EtherNetIP优化设计

辽宁工业大学实验室开放实验

题目： EtherNet/IP优化设计

院（系）：电气工程学院

学号： 09

学生姓名：

目录

第1章绪论 (3)

第2章设计方案 (4)

2.1系统优化概述 (4)

2.2系统优化组成总体结构图 (4)

第3章 ETHERNET/IP的优化方法 (7)

3.1 ETHERNET/IP 的标准结构特点 (7)

3.1.1 协议功能及特征 (7)

3.1.2 先进性和成熟性 (7)

3.1.3 集成性 (8)

3.1.4 ETHERNET/IP 的前途与发展 (9)

3.2 ETHERNET/IP 的通信协议 (9)

3.3 ETHERNET/IP 在工业中的应用 (10)

第4章优化软件组态 (12)

第5章系统实验 (16)

5.1 优化设计系统程序流程图 (16)

5.2 系统运行过程画面显示 (17)

5.3 系统梯形图 (20)

参考文献 (22)

第1章绪论

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。

Ethernet/IP以特殊的方式将以太网节点分成预定义的设备类型。Ethernet/IP应用层协议是基于控制和信息协议（CIP）层的，提供了从工业楼层到企业网络的一整套无缝整合系统。Ethernet/IP使用所有传统的以太网协议，构建于标准以太网技术之上，这意味着Ethernet/IP可以和现在所有的标准以太网设备透明衔接工作。更重要的是，将Ethernet/IP建立在一个标准的以太网技术平台上，保证了前者会随着后者技术的发展而进一步发展。支持Ethernet/IP的团体正致力于编制一个综合的稳固的标准，Ethernet/IP上的工作正由多个经销商参与，包括定制规格以及在经认证的测试实验室进行全面的综合测试。

第2章设计方案

2.1系统优化概述

当今世界，红绿灯已经被安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一现象在19世纪就已出现了，19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本文设计了一种基于Rockwell现场总线系统的新型交通灯智能控制系统，EtherNet/IP网络控制系统实时性优化设计，大大提高了车辆通行效率具有实际应用前景。

2.2系统优化组成总体结构图

本文设计了一种基于Rockwell现场总线系统的交通灯监控系统。Rockwell 三层网络结构Rockwell自动化公司在RSNetwork中提出了三层网络体系,即以太网、控制网和设备网的综合系统结构体系。它是搭建Rockwell现场总线系统的核心。在本体系中,以太网上可设有系统主控设备。系统管理员可在这层网上对系统进行监控,对控制器中的程序进行修改,使计算机系统存取生产现场的数据达到实时监控的目的,并提供对可编程控制器的支持。

图2.1为Rockwell三层网络体系：

图2.1 Rockwell三层网络体系

本设计主要采用Rockwell所述软件，以Ethernet/IP为基础的网络结构为核心，1756-ENBT/B以太网适配器模块、1794-AENT/A以太网适配器模块、1794-Flex I/O输入输出模块1794-IB16/A和1794-OB16/A及按键和指示灯来实现控制。

如图2.2所示：

图2.2 系统组成总体结构图

第3章Ethernet/IP的优化方法

3.1EtherNet/IP 的标准结构特点

EtherNet/IP标准是由ODVA(OpenDeviceNetVendorsAssociation)和ControlNet International 所推出的一种与TCP/IP 以太网相结合的工业以太网标准。它和DeviceNet 以及ControlNet 一样,它们都是基于CIP (Control and In -formationProtoco1)协议的网络。

图3.1 EtherNet/IP通信协议模型

3.1.1协议功能及特征

EtherNet/IP 其特色就是被称作控制和信息协议的CIP 部分。CIP 一方面提供实时I/O 通信，一方面实现信息的对等传输。其控制部分通过隐形报文来实现实时I/O 通信，信息部分则通过显性报文来实现非实时的信息交换。CIP 协议的一个重要的特性，是其介质无关性。即CIP 作为应用层协议的实施与底层介质无关这就是人们可以在控制系统和I/O 设备上灵活实施这一开放协议的原因。同样，当未来新型的通讯手段出现时，人们一样可以方便地将其移植到更高性能的网络上实施，并且提供全部的网络功能，保证与原有现场总线或者以太网技术的透明性和一致性。

3.1.2先进性和成熟性

EtherNet/IP 采用先进的Producer/Consumer 技术，较之其它一些基于传统主从工作方式的工业以太网技术，在效率、实时性、灵活性方面有着明显的优势。测试表明，同等条件下的EtherNet/IP 系统通讯吞吐量是某些典型主从式工业

