第6章工業(yè)以太網(wǎng)通信原理

第六章

工業(yè)以太網(wǎng)通信原理6.1概述6.2局域網(wǎng)6.3以太網(wǎng)本章的主要內(nèi)容6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.4TCP/IP協(xié)議

2/6/202326.3以太網(wǎng)備用

以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的一種技術(shù)規(guī)范；它屬于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層范疇；它定義了數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式，以及物理層硬件的傳輸介質(zhì)、連接方式、傳輸速率

單獨(dú)的以太網(wǎng)（無(wú)TCP/IP協(xié)議）采用的是MAC地址進(jìn)行尋址；以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議組合就是今天的互聯(lián)網(wǎng)，采用的是IP地址尋址

2/6/202336.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡(luò)原理。

2/6/20234長(zhǎng)期以來(lái)，以PROFIBUS為代表的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)控制器與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備的數(shù)據(jù)交換；人們無(wú)需親臨現(xiàn)場(chǎng)而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以及友好的人機(jī)界面就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象的各個(gè)參數(shù)，在提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)也降低了人的勞動(dòng)強(qiáng)度。6.1概述

2/6/20235然而，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)這類(lèi)專(zhuān)用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高、速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，再加上總線(xiàn)通信協(xié)議的多樣性，使得不同總線(xiàn)產(chǎn)品不能互連、互用和互操作等。另外，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信距離以及數(shù)據(jù)量都受到嚴(yán)格的控制，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行組網(wǎng)，因而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展受到了極大的限制。6.1概述

2/6/20236隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以往僅僅應(yīng)用在辦公環(huán)境下的以太網(wǎng)技術(shù)逐漸被應(yīng)用到環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)中，并逐步發(fā)展成工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用統(tǒng)一的電氣與物理接口以及標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，將企業(yè)的管理層、車(chē)間層以及現(xiàn)場(chǎng)層（包括控制層和執(zhí)行、檢測(cè)層）連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，使企業(yè)的管理水平、網(wǎng)絡(luò)化程度都發(fā)生了質(zhì)的飛躍。6.1概述

2/6/20237

Siemens公司1998年發(fā)布工業(yè)以太網(wǎng)白皮書(shū)，并于2001年發(fā)布其工業(yè)以太網(wǎng)的規(guī)范，稱(chēng)為PROFINET。它是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的解決方案。PROFINET其實(shí)就是工業(yè)以太網(wǎng)

，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域創(chuàng)新的、開(kāi)放式的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IEC61158）。使用PROFINET，設(shè)備可從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)一直連接到管理級(jí)。它既可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的通信，又支持工廠(chǎng)范圍內(nèi)的工程與組態(tài)，直到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)均支持IT標(biāo)準(zhǔn)。6.1概述

2/6/202386.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡(luò)原理。

2/6/20239在有限的距離內(nèi)，將計(jì)算機(jī)、終端和各種外部設(shè)備用高速傳輸線(xiàn)路（有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)）連接而成的通信網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為局域網(wǎng)。局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍比較有限，但傳輸速率及可靠性較高，傳輸?shù)慕橘|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化，且各站點(diǎn)之間形成平等關(guān)系而不是主從關(guān)系。局域網(wǎng)常采用的傳輸介質(zhì)有雙絞線(xiàn)、光纖和無(wú)線(xiàn)通信信道，主干網(wǎng)通常采用的是光纖，連接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通常采用雙絞線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信信道。6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

2/6/202310局域網(wǎng)通常采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、總線(xiàn)型、環(huán)形等。目前人們習(xí)慣將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為物理和邏輯兩類(lèi)。局域網(wǎng)在通信時(shí)必須為其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配站地址。分配站地址的時(shí)候可以采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分配兩種方法。靜態(tài)分配的地址采用的是48位二進(jìn)制位形式，稱(chēng)為MAC（MediumAccessControl，介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）地址。MAC地址具有全球惟一性。而動(dòng)態(tài)分配則是由系統(tǒng)管理員在安裝網(wǎng)絡(luò)時(shí)動(dòng)態(tài)分配給上網(wǎng)的設(shè)備（一般為16位）。6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

2/6/202311美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）于1980年2月成立了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)IEEE802委員會(huì)），專(zhuān)門(mén)從事局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并制定了IEEE802標(biāo)準(zhǔn)，其中使用最廣泛的有以太網(wǎng)、令牌環(huán)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等。6.2.1IEEE802模型

2/6/2023126.2.1IEEE802模型圖6-1IEEE802模型層次圖

2/6/202313局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是通過(guò)一系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)來(lái)描述的，這些標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)稱(chēng)為IEEE802標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802標(biāo)準(zhǔn)包括：1）IEEE802.1關(guān)于高層局域網(wǎng)協(xié)議，包括局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互連、管理等2）IEEE802.2關(guān)于邏輯鏈路控制的功能和服務(wù)的內(nèi)容；3）IEEE802.3關(guān)于CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDirect，載波多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(cè)）介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層與物理層規(guī)范，主要是以太網(wǎng)采用；4）IEEE802.4關(guān)于令牌總線(xiàn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層與物理層規(guī)范的內(nèi)容；6.2.2IEEE802標(biāo)準(zhǔn)

2/6/202314

6）IEEE802.6關(guān)于都會(huì)區(qū)網(wǎng)（也叫城域網(wǎng)）（MetropolitanAreaNetwork，MAN）介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層與物理層規(guī)范的內(nèi)容；7）IEEE802.7關(guān)于寬帶TAG技術(shù)；8）IEEE802.8關(guān)于光纖FDDI技術(shù)；9）IEEE802.9關(guān)于同步局域網(wǎng)；10）IEEE802.10關(guān)于局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全性規(guī)范SILS；11）IEEE802.11關(guān)于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容；6.2.2IEEE802標(biāo)準(zhǔn)

2/6/20231512）IEEE802.12關(guān)于需求優(yōu)先級(jí)；13）IEEE802.13未使用；14）IEEE802.14關(guān)于電纜調(diào)制解調(diào)器等方面的內(nèi)容；15）IEEE802.15關(guān)于無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)；16）IEEE802.16關(guān)于寬帶無(wú)線(xiàn)接入；17）IEEE802.17關(guān)于可靠個(gè)人接入技術(shù)。

IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)是在以太網(wǎng)（Ethernet）規(guī)范的基礎(chǔ)上制定的。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)闡述了以太網(wǎng)技術(shù)的核心內(nèi)容——CSMA/CD通信方式。6.2.2IEEE802標(biāo)準(zhǔn)

2/6/202316

IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的載波多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(cè)（CSMA/CD）通信方式是以太網(wǎng)核心技術(shù)。載波偵聽(tīng)是指發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息幀之前，必須偵聽(tīng)當(dāng)前的通信媒體是否空閑；多路訪(fǎng)問(wèn)，既表示多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)媒體，也表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息可以被多個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收。沖突檢測(cè)，是指發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)出信息幀的同時(shí)，還必須監(jiān)聽(tīng)媒體，判斷是否發(fā)生了沖突。如果發(fā)生沖突（即其他節(jié)點(diǎn)也在發(fā)送信息），此時(shí)信息在媒體上的重疊將使接收點(diǎn)無(wú)法接收正確的信息。6.2.3載波多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(cè)

