一种Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ工业以太网协议的结构
摘要：本文主要介绍了一种Modbus/TCP工业以太网协议的规范和主要功能分类，在处理Modbus/TCP转换的时候可以参考。
关键词：工业以太网；Modbus/TCP协议
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：
1009-3044(2008)31-0855-02
The Achievement of the Modbus/TCP of Industrial Ethernet
HUO Heng-yu
（School of Computer Science & Technology,Soochow University,Suzhou215500, China）
Abstract: This article introduced a Modbus/TCP industrial Ethernet protocol norms and the main function of the classification.
Key words: industrial ethernet; modbus/TCP
1 引言
自法国施耐德电气公司推出“透明工厂”战略以来，其已经成为在工业领域中应用以太网的坚决倡导者。Modbus/TCP是目前工业以太网事实上的标准之一，并促进以太网在传感器和设备级的应用。2003年IDA和Modbus
合并为Modbus-IDA，实时工业以太网部分称为
Modbus/TCP(RTSP)，成为IEC61784-2成员之一。
Modbus/TCP协议：用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性。物理层和数据链路层是标准的以太网协议，网际层是标准的IP协议，运输层是标准的TCP协议，应用层嵌入Modbus协议。
2 Modbus/TCP协议规范
2.1 报文类型
Modbus报文传输服务提供设备之间的客户机/服务器通信，而这些设备联接在一个以太网上，信息传递分4类报文：Modbus请求、Modbus证实、Modbus指示和Modbus响应，如图1。
Modbus请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文；Modbus指示是服务器接收的请求报文；Modbus响应是服务器发送的响应报文；Modbus证实是客户机接收的响应报文。
2.2 通信结构
Modbus/TCP基本是用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性，交换式以太网为用户提供了确定性特征。系统可以包括不同类型的设备：客户机、服务
器、网桥、路由器、网关等。
2.3 报文规范
Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU），它包括功能码和数据。当Modbus协议作为应用层协议在不同的连接中会用不同的报文格式，这体现在附加单元上。下面给出了完整的报文格式，但这只是一个总体应用数据单元（ADU），不同连接中应该映射为具体报文格式，如图2。
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图2 Modbus的ADU报文
Modbus协议ADU在串行链路上映射为Modbus SERIAL LINE ADU，如图3。
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图3 Modbus SERIAL LINE的ADU报文
Modbus协议ADU在以太网上映射为Modbus TCP/IP ADU，如图4。
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图4 Modbus TCP/IP的ADU报文
Modbus TCP/IP ADU使用一种专用报文头来识别Modbus应用数据单元，该报文头称为MBAP。
1) 报文头（MBAP）格式
事务处理标识符：用于事务处理配对。在响应中，Modbus
服务器复制请求的事务处理标识符。事务处理标识符用于将请求和未来响应之间建立联系，对TCP连接来说同一时刻事务处理标识符是唯一的。
2) 功能码（FUNCTION CODE）
功能码分为三类：公共功能码、用户定义功能码和保留功能码。
公共功能码：有确切定义，唯一的，公开的，由Modbus 组织确认的。
用户定义功能码：用户无需Modbus组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码，不保证唯一性。
保留功能码：用户可以选择使用保留，但有些传统产品可能不支持，但具有确切的定义。
