現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)12 工業(yè)以太網(wǎng)

1、第十二章工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù) 12.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù) n12.1 工業(yè)以太網(wǎng)概述 n12.2 工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) n12.3 工業(yè)以太網(wǎng)互連模型 n12.4 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)解決的問(wèn)題n12.5 工業(yè)以太網(wǎng)非確定性問(wèn)題的解決措施 n12.6 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 12.1 工業(yè)以太網(wǎng)概述n1.1.何謂工業(yè)以太網(wǎng)（何謂工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Industrial EthernetEthernet）？）？n應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)。n在以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。2.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)n在IS0/OSI7層協(xié)議中，以太網(wǎng)本身只定義了物理層和

2、數(shù)據(jù)鏈路層。n高層控制協(xié)議，以太網(wǎng)使用了TCP/IP協(xié)議。nIP(internet protocol)：確定信息傳遞路線nTCP(transmission controI protocol)：保證傳輸?shù)目煽啃?。n3. 3. IPIP技術(shù)技術(shù)nIP技術(shù)是Internet的基礎(chǔ)：IEEE1394，ATM(asynchronous transfer mode)，TCP,UDP(user datagram protocol)等等，它還可以適用于其它的通信標(biāo)準(zhǔn)，如FTP(file transfer protocol)和SMTP(Simple mail transfer protocol)等。n以太網(wǎng)已成

3、為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)： 辦公自動(dòng)化 企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)n4.工業(yè)以太網(wǎng)的國(guó)際組織工業(yè)以太網(wǎng)的國(guó)際組織n工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì) (industrial ethernet association，lEA)n工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(industrial automation network alliance,IAONA)n推進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、教育和標(biāo)準(zhǔn)化管理、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域運(yùn)用n美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE)也正著手制定現(xiàn)場(chǎng)裝置與以太網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)。n5.5.工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展n以太網(wǎng)技術(shù)最早由Xerox開(kāi)發(fā)，后經(jīng)數(shù)字設(shè)備公司 (digitalequipment此rp)、lntel公司聯(lián)合擴(kuò)

4、展，于1982年公布了以太網(wǎng)規(guī)范。IEEE802.3就是以這個(gè)技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)制定的。n以太網(wǎng)規(guī)范只包括通信模型中的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。n工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)：工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)：n不僅包含了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)規(guī)范，而且包含TCP/IP協(xié)議組，即包含網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議lP、傳輸層的傳輸控制協(xié)議TCP、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議UDP等。n有時(shí)甚至把應(yīng)用層的簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議SMTP、域名服務(wù)DNS、文件傳輸協(xié)議FTP、再加上超文本鏈接HTTP、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布等互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用協(xié)議都與以太網(wǎng)這個(gè)名詞捆綁在一起。n6.6.過(guò)去以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用有限過(guò)去以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用有限 （1）以太網(wǎng)采用CSMA/

5、CD碰撞檢測(cè)方式：網(wǎng)絡(luò)的不確定性 （2）以太網(wǎng)所用的接插件 (connector)、集線器 (hub)、交換機(jī) (switches)和電纜等不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。 （3）以太網(wǎng)抗干擾性能較差，不具備本質(zhì)安全性能。 （4）以太網(wǎng)還不具備通過(guò)信號(hào)線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的性能。n7.7.現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)融合現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)融合n在現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議中，為提高傳輸效率，一般只定義七層協(xié)議中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。n為與以太網(wǎng)融合，通常在數(shù)據(jù)包前加入IP地址，并通過(guò)TCP來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。n如今的控制網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)己經(jīng)成為企業(yè)層和控制層的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。12.2 工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)n1.1.工業(yè)以太網(wǎng)與

6、其它控制網(wǎng)絡(luò)比較的優(yōu)勢(shì)工業(yè)以太網(wǎng)與其它控制網(wǎng)絡(luò)比較的優(yōu)勢(shì): :n（1）工業(yè)以太網(wǎng)可以滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，使企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)得以統(tǒng)一。n（2）設(shè)備成本下降。n（3）用戶擁有成本下降。n（4）以太網(wǎng)易與Internet集成。n2.2.以太網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有如下以太網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)技術(shù)優(yōu)勢(shì): :n（1）采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以保證現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投人，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展。如果工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，將保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，并在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需獨(dú)自的研究投入。n