以太网的3 倍以上。这一设计思想也开始为越来越多的厂商所采纳。作为最早推向市场的工业以太网技术，EtherNet/IP 累计已安装的节点数量约为50 万节点，已经积累了大量的使用经验。在罗克韦尔自动化的网站上，用户可以下载相关的规划和安装指南，性能评估手册等资料。最重要的是，EtherNet/IP所采用的CIP 协议已经在工业应用中经历了10多年的考验（1994 年，自DeviceNet 开始），并非是草案版本而需要频繁修改，同时保持了先进性（如Producer/Consumer 技术）。

图3.2 EtherNet/IP系统图

3.1.3集成性

EtherNet/IP 最大的特点在于在应用层实施了成熟、先进、统一的CIP 协议。这使得它在与DeviceNet、ControlNet这样的现成的总线技术结合使用时，有着相同的对象库，相同的设备描述（行规）、相同的控制服务和相同的路由实现方式，三层网络从顶到底都支持完整的网络功能，包括高性能的实时控制、数据采集和设备组态。这使得基于CIP 的网络无论怎样组合，都有着一致、透明、高效的全功能通讯服务。罗克韦尔自动化还创造性地将CIP 协议移植到控制系统设计中，包括ControlLogix、CompactLogix、Point I/O 系列产品的底板设计

都沿用了这一思想，造就了业内独一无二的全透明结构，使得整个控制系统不存在通讯盲区或者不可见的“黑盒子”，而且所有的通讯服务无需任何程序来完成。所以说在与原有现场总线体系的集成方面，EtherNet/IP 可以为用户提供一个业界最优的集成解决方案。2003 年底，罗克韦尔自动化发布了1757-FFLD 链接设备，使得FF H1 的网段可以方便地通过EtherNet/IP 或者FFHSE 集成到Logix 系列过程控制系统中，在这个意义上，EtherNet/IP 和FF HSE 可以在同一链路上共存，同时二者又都可以为FF H1 网段提供高速骨干链路，实现离散控制和过程仪表控制的完整集成。

3.1.4EtherNet/IP 的前途与发展

CIP 协议的一个重要的特性，是其介质无关性。即CIP作为应用层协议的实施与底层介质无关。这就是人们可以在控制系统和I/O 设备上灵活实施这一开放协议的原因。同样，当未来新型的通讯手段出现时，人们一样可以方便地将其移植到更高性能的网络上实施，并且提供全部的网络功能，保证与原有现场总线或者以太网技术的透明性和一致性。

3.2EtherNet/IP 的通信协议

由于Ethernet的MAC层协议是CSMA /CD，在网络负荷较高时。Ethemet上存在的冲突成了主要问题，它极大地影响了Ethernet的数据吞吐量和传输延迟，并导致Ethernet实际性能的下降。由于在连续16次冲突之后，报文会被丢弃，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障，即存在通信非确定性。而对于工业现场控制网络，Ethernet的这种通信非确定性会导致信息从一个设备到另一个设备的传输延迟或长或短，某节点甚至可能由于连续检测到冲突而丢弃需要传送的数据，从而导致系统控制性能的下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡，这是工业控制的大忌。长期以来，Eehernet通信的非确定性是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。随着Ethernet通信速率的不断提高以及全双工交换Ethernet技术的发展，传统Ethernet的通信非确定性问题得到了根本的解决。Ethernet的通信速率已经从10Mbit/S提高到100Mbit / s，以致目前的1Gbit/ S ，10 Gbit/sEthernet产生延迟的主要原因是由于冲突，而冲突产生的概率是由网络负荷决定的。同样的通信量，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性困。据有关实验证明，在网络负荷不超过36 % 的情况下，Ethernet发生冲突的可能性极小。在负荷为10%以下

