EtherNet/IP – 唯一兼容于 IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP協(xié)議

新方法——時間同步分布式控制

有人認(rèn)為，一方面要遵守IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP協(xié)議，另一方面還要采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，是不可能的。而其它基于以太網(wǎng)的分布式閉環(huán)驅(qū)動控制解決方案由于都采用了專用的措施，因而不能完全符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的要求。EtherNet/IP通過一種具有創(chuàng)造性的閉環(huán)控制方法——“時間同步分布式控制”，利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件、IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP協(xié)議，達(dá)到了閉環(huán)驅(qū)動控制所需的高性能和確定性要求。

傳統(tǒng)的分布式閉環(huán)驅(qū)動控制采用基于時間的同步方式，這種方式要求網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確無誤地傳輸對時間有苛刻要求的周期性數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)精確的位置和速度控制，周期性的數(shù)據(jù)傳輸要求網(wǎng)絡(luò)延遲抖動小于1μs?；?/SPAN>IEEE 802.3 CSMA/CD數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的以太網(wǎng)無法實現(xiàn)小于1μs的網(wǎng)絡(luò)延遲抖動。通過采用時間排定算法代替標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CD數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，是解決該問題的一種方法。目前，大多數(shù)基于以太網(wǎng)的運動控制網(wǎng)絡(luò)都采用這種方法。但是，這一方法存在下列問題：

?　　 增加了網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜性——必須事先排定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸
? 　　需要采用專門的硬件（例如網(wǎng)關(guān)），用于將獨立的運動控制網(wǎng)絡(luò)和其它采用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接起來
? 　　只有支持時間排定數(shù)據(jù)鏈路層的節(jié)點設(shè)備才能在同一子網(wǎng)中，除非采用專門的交換機(jī)或者網(wǎng)關(guān)（說明這
      是一種非常封閉的網(wǎng)絡(luò)，支持的產(chǎn)品有限）　　　　　　
? 　　在某些情況下，需要采用非標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件（比如ASIC芯片、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)等），不僅限制對產(chǎn)品的
      選擇，還增加了系統(tǒng)成本
? 　　當(dāng)商用以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到1Gbps（千兆網(wǎng)），接近10Gbps（萬兆網(wǎng)）時，它們還處于相對落后、性能
      較低的水平
　　為了在運動控制項目中使用，EtherNet/IP采用了不同的方法，稱為“時間同步分布式控制”。該方法使用時間標(biāo)記數(shù)據(jù)包緩解了周期性數(shù)據(jù)傳輸要求小于1μs延遲擾動給網(wǎng)絡(luò)帶來的壓力。利用這種方法，無需將CSMA/CD數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議改為其它專用協(xié)議，或者采用特殊的ASIC芯片，既能全面符合IEEE 802.3的要求，又能為數(shù)字式驅(qū)動器提供穩(wěn)定、高效的閉環(huán)控制性能。全面符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)要求，將讓網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)點：

? 　　使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)部件——ASIC芯片、交換機(jī)、路由器等。由于采用標(biāo)準(zhǔn)的部件，有大量的商用產(chǎn)品可
           供選擇，能夠顯著降低系統(tǒng)成本。另外，工廠中的以太網(wǎng)再也不是“專用” 和“特殊”的網(wǎng)絡(luò)，用戶可
           以使用種類豐富的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)工具
? 　　無需事先排定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，排定數(shù)據(jù)傳輸會增加網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜性
? 　　數(shù)據(jù)包大小和內(nèi)容可以動態(tài)改變。利用這一功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)組合，刪除不必要的狀態(tài)和命令數(shù)
           據(jù)，動態(tài)改變驅(qū)動器運行模式
? 　　任何符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備都可以接入網(wǎng)絡(luò)，無需專門的交換機(jī)或者網(wǎng)關(guān)
? 　　支持豐富的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型、主干/分支、菊花鏈路
? 　　無論是最終用戶，還是設(shè)備廠商，都可以方便地將網(wǎng)絡(luò)升級到1Gbps，甚至10Gbps，從而提供更強(qiáng)的性能

　　在采用星型、主干/分支、菊花鏈路等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，無需考慮特殊的配置要求。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許任意單個節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)中移除，而不影響其余的節(jié)點。主干/分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于分布式的星型網(wǎng)絡(luò)配置，其優(yōu)點同上。菊花鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的電纜長度最小，但是當(dāng)移除某一節(jié)點時，可能會導(dǎo)致鏈路中下游節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)。典型的星型、主干/分支、菊花鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置如圖2、圖3和圖4所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　

2: 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　　　　　　　　　　　　　　　　 3: 菊花鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖 4: 主干/分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