异常功能码：当与请求而回应的请求非正常时，功能码为异常码。
3) 数据段（DATA）
DATA：具体的读写数据值。
3 Modbus/TCP协议功能描述
Modbus组件结构包括：通信应用层（Communication Application Layer）、TCP管理层（TCP Management Layer）和TCP/IP协议栈。
3.1 通信应用层
通信应用层包括：Modbus客户机（Modbus Client）、
Modbus服务器（Modbus Server）、Modbus客户机接口（Modbus Client Interface）、Modbus后端接口（Modbus Backend Interface）。
Modbus客户机允许用户应用明确地控制与远程设备的信息交换，根据用户应用向Modbus客户机接口发送的要求中所包含的参数来建立一个Modbus请求，即用户决定了建立怎样的请求。
Modbus客户机接口使得用户应用能够生成各类Modbus 请求，该服务包括对Modbus应用对象的访问，即用户用来建立请求的模板，Modbus协议没有对Modbus客户机接口加以定义和限制。
Modbus服务器收到请求后，激活一个本地操作进行读、写、或完成其它操作，这些操作的处理对应用程序开发人员都是透明的。Modbus服务器的主要功能是等待来自TCP502口的Modbus请求，处理这一请求然后根据设备状况生成一个Modbus应答。
Modbus后端接口是一个从Modbus服务器到定义应用对象的应用程序之间的接口。
3.2 通信应用层在服务器设计中的作用
Modbus服务器的作用是为应用对象提供访问以及为远程客户机提供服务。应用对象的访问有两种，一是简单访问，另一个是高级访问。简单访问：获得或设定应用对象的属性；
高级访问：启动一个特定的应用服务。在网关适配器中主要考虑高级访问，因为应用对象访问网关适配器时其属性是特定的，访问目的就是完成一定的应用服务。
Modbus服务器本身可以立即处理一些服务，还可以与被处理的用户应用进行显式交互操作；有些高级服务需要调用特定的接口即后端服务。
简而言之，通信应用层就是把用户应用的计算机可以识别的语言转换为符合Modbus协议要求的帧格式，它是负责管理Modbus通信的功能模块。通信应用层在断路器网关适配器中的中心工作是把Modbus客户机的请求和响应之间用户应用服务实时地完成。
3.3 TCP管理层
TCP管理层的主要功能之一是管理通信的建立和结束，以及管理在所建立的TCP连接上的数据流。
连接管理（Connection Management）：负责全面管理报文传输TCP连接。
访问控制（ACCESS Control）：在某些重要的场合，必须禁止无关的主机对设备内部数据的访问。
TCP层参数配置（TCP Stack Parmeterization）：可以调整TCP/IP协议栈的一些参数以使得其特性适应产品或系统的限制。
3.4 IP参数配置
IP参数可以选择A、B、C类中的一类，本适配器采用C类。子网掩码用来规划子网，其类型和IP地址一致。
3.5 TCP/IP协议栈
TCP/IP协议栈为标准的协议栈，由操作系统来管理，对用户来说是隐含的。
3.6 MODEBUS PDU校验
Modbus PDU校验首先分析MBAP报文头，如果协议类型不同，则简单废弃这个指示；如果协议类型符合Modbus，则启动事务处理，如果事务处理标识符无效，服务器生成异常响应；如果事务处理标识符有效，则存储用于发送指示的TCP连接标识符、Modbus事务处理标识符和单元标识符等信息，分析功能码的正确与否，不正确则生成异常响应；如果功能码正确，则启动一个Modbus服务；如果超时则进入超时管理并生成异常响应；无超时则正常通信。
3.7 超时管理
Modbus/TCP协议没有对超时时间作强制规定，因为考虑到Modbus/TCP协议可能用于最宽范的通信场合，从豪秒级的I/O扫描到延时几秒的远程无线链接。所以，超时时间的具体设定应该根据现场设备状况、功能、网络拓扑结构、服务器、客户机、用户组态等具体情况而定。
随着计算机技术、通信技术、网络技术的日益发展，以太网技术在电力、工业自动化和过程自动化领域得到了越来
越广泛的应用。目前，工业以太网开始逐渐渗透工业系统现场总线网络之中，据业界人士预测工业以太网系统在未来
3~5年将成为应用的主流，为了抓住未来最大的市场，世界各大公司对今后的电器产品都已明确提出了全面推广应用
基于工业以太网的通信控制方式。而目前工业电器和自动化产品还都是以现场总线为主，所以对各个现场总线和工业以太网的协议转换，还是很有必要的，本文的出发点也在于此。
参考文献：
[1] 施耐德电气公司透明工厂――开放的自动化世界.
[2] （美）W.Richard Stevens. TCP/IP详解[M]. 机械工业出版社, 2003.
[3] 以太网和IEEE802.3. 2002.
