实用的工业以太网服务—透明就绪

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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... 23 ---------- 21----------- 161 -------- 25 ---------- 53 ---------- 110 -------- 123 -------- 80 ---------- 67 ---------- 502 --------

6. 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

7. 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：

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 用于以太网的两种帧格式

14. IP 报文 • IP报文的报头和数据包含在以太网的数据帧内

15. TCP 报文 • TCP 的报头和数据又包含在IP的数据帧内

16. UDP 报文 • UDP 的报文比TCP更加短小,可封装在 IP 数据包中.

17. 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。

18. 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

19. TCP/IP 数据封装在以太网的帧中

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. Faulty Device replacement Web services Global data Time Sync Net. Mangt Modbus TCP/IP e-m@il 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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。

36. 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

37. 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

38. 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。

39. 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

40. 用户制作的HMI操作页面

41. 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

42. 用户制作的HMI产量页面

43. 用户制作的HMI报表页面

44. 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.

45. 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

46. 透明就绪 发布信息 请求信息

47. 谢谢大家！