7、（2）以太網(wǎng)受到廣泛的開(kāi)發(fā)技術(shù)支持。n由于以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，例如Java、VisualC+、VisualBasic等。n采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以保證多種開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境供選擇。n（3）由于以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它也受到硬件開(kāi)發(fā)商的高度重視，這使得以太網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有廣泛的硬件產(chǎn)品可供選擇。n（4）由于以太網(wǎng)己被使用多年，以太網(wǎng)具有大量的軟件資源，人們對(duì)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用有很多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)十分熟悉。n最重要的是，如果采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以避免現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

8、和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流技術(shù)很好地融合起來(lái)，形成現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互促進(jìn)的局面。n這將意味著可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的徹底開(kāi)放，從而打破任何壟斷的企圖，并使自動(dòng)化領(lǐng)域產(chǎn)生新的生機(jī)和活力。12.3 工業(yè)以太網(wǎng)互連模型n物理層與數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.3規(guī)范n網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層采用TCP/IP協(xié)議組n應(yīng)用層的一部分可以沿用上面提到的那些互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議。12.4 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)解決的問(wèn)題n1.1.通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題n以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，其本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的。平等競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式不能滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)νㄐ诺膶?shí)時(shí)性要求。n以太網(wǎng)一直被認(rèn)為不適合

9、在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用。需要有針對(duì)這一間題的切實(shí)可行的解決方案。n2.2.對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性問(wèn)題對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性問(wèn)題n以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計(jì)的，將它用于工業(yè)控制環(huán)境，其魯棒性、抗干擾能力等能否自動(dòng)化的要求。n在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要特別注重材質(zhì)、元器件的選擇。使產(chǎn)品在強(qiáng)度、溫度、濕度、振動(dòng)、干擾、輻射等環(huán)境參數(shù)方面滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。n3.3.總線供電總線供電n在控制網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的位置分散性使得它們對(duì)總線有提供工作電源的要求。現(xiàn)有的許多控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都可利用網(wǎng)線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，工業(yè)以太網(wǎng)目前還沒(méi)有對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電做出規(guī)定。n4.4.本質(zhì)安全本質(zhì)安全n工業(yè)以太網(wǎng)如果要用在一些易燃易爆的危險(xiǎn)工業(yè)

10、場(chǎng)所，就必須考慮本安防爆問(wèn)題，這是在總線供電解決之后要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。n用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)段用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)段n在工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)中，直接采用以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)只是工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)方面，現(xiàn)有的許多現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)提出了與以太網(wǎng)結(jié)合，用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)段，使控制網(wǎng)絡(luò)與Internet融為一體的解決方案。n例如Hl的高速網(wǎng)段HSE，EtherNet/IP，PROFlNet等，都是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的典型代表。n“E”E”網(wǎng)到底，遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)到底，遠(yuǎn)程監(jiān)控n在控制網(wǎng)絡(luò)中采用以太網(wǎng)技術(shù)無(wú)疑有助于控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實(shí)現(xiàn)Ethernet的“

11、E”網(wǎng)到底，使控制網(wǎng)絡(luò)無(wú)需經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換即可直接連至互聯(lián)網(wǎng)，使測(cè)控節(jié)點(diǎn)有條件成為互聯(lián)網(wǎng)上的一員。n在應(yīng)用層協(xié)議尚末統(tǒng)一的環(huán)境下，借助IE等通用的網(wǎng)絡(luò)測(cè)覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視與控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，也是人們提出且正在實(shí)現(xiàn)的一個(gè)有效的解決方案。12.5 工業(yè)以太網(wǎng)非確定性問(wèn)題的解決措施n通信非確定性是以太網(wǎng)技術(shù)迸人控制領(lǐng)域的最大障礙。n控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其最大特點(diǎn)在于它應(yīng)該滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。n以太網(wǎng)采用CSMA/CD的媒體訪問(wèn)控制方式：非確定性 (non-deterministic)網(wǎng)絡(luò)。n1.提高通信速率n在相同通信量的條件下，提高通信速率可以減少通信信號(hào)占用傳輸介質(zhì)的時(shí)