2/6/2023171.CSMA/CD的發(fā)送與接收

CSMA/CD采用的總是線(xiàn)爭(zhēng)用技術(shù)，其發(fā)送過(guò)程如下：1）偵聽(tīng)信道上是否有信號(hào)在傳輸。如果有的話(huà)，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)偵聽(tīng)，直到信道空閑為止；2）若沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到任何信號(hào)，就傳輸數(shù)據(jù)；3）傳輸?shù)臅r(shí)候繼續(xù)偵聽(tīng)，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機(jī)等待一段時(shí)間后，重新執(zhí)行步驟1）（當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，涉及沖突的計(jì)算機(jī)會(huì)返回到偵聽(tīng)信道狀態(tài)。注意：每臺(tái)計(jì)算機(jī)一次只允許發(fā)送一個(gè)包，一個(gè)擁塞序列，以警告所有的節(jié)點(diǎn)）；6.2.3載波多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(cè)

2/6/202318

4）若未發(fā)現(xiàn)沖突，則發(fā)送成功，所有計(jì)算機(jī)在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須在最近一次發(fā)送后等待9.6s（以10Mbit/s運(yùn)行）。

CSMA/CD在接收的時(shí)候，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在監(jiān)聽(tīng)媒體，如果有信號(hào)傳輸，則收集信息，得到MAC幀，實(shí)體分析和判斷幀中的接收地址；如果接收地址為本節(jié)點(diǎn)地址，就保存該信息幀，否則丟棄該幀。6.2.3載波多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(cè)

2/6/2023192.CSMA/CD的特點(diǎn)1）各節(jié)點(diǎn)采用競(jìng)爭(zhēng)的方法搶占對(duì)共享媒體的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)利；2）網(wǎng)絡(luò)維護(hù)方便，增刪節(jié)點(diǎn)容易；3）如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)較少（負(fù)載輕），節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)地訪(fǎng)問(wèn)媒體，實(shí)時(shí)性相對(duì)較高；4）如果負(fù)載比較重，節(jié)點(diǎn)的沖突的機(jī)會(huì)就會(huì)大大增加，通信的實(shí)時(shí)性就會(huì)變得很差。

CSMA/CD通常被應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)變更比較頻繁，節(jié)點(diǎn)數(shù)較少且實(shí)時(shí)性要求不高的辦公場(chǎng)合。但是，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，CSMA/CD實(shí)時(shí)性不高的缺點(diǎn)也逐漸被克服，使得以太網(wǎng)技術(shù)在局域網(wǎng)乃至互聯(lián)網(wǎng)都得到了非常廣泛的應(yīng)用。6.2.3載波多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(cè)

2/6/2023206.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡(luò)原理。

2/6/202321以太網(wǎng)是以CSMA/CD方式工作的局域網(wǎng)技術(shù)。最初的以太網(wǎng)采用無(wú)源傳輸媒體——同軸電纜作為總線(xiàn)傳輸信息，并以歷史上用于表示傳播電磁波的物質(zhì)——以太（ETHER）來(lái)命名。但是后來(lái)，愛(ài)因斯坦證明“以太”根本就不存在，但是該名稱(chēng)被一直沿用下來(lái)了。

20世紀(jì)70年代美國(guó)Xerox（施樂(lè)）公司、Intel公司和DEC公司共同研制開(kāi)發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體，介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）方法采用載波多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(cè)（CSMA/CD）機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10Mbit/s。6.3以太網(wǎng)

2/6/202322以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，而是一種局域網(wǎng)技術(shù)規(guī)范。它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如令牌總線(xiàn)網(wǎng)（TokenBUS）、令牌環(huán)網(wǎng)（TokenRing）、光纖分布式數(shù)字接口（FDDI）和ARCnet等。以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線(xiàn)型拓?fù)?，但目前的快速以太網(wǎng)為了最大程度地減少?zèng)_突，最大程度地提高網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率，使用交換機(jī)（Switch）來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織，這樣，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星形。

IEEE802.3定義了以太網(wǎng)（采用CSMA/CD方式）的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。6.3以太網(wǎng)

2/6/202323采用CSMA/CD方式工作的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)包括8個(gè)字段，如圖6-2所示。6.3.1以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)PSFDDASALDATAPADPCS圖6-2以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)

P（Preamble）：占用7個(gè)字節(jié)，由交替的1和0（10101010）組成的用于同步的前綴；

SFD（StartFrameDelimiter）：幀起始分界符，占一個(gè)字節(jié)，由10101011構(gòu)成，用于指明數(shù)據(jù)幀開(kāi)始。DA（DestinationMACAddesses）：目的MAC地址，用于指明幀被傳送的一個(gè)或多個(gè)目的地址

2/6/202324

SA（SourceMACAddesses）：源MAC地址，用于指明發(fā)送幀的源站點(diǎn)。L（Length/Type）：數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度，占2個(gè)字節(jié)，表明DATA的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

DATA：數(shù)據(jù)字段，這個(gè)字段包括從源站到目的站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，最多包含1500字節(jié)。如果這個(gè)字段小于46字節(jié)，那就必須使用下面的“PAD”字段，以使幀的總長(zhǎng)度大于64字節(jié)。

PAD：填充字段，如果需要，額外的數(shù)據(jù)字節(jié)將被附加到這個(gè)字段中，以使幀的長(zhǎng)度大于64字節(jié)（從DA字段到FCS字段）。

FCS（FrameCheckSequence）：幀校驗(yàn)序列，這個(gè)字段包括4個(gè)字節(jié)的循環(huán)冗余校檢碼（CRC），用于檢查錯(cuò)誤6.3.1以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)

2/6/202325最初的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義的最小幀為64字節(jié)，最大幀為1518字節(jié)。這個(gè)數(shù)字包含從目的MAC地址字段到校檢字段的所有字節(jié)，幀前綴和幀起始分界字段不包含在內(nèi)。6.3.1以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)

2/6/202326局域網(wǎng)中，相互連接的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)線(xiàn)布局被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)分為兩種：總線(xiàn)型和星形以太網(wǎng)。通過(guò)中繼器（集線(xiàn)器）或網(wǎng)橋（交換機(jī)），把各種介質(zhì)的網(wǎng)段連成一個(gè)大的以太網(wǎng)，可以認(rèn)為是一種樹(shù)形結(jié)構(gòu)。從邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，以太網(wǎng)只有一種，就是總線(xiàn)型的。邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一種信號(hào)的拓?fù)?。不管哪種以太網(wǎng)，實(shí)際上網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)都是一起享受相同的一條邏輯信道的。就以雙絞線(xiàn)的星形介質(zhì)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，某個(gè)站點(diǎn)通過(guò)雙絞線(xiàn)發(fā)送信號(hào)到集線(xiàn)器的某個(gè)端口上，集線(xiàn)器會(huì)把這個(gè)信號(hào)送到所有的端口上，就能使其他的站點(diǎn)也能偵測(cè)到這個(gè)信號(hào)。6.3.2以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2/6/202327