工业以太网与现场总线的优缺点 1 引言 用于办公室和商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，主要由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线尚不能满足这些要求。 现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。同时现场总线的传输速率也远远不如工业以太网传输速率快。 2 以太网与工业以太网 2.1 什么是以太网与工业以太网 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆型号为10 Base T。以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。 普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。 2.2 以太网具有的优点 （1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽； （2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT（信息技术）世界； （3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；
工业以太网通信协议研究及应用 发表时间：2018-04-24T14:54:01.377Z 来源：《防护工程》2017年第36期作者：林立胜 [导读] Modbus/TCP是用于控制和管理自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品。 南京富岛软件公司 210032 摘要：在绝大多数工业控制通信方面都是采用现场总线技术方式来实现的。但长期以来现场总线种类繁多、同时又没有统一标准而导致互不兼容，使得系统集成和信息集成面临着巨大挑战，所以引入了应用广泛、高速率、低成本的以太网技术。但以太网的可靠性和实时性比较差，难以适应工业控制的要求，故相关组织对以太网进行了一些扩展，称为工业以太网。随着工业4.0的发展，相信工业以太网技术将越来越重要。本文就常见工业以太网通信协议简介及应用作出阐述。 关键词：现场总线技术、工业以太网、EtherCat、Ethernet/IP、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethernet/PowerLink、MechatroLink 1常见工业以太网通信协议 1.1、Modbus/TCP Modbus/TCP是用于控制和管理自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品。 由此可见，它覆盖了使用TCP/IP协议的Intranet企业内部网和Internet互联网环境中Modbus报文的用途。 该协议的最常见用途是为例如I/O、PLC模块以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。 Modbus/TCP协议是作为一种实际的自动化标准发行的。既然Modbus已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。 然而该规范力图阐明Modbus中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是Modbus作为可编程的协议交替用于PLC的多余部分。 Modbus/TCP 在美国比较流行，它由两部分组成，即IDA分散式控制系统的结构与Modbus/TCP 的信息结构的结合。Modbus/TCP定义了一个简单的开放式又广泛应用的传输协议网络用于主从通讯方式。 1.2.、Ethernet/IP Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议，这里的IP表示Industrial-Protocal。 它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。Ethernet/IP是在应用层提高了以太网的实时性。 1.3、EnterCat EtherCat以太网控制自动化技术是一个以Ethernet以太网为基础的开放架构的现场总线系统。 EtherCat名称中的Cat为Control Automation Technology控制自动化技术首字母的缩写，最初由德国倍福自动化有限公司BeckhoffAutomationGmbH研发。 EtherCat为拓扑的灵活性和系统的实时性能树立了新的标准，同时它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括可选线缆冗余、功能性安全协议(SIL3)和高精度设备同步。 EtherCat通过协议内部的优先权机制可区别传输数据的优先权(Process Data)，组态数据或参数的传输是在一个确定的时间段中通过一个专用的服务通道进行(Acyclic Data)，EtherCat操作系统的以太网功能与传输的IP协议兼容。 EtherCat设备分从站和主站，从站一般是伺服驱动器、IO模块、板卡、网关等等，主站通常是运动控制器等。 1.4、Ethernet/PowerLink 鉴于以太网的蓬勃发展和CanOpen在自动化领域的广阔应用基础，Ethernet/PowerLink融合了这两项技术的优缺点，既拥有Ethernet 的开放性、高速接口，又参考了CanOpen在工业领域良好的PDO和SDO数据定义； 在某种意义上说Ethernet/PowerLink就是Ethernet上的CanOpen，在物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的PDO和SDO对象字典的结构。 Ethernet/PowerLink主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要求。 1.5、MechatroLink MechatroLink是一个用在工业自动化的开放式通讯协定，最早由安川电机开发，现在则由MechatroLink协会Mechatrolink Members Association维护。 MechatroLink协议分为两种： MechatroLink-III，定义传送接口为以太网的通讯协定架构，速度最快为100Mbit/s，允许最多62个从站。 MechatroLink-II，定义传送接口为RS-485的通讯协定架构，速度最快为10Mbit/s，允许最多30个从站； MechatroLink的目标领域主要是以运动控制为中心的现场网络，可连接的设备包括CNC、PLC、PC卡、运动控制器、变频器、外围图像处理设备、伺服驱动器、外围IO设备等。 MechatroLink协会的主要成员基本上都是日本的自动控制厂商，包括欧姆龙、横河电机、安川电机等。 1.6、ProfiNet ProfiNet由西门子主导的Profibus国际组织ProfiBus International-PI推出，是基于工业以太网技术的自动化总线标准。 作为一项战略性的技术创新，ProfiNet为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，涵括了例如运动控制、实时以太网、网络安全、分布式自动化以及故障安全等当前自动化领域的热点话题； 作为跨供应商的技术，ProfiNet可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线如ProfiBus技术，保护现有投资。 ProfiNet是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为运动控制、分布式自动化、网络安装、实时通信、IT 标准和信息安全、故障安全、过程自动化和分布式现场设备。
