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🍦 EtherNet／IP总线

EtherNet／IP总线

一、EtherNet/IP 基础概念

1.ODVA 组织简介

ODVA 成立于 1995 年，是一个全球性协会，其成员包括世界领先的自动化公司。ODVA 的使命是促进工业自动化中开放的，可互操作的信息和通信技术。ODVA 将其独立于媒体的网络协议，通用工业协议或“CIPTM”以及 CIP 的网络改进版 EtherNet/IPTM，DeviceNetTM ，CompoNetTM 和 ControlNetTM 视为其核心技术。其负责的主要内容有：

  1. 设备的一致性测试认证与互操作；
  2. 授权 EtherNet/IP 技术；
  3. 发放 Vendor ID 代表厂商设备信息；
  4. 其下的 SIG 小组负责各类规范、方针等内容的制定。

2.EtherNet/IP 基础架构

2.1 EtherNet/IP OSI 参考模型

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EtherNet/IP 的 ISO/OSI 参考模型如上图所示，其物理层、链路层、网络层、传输层均与标准以太网相同，特点在于其在传输层之上增添了一个封装层，对来自应用层的数据进行报文格式的封装；而应用层采用的是 CIP 协议，满足其在工业自动化领域的一些功能和服务。

特点：

  1. 服务于各类工业自动化应用；
  2. 基于标准的 IEEE802.3 与 TCP/IP Suite；
  3. 应用层采用通用工业协议 CIP；
  4. IT 集成，包括 Web、OPC 等服务；
  5. 物理层实现基于标准的以太网控制器；
  6. 规定了特定的传输端口，UDP/IP(PORT 44818)，TCP/IP(PORT 44818)。

2.2 EtherNet/IP 各层功能特点

2.2.1 物理层：

1）传输介质可选铜缆双绞线或光纤；

2）几乎可以容纳无限数量的点对点节点；

3）可以通过嵌入式交换机技术和设备级环网技术来实现线型、星型和环网拓扑；

4）可根据需求选择不同的物理接口：基本的以太网连接，支持 COTS 现成商用标准，适合 IP 20 应用；工业等级应用，需性能增强的 RJ-45 连接器，密封 RJ-45 连接器以及更紧凑的 M12 连接器，适合 IP 67 应用；

2.2.2 数据链路层与网络层：

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EtherNet/IP 的链路层帧格式如上图所示，与标准以太网没有区别，遵循 IEEE 802.3 规范设计，并支持全双工传输。

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同时网络层与传输层也使用 TCP/IP 与 UDP/IP 进行传输，两种方式分别传输两种不同的消息：TCP/IP 是面向连接的点对点传输，并且传输的是封装 CIP explicit messages（显示消息），主要用于配置信息与诊断数据的传输；UDP/IP 是单对多的广播传输，主要用于实时性要求较高的数据传输，并由 Timeout 机制检测是否传输出错。

2.2.3 Encapsulation 封装协议
2.2.3.1 主要功能

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实时性要求不同的数据会采用不同的封装形式与传输形式：实时性要求不高的数据会采用 CPF（Common Packet Format 通用包格式）+Encapsulation 的封装，走 TCP/IP 传输通道；而实时性要求较高的数据仅采用 CPF 封装，并走 UDP/IP 传输通道。封装层主要功能如下：

  1. 解除 IP 网络的 CIP 消息封装；
  2. 将 CIP 消息包装为以太网消息；
  3. 会话管理；
  4. 与下层 TCP/IP 协议层以及 TCP/IP 堆栈进行交互。
2.2.3.2 封装结构

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EtherNet/IP 的以太网包与其中的封装部分结构如上图所示，其中封装部分各细分部分功能如下：

Command：代表该包的功能和作用；

Length：指示后方数据域的长度；

Session Handle：会话句柄，表示会话建立或响应的请求；

Status：指示改包的命令有无正确执行，可比对状态码表进行确认；

Sender Context：包含描述发送者信息的内容；

Options：可选设置；

Command-specific Data：根据命令的不同有所区别

2.2.3.3 命令类型

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2.2.3.4 命令特定数据域（CPF）结构

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数据域部分的结构如上图所示，其结构为 1 个 1 个的 item 的连接，其每种 item 的含义如下：

  • Item Count：指示该包数据域中 item 的总个数；
  • Address Item：存放目的地地址信息：

Type ID：地址类型；

  • Length：地址长度；

  • Data：地址具体数值；

  • Data Item：存放数据信息：

Type ID：数据类型；

  • Length：数据长度；

  • Data：具体数据，封装了 CIP 报文包的内容，包含 CIP 命令、请求路径等内容；

2.2.4 传输层的消息类型
2.2.4.1 显式消息

显式消息使用 TCP 进行传输，端口一般是 44818，通信模式是请求响应模式。 主站向从站发送消息，从站回应主站的消息。例如主站向从站发送显示消息。 针对 Class 1(Identity),的 Instance 1 的 Attributes 1 Vendor ID (供应商 ID)执行 Services 0x0E Get_Attribute_Single(获取单个属性) 操作，从站在收到该信息后将自己的供应商 ID 返回给主站。这就是一次完整的显式消息.