1.標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)2.快速以太網(wǎng)3.千兆以太網(wǎng)4.萬(wàn)兆以太網(wǎng)6.3.3以太網(wǎng)的發(fā)展

2/6/202328初期的以太網(wǎng)是一種共享式以太網(wǎng)，它的典型代表是使用10Base2/10Base5（10Mbit/s，基帶傳輸，200/500m）的總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)和以集線(xiàn)器（HUB）為核心的星形網(wǎng)絡(luò)。共享式以太網(wǎng)不易隔離故障點(diǎn)，而且容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低了網(wǎng)絡(luò)通信的效率。為了解決共享型以太網(wǎng)的問(wèn)題，于是產(chǎn)生了交換型以太網(wǎng)。交換型以太網(wǎng)的特點(diǎn)是使用交換機(jī)代替集線(xiàn)器（HUB），交換機(jī)可以使多個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用此網(wǎng)絡(luò)。這樣一來(lái)，如果您使用的是10Mbit/s交換型以太網(wǎng)，則每個(gè)用戶(hù)就可以獨(dú)自享用10Mbit/s的傳輸速率而不用去考慮其他用戶(hù)的使用情況，因此網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬得到大幅度提高，可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。6.3.4交換型以太網(wǎng)

2/6/202329類(lèi)似傳統(tǒng)的橋接器，交換機(jī)提供了許多網(wǎng)絡(luò)互連功能。交換機(jī)能經(jīng)濟(jì)地將網(wǎng)絡(luò)分成小的沖突網(wǎng)域，為每個(gè)工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機(jī)在軟件配置簡(jiǎn)單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中。交換機(jī)使用現(xiàn)有的電纜、中繼器、集線(xiàn)器和工作站的網(wǎng)卡，不必作高層的硬件升級(jí)。交換機(jī)對(duì)工作站是透明的，這樣管理開(kāi)銷(xiāo)低廉，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加、移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)變化的操作。6.3.4交換型以太網(wǎng)

2/6/2023306.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡(luò)原理。

2/6/202331

TCP/IP模型并不完全符合OSI的7層參考模型，而是采用了結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔的4層網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)接口層、互連網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

TCP/IP模型廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，甚至與我們生活非常緊密的因特網(wǎng)（Internet），TCP/IP更是成為了公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。如今電腦上因特網(wǎng)都要作TCP/IP協(xié)議設(shè)置，顯然該協(xié)議成了當(dāng)今“人與人”之間的“牽手協(xié)議”。TCP/IP模型其實(shí)只是一種抽象的模型，它是由一組協(xié)議簇構(gòu)成的，其中TCP協(xié)議和IP協(xié)議是該協(xié)議簇中最核心的兩個(gè)協(xié)議，因此就以這兩個(gè)協(xié)議命名該模型。6.4TCP/IP模型

2/6/202332

TCP/IP模型并不完全符合OSI的7層參考模型，而是采用了結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔的4層網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)接口層、互連網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

TCP/IP模型廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，甚至與我們生活非常緊密的因特網(wǎng)（Internet），TCP/IP更是成為了公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。如今電腦上因特網(wǎng)都要作TCP/IP協(xié)議設(shè)置，顯然該協(xié)議成了當(dāng)今“人與人”之間的“牽手協(xié)議”。TCP/IP模型其實(shí)只是一種抽象的模型，它是由一組協(xié)議簇構(gòu)成的，其中TCP協(xié)議和IP協(xié)議是該協(xié)議簇中最核心的兩個(gè)協(xié)議，因此就以這兩個(gè)協(xié)議命名該模型。6.4.1TCP/IP與OSI/RM參考模型

2/6/2023336.4.1TCP/IP與OSI/RM參考模型圖6-3TCP/IP分層模型及其協(xié)議

2/6/202334從上到下，TCP/IP模型中的每一層所承擔(dān)的任務(wù)以及所采用的協(xié)議分別為：1）應(yīng)用層；2）傳輸層：3）互連網(wǎng)絡(luò)層；4）網(wǎng)絡(luò)接口層：

TCP協(xié)議和IP協(xié)議構(gòu)成了TCP/IP模型的主體。TCP協(xié)議應(yīng)用在傳輸層，負(fù)責(zé)信息如何傳輸，而IP協(xié)議應(yīng)用在互連網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地。在網(wǎng)絡(luò)接口層，可以采用以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌環(huán)（TokenRing）、幀中繼（FrameRelay）或者異步傳輸（ATM）等技術(shù)來(lái)組建。6.4.1TCP/IP與OSI/RM參考模型

2/6/202335

1.IP協(xié)議概述

IP協(xié)議定義在TCP/IP模型的第2層——網(wǎng)絡(luò)層，是Internet最重要的協(xié)議。在IP協(xié)議中規(guī)定了在Internet上進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)遵守的規(guī)則，例如IP數(shù)據(jù)包的組成、路由器如何將IP數(shù)據(jù)包送到目的主機(jī)等。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202336

IP協(xié)議的作用就是向傳輸層（TCP層）提供統(tǒng)一的IP包，即將各種不同類(lèi)型的MAC幀轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的IP包，并將MAC幀的物理地址變換為全網(wǎng)統(tǒng)一的邏輯地址（IP地址）。這樣，這些不同物理網(wǎng)絡(luò)MAC幀的差異對(duì)上層而言就不復(fù)存在了。正因?yàn)檫@一轉(zhuǎn)換，才實(shí)現(xiàn)了不同類(lèi)型物理網(wǎng)絡(luò)的互連。

IP協(xié)議面向無(wú)連接，IP網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)路由器根據(jù)每個(gè)IP包的包頭IP地址進(jìn)行尋址，這樣同一個(gè)主機(jī)發(fā)出的屬于同一報(bào)文的IP包可能會(huì)經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)目的主機(jī)。6.4.2IP協(xié)議

2/6/2023372.IP協(xié)議的功能（1）尋址首先先來(lái)了解一下TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中用來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的常用的地址。（a）MAC地址介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（Media

Access

Control，MAC）地址，。（b）網(wǎng)絡(luò)地址一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址可以根據(jù)邏輯分配給任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以又叫邏輯地址。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202338

IP協(xié)議尋址的功能體現(xiàn)在：一方面IP協(xié)議要為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)能惟一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)號(hào)和設(shè)備號(hào)的邏輯地址，即IP地址；另一方面IP協(xié)議在打包數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包里總會(huì)包含通信源地址和目的地址，并利用ARP（地址解析協(xié)議）實(shí)現(xiàn)IP地址和MAC地址的轉(zhuǎn)換，以便尋址到目的地址。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202339（2）路由

IP數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過(guò)程中，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)（IP網(wǎng)關(guān)等）還需要為其選擇從源主機(jī)到目的主機(jī)的合適的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，即路由。路由選擇是以單個(gè)IP數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的，概括而言是確定某個(gè)IP數(shù)據(jù)包到達(dá)目的主機(jī)需經(jīng)過(guò)哪些路由器。路由選擇可以由源主機(jī)決定，也可以由IP數(shù)據(jù)包所途經(jīng)的路由器決定。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202340（3）分段與組裝