以太网技术在工业控制领域的应用及意义 随着计算机和网络技术的飞速发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求。现场总线技术适应了工业网络的发展趋势，用数字通信代替传统的模拟信号传输，大量地减少了仪表之间的连接电缆、接线端口等，降低了系统的硬件成本，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，以及总线通信协议的多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作等，无法达到全开放的要求，因此现场总线在工业网络中的进一步发展受到了限制。 随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP 的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备取代工业网络中相对昂贵的专用总线设备。 Ethernet通信机制 Ethernet是IEEE802. 3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或是更高，传输介质可采用双绞线、光纤、同轴电缆等，网络机制从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，工作方式从单工发展到全双工。 在OSI/ISO 7层协议中，Ethernet本身只定义了物理层和数据链路层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。自从APARNET将TCP/IP和Ethernet捆绑在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作为其高层协议，TCP用来保证传输的可靠性，IP则用来确定信息传递路线。 Ethernet的介质访问控制层协议采用CSMA/CD，其工作原理如下：某节点要
目录 1．现场总线控制技术与工业以太网2.工业以太网实时性问题 3．Ethernet／IP协议简介4．Ethernet／I P通信适配器硬件设计与实现 5．EtherNet/IP 工业以太网优缺点及发展前景 Ethernet／IP协议简介 1 现场总线控制技术与工业以太网 20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。 现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4--20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。 控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，P．Net，World FIP，Swift Net，FF之高速EtherNet即HSE。这8种现场总线互不兼容，这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，
以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31．25kbps，高速总线H2的传输速度为1 Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。又如广泛用于汽车行业的Can总线 系统，其最高的传输速率为1 Mbps／40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA／CD)通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一工业以太网。 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的信息层与控制层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在控制层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。 工业以太网技术作为后起之秀，迅速抢占着其它总线形式的市场，推动其发展的两大动力是：光纤环网的应用、分布智能装置仪表。 光纤环网解决了两大问题：第一，轻松解决了在化工、矿业等极端条件的本质防爆问题，这一下子将以太交换设备向前推动了一个层次，使以太网可以到达工业现场层，第一次成为真正的FieldBus；第二，通过环网的冗余提高以太交换的可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高的应用环境中。 而分布智能的装置仪表，解决了所谓以太传输时滞不确定性的诟病。首先，光纤环网的千兆交换速度，已经使绝大部分工业控制数据在可接受的时间内交换，对于大部分的工业生产信息，在100ms的时滞都是可以接受的。而如果所
通用低压电器篇 孙凡金(1977 ),男,副教授,博士,研究方向为网络控制系统。 Profi net 工业以太网实时通信协议分析 孙凡金,!刘彦呈,!潘新祥 (大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连!116026) 摘!要:在分析P ro fi net 关键技术组成的基础上,对其实时性优化技术进行了综述,并通过分析通信连接的建立及维护,实时协议的组成及通信策略,以及RT 与I RT 的通信技术与实现方法,从整体上研究了P rofi net 实时性优化的协议组成及基本特性,对设计与优化基于Profi net 工业以太网的自动化系统具有一定借鉴。 关键词:Prof i ne t ;实时性;通信连接;同步 中图分类号:T P 393.04!文献标识码:A !