时，IOM Ethernet冲突机率为每5 年1 次, looMEthernet则为每1 5年冲突1次。典型的工业应用中, 通信峰值负荷为IOMEthernet的5%，IOMEthernet的0.5%，如果通过仔细设计，对系统中的网络节点数量和通信流量进行控制，使网络负荷低于1Mb /s，完全可以采用Ethernet作为工业网络。Ethernet技术的另一个重要发展是交换技术的出现。交换机把冲突域进行了重新划分，一个设备或者一组设备组成了一个冲突域，大大减少了冲突的发生。交换机提供了新的柔性的解决方法用以解决Ethemet固有的问题和局限，提高了Ethernet的性能和通信的确定性。交换机是数据链路层的多端口网桥，也可以说是一种智能HUB，它能够读取正在传送的数据的目的地址并把它转发到相应的端口，在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接。从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出。在普通交换设备中，一个节点传送的数据都要被广播到其他的各个节点，采用了交换技术之后，发送的数据通过交换机就直接送到了希望接收的目的地址，这就使得多个数据可以同时发送。交换机主要用来把网络分成不同的冲突域，时对网络进行扩展。这种网络的性能主要由传输和接收的元件性能决定。通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个节点提供了独占的点到点链路。这样, 在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样，每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。交换式Ethernet克服了传统Ethernet的缺点，大大提高了网络性能，使原来的共享式带宽变成了独占式带宽，较好地解决了带宽问题困。对于普通共享式Ethemet若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(如10M b/s)的N分之一; 而使用交换机之后，虽然数据传输速率仍为10Mb/s ，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此整个局域网的可用带宽相挡雨NX10M b/s。使用交换机，还可以对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点之间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需要经过主干网，也就不会占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。而全双工通信又使得端口间两对传输线路(双绞线或光纤等)上分别同时接收和发送报文帧，而不发生冲突，因此也不再受到CSMA / CD的约束。全双工交换式Ethernet已经成为一个确定性网络川，不会因冲突而引起通信非确定性,Ethernet的通信实时性得到了保障。

3.3EtherNet/IP 在工业中的应用

由于传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境

的适应性需要。工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性以及可维护性。随着技术的发展，Ethernet的网络传输线已从昂贵且难以安装的同轴电缆变化到廉价的非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力可与4一20mA 模拟传输线路相当，如果需要更强大的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤网络。为了提高工业以太网的工业可靠性，在进行系统设计时，可通过可靠性设计提高现场设备的可靠性。采用环形冗余结构Ethernet以提高系统的可恢复性。采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理。

在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。以太网系统的本质安全包括几个方面，即工业现场Ethernet交换机、传输介质以及基于Ethernet的变送器和执行机构等现场设备。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在60~70 m A，因此低功耗的Ethemet现场设备设计难以实现。在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行，即通过对Ethemet现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不会外泄，以保证系统运行的安全性闭。对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的3层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率，但同时也引入了一系列的网络安全问题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法人侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。另外，最新推出的IEEE802.3 af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。Ethernet在工业应用过程中的各种问题正在逐步得到解决。

第4章优化软件组态

应用优化组态软件截图如下4.1所示：

图4.1创建类型

远程1794FlexI/O以太网适配器模块及I/O模块：

组态1756-ENBT/B以太网适配器模块。右键单击I/O Configuration，在弹出的菜单中选择New Module，然后在弹出菜单中选择1756-ENBT/B以太网适配器模块。如图4.2所示：

图4.2 以太网适配器模块

设置1756—ENBT/B以太网适配器模块的IP地址。如图4.3所示：

图4.3 1756—ENBT/B以太网适配器模块

单击I/O Configuration中的1756-ENBT-B ENBT,在弹出菜单中选择New Module，然后在弹出菜单中选择1794-AENT/A以太网适配器模块。

如图4.4所示：

图4.4 1756-ENBT-B ENBT模块

在菜单中设置1794-FlexI/O Ethernet/IP适配器的IP地址：

图4.5 1794-FlexI/O Ethernet/IP适配器

右键单击组态1794—AENT/A Subenet，在弹出菜单中选择New Module。

图4.6 1794-Flex I/O输入输出模块

在菜单中分别设置1794-IB16/A和1794OB16/A的属性。

图4.7项目树

第5章系统实验

5.1优化设计系统程序流程图

由十字路口交通灯的设计要求内容即北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，并维持25秒，到25 秒时，东西方向绿灯闪，闪亮3秒后，绿灯灭。在东西绿灯熄灭的同时，东西黄灯亮，并维持2秒，到2秒时，东西黄灯灭，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒，再熄灭。同时南北黄灯亮，并维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。到停止按钮被按下为止。写出系统设计的大致流程图，如图5.1所示：

图5.1 系统流程图

5.2系统运行过程画面显示

交通灯：上北下东

运行方式：红、绿、黄。

图5.2 交通灯开始运行北绿东红

图5.3 北红东绿

图5.4 北红东绿闪

图5.5 东红北黄

图5.6 北红东黄

图5.7 北红东黄东绿交替瞬间

图5.8 东红北绿闪5.3系统梯形图