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[科普中国]-通用工业协定

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通用工业协议Common Industrial Protocol,简称CIP)是一种应用在工业自动化的通信协议,由开放DeviceNet厂商协会(简称ODVA)所维护。以前的名称为控制信息协议Control and Information Protocol,简称也是CIP)。

简介通用工业协议Common Industrial Protocol,简称CIP)是一种应用在工业自动化的通信协议,由开放DeviceNet厂商协会(简称ODVA)所维护。以前的名称为控制信息协议Control and Information Protocol,简称也是CIP)。

通用工业协议包括了许多消息及服务,应用范围都和制造自动化有关,包括控制、安全性、同步、运动控制、配置和信息。通信工业协议在EtherNet/IP、DeviceNet、CompoNet及ControlNet等通信协议中都有支持。

开放DeviceNet厂商协会支持许多以通信工业协议为基础的网络技术,包括一些通信工业协议(CIP)的派生协议:如CIP Safety、CIP Motion及CIP Sync。1

EtherNet/IPEtherNet/IP是由洛克威尔自动化公司开发的工业以太网通讯协定,由ODVA(ODVA)管理,可应用在程序控制及其他自动化的应用中,是通用工业协定(CIP)中的一部分。

EtherNet/IP名称中的IP是“Industrial Protocol”(工业协议)的简称,和网际协议没有关系。1

历史EtherNet/IP是在1990年后期由洛克威尔自动化公司开发.是洛克威尔工业以太网络方案的一部分。后来洛克威尔就和EtherNet/IP交给ODVA管理,ODVA管理EtherNet/IP通讯协定,并确认不同厂商开发的EtherNet/IP设备都符合EtherNet/IP通讯协定,确保多供应商的EtherNet/IP网络仍有互操作性。

技术细节EtherNet/IP将以太网的设备以预定义的设备种类加以分类,每种设备有其特别的行为,此外,EtherNet/IP设备可以:

用用户数据报协议(UDP)的隐式报文传送基本I/O资料。

用传输控制协议(TCP)的显式报文上传或下载参数、设定值、程式或配方。

用主站轮询、从站周期性更新或是状态改变(COS)时更新的方式,方便主站监控从站的状态,讯息会用UDP的报文送出。

用一对一、一对多或是广播的方式,透过用TCP的报文送出资料。

EtherNet/IP使用TCP埠编号44818作为显式报文的处理,UDP埠编号2222作为隐式报文的处理。

EtherNet/IP的应用层协定是以使用在DeviceNet、CompoNet及ControlNet的通用工业协定(CIP)为基础。

安全性2012年2月14日,Basecamp计划的安全研究者提出了一个针对洛克威尔的ControlLogixPLC,EtherNet/IP通讯缺陷的Metasploit攻击。此安全性漏洞若没处理,可以允许远端攻击者破坏设备或使设备在未预期的情形下重新开机,而这些设备往往也是工业系统上的关键设备或元件。2

DeviceNetDeviceNet是一种用在自动化技术的现场总线标准,由美国的Allen-Bradley公司在1994年开发。DeviceNet使用控制器局域网络(CAN)为其底层的通讯协定,其应用层有针对不同设备所定义的行规(profile)。主要的应用包括资讯交换、安全设备及大型控制系统。在美国的市场占有率较高。

DeviceNet由开放DeviceNet厂商协会(Open DeviceNet Vendors Association,ODVA)所维护,是该协会的通用工业协定(Common Industrial Protocol)中的一部分。3

历史DeviceNet通讯协定是由美国的Allen-Bradley公司(后来被洛克威尔自动化公司合并)所开发,以Bosch公司开发的控制器局域网络(CAN)为其通讯协定的基础。DeviceNet移植了来自ControlNet(另一个由Allen-Bradley公司开发的通讯协定)的技术,再配合控制器局域网络的使用,因此其成本较传统以RS-485为基础的通讯协定要低,但又可以有较好的强健性。

为了要推展DeviceNet在世界各地的使用,洛克威尔公司决定将此技术分享给其他厂商。后来DeviceNet通讯协定是由位在美国的独立组织开放DeviceNet厂商协会(ODVA)管理。ODVA维护DeviceNet的规格、也提供一致化测试),确保厂商的产品符合DeviceNet通讯协定的规格。

后来ODVA将DeviceNet通讯和其他相关的通讯协定整合成通用工业协定(CIP),其中包括以下的通讯协定

EtherNet/IP(其N为大写,此处的IP不是网际协议,为“Industrial Protocol”的简称)