应用：非周期性从端数据的读写

特点：

① 报文中包含地址项和服务请求（命令）；

② 通常用于两个站点之间的通用通信路径；

③ 面向逻辑连接的连接方式，点对点传输，请求对应响应；

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上图中，Command 的值为 0x6F，指示该报文为 SendRRData，其上半部分的结构为封装报文头结构，下半部分为命令特定数据域结构，与前文提到的报文结构基本无异。

2.2.4.2 隐式消息

隐式消息(有些厂商也叫做 IO 消息)使用 UDP 进行传输，端口一般是 2222。通信的模式是连接式的。首先主站通过显式消息向从站发起连接请求。主要是针对 Class 6 (Connection Manager)的 Instance 1 执行 Services 0x54 Forward_Open，主站发送连接请求时会附带连接参数等信息.从站在收到这些 Forward_Open 之后，会根据自身的状态判断是否可以建立连接，如果可以会通过显式消息返回给主站连接成功的信息。随后主站和从站会按照连接参数中约定的通信周期，周期性通过 UDP 的 2222 端口向对方发送数据.

应用：实时的 IO 应用数据交互

特点：

① 报文中没有地址项，也没有服务请求（命令）；

② 通过 Connection ID 来确定任务目标；

③ 生产者与（一或多个）消费者之间的特殊通信路径；

④ 点对点或多播；

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上图的报文结构中，不含有封装协议报文头，且命令特定数据域中的地址项与数据均固定，通过 Connection ID 来标识访问的数据。

2.2.5 EtherNet/IP 应用层-CIP

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应用层协议 CIP 规定了 Ethernet/IP 从站设备的四个部分: 对象模型（Object Model）,服务（Services）,消息路由（Message Routing）,连接管理（Connection Management）.

其中最关键的是对象模型.

CIP 中的每个设备都是由多个对象（Objects）组成，每个对象都有以下属性：

Class（类）： 定义对象的类型，例如 Identity Object、Connection Object 等。
Instance（实例）： 类的具体实现，表示实际的设备组件。
Attributes（属性）： 描述对象的状态或配置参数。
Services（服务）： 提供对对象的操作（如读写、配置等）。

基本原理：以是否存在实时性要求为依据，划分数据的优先级，区别对待不同优先级的数据。具体的协议内容，将单独成篇进行介绍。

2.3 EtherNet/IP 特点总结

① 在标准以太网基础上建立，而不仅仅是与之兼容；

② 多种数据传输速率：10、100、1000Mbit/s；

③ 可以使用标准基础架构来构建系统；

④ 可以使用 IP 路由器将网络构建为子网；

⑤ 使用 IP 寻址进行所有通信，完全支持跨子网的通信，因此网络中几乎没有节点数量限制；

⑥ 非实时通信和实时通信可以在同一子网中共存；

⑦ 支持协调驱动和运动控制；

⑧ 支持设备级环网（DLR），该环网通过介质冗余提供单容错能力；

⑨ 与其他上层协议（如 HTTP,FTP,VOIP 等）共存；

3.Ethernet/IP 的性能

Ethernet/IP 总线的实时性是通过设置消息的 Qos 来实现的. 市面上常见的 Ethernet/IP 设备的实时性大部分在 5-10ms. 相比起 EhterCAT 等电机控制协议的 1ms 通信周期, 这个实时性还是较差的. 所以 Ethernet/IP 协议只能用作过程控制, 无法用于运动控制.

4.Ethernet/IP 协议的使用方法

在工业场景中, 很少有使用显式消息的情况, 大部分情况都是主站和从站间通过隐式消息通信 (部分厂家把这个叫做 IO 连接). 这里介绍较为通用的主站连接从站的方法.

对于任何一个 Ethernet/IP 从站设备, 都会配套有一份 eds 文件(设备描述文件). 该文件记录了 从站设备 中所实现的 CIP 对象模型中的类的信息, 以及进行 IO 连接时所需参数信息.

首先将从站的 eds 文件导入主站, 然后主站通过扫描网络中从站的方式(或者手动输入的方式)获取从站的 IP 地址信息.

随后正常启动主站即可建立 Ethernet/IP 网络连接.

不同的主站厂商提供的导入 eds 文件和扫描从站的方式不一样, 请以主站厂商的用户手册为准.