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1、計算機網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)第 11 章 現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)11.1 現(xiàn)場總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)11.4 常用工業(yè)以太網(wǎng)n現(xiàn)場總線技術(shù)nIECIEC規(guī)范中對現(xiàn)場總線的描述規(guī)范中對現(xiàn)場總線的描述:一:一種應(yīng)用于種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)現(xiàn)場,在現(xiàn),在現(xiàn)場控制設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)控裝置之間實行場控制設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)控裝置之間實行雙向、串雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。n工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò):n由多個分散在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有數(shù)字通信能力的測量控制儀由多個分散在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有數(shù)字通信能力的測量控制儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而形成的網(wǎng)絡(luò)表作為網(wǎng)絡(luò)

2、節(jié)點而形成的網(wǎng)絡(luò)n以以現(xiàn)場總線作為通信連接現(xiàn)場總線作為通信連接的的紐帶,完成紐帶,完成測量控制任務(wù)的網(wǎng)測量控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)n工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)11.1現(xiàn)場總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)減少了接線與安裝4- 20 mAISISISISISFieldbus傳統(tǒng)的4-20MA接線方式多個設(shè)備共用一個本安柵,多個設(shè)備共用一個本安柵,一對接線一對接線現(xiàn)場總線技術(shù)概述FCSDCSI/O CPU.FCSDCSFCSDCS工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求n(1)實時性好:實時性好:不僅需要傳輸速度快,而且還要求響應(yīng)快;能夠在規(guī)定的時間內(nèi),把數(shù)據(jù)傳輸給指定設(shè)備

3、。n(2)可靠性和容錯性好:可靠性和容錯性好:既能安裝在工業(yè)現(xiàn)場,也能長期穩(wěn)定地工作;在網(wǎng)絡(luò)局部故障時,能在短時間內(nèi)重建新連接。n(3)環(huán)境適應(yīng)性好:環(huán)境適應(yīng)性好:機械環(huán)境適應(yīng)性好,如耐振動、耐沖擊等;氣候環(huán)境適應(yīng)性好,如溫度要求4085度、耐腐蝕、防塵、防水等;電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN500081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。11.1現(xiàn)場總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求n(4)開放性和可擴展性好。n(5)安全性要求:安全性要求:在易燃易爆的場合使用時,要求產(chǎn)品具備防爆性能,包括隔爆和本質(zhì)安全;防病毒、訪問權(quán)控制、數(shù)據(jù)加密等。n(6)總線供電要求:總線供電要求:現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)

4、絡(luò)不僅能傳輸信息,還能為現(xiàn)場總線設(shè)備提供工作電源。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)對總線供電進(jìn)行了規(guī)范。n(7)安裝要求:安裝要求:適應(yīng)工業(yè)環(huán)境安裝;方便調(diào)試和維修。11.1現(xiàn)場總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)n現(xiàn)場總線技術(shù)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),是計算機網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物(3C) ,適應(yīng)企業(yè)信息集成系統(tǒng) 、管理控制一體化系統(tǒng)的發(fā)展需要。nIT技術(shù)在自控領(lǐng)域的延伸;自控領(lǐng)域的IT技術(shù)11.1現(xiàn)場總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線特點n適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境,多為短幀傳送。n要求實時性強,可靠性高,安全性好。n通信的傳輸速率相對較低。現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀n多種總線共存,每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域n每種總線各有其國際組織,均有

5、其支持背景n設(shè)備制造商參加多個總線組織n多種總線均作為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)n協(xié)調(diào)共存n工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域Type1 TS61158現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type2 CIP現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type3 Profibus現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type4 P2NET現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type5 FF HSE高速以太網(wǎng)高速以太網(wǎng)Type6 SwiftNet被撤消被撤消Type7 WorldFIP現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type8 INTERBUS現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type9 FF H1 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type10 PROFINET RTEIEC61158第四版中列出的第四版中列出的20種現(xiàn)場種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)Type11

6、TCnet RTEType12 EtherCAT RTEType13 Ethernet Powerlink Type14 EPA RTEType15 Modbus2 RTPS RTEType16 SERCOS.現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type17 VNET/ IP RTEType18 CC2Link現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type19 SERCOS RTEType20 HART現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線RTE(real-time ethernet):實時以太網(wǎng):實時以太網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)互連網(wǎng)Internet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet底層控制網(wǎng)Infranet企業(yè)資源規(guī)劃層ERP制造執(zhí)行層MES現(xiàn)場控制層FCS1

7、1.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述E網(wǎng)到底11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)n由于不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和確定性,以太網(wǎng)在工控領(lǐng)域沒有得到廣泛應(yīng)用。n通過實時通訊增強技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計和實現(xiàn),以太網(wǎng)也可滿足工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的實時性要求和工業(yè)環(huán)境的現(xiàn)場要求,這種改進(jìn)后的以太網(wǎng)被稱為工業(yè)以太網(wǎng)。 n工業(yè)以太網(wǎng)是指在技術(shù)上與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計、材質(zhì)、強度、穩(wěn)定性和實時性等方面能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場、環(huán)境、可靠性、安全性等要求的以太網(wǎng)。11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢n工業(yè)以太網(wǎng)源于普通以太網(wǎng)。n可滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求,利于管控一體化。n設(shè)備成本下降,用戶維護成本下降。n易與