IP數(shù)據(jù)包在實(shí)際傳送過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的物理網(wǎng)絡(luò)幀的最大長(zhǎng)度可能不同，當(dāng)長(zhǎng)IP數(shù)據(jù)包需通過(guò)短幀子網(wǎng)時(shí)，需對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段與組裝。

IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)分段與組裝的方法是給每個(gè)IP數(shù)據(jù)包分配一個(gè)惟一的標(biāo)志符，且報(bào)頭部分還有與分段與組裝相關(guān)的分段標(biāo)記和位移。IP數(shù)據(jù)包在分段時(shí)，每一段需包含原有的標(biāo)志符。為了提高效率、減輕路由器的負(fù)擔(dān)，重新組裝工作由目的主機(jī)來(lái)完成。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202341

3.IP地址及其分類(lèi)在Internet上連接的所有計(jì)算機(jī)，從大型機(jī)到微型計(jì)算機(jī)都是以獨(dú)立的身份出現(xiàn)的，我們稱(chēng)它為主機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)各主機(jī)間的通信，每臺(tái)主機(jī)都必須有一個(gè)惟一的網(wǎng)絡(luò)地址。就好像每一個(gè)住宅都有惟一的門(mén)牌一樣，才不至于在傳輸資料時(shí)出現(xiàn)混亂。大家都知道，互聯(lián)網(wǎng)是由許多小型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上是由成千上萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)互相連接而成的。而我們要確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)，靠的就是能惟一標(biāo)識(shí)該計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址，這個(gè)地址就是IP（InternetProtocol）地址。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202342目前，IP地址采用的是32位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。為了便于記憶，人們將它們分為4組，分別用4個(gè)字節(jié)來(lái)表示，每字節(jié)8位，并由小數(shù)點(diǎn)分開(kāi)。用點(diǎn)分開(kāi)的每個(gè)字節(jié)的數(shù)值范圍是0~255，如11，這種書(shū)寫(xiě)方法叫做點(diǎn)數(shù)表示法。

IP地址在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到地址分配的層次特點(diǎn)，將每個(gè)IP地址都分割成網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩部分。為了有效地利用IP資源以及清楚地區(qū)分主機(jī)及其所在的網(wǎng)絡(luò)，通常采用一組被稱(chēng)作子網(wǎng)掩碼的32位二進(jìn)制數(shù)和IP地址配合使用。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202343根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，一般將IP地址分為A、B、C、D、E五類(lèi)，并通過(guò)三種默認(rèn)的子網(wǎng)掩碼來(lái)區(qū)分各個(gè)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和子網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)號(hào)。（1）A類(lèi)地址A類(lèi)地址的表示范圍為~126.355.255.255，子網(wǎng)掩碼為。A類(lèi)地址分配給規(guī)模特別大的網(wǎng)絡(luò)使用。（2）B類(lèi)地址B類(lèi)地址的表示范圍為~55，子網(wǎng)掩碼為。B類(lèi)地址分配給一般的中型網(wǎng)絡(luò)。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202344（3）C類(lèi)地址：C類(lèi)地址的表示范圍為~55，子網(wǎng)掩碼為。C類(lèi)地址分配給小型網(wǎng)絡(luò)，如一般的局域網(wǎng)，它可連接的主機(jī)數(shù)量是最少的，采用把所屬的用戶(hù)分為若干的網(wǎng)段進(jìn)行管理。C類(lèi)網(wǎng)絡(luò)用前三組數(shù)字表示網(wǎng)絡(luò)的地址，最后一組數(shù)字作為網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)地址。（4）D類(lèi)地址：D類(lèi)地址以“1110”開(kāi)始，第一個(gè)字節(jié)的數(shù)字范圍為224～239，是多點(diǎn)播送地址（5）E類(lèi)地址：以“11110”開(kāi)始，即第一段數(shù)字范圍為240～254。E類(lèi)地址保留，僅作實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)用。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202345在上述地址分類(lèi)中留出了3塊IP地址空間（1個(gè)A類(lèi)地址段，16個(gè)B類(lèi)地址段，256個(gè)C類(lèi)地址段）作為私有的內(nèi)部使用的地址。在這個(gè)范圍內(nèi)的IP地址不能被路由到。這3塊地址空間可以參見(jiàn)表6-1。使用私有地址將網(wǎng)絡(luò)連至Internet，需要將私有地址轉(zhuǎn)換為公有地址。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NetworkAddressTranslation，NAT），通常使用路由器來(lái)執(zhí)行NAT。6.4.2IP協(xié)議

2/6/2023466.4.2IP協(xié)議表6-1私有IP地址空間IP地址類(lèi)別地址范圍協(xié)議A類(lèi)～55B類(lèi)～55C類(lèi)～55

2/6/202347在Internet中，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有一個(gè)或多個(gè)IP地址，就像一個(gè)人可以有多個(gè)通信地址一樣，但兩臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)卻不能共享一個(gè)IP地址。如果有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址相同，則會(huì)引起異?，F(xiàn)象，無(wú)論哪臺(tái)計(jì)算機(jī)都將無(wú)法正常工作。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202348

1.TCP概述

TCP協(xié)議位于傳輸層，是一個(gè)端對(duì)端、面向可靠連接的協(xié)議。該協(xié)議彌補(bǔ)了IP協(xié)議的某些不足，其中比較突出的有兩個(gè)方面：一是TCP協(xié)議能夠保證在IP數(shù)據(jù)包丟失時(shí)進(jìn)行重發(fā)，能夠刪去重復(fù)收到的IP數(shù)據(jù)包，還能保證準(zhǔn)確地按原發(fā)送端的發(fā)送順序重新組裝數(shù)據(jù)；二是TCP協(xié)議能區(qū)別屬于同一應(yīng)用報(bào)文的一組IP數(shù)據(jù)包，并能鑒別應(yīng)用報(bào)文的性質(zhì)。這一功能使得某些具有四層協(xié)議功能的高端路由器可以對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行流量、優(yōu)先級(jí)、安全管理、負(fù)荷分配和復(fù)用等智能控制。6.4.3TCP協(xié)議

2/6/202349

1）保證傳輸?shù)目煽啃?/p>

TCP協(xié)議是面向連接的。所謂連接，是指在進(jìn)行通信之前，通信雙方必須建立連接才能進(jìn)行通信，而在通信結(jié)束后終止其連接。相對(duì)于面向無(wú)連接的IP協(xié)議而言，TCP協(xié)議具有高度的可靠性?？傊?，IP協(xié)議不提供差錯(cuò)報(bào)告和差錯(cuò)糾正機(jī)制，而TCP協(xié)議向應(yīng)用層提供了面向連接的服務(wù)，以確保網(wǎng)絡(luò)上所傳送的數(shù)據(jù)包被完整、正確、可靠地接收。一旦數(shù)據(jù)有損傷或丟失，則由TCP協(xié)議負(fù)責(zé)重傳，應(yīng)用層不參與解決。6.4.3TCP協(xié)議