ControlNet

DeviceNet

CompoNet

技术简介定义OSI模型七层架构中的物理层、数据链路层及应用层

网络中除了信号外,也包括电源,支援网络自供电机能(一般用在小型的设备中,如光电监测器、限位开关或近接开关等)

允许三种比特率:125 kbit/s、250 kbit/s及500 kbit/s,不同比特率下的主干线(trunk)长度和比特率成反比

网络中可以使用扁平电缆

单一网络中最多可以有64个节点,节点地址(在DeviceNet中称为MAC ID)由0到63

有重复节点地址侦测的功能

支援主站-从站(master-slave)及端对端(peer-to-peer)通讯架构,不过大部分的设备是在前者的网络架构下运作

允许单一网络中多重主站的功能

可以在高噪声的环境下使用

架构物理层

DeviceNet网络使用干线(trunkline)-分支线(dropline)的网络拓扑,允许在网络中使用分接头,一方面简化配线及存取网络。而且要从网络中加入或移除设备都相当简单,减少生产线停机及除错的时间,提高网络的灵活性。

DeviceNet提供125 kbit/s、250 kbit/s及500 kbit/s三种不同的资料传输速度。依使用的通讯线种类不同,DeviceNet允许的通讯线长度也有所不同,若使用圆的粗电缆,通讯线长度最长可以到500米,一般的圆电缆长度可以到100米,扁平型的电缆在比特率125 kbit/s时可以到380米,500 kbit/s时则只能到75米。

数据链路层

DeviceNet使用控制器局域网络(CAN)为其数据链路层。CAN是一种差动的串列总线,其低成本及高干扰性为其优点。CAN的每一个讯息都有其对应的讯息标识符,讯息标识符可用来决定不同讯息的优先级,网络上的设备也根据讯息标识符来判断是否需处理此一讯息。

在送出资讯帧时会先送出帧启始位元进行同步,讯息标识符及远程需求位元会用来决定讯息的优先权,CAN使用CSMA的技术,在网络空闲时,任何设备都可以试图送出资料上传,在送出资料时,设备也会同步确认网络上资料和送出资料是否一致,此作法可以避免多台设备同时试图送出资料,也可以验证送出资料的正确性。在二台或多台设备同时试图送出资料时,会利用讯息标识符及远程需求位元进行位元仲裁(Bitwise Arbitration),上述资料最小的讯息有优先权,可以继续传送,其他设备则会停止送出讯息,其到网络空闲时才会再次送出资料。

后面的六个位元为控制字段,其中二个位元固定,后面四个位元标示实际资料的长度。资料字段中则为实际的资料,长度可以由0到8个个字节不等,需和控制字段中标示的长度一致。在资料字段后面的是15个位元循环冗余校验(CRC)字段,可以在收到资料时确认资料是否正确。CAN提供了许多错误检查及故障隔离(fault confinement)的机制,适合噪声较大的环境下使用。

应用层

DeviceNet是一个以连接(connection)概念为基础的通讯协定,若要与一设备通讯,就需要和设备建立连接,可以透过未连接讯息管理器(UCMM)和未连接埠来建立连接,之后就可以和此设备进行通讯。设备借由连接可以传送或接收显式(Explicit)讯息及I/O讯息。

显式讯息的资料包括有资料及协议内容,一般会用请求/应答的方式进行。典型的显式讯息包括组态资料及对没有及时性要求的资料。I/O讯息也称为隐式(imlicit)讯息,一般都是有及时性要求的资料,资料中不包含通讯协议,因此传送端及接收端都需事先知道讯息中资料的定义,其优点是通讯的效率较高。在DeviceNet中,二个设备要建立隐式讯息连接之前,需要先透及用显式讯息进行设定,只要连结设定完成,即可透过CAN识别符将讯息传送给对应的节点。

一致性测试

DeviceNet设备的制造商可透过一致性测试,宣告其产品和DevicNet规范相容。ODVA在全球有三个独立的测试实验室,制造商可将其产品送交进行认证。

厂商在进行一致性测试前,需向ODVA进行注册供应商,索取供应商ID,再购买DeviceNet规范及一致性测试的软件及对应的硬件界面卡。厂商可以自行测试其DeviceNet产品,在自行测试完成后提交ODVA的测试实验室再作验证。若验证未通过,厂商需再进行修改及测试,直到通过测试实验室的独立验证为止。3

参见EtherNet/IP

ControlNet

DeviceNet

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学