文章编号:1001 5531(2008)21 0030 04 The Anal ysis of the Real T i m e Co mmun icati on Protocol i n Profinet !!! SU N Fanji n ,!LIU Yancheng,!PAN X i n x iang (Schoo l ofM arine Eng i n eeri n g ,Da lian M ariti m e Un iversity ,Da lian 116026,Ch i n a) !!Abstract :Based on the analysis o f P ro fi net ?s key techno l ogy ?s constituti on ,its rea l ti m e opti m iza tion tech no l ogy w as survey ed .By ana l yz i ng t he buil d and m ai n tenance of co mmun ica ti on connect ,rea l ti m e protoco l ?s con stituti on and communicati on stra tegy ,RT and I RT ?s communicati on techno logy and rea liza ti onm e t hod ,t he protoco l constit ution and basi c character i stics for P ro fine t rea l ti m e opti m i zati on w ere st udied ,wh ich can be re ference f o r de si gn i ng and opti m izi ng autom ati c system based on Profi net . K ey words :Profi n et ;real ti m e ;co mmun icati on connect ;synch ronous 刘彦呈(1963 ),男,教授,博士生导师,研究方向为工业监控网络。潘新祥(1964 ),男,教授,从事船舶网络化监控技术的研究。 0!引!言 Profinet 是国际组织P NO (Pro fi b us N ati o na l O rganizati o n)提出的用于工业自动化的实时以太网标准[1,2] 。为支持不同工业级应用,Profi n et 提 供了集成式Profinet I O 和分布式自动化中创建模块化设备系统的Pro fi n et CBA [3] 。Profinet I O 对分布式I/O 使用实时通信(RT)和同步实时通信(I R T)协议。RT 通信时钟周期可达10m s 量级,适用于工厂自动化的分布式I/O 系统。I RT 通信时钟周期可达1m s 量级,适用于运动控制系统[4,5]。Profinet CB A 使用TCP /I P 和RT 两种基于组件的通信方式。它允许时钟周期由TCP 协议的100m s 量级降至RT 的10m s 量级,从而更适用于PLC 之间的通信。本文通过分析Profinet 实时性协议的组成,对其通信连接建立及管理、实 时同步机制、等时同步实现方法及关键技术进行 了深入分析,阐述了Profi n et 实时通信解决方案实现方法。 1!Pro fi net 协议架构 传统的以太网使用CS MA /CD (带有冲突监测的载波监听多路访问)协议实现介质访问控制,虽然工业以太网可使用标准的通信协议(如TCP /I P 或UDP /I P)来提高其实时性,但数据包的传输时延很大程度上依赖网络负载而不能预先确定,因此标准协议通信过程中会产生帧过载现象,这即加大传输时延及处理器计算时间,从而延长发送周期,严重影响网络的实时性。为此,Profi net 通过对发送器和接收器的通信栈进行实时性优化,可保证同一网络中不同站点可在一个确定时段内完成时间要求严苛的数据传输。Profine t 30
工业以太网简介: 工业以太网就是基于IEEE 802、3 (Ethernet)得强大得区域与单元网络。利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新得多媒体世界得途径。 企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供得广泛应用不但已经进入今天得办公室领域,而且还可以应用于生产与过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工与自适应得100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802、3u 得标准)也已成功运行多年。采用何种性能得以太网取决于用户得需要。通用得兼容性允许用户无缝升级到新技术。 为用户带来得利益 :市场占有率高达80%,以太网毫无疑问就是当今LAN(局域网)领域中首屈一指得网络。以太网优越得性能,为您得应用带来巨大得利益: 通过简单得连接方式快速装配。 通过不断得开发提供了持续得兼容性,因而保证了投资得安全。 通过交换技术提供实际上没有限制得通讯性能。 各种各样联网应用,例如办公室环境与生产应用环境得联网。 通过接入WAN(广域网)可实现公司之间得通讯,例如,ISDN 或Internet 得接入。 SIMATIC NET基于经过现场应用验证得技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点,遍布世界各地,用于严酷得工业环境,包括有高强度电磁干扰得区域。 工业以太网络得构成 :一个典型得工业以太网络环境,有以下三类网络器件: ◆网络部件 连接部件: ?FC 快速连接插座 ?ELS(工业以太网电气交换机) ?ESM(工业以太网电气交换机) ?SM(工业以太网光纤交换机) ?MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块) 通信介质:普通双绞线,工业屏蔽双绞线与光纤 ◆ SIMATIC PLC控制器上得工业以太网通讯外理器。用于将SIMATIC PLC连接到工 业以太网。 ◆ PG/PC 上得工业以太网通讯外理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。 工业以太网重要性能:为了应用于严酷得工业环境,确保工业应用得安全可靠,SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要得性能: ?工业以太网技术上与IEEE802、3/802、3u兼容,使用ISO与TCP/IP 通讯协议?10/100M 自适应传输速率 ?冗余24VDC 供电 ?简单得机柜导轨安装 ?方便得构成星型、线型与环型拓扑结构 ?高速冗余得安全网络,最大网络重构时间为0、3 秒 ?用于严酷环境得网络元件,通过EMC 测试 ?通过带有RJ45 技术、工业级得Sub-D 连接技术与安装专用屏蔽电缆得Fast Connect连接技术,确保现场电缆安装工作得快速进行 ?简单高效得信号装置不断地监视网络元件 ?符合SNMP(简单得网络管理协议) ?可使用基于web 得网络管理 ?使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络。 工业以太网冗余原理