2/6/202350

2）提供部分應(yīng)用層信息的功能在TCP協(xié)議之上是應(yīng)用層協(xié)議（如FTP、SMTP、Telnet等），最終需依靠它們實(shí)現(xiàn)主機(jī)間的通信。TCP協(xié)議攜帶了部分應(yīng)用層信息，可用來(lái)區(qū)別同一報(bào)文數(shù)據(jù)流的一組IP包及其性質(zhì)。

TCP協(xié)議對(duì)這些應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定了整數(shù)標(biāo)志符，稱(chēng)為端口序號(hào)。被規(guī)定的端口序號(hào)稱(chēng)為保留端口，其值在0～1023范圍內(nèi)（如端口序號(hào)23，用于遠(yuǎn)程終端服務(wù)）。此外還有自由端口序號(hào)，供個(gè)人程序使用，或者用來(lái)區(qū)分兩臺(tái)主機(jī)間相同應(yīng)用層協(xié)議的多個(gè)通信，即兩臺(tái)主機(jī)間復(fù)用多個(gè)用戶(hù)會(huì)話(huà)連接。6.4.3TCP協(xié)議

2/6/2023516.4.4以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議定義在網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層。在應(yīng)用層，用戶(hù)通過(guò)FTP、SMTP等協(xié)議實(shí)現(xiàn)文件傳輸、郵件發(fā)送以及遠(yuǎn)程登錄等應(yīng)用。通過(guò)TCP協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，而IP協(xié)議負(fù)責(zé)將TCP組織的數(shù)據(jù)通過(guò)IP地址路由的方式傳送到目的地。以太網(wǎng)在成功地應(yīng)用到數(shù)據(jù)鏈路和物理層之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。并且，由于后來(lái)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)也是以以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議為核心，人們甚至把如超文本連接（HTTP）等TCP/IP協(xié)議簇放在一起，稱(chēng)為以太網(wǎng)技術(shù)。

2/6/2023526.4.4以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議

TCP/IP的簡(jiǎn)單實(shí)用已為廣大用戶(hù)所接受，不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，而且在各個(gè)企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)，并開(kāi)始向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)延伸。如今，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互連協(xié)議，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎(chǔ)的TCP/IP協(xié)議簇。

TCP/IP協(xié)議中一般通過(guò)三種地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信：域名地址、IP地址、物理網(wǎng)絡(luò)地址。

2/6/2023536.4.4以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議從上面的分析可以看出，TCP/IP結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分工明確，它在用戶(hù)和物理網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）之間承擔(dān)了橋梁的作用。通過(guò)TCP/IP協(xié)議，用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)被制作成帶有目的地址的數(shù)據(jù)包，利用路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在以太網(wǎng)上傳輸。目的主機(jī)收到數(shù)據(jù)包后再通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成用戶(hù)能夠識(shí)別的文檔，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)之間的通信。如果數(shù)據(jù)通信僅僅發(fā)生在某個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，我們還可以通過(guò)以太網(wǎng)的MAC地址直接進(jìn)行尋址通信，省去了路由的時(shí)間，這樣做可以大大提高數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性。

2/6/2023546.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡(luò)原理。

2/6/2023556.5工業(yè)以太網(wǎng)原理工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。

2/6/2023566.5.1以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的缺陷1.通信的確定性與實(shí)時(shí)性工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿(mǎn)足控制作用對(duì)確定性和實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸要足夠快并且滿(mǎn)足信號(hào)的確定。工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十毫秒內(nèi)完成的。然而，由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，很容易發(fā)生沖突，這時(shí)候就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試16次之多。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿(mǎn)足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被認(rèn)為是“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。

2/6/2023576.5.1以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的缺陷2.網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性傳統(tǒng)的以太網(wǎng)并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對(duì)設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠(chǎng)環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

2/6/2023586.5.1以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的缺陷3.網(wǎng)絡(luò)的安全性工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個(gè)安全性問(wèn)題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即信息管理層、過(guò)程監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實(shí)時(shí)性更高，并可與Internet無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠(chǎng)的運(yùn)作效率。但同時(shí)也引入了一系列的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

2/6/2023596.5.1以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的缺陷4.網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)供電問(wèn)題總線(xiàn)供電（或稱(chēng)總線(xiàn)饋電）是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線(xiàn)纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。

2/6/2023606.5.1以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的缺陷工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。

2/6/2023616.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)1.通信速率高目前，10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s的快速以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用，10Gbit/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（如PROFIBUS）最高速率只有12Mbit/s。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)要快得多，完全可以滿(mǎn)足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的帶寬要求。

2/6/2023626.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)2.成本低廉以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格較之現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)卡要便宜得多（約為1/10）。另外，以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用多年，人們對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面有很多經(jīng)驗(yàn)，具有相當(dāng)成熟的技術(shù)。大量的軟件資源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用，降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣速度。

2/6/2023636.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)

3.資源共享能力強(qiáng)隨著Internet/Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個(gè)角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶(hù)已解除了資源地理位置上的束縛，在連入互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)都無(wú)法比擬的。

2/6/2023646.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)4.可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笠蕴W(wǎng)的引入將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶(hù)在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需獨(dú)自的研究投入。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿(mǎn)足。

2/6/2023656.5.3工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

1.與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相結(jié)合近一段時(shí)間內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相結(jié)合，具體表現(xiàn)在：

1）物理介質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連線(xiàn)，如雙絞線(xiàn)、光纖等；

2）在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)；

3）采用IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議簇；

4）應(yīng)用層（甚至是用戶(hù)層）采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用層、用戶(hù)層協(xié)議；

5）兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等。

2/6/2023666.5.3工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

2.將直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信隨著以太網(wǎng)通信速率的提高，全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而消除了以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信提供了技術(shù)可能。

2/6/2023676.5.3工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)3.應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強(qiáng)等特點(diǎn)和要求，經(jīng)過(guò)認(rèn)真細(xì)致的調(diào)研和分析，采用以下技術(shù)基本解決了以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)。（1）實(shí)時(shí)通信技術(shù)（2）總線(xiàn)供電技術(shù)（3）遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)（4）網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)（5）可靠性技術(shù)

2/6/2023686.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)SIMATICNET符合IEEE802.3以及IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，并采用10Mbit/s以及100Mbit/s、1Gbit/s快速以太網(wǎng)技術(shù)。

SIMATICNET提供了開(kāi)放的、適用于工業(yè)環(huán)境下各種控制級(jí)別的不同的通信系統(tǒng)，這些通信系統(tǒng)均基于國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，符合ISO/OSI或者TCP/IP網(wǎng)絡(luò)參考模型。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用已多于40萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，遍布世界各地，用于嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，包括有高強(qiáng)度電磁干擾的地區(qū)。