8、Internet集成。n廣泛的開發(fā)技術(shù)支持,大量的現(xiàn)有軟件資源。11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)的要求工業(yè)以太網(wǎng)的要求n既要在技術(shù)上兼容商業(yè)以太網(wǎng),又必須滿足工控網(wǎng)絡(luò)通訊的技術(shù)要求。n對于無實時性要求的數(shù)據(jù)傳輸,以太網(wǎng)工作方式?jīng)]有問題;對于有實時要求的數(shù)據(jù)傳輸,工業(yè)以太網(wǎng)需要解決實時通訊問題,才能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的實時性要求。n產(chǎn)品設(shè)計時,在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、可靠性、抗干擾能力、實時性等方面都要滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的應(yīng)用需求。11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求 工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備商用以太網(wǎng)設(shè)備商用以太網(wǎng)設(shè)備元器件元器件

9、工業(yè)級工業(yè)級商業(yè)級商業(yè)級接插件接插件耐腐性、防塵、防水,如加固型耐腐性、防塵、防水,如加固型RJ45RJ45、DBDB9 9、航空接頭等、航空接頭等一般一般RJ45RJ45工作電壓工作電壓24VDC24VDC220VAC220VAC電源冗余電源冗余雙電源雙電源一般沒有一般沒有安裝方式安裝方式可采用可采用DINDIN導(dǎo)軌或其它固定安裝導(dǎo)軌或其它固定安裝桌面、機架等桌面、機架等工作溫度工作溫度-40-408585或或-20-2070705 54040電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)EN 50081EN 500812 2(工業(yè)級(工業(yè)級EMCEMC)EN 50082EN 500822 2( (工業(yè)級工業(yè)級E

10、MC)EMC)EN 50081EN 500812 2(辦公室用(辦公室用EMCEMC)EN 50082EN 500822 2( (辦公室用辦公室用EMC)EMC)MTBFMTBF值值至少至少1010年年3 35 5年年可靠的連接航空插頭連接航空插頭連接11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)高的防護等級:IP65n防塵防塵 完全防止外物侵入,且可完全防止灰塵進(jìn)入。完全防止外物侵入,且可完全防止灰塵進(jìn)入。n防止噴射的水侵入防止噴射的水侵入 防止各自各方向由噴嘴射出的水防止各自各方向由噴嘴射出的水進(jìn)入燈具造成損害。進(jìn)入燈具造成損害。IPIP(INGRESS PROTECTIONINGRESS PROTECTI

11、ON)防護等級系統(tǒng)是由)防護等級系統(tǒng)是由IECIEC所起草。將燈具所起草。將燈具依其防塵防濕氣之特性加以分級依其防塵防濕氣之特性加以分級。這里所指的外物含工具,人的手指等均不可接觸到燈這里所指的外物含工具,人的手指等均不可接觸到燈具內(nèi)之帶電部分,以免觸電。具內(nèi)之帶電部分,以免觸電。IPIP防護等級是由兩個數(shù)字防護等級是由兩個數(shù)字所組成,第所組成,第1 1個數(shù)字表示燈具離塵、防止個數(shù)字表示燈具離塵、防止外物侵入外物侵入的等的等級,第級,第2 2個數(shù)字表示燈具防濕氣、防水侵入的個數(shù)字表示燈具防濕氣、防水侵入的密閉程度密閉程度,數(shù)字越大表示其防護等級越高數(shù)字越大表示其防護等級越高11.3 工業(yè)以太網(wǎng)

12、關(guān)鍵技術(shù)IP防護第一個標(biāo)號第一個標(biāo)示特性號碼(數(shù)字)所指的人物侵入防護程度 0 沒有防護 對外界的人或物無特殊防護。 1 防止大于50mm的固體物體侵入 防止人體(如手掌)因意外而接觸到燈具內(nèi)部的零件。防止較大尺寸(直徑大于50mm)的外物侵入。 2 防止大于12mm的固體物體侵入 防止人的手指接觸到燈具內(nèi)部的零件防止中等尺寸(直徑大12mm)的外物侵入。 3 防止大于2.5mm的固體物體侵入 防止直徑或厚度大于2.5mm的工具、電線 或類似的細(xì)節(jié)小外物侵入而接觸到燈具內(nèi)部的零件。 4 防止大于1.0mm 的固體物體侵入 防止直徑或厚度大于1.0mm的工具、電線或類似的細(xì)節(jié)小外物侵入而接觸到燈