12、間，從一個(gè)角度為減少信號(hào)的碰撞沖突，解決以太網(wǎng)通信的非確定性提供了途徑。n以太網(wǎng)： 10Mbit/s，100Mbit/s到千兆n控制網(wǎng)絡(luò)：幾十千位/s、幾百千位/s、lMbit/s、5Mbit/sn通信速率的提高是明顯的，對(duì)減少碰撞沖突也是有效的。n2.2.控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷n減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也可以減少信號(hào)的碰撞沖突，提高網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。n控制網(wǎng)絡(luò)的通信量不大，隨機(jī)性、突發(fā)性通信的機(jī)會(huì)也不多，其網(wǎng)絡(luò)通信大都可以事先預(yù)計(jì)，并對(duì)其做出相應(yīng)的通信調(diào)度安排。 在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí) 正確選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 控制各網(wǎng)段的負(fù)荷量 合理分布各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)位置n3.3.采用以太網(wǎng)絡(luò)的全雙工交換技術(shù)采用以太網(wǎng)絡(luò)的全

13、雙工交換技術(shù)n采用以太網(wǎng)交換機(jī)，將網(wǎng)絡(luò)切分為多個(gè)網(wǎng)段，就為連接在其端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了獨(dú)立的帶寬，相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備獨(dú)點(diǎn)一個(gè)網(wǎng)段，使同一個(gè)交換機(jī)上的不同設(shè)備之間不存在資源爭(zhēng)奪。n在網(wǎng)段分配合理的情況下，由于網(wǎng)段上的多數(shù)數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)傳輸，因此交換機(jī)能夠過(guò)濾掉這些數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)只在本地網(wǎng)絡(luò)傳輸，而不占用其他網(wǎng)段的帶寬。n交換機(jī)之間通過(guò)主干線進(jìn)行連接，從而有效地降低了各網(wǎng)段和主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，使網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生沖突的可能性大大降低，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。n4.4.提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的元件提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的元件n現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一系列密封性好、堅(jiān)固、抗震動(dòng)的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件，例如導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器、交換

14、機(jī)、帶鎖緊機(jī)構(gòu)的接插件等。它們適合在工業(yè)環(huán)境中使用，為以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制環(huán)境創(chuàng)造了條件。n采取上述措施可以使以太網(wǎng)的非確定性問(wèn)題得到相當(dāng)程度的緩解，但還不能說(shuō)從根本上得到了解決。12.6 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)n以太網(wǎng)描述了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并已成為Internet的協(xié)議。n所以，許多現(xiàn)場(chǎng)總線組織也在致力于發(fā)展lP和以太網(wǎng)技術(shù)，當(dāng)前快速發(fā)展的IT(information technology)技術(shù)已成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的一部分。n隨著微處理器和工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，末來(lái)的I/O設(shè)備可以是一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過(guò)測(cè)覽器網(wǎng)頁(yè)就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的加載、組態(tài)、監(jiān)控。n注冊(cè)時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)IP自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)上的硬件

15、，這時(shí)組態(tài)軟件就可以顯示這些硬件，并提供組態(tài)界面。 n當(dāng)前流行的OPC(OLE for Process Control)、HTTP等技術(shù)將為這一過(guò)程鋪平道路。n上位機(jī)和底層設(shè)備之間的客戶端-服務(wù)器模式如圖所示。n還可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中嵌人稱之Chip Sever的Internet芯片，從而使Internet無(wú)處不在的理念得到實(shí)現(xiàn)。n還可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中嵌人稱之Chip Sever的Internet芯片，從而使Internet無(wú)處不在的理念得到實(shí)現(xiàn)。nWindowsNT對(duì)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序的支持，將使其成為工業(yè)控制中最合適的操作系統(tǒng)。nWindowsCE也被認(rèn)為是設(shè)備合適的嵌人式操作系統(tǒng)。 Windows NT會(huì)占據(jù)80%的市場(chǎng)分額 Windows CE以其實(shí)時(shí)功能占據(jù)16% 剩下的4%是專用系統(tǒng)n從信息集成的觀點(diǎn)來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線的底層信息必然要和上層的通用局域網(wǎng)連