EtherNet/IP -CIP Motion技術(shù)
　　在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上，用于實現(xiàn)CIP Motion的關(guān)鍵技術(shù)如下：
? 　　IEEE 1588時間同步服務(wù) (CIP Sync) 及相關(guān)輔助硬件
? 　　時間標(biāo)記周期數(shù)據(jù)報文
? 　　按照IEEE 802.1P 標(biāo)準(zhǔn)定義的QoS (Quality of Service)服務(wù)質(zhì)量
? 　　采用可管理和全雙工交換機(jī)，避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突，提高傳輸性能
? 　　通過UDP/IP，實現(xiàn)周期數(shù)據(jù)傳輸
? 　　通過UDP/IP，實現(xiàn)非周期數(shù)據(jù)傳輸
? 　　通過TCP/IP，實現(xiàn)顯式報文傳輸

CIP Sync                                                                                                                          

CIP Sync定義了一系列時間服務(wù)，已經(jīng)加入到CIP協(xié)議中，通過IEEE 1588時間同步標(biāo)準(zhǔn)連接CIP對象模型和EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)。在這種時間同步分布式控制機(jī)制中，采用分布的時間參考源，提供含有時間標(biāo)記的數(shù)據(jù)包。CIP Sync完全符合IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)，這是一種可用于網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確時間同步協(xié)議。在硬件輔助模式下，IEEE 1588協(xié)議可以提供納秒級（十億分之一秒）時鐘分辨率，在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)中的分布式控制器、驅(qū)動器和其它設(shè)備中，實現(xiàn) +/- 100納秒的時鐘同步功能。利用這種時間同步功能，可以方便地在分布式節(jié)點之間實現(xiàn)同步操作。CIP Sync 1588實現(xiàn)原理如圖5所示。

　　　　　　　　　　　　　　5: CIP Sync - IEEE 1588實現(xiàn)原理

時間標(biāo)記周期性數(shù)據(jù)

當(dāng)一個周期性運動控制報文被創(chuàng)建時，時間標(biāo)記數(shù)據(jù)作為報文的一部分存在其中。在一個循環(huán)周期中，根據(jù)傳輸周期開始時的實際位置采樣信息，周期性數(shù)據(jù)將最新的命令值從運動規(guī)劃器傳送給每個驅(qū)動器。通常情況，運動規(guī)劃器位于運動控制器中，它將負(fù)責(zé)與分布在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上的驅(qū)動器進(jìn)行通訊。如果一個運動控制報文在下一個周期出現(xiàn)了延遲，報文中的時間標(biāo)記信息將用于補(bǔ)償這種延遲。基于時間補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)避免了需要絕對準(zhǔn)確無誤的數(shù)據(jù)傳輸要求。因而，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3 CSMA/CD數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行控制，避免了采用其它專用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，構(gòu)建所謂的“基于以太網(wǎng)”的運動控制網(wǎng)絡(luò)。

QoS服務(wù)質(zhì)量

通過采用全雙工、帶管理的交換機(jī)，可以最大程度減少運動控制器與驅(qū)動器之間在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)沖突。這將顯著提高周期性報文傳輸?shù)拇_定性。同時，還要考慮運動控制器的處理能力以及分發(fā)數(shù)據(jù)包的能力。根據(jù)處理器的能力和以太網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)將確定PPS值（每秒鐘處理數(shù)據(jù)包的能力）。高速閉環(huán)驅(qū)動控制周期性報文以非常高的速度進(jìn)行傳輸。由于在單一網(wǎng)絡(luò)中需要支持眾多驅(qū)動器，有可能很快超過運動控制器處理接收數(shù)據(jù)包的能力。為了解決這一問題，可以通過增加運動控制器的PPS能力，降低接收數(shù)據(jù)包處理要求來實現(xiàn)。QoS優(yōu)先級可以用于識別接收到的運動控制數(shù)據(jù)包，在標(biāo)準(zhǔn)的堆棧處理過程中，實現(xiàn)旁通。

QoS在IEEE 802.1P標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了定義。通過在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中加入優(yōu)先級標(biāo)識，它支持八種優(yōu)先級。運動控制周期性數(shù)據(jù)包在EtherNet/IP CIP Motion中使用最高的QoS優(yōu)先級，允許快速地處理運動控制數(shù)據(jù)包。當(dāng)EtherNet/IP運動控制節(jié)點收到數(shù)據(jù)包之后，它將對其優(yōu)先級進(jìn)行檢查。如果優(yōu)先級為1，則將其從普通的處理堆棧中旁通，直接傳輸?shù)骄彺嫫髦?，?yōu)先處理運動控制任務(wù)。這種優(yōu)先級標(biāo)簽同樣能夠被以太網(wǎng)交換機(jī)識別，從而能夠優(yōu)于交換機(jī)隊列中的其它數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，確保運動控制數(shù)據(jù)包能夠優(yōu)先進(jìn)行處理。通過上述方法的組合使用，可以最大程度減少以太網(wǎng)運動控制節(jié)點的處理工作，降低網(wǎng)路延遲抖動，實現(xiàn)最快速度的運動控制信息傳輸周期。