工业以太网的特色技术及其应用选择 发布时间：2007-05-15 浏览次数：105 | 我要说几句 | ?? 用户解决方案2012优秀论文合订本 ?? NIDays2012产品演示资料套件 ?? 《提高测量精度的七大技巧》资源包 ?? LabVIEW 2012评估版软件 关键词：工业以太网实时特色技术 编者按：工业以太网成为自动化领域业界的技术热点已有时日，其技术本身尚在发展之中，还没有走向成熟，还存在许多有待解决的问题。究竟什么是工业以太网，它有哪些特色技术，如何应用与选择适合自己需求的工业以太网技术与产品，依然是今天人们所关心的问题。 一什么是工业以太网 工业以太网技术，是以太网或者说是互联网系列技术延伸到工业应用环境的产物。前者源于后者又不同于后者。以太网技术原本不是为工业应用环境准备的。经过对工业应用环境适应性的改造，通信实时性改进，并添加了一些控制应用功能后，形成了工业以太网的技术主体。因此，工业以太网是一系列技术的综称。 二工业以太网涉及企业网络的各个层次
企业网络系统按其功能划分，一般称为以下三个层次：企业资源规划层(Enterprise Resource Plan NI ng, ERP)、制造执行层(Manufacturing Excurtion System, MES)和现场控制层(Field Control System，FCS)。通过各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业信息系统。( 见图1) 图中的ERP与MES功能层属于采用以太网技术构成信息网络。这个层次的工业以太网，其核心技术依然是信息网络中原本的以太网以及互联网系列技术。工业以太网在该层次的特色技术是对其实行的工业环境适应性改造。而现场控制层FCS中，基于普通以太网技术的控制网络、实时以太网则属于该层次中工业以太网的特色技术范畴。可以把工业以太网在该层的特色技术看作是一种现场总线技术。除了工业环境适应性改造的内容之外，通信实时性、时间发布与同步、控制应用的功能与规范，则成为工业以太网在该层次的技术核心。
工业以太环网设计方案 1.1概述 掌石沟煤业是基本实现机械化生产，具有复杂生产系统的矿井，为提高矿井的生产效率，对矿井综采工作面、顺槽胶带、主运输系统、通风机房、井下变电所等环节实施统一操作、集中监控、统一调度。各矿综合自动化系统，根据管控一体化思想，以三层网络为基础，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯的新理论和技术，采用世界先进的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软件，将煤矿生产、管理的各个环节，统一在一个网络平台上，形成一个统一、完整的有机整体，使其在系统结构、网络通讯、自动化覆盖范围方面处于同类矿井的领先水平。 1.1.1设计综述 掌石沟煤业综合自动化控制网络系统的建设应遵循数字化、高速化、智能化、标准化、安全可靠、易扩充升级的原则进行设计，同时充分考虑公司综合自动化系统总体规划和综合自动化系统网络建设的现状。 对于掌石沟煤业工业综合自动化平台网络系统，在井上和井下设置的高速以太环网，主链路采用千兆光纤。在核心层采用千兆工业以太网技术，通过千兆链路将各环网的交换设备连接到网络系统的核心层次，同时具备高冗余性能。 各环网结点主要是连接结点交换机附近的工业设备，以达到控制和信息采集的目的信息层：建设信息管理网，采用标准TCP/IP协议和以太网技术。实现矿区各个管理部门的网络连接，实现人、财、物以及工程项目管理的综合自动化，能对煤炭的生产状况进行实时监视,为管理决策提供依据。
控制层：建设综合自动化控制网，采用工业以太环网+现场工业总线来实现，实现 将井上和井下区域控制器和设备监控站所采集的信息和控制信号传送给有关系统。 设备层：在设备控制层主要是煤矿各专业控制子系统。 1.2控制层网络设备的技术与产品选型 本方案将采用基于以太网TCP/IP的工业以太网技术，传输介质采用层绞式矿用阻燃型光缆，网络结构采用基于光纤工业以太网的环形架构。 1.2.1技术选择 现代煤矿的生产监控管理系统中往往使用到多家厂商提供的多种不同类型的设备，为 了达到方便管理，保证系统运行稳定的目的，必须选择一个开放的通信平台，并将各种不同类型设备的通信统一到这一标准通信平台之上。为保证良好的兼容性和可扩充性，建议使用以太网TCP/IP技术作为整个系统的通信标准。如有其他类型的通信格式，如RS232 RS485或其他专用通信接口等等，均可通过协议网关转换为以太网信息包，在IP网络上进行传送。以太网TCP/IP技术具有以下的优势： 随着企业的发展、各种新技术的应用，可以预见，对网络的带宽要求也会越来越高， 比如基于网络的视频监控传输应用和井下设备信息数据采集等都需要进行大量数据的传输。 以太网技术具有相当高的数据传输速率（目前已有成功案例应用于井下工业环境下的以太 网交换机），能提供足够的带宽； 能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架； 支持交互式和开放的数据存取技术；沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
工业以太网--接口定义 (方垒2005.1.4) 目的： 为了节约时间，将工业以太网协议开发与应用开发并行进行，我们通过“接口定义讨论稿”――>“讨论”――>“接口定义”正式版的方式来预先定义“应用开发”使用“工业以太网协议”的方式。该接口定义直接关系到应用开发和协议开发双方后期工作是否能顺利进行，所以请相关人员务必重视，详细考虑以下接口，最终确定的接口应该是：即能够满足应用开发需求，对于协议开发方又是简洁可实现的。 接口定义： 支持基于报文的节点间任意点对点通讯以及广播通讯方式，每个数据包必须在以太网物理帧的限定之内，即1500字节： 物理帧：6 ＋ 6 ＋2 ＋[46－1500] ＋4CRC 字节 对应：目的地址＋源地址＋类型＋数据区＋32bit校验和 提供C语言编写的接收、发送API接口，该接口是： ◆非面向连接的 ◆非阻塞的 ◆支持类似UDP的“端口”的概念。且多个进程可同时操作工业以太网接口。 接口原形如下： #ifndef IEAPI_H #define IEAPI_H /*应用层使用的消息包头， 与HS2000CAS、MACSx消息结构兼容， 例如：10号站的B机端口20要从系统网发送1000字节长的消息给1号站A、B两机端口21，则消息格式如下： int Length ＝1000。 BYTE Type ＝4; BYTE Protocol ＝xx; BYTE SID ＝10; BYTE SIDEXT ＝00000010B; BYTE DID ＝1;
