列車總線控制基礎(chǔ)(列車通信網(wǎng)絡(luò)概述)

列車總線控制基礎(chǔ)(列車通信網(wǎng)絡(luò)概述)第一頁，共54頁。課程的基本內(nèi)容第1章緒論第2章網(wǎng)絡(luò)與通信基礎(chǔ)第3章微機(jī)控制基礎(chǔ)第4章列車通信網(wǎng)絡(luò)第5章CRH系列動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)第6章列車自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)第二頁，共54頁。列車通信網(wǎng)絡(luò)的定義列車通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)安裝在列車上的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)整列車各部分信息的采集與傳遞，對(duì)整列車進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)、故障診斷以及為旅客提供信息服務(wù)。第三頁，共54頁。列車總線通信任務(wù)列車總線上不同類型的通信主要用于:控制牽引控制:車輛控制:故障診斷旅客信息預(yù)定座位等1)2)4)

燈,門,加熱,傾擺,...遠(yuǎn)程,重聯(lián)牽引,...預(yù)報(bào)下一站,故障,線路.客車客車機(jī)車具有司機(jī)室的客車司機(jī)室列車服務(wù)員診斷計(jì)算機(jī)設(shè)備故障,維修信息狀態(tài)信息查詢3)設(shè)備運(yùn)行及狀態(tài)第四頁，共54頁。列車控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)列車網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

工作環(huán)境惡劣，可靠性要求高；實(shí)時(shí)性（時(shí)間確定性）要求高；列車組成的動(dòng)態(tài)性（自動(dòng)組網(wǎng)）。第五頁，共54頁。列車網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)

第六頁，共54頁。常見的列車通信網(wǎng)絡(luò)1、現(xiàn)場(chǎng)總線2、TCN3、工業(yè)以太網(wǎng)第七頁，共54頁?，F(xiàn)場(chǎng)總線1、定義2、組成3、特點(diǎn)1）全數(shù)字通信2）系統(tǒng)的開放性3）互可操作性4）通信的實(shí)時(shí)性與確定性5）功能自治性6）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

4、優(yōu)缺點(diǎn)

5、與計(jì)算機(jī)通信的區(qū)別第八頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括PLC以及各種智能化的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備基于統(tǒng)一、規(guī)范的通信協(xié)議

通過同一總線實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享

網(wǎng)絡(luò)體系通信總線在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的延伸生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