2/6/2023696.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)1.SIMATICNET網(wǎng)絡(luò)硬件（1）傳輸介質(zhì)SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)通常使用的物理傳輸介質(zhì)是屏蔽雙絞線(xiàn)（TwistedPair，TP）、工業(yè)屏蔽雙絞線(xiàn)（IndustrialTwistedPair，ITP）以及光纖。TP連接常用于端對(duì)端的連接。數(shù)據(jù)終端設(shè)備與連接元件之間通過(guò)TP或ITP電纜連接。

2/6/2023706.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)（2）工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展歷程中，SCALANCE交換機(jī)的應(yīng)用具有里程碑式的意義，因?yàn)樗菢?gòu)建統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的最新一代有源網(wǎng)絡(luò)組件，也是實(shí)現(xiàn)西門(mén)子全集成自動(dòng)化技術(shù)在全球范圍內(nèi)成功實(shí)施的重要推動(dòng)力。這些有源網(wǎng)絡(luò)組件是完全匹配的，是針對(duì)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，是統(tǒng)一、靈活、安全和高性能網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

2/6/2023716.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)

SCALANCE交換機(jī)包括三大系列：SCALANCE－S，利用安全機(jī)制，如驗(yàn)證、數(shù)據(jù)編碼或權(quán)限控制，SCALANCE－S可保護(hù)公司內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)免受侵?jǐn)_、操作和非法訪(fǎng)問(wèn)；SCALANCE－W，基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，并通過(guò)提供專(zhuān)用的數(shù)據(jù)傳輸速率或監(jiān)控?zé)o線(xiàn)電連接，SCALANCE－W可以實(shí)現(xiàn)端到端的連接，延伸到過(guò)去很難或不可能到達(dá)的區(qū)域；SCALANCE－X，提供了一系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，這些交換機(jī)具有各類(lèi)功能，如通過(guò)PROFINET、SNMP或Web進(jìn)行診斷等，可適用于最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域（如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸速率、端口數(shù)等）。

2/6/2023726.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)

SCALANCE從名字上來(lái)說(shuō)就是指SCALableperformANCE，也就是具有可伸縮性的性能，即交換機(jī)不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增大而降低性能。傳統(tǒng)的OSM/ESM能使用固定的端口，沒(méi)有SCALANCE組態(tài)環(huán)網(wǎng)靈活，因?yàn)镾CALANCE的環(huán)網(wǎng)的環(huán)形端口可以根據(jù)需要來(lái)定義端口。OSM/ESM類(lèi)型的交換機(jī)處于即將淘汰的邊緣。

2/6/2023736.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)（3）通信處理器

SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)中常用的通信處理器（CommunicationProcessor，CP）包括用在S7PLC站上的處理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等。

S7-300系列PLC的以太網(wǎng)通信處理器是CP343-1系列，按照所支持協(xié)議的不同，可以分為CP343-1、CP343-1ISO、CP343-1TCP、CP343-1IT和CP343-1PN等。

2/6/2023746.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)2.SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同其他工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似，SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的具體要求而組建成星形、總線(xiàn)型、環(huán)形3.SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議（1）S5兼容協(xié)議S5兼容協(xié)議包括TCP/IP、UDP、ISO-ON-TCP、ISO等。

2/6/2023756.5.4西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)（2）S7通信協(xié)議

S7通信屬于OSI參考模型第7層應(yīng)用層的協(xié)議，它獨(dú)立于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用于多種網(wǎng)絡(luò)（MPI、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)）。S7通信通過(guò)不斷地重復(fù)接收數(shù)據(jù)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的正確。在SIMATICS7中，通過(guò)組態(tài)建立S7連接來(lái)實(shí)現(xiàn)S7通信，在PC上，S7通信需要通過(guò)SAPI-S7接口函數(shù)或OPC（過(guò)程控制用對(duì)象鏈接與嵌入）來(lái)實(shí)現(xiàn)。在STEP7中，S7通信需要調(diào)用功能塊SFB（S7-400）或FB（S7-300），最大的通信數(shù)據(jù)可以達(dá)64KB。對(duì)于S7-400，可以使用系統(tǒng)功能塊SFB來(lái)實(shí)現(xiàn)S7通信，對(duì)于S7-300，可以調(diào)用相應(yīng)的FB功能塊進(jìn)行S7通信。

2/6/2023766.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡(luò)原理。

2/6/2023776.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET

PROFINET是由PROFIBUS

International（PI）組織于2000年8月提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代自動(dòng)化總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)它也符合TCP/IP以及IT標(biāo)準(zhǔn)。全球自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一就是工業(yè)以太網(wǎng)向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)滲透。西門(mén)子公司的PROFINET在兼容TCP/IP的基礎(chǔ)上增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通道（SRT/IRT）滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)可靠的控制要求，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的完美應(yīng)用。尤其是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，250s，抖動(dòng)小于1s的性能是PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)無(wú)法比擬的。

2/6/2023786.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFINET就是工業(yè)以太網(wǎng)，支持TCP/IP、UDP、ARP、DHCP以及其他的IT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但為了能夠更好地應(yīng)用于分布式IO設(shè)備以及類(lèi)似于運(yùn)動(dòng)控制的場(chǎng)合，PROFINET又加入了實(shí)時(shí)（Real-Time，RT）協(xié)議通道，使得數(shù)據(jù)通信的時(shí)鐘周期從100ms降到了1ms。表6-2列出了PROFINET協(xié)議的3個(gè)版本。

2/6/2023796.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)表6-2PROFINET協(xié)議的版本分類(lèi)序號(hào)版本名稱(chēng)功能描述1PROFINETV1.0基于組件的系統(tǒng)主要用于控制器與控制器通信，一般的工業(yè)以太網(wǎng)通信2PROFINET-SRT加入軟實(shí)時(shí)通道，用于控制器與I/O設(shè)備通信3PROFINET-IRT通過(guò)ERTEC芯片加入硬實(shí)時(shí)通道，用于運(yùn)動(dòng)控制等

2/6/2023806.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)在這些版本中，PROFINET提出了對(duì)IEEE802.1D和IEEE1588進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)展的技術(shù)方案，并對(duì)不同實(shí)時(shí)要求的信息采用不同的實(shí)時(shí)通道技術(shù)。

PROFINET通信協(xié)議模型如圖6-4所示。從圖中可以看出，PROFINET符合TCP/IP以及IT標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)它也是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。PROFINET提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類(lèi)實(shí)時(shí)通信通道。

2/6/2023816.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)圖6-4PROFINET通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

2/6/2023826.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實(shí)時(shí)通信通道，主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。軟實(shí)時(shí)通道（SoftwareRT，SRT），主要用于過(guò)程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號(hào)與報(bào)警信號(hào)等，提供精確通信能力。為優(yōu)化通信功能，PROFINET在實(shí)時(shí)通道沒(méi)有使用TCP/IP協(xié)議，而是采用類(lèi)似現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的機(jī)制，用設(shè)備名稱(chēng)來(lái)代替總線(xiàn)地址，極大地降低了數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)根據(jù)IEEE802.1定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，最多可用7級(jí)。