BYTE DIDEXT ＝00000011B(即3); BYTE Reserved[4] ＝{0,0,0,0}; BYTE srcPort = 20; BYTE dstPort =21; */ #define TYPE_CMD 0/*工业以太网协议控制通道*/ #define TYPE_RNET 3/*备份网*/ #define TYPE_SNET 4/*系统网*/ #define INDEX_SNETA 0/*系统网A*/ #define INDEX_SNETB 1/*系统网B*/ #define INDEX_RNET 2/*备份网*/ typedef struct s_MsgHead{ unsigned long Length; /*纯数据的长度，注意，不包括该头的长度16字节，只是后面数据部分的长度。*/ unsigned char Type; /*消息类型，3：备份网，4：系统网*/ unsigned char Protocol;/*协议号*/ unsigned char SID;/*源节站号，*/ unsigned char SIDEXT;/*源节子站号，*/ unsigned char DID;/*目的站号，比如：10号站A或B机，都填10，注意：DID = 0表示广播，网上所有节点都接收该报文*/ unsigned char DIDEXT;/*目的子站号，比如：10号站A机，则填00000001B，B机则填00000010B，AB机则填00000011B*/ unsigned char Reserved[4];/*保留*/ unsigned char srcPort;//源端口 unsigned char dstPort;//目的端口 }MsgHead; /*应用层消息结构*/ typedef struct s_Msg{ MsgHead Head;/*应用层使用的消息包头，与HS2000CAS、MACSx消息结构兼容*/ unsigned char Data[1514-14-8-sizeof(MsgHead)=1476];/*应用层使用的消息数据区*/ }Msg; /* 功能描述：初始化工业以太网协议，并设置本机节点号， 输入说明：nodeID定义，共8bit，最高bit：0表示A机、1表示B机，低位的6bits：站号， 例如： 10号站A机，则：nodeID＝00001010B ＝0 ＋10 ＝10 10号站B机，则：nodeID＝10001010B ＝128 ＋10 ＝138 输出说明：返回true：设置成功，false：设置失败 */
工业以太网技术全面解析 高性能、工厂设备和IT系统集成，以及工业物联网的需求驱动促进了工业以太网的增长。在实时工业以太网中，EPA、EtherCAT、RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的竞争者。下面对它们进行简单比较。Ethernet/IP Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODV A( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。 实现实时性的方法 Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。 Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术，在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。UDP是一种非面向连接的协议，它能够工作在单播和多播的方式，只提供设备间发送数据报的能力。对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据，使用UDP/IP协议来发送。而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。这样数据源只需一次性地把数据传到网上，其它节点有选择地接收数据，这样提高了通信的效率。 Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议，且独立于物理层及数据链路层，这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。另外，为了获得更好的时钟同步性能，2003年ODV A将 IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。 EPA EPA是在“863”计划的支持下，由浙江大学、清华大学、浙江中控技术公司、大连理工大学、中科院自动化所等单位联合制定，是用于工业测量和控制系统的实时以太网标准。
一种Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ工业以太网协议的结构 摘要：本文主要介绍了一种Modbus/TCP工业以太网协议的规范和主要功能分类，在处理Modbus/TCP转换的时候可以参考。 关键词：工业以太网；Modbus/TCP协议 中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号： 1009-3044(2008)31-0855-02 The Achievement of the Modbus/TCP of Industrial Ethernet HUO Heng-yu （School of Computer Science & Technology,Soochow University,Suzhou215500, China） Abstract: This article introduced a Modbus/TCP industrial Ethernet protocol norms and the main function of the classification. Key words: industrial ethernet; modbus/TCP 1 引言 自法国施耐德电气公司推出“透明工厂”战略以来，其已经成为在工业领域中应用以太网的坚决倡导者。Modbus/TCP是目前工业以太网事实上的标准之一，并促进以太网在传感器和设备级的应用。2003年IDA和Modbus
合并为Modbus-IDA，实时工业以太网部分称为 Modbus/TCP(RTSP)，成为IEC61784-2成员之一。 Modbus/TCP协议：用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性。物理层和数据链路层是标准的以太网协议，网际层是标准的IP协议，运输层是标准的TCP协议，应用层嵌入Modbus协议。 2 Modbus/TCP协议规范 2.1 报文类型 Modbus报文传输服务提供设备之间的客户机/服务器通信，而这些设备联接在一个以太网上，信息传递分4类报文：Modbus请求、Modbus证实、Modbus指示和Modbus响应，如图1。 Modbus请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文；Modbus指示是服务器接收的请求报文；Modbus响应是服务器发送的响应报文；Modbus证实是客户机接收的响应报文。 2.2 通信结构 Modbus/TCP基本是用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性，交换式以太网为用户提供了确定性特征。系统可以包括不同类型的设备：客户机、服务
