISDN”一线通”,ADSL”宽带网”

  • 能够上网的最重要的条件是支持TCP/IP

  • 这也说明了TCP/IP可以在不同的网络上运行


什么是实时以太网? 通讯性能需求

控制网络

和现场总线

时实应用

IT 通讯

I/O 扫描

标准以太网方案

满足 > 90%

的应用需要

运动同步

周期数据

专用以太网

满足 < 10%

的应用

信息传送

1s

100ms

10ms

1ms

100µs

10µs

TCP/IP 传输

实时传送

非实时

软实时

硬实时


以太网的实时性分析

  • CSMA/CD的冲突问题影响以太网实时性

  • 用交换机取代集线器,分割冲突域

  • 从10M以太网升级到100M以太网,增加带宽

  • 改进数据链路层协议,增加同步信号、优先权位等



IP 报文

  • IP报文的报头和数据包含在以太网的数据帧内


TCP 报文

  • TCP 的报头和数据又包含在IP的数据帧内


UDP 报文

  • UDP 的报文比TCP更加短小,可封装在 IP 数据包中.


TCP 连接

  • 使用 TCP传输数据之前,先要建立一个双方都确认的连接。


为什么使用UDP?

  • UDP更为高效,与TCP相比,减少了连接建立和释放的过程

  • UDP支持广播和多播,这使“多对多”的通讯方式成为可能

  • 控制系统的模拟量数据,一般都不会在瞬间发生剧烈的跳变,因此UDP的不确定性在一定范围内是可以容忍的。

  • UDP的不确定性,通过上层协议如NDDS和RTPS得到弥补

  • 多播(multicast)技术的采用,使得一组PC/PLC可以共享数据


Tcp ip1
TCP/IP 数据封装在以太网的帧中


Modbus pdu

ADU

附加地址

功能代码

数据

错误校验

PDU

Modbus PDU 长度

  • Modbus PDU 的大小受它的最初的串行 Modbus 的实现的限制 (最大串行 ADU = 256 字节).

  • 现在:TCP Modbus ADU = 249 字节 + MBAP (7字节) = 256字节.

  • 比起以太网的标准长度:1518字节要短小得多

网络规定


一些实时以太网的做法

  • Powerlink采用改进网络层和传输层的做法:400us


一些实时以太网的做法

  • EtherCAT 采用改进数据链路层、网络层和传输层的做法:100us


一些实时以太网的做法

  • SERCOSIII同时改进了数据链路层、网络层和传输层:32us/10d


通过一系列的改进

  • 扩展了以太网硬实时的功能:传送周期更快(可达百微妙的数量级)、可确定性、可重复性更好(用抖动时间来衡量)

  • 为了和现有的以太网设备兼容,硬实时的以太网改进了数据链路层、网络层和传输层,尽可能使用原有的电缆、网卡和芯片,不增加成本

  • 根据不同的应用,会有不同的以太网协议为之服务。因此,今后会有多种以太网协议并存的现象,有点象现在的现场总线


施耐德透明就绪的定义

  • 开放的、基于Internet技术的自动化体系结构,能够在厂级设备和商业系统之间提供无缝的通讯连接。使商业系统可以从任何地方访问到我们的实时数据。

  • 简而言之,是工业控制与Internet技术的结合


Faulty

Device replacement

Web

services

Global

data

Time

Sync

Net. Mangt

Modbus

TCP/IP

[email protected]

TCP open

I/O

Scanner

Messag.

TCP

UDP

DHCP

SMTP

HTTP

FTP

NTP

TFTP

SNMP

RTPS

real time

Modbus

Private MIB Transparent Ready

Layer Ethernet II & 802.3

IP

透明就绪的战略 集成的系统方案: 全部是标准服务

  • 不仅仅是 Modbus TCP/IP


实时应用:I/O扫描

自动更新,无须编程, 在以太网上读写I/O

I/O 扫描器

Premium Quantum M1E

Switch

自动使用

Modbus TCP/IP

读 / 写 I/O

Hub


实时应用:全局数据

  • 基于RTPS技术的Global Data

    • 可以分成一个或多个组播区

    • 每个组播区内站点共享一个虚拟的“公共存储区”

实时发布与订阅通讯(RTPS)

Subscribe

Publish

Subscribe

Publish

Subscribe


如何实现Global Data?

