全方位解读EtherNet/IP和工业物联网
简述
- 模拟技术在工业厂房中仍然十分普遍，因为它长期以来一直是自动化系统的基础。
- 在以太网和无线解决方案的推动下，工业领域正经历着向数字式通信的重大转型。
- EtherNet/IP是这一转型过程中的重要协议，为互联性和集成提供了全新契机。
- EtherNet/IP是正确的选择吗？答案取决于您的实际应用和要求。
- 本文将回顾一些基本知识，并探究EtherNet/IP如何助力实现工业物联网（IIoT）的高级功能。
家用以太网与EtherNet/IP有什么区别？
您可能会发现，随着无线网络的日益普及，如今以太网设备正逐渐减少；但无论是用于互联网连接还是智能电视，以太网仍然是我们日常生活中不可或缺的部分。在工业环境中，以太网标志着一场重大的演进。EtherNet/IP一词中包含众所周知的“IP”，类似于您用于连接互联网的IP地址。但在这里，它代表工业协议，是专为工业应用优化的巧妙方案。
现场仪表可以通过以太网连接，所用电缆和连接器与家用电器类似。当然，工业应用需要使用更加坚固耐用的型号，确保耐受严苛工况条件，但基本原理保持不变。总之，您已经非常熟悉“新型”工业以太网设备的工作原理。既然我们已经明确了这项技术的普及程度，接下来就深入探讨一下它的独特之处。
EtherNet/IP是如何诞生的？
20世纪90年代，ControlNet International Ltd.的一支小团队发起了EtherNet/IP的开发。到了2000年，他们意识到需要更多支持才能推进项目。当时众筹并不可行，因此他们选择了传统途径。
他们与开放式设备网络供应商协会（ODVA）建立了伙伴关系，这是一家创立于1995年的自动化制造商组织。ODVA同意合作开发EtherNet/IP。2009年，原始开发团队将协议全权移交给了ODVA及其成员。如今，ODVA继续维护并推广通用工业协议（CIP™）及相关技术，包括ControlNet®、CompoNet®和DeviceNet®。
除了协议开发外，ODVA还致力于确保供应商与系统之间的互操作性，这在工业自动化领域是一项复杂挑战。该组织倡导使用商用现成（COTS）组件以及原生互联网和以太网技术，以简化集成和采用过程。
什么是EtherNet/IP？
EtherNet/IP基于CIP，遵循开放系统互连（OSI）模型以及以及标准TCP/UDP协议族，是灵活且业界领先的以太网网络和开放式IEC标准。其允许您在同一网络中连接现场传感器、控制器和控制系统。
协议的应用范围非常广泛，涵盖动力控制（电机、驱动器、软启动器等）以及离散控制（安全I/O、机器人等）。此外，还可将IP摄像头、WiFi和IP电话接入网络中，为用户带来了无限可能。所有这些特性都表明，EtherNet/IP完全能够满足工业物联网的需求。
什么是EtherNet/IP标准？
此处将为您列出必须知晓的要点，不再赘述整个标准：
- IEEE 802.3：标准、以太网、精确时间协议（IEEE-1588）
- IEC：国际电工委员会 – IEC 61158
- ODVA：通用工业协议（CIP）
- IETF：互联网工程工作小组、标准互联网协议（IP）
此外，EtherNet/IP不仅将CIP加入会话层，同时也遵循OSI模型协议框架。我们来看看以下图表：
最后，您可以选择多种通信方式。物理层支持无线、铜缆、光纤等多种传输介质。数据链路层允许采用不同标准，具体取决于物理层 – 例如IEEE 802.3（光纤）、IEEE 802.3或802.1（铜缆）和IEEE 802.11（WiFi）。
全新的高级物理层（Ethernet-APL）也只用两根线缆分别实现供电与通信，即使在防爆场合也是如此！
什么是EtherNet/IP拓扑结构？
以太网技术经历了从10 Mbps总线/树形拓扑结构和半双工通信，到100 Mbps和1Gbps全双工通信和基于交换机/路由器的星型拓扑结构的真正演变。这一演变使以太网网络具备了支持关键工业系统的能力。
EtherNet/IP是主动式基础设施，其网络分段采用星型拓扑结构中的点对点连接。此类拓扑结构的核心在于二层交换机和三层交换机的互连。这些交换机支持多个点对点节点。
EtherNet/IP网络还支持线性和单容错环形拓扑结构。因此，其采用嵌入式交换机和设备级环网技术（DLR）。这些替代拓扑结构可以组合使用，从而优化电缆敷设和通信布局。
我真正需要了解EtherNet/IP的哪些信息？
虽然我们可以深入探究EtherNet/IP网络的技术细节，但为了简明起见，我们将主要话题提炼为三个问题。解答这些问题将帮助您更好地理解EtherNet/IP网络。
1 – TCP和UDP之间有什么区别？
EtherNet/IP基于TCP/UDP IP标准，但这个标准代表什么呢？TCP（传输控制协议）以单播数据包或帧的形式进行可靠而慢速的数据传输。例如，电子邮件和网页浏览都使用TCP连接，它也适用于诊断数据传输；而UDP则适用于自动化或控制应用中的I/O数据传输。
现在，当我们转而使用UDP（用户数据报协议）时，会发现连接速度要快得多，但它不能保证传输的数据一定能到达接收方。UDP以单播、组播和广播数据包或帧的形式进行数据传输，例如用于流媒体音乐或视频传输。
2 – 是否能将EtherNet/IP与其他TCP/IP应用一起使用？
可以，EtherNet/IP的开发旨在实现与其他TCP/IP应用的共存。以下是市面上常见的一些TCP/IP应用实例：
- HTTP – 超文本传输协议
- SNMP – 简单网络管理协议
- Modbus/TCP
- OPC UA
3 – EtherNet/IP的基本组成部分有哪些?
该网络由一系列关键要素组成，旨在实现设备与控制系统之间的通信。EtherNet/IP分为三个类别，用于识别各组成部分及其用途。
- 扫描器：扫描器类按周期（通过更新时间定义）映射网络的输入和输出变量。实例：PLC和控制器
- 消息：消息类支持显式消息传输，而非实时I/O数据。实例：诊断工具、网络配置工具、SCADA和HMI系统
- 适配器：适配器类为内置EtherNet/IP协议的设备提供特定功能。实例：传感器、阀门、网关。
EtherNet/IP如何应用于工业物联网解决方案？
EtherNet/IP是一种数字通信技术，拓展了我们在集成与数据使用方面的边界。遵循NAMUR NOA理念，您可使用边缘设备直接从网络提取信息，并将其传输至各类云服务。例如，Endress+Hauser的Netilion工业物联网生态系统现在可以通过多种方式支持EtherNet/IP设备；您可以在Netilion Analytics、Netilion Library、Netilion Health和Netilion Value服务中使用这些设备，并在Netilion Analytics和Netilion Library服务中使用第三方设备。这些服务优化了您的数据，便于您随时随地获取所需信息。每种服务都能为日常工作带来切实的益处。
工业物联网服务让您能够轻松访问现场仪表的相关信息。它们提供便捷安全的云集成解决方案，确保您在行业中取得进步，显著提升维护水平，提高生产效率等。