2/6/2023836.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)等時(shí)同步實(shí)時(shí)通道（IsochronousRealTime）采用了ASIC-ERTEC（增強(qiáng)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制器）芯片實(shí)現(xiàn)了等時(shí)同步實(shí)時(shí)的解決方案，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間，特別適用于高性能傳輸、過(guò)程數(shù)據(jù)的等時(shí)同步傳輸，以及快速的時(shí)鐘同步運(yùn)動(dòng)控制。

2/6/2023846.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)符合IEEE802.3定義的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)；但是，由于增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道，為了區(qū)別TCP/IP數(shù)據(jù)，PROFINET在幀中用2個(gè)字節(jié)來(lái)標(biāo)識(shí)以太網(wǎng)的類(lèi)型。SRT的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖6-5和圖6-6所示。圖6-5PROFINETRT幀結(jié)構(gòu)

2/6/2023856.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)如果該幀為T(mén)CP/IP數(shù)據(jù)，“以太網(wǎng)類(lèi)型”2個(gè)字節(jié)的值為“0x0800”；若該幀為PROFINET實(shí)時(shí)幀，則“以太網(wǎng)類(lèi)型”的值為“0x8892”。通過(guò)“應(yīng)用標(biāo)識(shí)符”所接收的數(shù)據(jù)來(lái)分配“循環(huán)傳輸”或“非循環(huán)傳輸”（報(bào)警和事件）。設(shè)備和數(shù)據(jù)的狀況（例如運(yùn)行、停止、出錯(cuò)）通過(guò)4個(gè)字節(jié)的“狀態(tài)信息”來(lái)表示。圖6-6PROFINETIRT幀結(jié)構(gòu)

2/6/2023866.6.2PROFINET的功能范圍作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案。從其協(xié)議結(jié)構(gòu)中我們可以看出，PROFINET的功能涉及到8個(gè)方面，依次為實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過(guò)程自動(dòng)化。這些功能幾乎涵蓋了過(guò)程控制、智能控制、運(yùn)動(dòng)控制、信息技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、診斷技術(shù)等各個(gè)方面。

2/6/2023876.6.2PROFINET的功能范圍

1.實(shí)時(shí)通信實(shí)時(shí)表示系統(tǒng)在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)處理外部事件，通俗地說(shuō)就是系統(tǒng)對(duì)輸入的變化來(lái)得及反應(yīng)。實(shí)時(shí)性用來(lái)衡量系統(tǒng)的反應(yīng)能力。確定性意味著系統(tǒng)有一個(gè)可預(yù)知的響應(yīng)。

PROFINET根據(jù)通信的響應(yīng)時(shí)間制定了3個(gè)版本，分別對(duì)應(yīng)3種通信方式：TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信、軟實(shí)時(shí)（SRT）通信以及等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）通信。（1）TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的PROFINET符合TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。其響應(yīng)時(shí)間大概在100ms的數(shù)量級(jí)，完全可以滿(mǎn)足工廠(chǎng)控制級(jí)的應(yīng)用。

2/6/2023886.6.2PROFINET的功能范圍

1.實(shí)時(shí)通信（2）軟實(shí)時(shí)（SRT）通信對(duì)于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間以及控制器之間（如PLC）的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求更為嚴(yán)格，因此，PROFINET提供了一個(gè)優(yōu)化的、基于數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)時(shí)通信通道；通過(guò)該實(shí)時(shí)通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時(shí)間，PROFINET實(shí)時(shí)通信（RT）的典型響應(yīng)時(shí)間是5～10ms。

2/6/2023896.6.2PROFINET的功能范圍

1.實(shí)時(shí)通信（3）等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）通信在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信中，運(yùn)動(dòng)控制對(duì)以太網(wǎng)通信的要求最高，通信時(shí)間必須嚴(yán)格同步而且時(shí)間必須確定。采用PROFINET的等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IsochronousReal-Time,IRT）技術(shù)可以滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制的高速通信需求。IRT的通信系統(tǒng)調(diào)度如圖6-7所示。

2/6/2023906.6.2PROFINET的功能范圍圖6-7IRT的通信系統(tǒng)調(diào)度

2/6/2023916.6.2PROFINET的功能范圍表6-3IRT與SRT的區(qū)別項(xiàng)目SRTIRT傳輸方式通過(guò)以太網(wǎng)的優(yōu)先級(jí)來(lái)確定SRT消息幀的優(yōu)先級(jí)通過(guò)預(yù)留的等時(shí)實(shí)時(shí)通道（預(yù)留的帶寬）確定性通過(guò)與其他協(xié)議（如TCP/IP）共用傳輸帶寬所帶來(lái)的傳輸時(shí)間的差異通過(guò)預(yù)留帶寬來(lái)確保當(dāng)前循環(huán)中傳遞的是IRT幀是否需要特殊的硬件支持不需要需要

2/6/2023926.6.2PROFINET的功能范圍2.分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)集成的PROFINET接口，分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以直接連接到PROFINET上，這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備被稱(chēng)為PROFINETIO設(shè)備。PROFINETIO使用同PROFIBUS-DP一樣的組態(tài)技術(shù)，所以用戶(hù)使用起來(lái)非常方便。3.運(yùn)動(dòng)控制

PROFINET的協(xié)議中增加了等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制。在PROFINET同步實(shí)時(shí)通信中，每個(gè)通信周期被分成兩個(gè)不同的部分，一個(gè)是循環(huán)的、確定的部分，稱(chēng)之為實(shí)時(shí)通道；另外一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)通道，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)通道傳輸。

2/6/2023936.6.2PROFINET的功能范圍

4.分布式自動(dòng)化隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能程度的不斷提高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分散程度也越來(lái)越高。工業(yè)控制系統(tǒng)正由分散式自動(dòng)化向分布式自動(dòng)化演進(jìn)，因此，基于組件的自動(dòng)化（ComponentBasedAutomation，CBA）成為新興的趨勢(shì)。

2/6/2023946.6.2PROFINET的功能范圍圖6-8

分布式自動(dòng)化方案示意圖

2/6/2023956.6.2PROFINET的功能范圍圖6-9

分散式自動(dòng)化方案示意圖

2/6/2023966.6.2PROFINET的功能范圍

5.過(guò)程自動(dòng)化

PROFINET不僅可以用于工廠(chǎng)自動(dòng)化場(chǎng)合，也同時(shí)面對(duì)過(guò)程自動(dòng)化的應(yīng)用。工業(yè)界針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)供電，及以太網(wǎng)應(yīng)用在本質(zhì)安全區(qū)域的問(wèn)題的討論正在形成標(biāo)準(zhǔn)或解決方案。通過(guò)代理服務(wù)器技術(shù)，PROFINET可以無(wú)縫的集成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS和其他總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS是世界范圍內(nèi)惟一可覆蓋從工廠(chǎng)自動(dòng)化場(chǎng)合到過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。集成PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)解決方案的PROFINET是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的完美體驗(yàn)。

2/6/2023976.6.2PROFINET的功能范圍

6.網(wǎng)絡(luò)安裝

PROFINET支持除星形、總線(xiàn)型和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了減少布線(xiàn)費(fèi)用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶(hù)方便地實(shí)現(xiàn)PROFINET的安裝。特別設(shè)計(jì)的工業(yè)電纜和耐用連接器滿(mǎn)足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)化，保證了不同制造商設(shè)備之間的兼容性。