各种工业以太网的区别其实就是协议的区别，其中最主要的还是应用层协议的区别。 都是以太网通讯，只是每个公司的叫法不一样，西门子用PROFINET、AB用Ethernet IP、施耐德的MODBUS TCP/IP。 取个例子，以太网就像高速公路，Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP/IP分别像高速公路上的宝马、奔驰、奥迪车，都可以从一个城市把物品运送到另一城市。但是每个车上安装的零件无法和另一车上的零件进行更换。 EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EterCAT名称中的CAT为ControlAutomation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。 Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP 协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议西蒙公司开发 Ethernt/IP属于ODVA组织，Rockwell只是其中一个推广力度比较大的公司而已。施耐德也是ODVA组织的成员，施耐德所有PLC都可以支持Ethernt/IP协议。Ethernt/IP协议是十大总线之一，和Controlnet、Devicenet一起称为CIP总线。可以实现协议间路由，但是需要Rslinx 软件进行配置。通讯时需要设置RPI参数，没有任何客户端的反馈信息，因此不管现场客户端是否收到数据，数据一致由服务器不断的发，缺少相应的检测。 PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。 PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。 MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O 模块的网关服务的。 MODBUS/TCP协议是作为一种（实际的）自动化标准发行的。既然MODBUS已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而，本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是MODBUS作为可编程的协议交替用于PLC’s的“多余部分”。 它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用的和可选的，特别是那些适用于特殊设备如PLC’s的报文。 Modbus TCP/IP由Modbus IDA组织提出，有施耐德旗下的Modicon公司主推，在目前施耐德所有PLC产品中都支持，同时也支持Ethernet/IP协议，Modbus TCP/IP是免费的、全开放协议，可以用VB等高级编程语言调用winsock控件即可实现与PLC的数据通讯，因此，很
工业以太网的常见协议 摘要: 1 Modbus TCP/IP 该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus 帧嵌入到TCP 帧中，使Modbus 与以太网和TCP/IP 结合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答... 1 Modbus TCP/IP 该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus 帧嵌入到TCP 帧中，使Modbus 与以太网和TCP/IP 结合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus 的主/从机制一致，但通过工业以太网交换技术大大提高了确定性， 改善了一主多从轮询机制上的制约。 2 Profinet Profinet 由Siemens 开发并由Profibus International 支持，目前它有3 个版本，第一个版本定义了基于TCP/UDP/IP 的自动化组件。采用标准TCP/IP+ 以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP 协议加上应用层的RPC/DCOM 来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus 系统和新型 的智能现场设备。现有的Profibus 网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到Profinet 网络当中，使整套Profibus 设备和协议能够原封不动地在Profinet 中使用。传统的Profibus 设备可通过代理与Profinet 上面的COM 对象进行通 信，并通过OLE 自动化接口实现COM 对象之间的调用。它将以太网应用 于非时间关键的通信，用于高层设备和Profibus-DP 现场设备技术之间，以便
六种工业以太网比较 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
六种工业以太网比较 摘要：当前，工业以太网技术是控制领域中的研究热点。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前，几种典型的工业以太网有HSE、PROFInet、Modbus/TCP、EtherNet/IP、Powerlink、EPA六种。本文通过对这六种工业以太网比较，以便更好的应用于系统集成。 关键词：工业以太网、HSE、PROFInet、Modbus、EtherNet、Powerlink、EPA 与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所持、软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。由于这些优点，特别是与信息传输技术的无缝集成以及传统技术无法比拟的传输宽带，以太网得到了工业界的认可。 1．HSE(高速以太网) HSE(High Speed Ethernet Fieldbus)由现场总线基金会组织(FF)制定，是对FF-H1的高速网段的解决方案，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构。 FF HSE的1-4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当