13、具內(nèi)部的零件。 5 防塵 完全防止外物侵入,雖不能完全防止灰塵進(jìn)入,但侵入的灰塵量并不會影響燈具的正常工作。 6 防塵 完全防止外物侵入,且可完全防止灰塵進(jìn)入。 第二個標(biāo)示特性號碼(數(shù)字)所指防水防護程度 0 沒有防護 沒有防護。 1 防止滴水侵入 垂直滴下的水滴(如凝結(jié)水)對燈具不會造成有害影響。 2 傾斜15度時仍可防止滴水侵入 當(dāng)燈具由垂直傾斜至15度時,滴水對燈具不會造成有害影響。 3 防止噴灑的水侵入 防雨,或防止與垂直的夾角小于60度的方向所噴灑的水進(jìn)入燈具造成損害。 4 防止飛濺的水侵入 防止各方向飛濺而來的水進(jìn)入燈具造成損害。 5 防止噴射的水侵入 防止各自各方向由噴嘴射出的水

14、進(jìn)入燈具造成損害。 6 防止大浪的侵入 裝設(shè)于甲板上的燈具,防止因大浪的侵襲而進(jìn)入造成損壞。 7 防止浸水時水的侵入 燈具浸在水中一定時間或水壓在一定的標(biāo)準(zhǔn)以下能確保不因進(jìn)水而造成損壞。 8 防止沉沒時水的侵入 燈具無限期的沉沒在指定水壓的狀況下,能確保不因進(jìn)水而造成損壞。 IP防護第二個標(biāo)號ESM: Electrical Switch Module無故障無故障:冗余管理器分隔冗余管理器分隔線端線端應(yīng)用于故障安全的骨應(yīng)用于故障安全的骨干網(wǎng)絡(luò)中干網(wǎng)絡(luò)中冗余技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)ESM: Electrical Switch Module有故障有故障:冗余管理器連冗余管理器連接線端接線端應(yīng)

15、用于故障安全應(yīng)用于故障安全的骨干網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)絡(luò)中冗余技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)冗余雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)冗余雙環(huán)網(wǎng)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實時性和確定性問題:實時以太網(wǎng)技術(shù)實時性和確定性問題:實時以太網(wǎng)技術(shù)方法一方法一n修改MAC層協(xié)議來獲取確定性調(diào)度,通過改變CSMA/CD的運行機制來滿足確定性和實時性。但不采用CSMA/CD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)已不是以太網(wǎng)了。方法二方法二n在保留以太網(wǎng)接口的基礎(chǔ)上,通過在MAC層上增加一個實時調(diào)度軟件層,來實現(xiàn)以太網(wǎng)實時性和確定性。是基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)IC芯片,通過修改既有的軟件協(xié)議實現(xiàn)的。典型的做法有虛擬時間協(xié)議、窗口協(xié)議和通訊平滑協(xié)議等。11.3 工業(yè)

16、以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實時以太網(wǎng)技術(shù)實時以太網(wǎng)技術(shù)方法三方法三n采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù),則交換機各端口之間的輸入和輸出不受CSMA/CD機制的約束,避免了沖突。以太網(wǎng)的通訊實時性有了保障。方法四方法四n降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載:因為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,每個節(jié)點所傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)量很小,且沒有突發(fā)性的大數(shù)據(jù)流量,通過限制每個網(wǎng)段站點的數(shù)量,可降低網(wǎng)絡(luò)流量,滿足實時性要求。 11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方法五方法五n采用報文優(yōu)先級技術(shù),優(yōu)先級高的報文先進(jìn)進(jìn)排隊系統(tǒng)接受服務(wù)。通過優(yōu)先級排序,工業(yè)現(xiàn)場中的緊急事務(wù)信息能夠及時成功地傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng),以得到及時處理。方法六方法六n采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)??梢愿鶕?jù)職能、對象和應(yīng)用

17、等需求不同,可以將不同地理位置的站點劃為1個邏輯網(wǎng)段,形成一個VLAN。不同的VLAN相互隔離,避免廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。實時以太網(wǎng)技術(shù)實時以太網(wǎng)技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方法七方法七n采用IPV6技術(shù)。IPV6技術(shù)具有簡化的數(shù)據(jù)報頭、路由器處理數(shù)據(jù)更快、具有優(yōu)先級、具有流標(biāo)識等功能,可對報文做進(jìn)一步控制。方法方法八八n上述方法的合理集成實時以太網(wǎng)技術(shù)實時以太網(wǎng)技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實時以太網(wǎng)體系以太網(wǎng)物理層SynqNetPowerLinkIT通用應(yīng)用層協(xié)議:SNMP、SNTP、TELNET、FTP、HTTP、PPP、DHCP、 Ethernet/IPProfiNetSRT/IRT傳

18、輸層協(xié)議 UDP/TCP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 IP標(biāo)準(zhǔn)通道FF HSE以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(RFC894/RFC1042)11. 常用工業(yè)以太網(wǎng)幾種實時以太網(wǎng)的通信參考模型比較幾種實時以太網(wǎng)的通信參考模型比較n采用在TCP/IP之上進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換,包括EtherNet/IP、MODBUS-TCP等方案11. 常用工業(yè)以太網(wǎng)IPTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSNMPIEEE 802.3 EthernetIPTCPCIPUpper Layers(Session, Presentation, Application, Device Profiles)Data Link & Physical LayersNetwork LayerTransport LayerExplicitMessagingRe

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