2/6/2023986.6.2PROFINET的功能范圍

7.PROFINETIT標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)安全

PROFINET的一個(gè)重要特征就是可以同時(shí)傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗(yàn)證的IT技術(shù)都可以使用（如HTTP、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET時(shí)，我們可以使用這些IT標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)加強(qiáng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)，這意味著調(diào)試和維護(hù)中的成本的節(jié)省。

2/6/2023996.6.2PROFINET的功能范圍

8.PROFINET故障安全在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中，故障安全是相當(dāng)重要的一個(gè)概念。所謂故障安全，即指當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到安全狀態(tài)（即“零”態(tài)），在這里，安全有兩個(gè)方面的含義，一方面是指操作人員的安全，另一方面指整個(gè)系統(tǒng)的安全，因?yàn)樵谶^(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中，系統(tǒng)出現(xiàn)故障或致命錯(cuò)誤時(shí)很可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的爆炸或毀壞。故障安全機(jī)制就是用來(lái)保證系統(tǒng)在故障后可以自動(dòng)恢復(fù)到安全狀態(tài)，不會(huì)對(duì)操作人員和過(guò)程控制系統(tǒng)造成損害。

PROFINET集成了PROFISafe行規(guī)，實(shí)現(xiàn)了IEC61508中規(guī)定的SIL3等級(jí)的故障安全，很好地保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全。

2/6/20231006.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡(luò)原理。

2/6/20231016.7.1PROFINETIO概述

PROFINETIO是PROFINET網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)非常重要的自動(dòng)化解決方案，主要用于分布式外部設(shè)備。PROFINETIO支持實(shí)時(shí)通信，適合傳輸對(duì)時(shí)間要求較嚴(yán)格的工廠(chǎng)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化的場(chǎng)合。

PROFINETIO是一個(gè)基于快速以太網(wǎng)第2層協(xié)議的可擴(kuò)展實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。對(duì)于時(shí)間性很強(qiáng)的過(guò)程數(shù)據(jù)，它具有實(shí)時(shí)（RT）傳輸程序；對(duì)于極其精確以及同步的過(guò)程（如運(yùn)動(dòng)控制），它具有等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）傳輸程序，因此它可以提供兩種性能級(jí)別的實(shí)時(shí)支持。

2/6/20231026.7.1PROFINETIO概述

PROFINETIO網(wǎng)絡(luò)包括PROFINETIO控制器（如PLC）和IO設(shè)備（如ET200S），以及IO監(jiān)視器（如WinCC）。這些設(shè)備之間的關(guān)系如圖6-10所示。從圖6-10中可以看出，IO控制器與IO設(shè)備通過(guò)實(shí)時(shí)通道實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、報(bào)警等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。而上位機(jī)可以利用PROFINET的TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的診斷、參數(shù)化等操作。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過(guò)PROFINETIO一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了并行傳輸。

2/6/20231036.7.1PROFINETIO概述圖6-10PROFINETIO網(wǎng)絡(luò)部件間關(guān)系

2/6/20231046.7.2PROFINETIO與PROFIBUS-DP

PROFINETIO與PROFIBUS-DP的功能類(lèi)似，而且PROFIBUS-DP的組態(tài)方法也可以移植到PROFINETIO上。PROFINETIO是PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)的持續(xù)深入發(fā)展。PROFINETIO基于PROFIBUS-DP的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并將通常的用戶(hù)操作與以太網(wǎng)技術(shù)的新概念相結(jié)合。PROFINETIO以交換式以太網(wǎng)全雙工操作和100Mbit/s的帶寬為基礎(chǔ)。從表6-4中可看出PROFINETIO與PROFIBUS-DP的區(qū)別。

2/6/20231056.7.2PROFINETIO與PROFIBUS-DP表6-4PROFINETIO與PROFIBUS-DP的區(qū)別特性PROFINETIOPROFIBUS-DP物理層以太網(wǎng)PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如PROFIBUS電纜、接口等）地址分配在PROFINETIO配置工具分配地址在PROFINETIO配置設(shè)備名稱(chēng)在PROFBUS配置中分配地址主站設(shè)備名稱(chēng)IO控制器DP主站從站設(shè)備名稱(chēng)IO設(shè)備DP從站網(wǎng)絡(luò)地址IP地址PROFIBUS地址

2/6/20231066.7.3PROFINETIO設(shè)備類(lèi)型

PROFINETIO支持四種不同的設(shè)備類(lèi)型，分別為IO控制器、IO監(jiān)視器、IO設(shè)備、IO參數(shù)服務(wù)器。表6-5是對(duì)這些設(shè)備的描述。表6-5PROFINETIO的設(shè)備類(lèi)型名

稱(chēng)PROFINETIOIO控制器如PLC等能夠執(zhí)行一定的控制程序，類(lèi)似于DP主站IO設(shè)備類(lèi)似于DP從站，如ET200SIO監(jiān)視器如PC、HMI等設(shè)備，主要完成調(diào)試、診斷、實(shí)時(shí)監(jiān)控IO參數(shù)服務(wù)器參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)歸檔等

2/6/20231076.7.4PROFINETIO協(xié)議

PROFINETIO提供了標(biāo)準(zhǔn)通信和實(shí)時(shí)通信兩種通信通道，以滿(mǎn)足不同的工廠(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)合。使用一根網(wǎng)線(xiàn)，就可以實(shí)現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸。實(shí)時(shí)通道中的數(shù)據(jù)是通過(guò)實(shí)時(shí)協(xié)議來(lái)傳輸?shù)?。通過(guò)圖6-4可以看出，PROFINETIO在進(jìn)行實(shí)時(shí)通信時(shí)將數(shù)據(jù)分成了兩類(lèi)：用于診斷、參數(shù)化的數(shù)據(jù)依然使用的是TCP/IP協(xié)議，實(shí)時(shí)協(xié)議則通過(guò)優(yōu)先級(jí)旁路了第3層和第4層，減少了協(xié)議棧的讀寫(xiě)時(shí)間；等時(shí)同步實(shí)時(shí)協(xié)議更是在硬件的支持下為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)開(kāi)辟專(zhuān)用通道。表6-6列出了PROFINETIO用到的各種協(xié)議。

2/6/20231086.7.4PROFINETIO協(xié)議表6-6PROFINETIO的協(xié)議功能名

稱(chēng)協(xié)議名稱(chēng)功

能TCP/IP數(shù)據(jù)SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）管理網(wǎng)絡(luò)上的各種軟硬件的平臺(tái)，包括各種節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)信息等DNS（DomainNameSystem，域名解析）完成網(wǎng)絡(luò)域名和IP地址的轉(zhuǎn)換IP（InternetProtocol，網(wǎng)際協(xié)議）決定數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上如何傳輸DCP（DiscoveryandbasicConfigurationProtocol，發(fā)現(xiàn)和基本配置協(xié)議）分配PROFINET設(shè)備的地址和