CIP Motion規(guī)范
　　CIP Motion在EtherNet/IP網(wǎng)路上提供一系列豐富的服務(wù)和設(shè)備概要，用于實現(xiàn)各種功能，支持不同的設(shè)備。通過定義下列專門用于驅(qū)動控制的功能，CIP Motion擴(kuò)展了CIP協(xié)議的能力。
? 　　利用變頻器和伺服驅(qū)動器控制轉(zhuǎn)矩、速度、位置
? 　　伺服驅(qū)動器和變頻器的配置、狀態(tài)反饋和參數(shù)診斷
? 　　單播傳輸，用于控制器與驅(qū)動器之間的通訊
? 　　多播傳輸、點對點傳輸 ，用于控制器與控制器、驅(qū)動器, 驅(qū)動器與驅(qū)動器之間的通訊
? 　　支持集中和分布式運動控制規(guī)劃

在設(shè)計上，CIP Motion規(guī)范最大程度縮小了伺服驅(qū)動器和變頻器之間的差別。這樣一來，就可以使用通用的配置服務(wù)、通用的狀態(tài)和診斷服務(wù)、通用的應(yīng)用項目指令，從而支持應(yīng)用項目級的伺服驅(qū)動器和變頻器互換。

CIP Motion規(guī)范充分利用了最先進(jìn)的運動控制技術(shù)，提供功能豐富、基于現(xiàn)有技術(shù)的概要。在概要中大量采用了浮點數(shù)據(jù)，從而避免了使用整數(shù)值和比例換算帶來的不便。CIP Motion規(guī)范專門提供單一化的從屬設(shè)備接口，以便驅(qū)動器廠商開發(fā)出支持EtherNet/IP-CIP Motion協(xié)議的產(chǎn)品。

目前，CIP Motion規(guī)范正在由ODVA分布式運動控制特別聯(lián)合工作組負(fù)責(zé)開發(fā)。與CIP協(xié)議一樣，CIP Motion也將經(jīng)過全面的一致性測試，確保它的開放性、兼容性和互操作性。

EtherNet/IP – CIP Motion何時問世？

EtherNet/IP早已問世，它具有豐富的產(chǎn)品供用戶選擇，目前總計安裝節(jié)點已經(jīng)超過100萬個。CIP Motion是基于EtherNet/IP的解決方案，它擴(kuò)展了對伺服驅(qū)動器和變頻器的控制。支持CIP Motion的產(chǎn)品可以全面支持現(xiàn)有及未來的EtherNet/IP產(chǎn)品。

目前，CIP Sync和CIP Motion規(guī)范正在由ODVA分布式運動控制特別聯(lián)合工作組負(fù)責(zé)開發(fā)。兩種用于論證CIP Sync和CIP Motion協(xié)議的原型設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行了內(nèi)部展示。估計到2006年末，將會出現(xiàn)第一種支持CIP Motion的產(chǎn)品。

總結(jié)                  

EtherNet/IP是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)，它能夠在廣闊的區(qū)域中支持大量現(xiàn)場設(shè)備的連接。 EtherNet/IP CIP Motion根據(jù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)能力而設(shè)計，支持高性能的運動控制。通過CIP Motion的功能擴(kuò)展，使得EtherNet/IP能夠?qū)F(xiàn)場設(shè)備和運動控制器集成在同一網(wǎng)絡(luò)中，避免了為運動控制系統(tǒng)提供一套獨立的通訊網(wǎng)絡(luò)。這種方法不僅節(jié)省了系統(tǒng)成本，還提高了系統(tǒng)性能，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。

通過使用最先進(jìn)的技術(shù)，EtherNet/IP CIP Motion能夠在符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP協(xié)議的前提下，提供對運動控制的支持。這樣一來，用戶就可以使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)組件和設(shè)備；任何支持IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點，無需特殊的交換機(jī)或網(wǎng)關(guān)，就能連接到網(wǎng)絡(luò)中；另外，它還支持未來的以太網(wǎng)組件和技術(shù)。

從控制器與驅(qū)動器的單播通訊，到控制器與驅(qū)動器、驅(qū)動器與驅(qū)動器、控制器與控制器之間的多播通訊，CIP Motion規(guī)范為變頻器和伺服驅(qū)動器提供了全面而豐富的功能支持。