  • 应用程序只需设定需要发送和接收的数据

  • 应用程序不用关心数据从何处来或发往哪里

  • 所有的繁琐工作全由NDDS完成


实时应用:网络对时

  • 时间同步服务是基于NTP (网络时间协议)的服务

  • 用于以太网TCP/IP中的客户机或者服务器的时间进行同步化操作

  • 该时间可以从一个服务器或者另外的参考时间源 (无线广播,卫星,等等)得到


Modbustcp
实时应用:ModbusTCP

  • Modbus: 事实上的通讯标准

  • Modbus TCP, 简单,开放,高性能

  • Modbus TCP, 中国国家工业以太网标准

  • Modbus TCP/IP, 互联网上的标准,IANA委员会(互联网地址分配委员会) 已经将TCP 502端口分配给Modbus协议


Tcp open
实时应用:TCP Open服务

  • 需要和第三厂家产品进行通讯的场合

  • 施耐德电气为用户提供一个“空应用层”的以太网模块

  • 还提供了两个层次的接口,帮助用户方便的编制应用层


DHCP 请求

FTP 参数

3- 设备生效 配置

1-设置

设备的Rolename

2- 替换故障设备

非实时应用:故障设备在线更换

FDR

服务器

交换机

集线器


非实时应用:带宽监视

  • 带宽监视的作用是显示以太网模块的负载情况

  • 此功能有助于用户监视负载的情况


非时实应用:电子邮件通知服务

  • 简单邮件通知服务是事先编制好的一种服务,它允许PLC应用程序通过监视例外条件来进行报告的操作

  • PLC会以自动的方式发送电子邮件,以提醒特定用户注意某些数据、报警和事件 – 而不管邮件的接收者是在本地的还是在远程。


非实时应用:简单网络管理

  • 用于网络管理工作站,监控以太网体系内所有的组件,如果发生了问题时,确保能够进行快速的诊断

  • SNMP 管理的 Schneider 设备

    • ConneXium 交换机

    • 透明就绪实时服务

      • Port502 信息

      • IO Scanning

      • Global Data

      • Web

      • 地址服务

    • 设备透明就绪的MIB 数据


非实时应用:数据库连接服务

  • 以太网模块可以连接到以下的关系型数据库:SQL Server,MySQL,Oracle


透明就绪的关键技术

  • 使用开放、标准的TCP/IP工业以太网,实现数据的高速、可靠地传送。

  • 使用Web Server (网页服务器) 技术,实现信息和数据的可视化。


透明就绪的优势: 操作员

  • 容易使用… 使用相同的浏览工具(配置浏览器几乎成为操作系统的标准)

  • 使用操作界面不需预先的知识和培训

  • 可从任何地点远程监视现场设备的运行


用户制作的HMI操作页面


透明就绪的优势: 生产管理人员

  • 低投入的具有扩展性的基于服务器的“瘦客户机环境”

  • 提高系统的可靠性,保证系统的正常运行

  • 信息可在企业内任何网络级别访问

  • 提高吞吐率和产品率

  • 改善工厂的信息访问,可与“群件”共享协同工作

  • 远程监视生产过程的情况


用户制作的HMI产量页面


用户制作的HMI报表页面


透明就绪的优势: IT 管理人员

  • 标准化通用的网络界面:信息网和控制网

  • 由于使用通用组件,浏览器降低IT 开销 (如浏览器, 网络计算机,瘦客户机, TCP/IP, Java, 等.)

  • 自动化系统及管理信息网络易于集成.


Hyperlinks to Servers located on the Intranet

Password Protected Access

User HTML pages

Applet library to access PLC data

用户制作的HMI维护页面


透明就绪

发布信息

请求信息



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