位于的底層現(xiàn)場(chǎng)總線概述1.現(xiàn)場(chǎng)總線的概念是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化測(cè)量控制系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。第九頁，共54頁。全數(shù)字通信抗干擾能力和傳輸精度得到顯著提高—信號(hào)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)可進(jìn)行多參數(shù)傳輸，消除了模擬信號(hào)的傳輸瓶頸—現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)量、控制信息以及其他非控制信息如設(shè)備類型、型號(hào)、廠商信息、量程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等都可以通過一對(duì)導(dǎo)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的任何智能設(shè)備，如中央控制器等。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十頁，共54頁。開放式系統(tǒng)通信協(xié)議一致公開，任何人、任何單位均可采用不同廠家的設(shè)備遵守相同的技術(shù)規(guī)范不同廠家的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)信息互訪用戶可按需要，任意選用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備不同設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)資源共享與其他網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)）相聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫共享現(xiàn)場(chǎng)總線概述2.現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)第十一頁，共54頁?；タ刹僮鞑煌O(shè)備間，除了能實(shí)現(xiàn)信息互訪外，還能理解信息的含義，并能根據(jù)信息要求進(jìn)行操作即某廠家生產(chǎn)的設(shè)備能夠?qū)α硪粋€(gè)廠家的設(shè)備進(jìn)行控制和操作不同廠家的相同類型的設(shè)備可以互相替換可統(tǒng)一組態(tài)，無需專用的驅(qū)動(dòng)程序解決了設(shè)備的壟斷性和產(chǎn)品故障處理的時(shí)效性為系統(tǒng)集成的自主性提供了產(chǎn)品保障2.現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十二頁，共54頁。分散控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十三頁，共54頁。對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)可支持多種傳輸介質(zhì)—雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等可兩線制供電支持本質(zhì)安全與防爆2.現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十四頁，共54頁。一對(duì)多的總線型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線是多分支結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蔀榭偩€型、星型、樹形等多種形式，以總線型為主?！獋鹘y(tǒng)控制系統(tǒng)中設(shè)備的連接都是一對(duì)一的布線簡(jiǎn)單，工程安裝周期縮短、維護(hù)也很方便很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性–主機(jī)能自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的增加或刪減–無需架設(shè)新的線纜–無需系統(tǒng)停機(jī)2.現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十五頁，共54頁。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十六頁，共54頁。3.現(xiàn)場(chǎng)總線的特殊功能(1)經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地傳輸信息經(jīng)濟(jì)性信息、電源同時(shí)傳輸介質(zhì)廉價(jià)安全性解決防爆問題可靠性電磁、氣候、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十七頁，共54頁。(2)正確使用所傳信息可互操作性：不同廠家的設(shè)備相互理解所傳信息(3)及時(shí)處理所傳信息信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，避免信息在網(wǎng)絡(luò)上過多傳輸3.現(xiàn)場(chǎng)總線的特殊功能現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十八頁，共54頁。線狀（總線、菊花鏈型）、星型、樹型以線狀結(jié)構(gòu)為多4.現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線概述第十九頁，共54頁?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代是為滿足日益急迫的企業(yè)綜合自動(dòng)化的需求開放性通用性可靠性智能儀表為現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)5.現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)場(chǎng)總線概述第二十頁，共54頁?，F(xiàn)場(chǎng)總線近年來成為控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)各國投入巨額資金與人力在開發(fā)這一技術(shù)，形成了企業(yè)、國家、國際標(biāo)準(zhǔn)（歐洲、北美、亞洲、中國），呈現(xiàn)百花齊放的現(xiàn)狀。最后，通過妥協(xié)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存、共同發(fā)展的局面現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158包含了八種類型，據(jù)說可能還要增加到十二種類型5.現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)場(chǎng)總線概述第二十一頁，共54頁。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)從各個(gè)方面影響現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。但是，二者在基本功能、信號(hào)傳輸要求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上均有所不同。第二十二頁，共54頁。1.基本功能計(jì)算機(jī)通信的基本功能：可靠地傳遞信息?，F(xiàn)場(chǎng)總線的功能則是包括了更多的內(nèi)容：①高效、低成本地實(shí)現(xiàn)儀表及自控設(shè)備間的全數(shù)字化通信，以體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性；②解決現(xiàn)場(chǎng)裝置的總線供電問題，實(shí)現(xiàn)性現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)安全規(guī)范，以體現(xiàn)其安全性；③解決現(xiàn)場(chǎng)總線的環(huán)境適應(yīng)性問題，如電磁干擾、環(huán)境溫度、適度、振動(dòng)等因素，以體現(xiàn)其可靠性；④現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)控制裝置要盡可能地就地處理信息，不要將信息過多地在網(wǎng)絡(luò)上往返傳遞，以體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)——信息處理現(xiàn)場(chǎng)化?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)第二十三頁，共54頁。2.信號(hào)傳輸要求二者在速度要求上是一致的，但現(xiàn)場(chǎng)總線不僅要求傳輸速度快，還要求響應(yīng)快，即需要滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。一般通信系統(tǒng)也會(huì)有實(shí)時(shí)性的要求，但這是一種“軟”的要求，即只要大部分時(shí)間滿足要求就行了。過程控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是“硬”的，因?yàn)樗婕鞍踩?，必須在任何時(shí)間都及時(shí)響應(yīng)，不允許有不確定性?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)第二十四頁，共54頁。2.信號(hào)傳輸要求現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在響應(yīng)時(shí)間和循環(huán)周期二個(gè)方面：響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)發(fā)生特殊請(qǐng)求或發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，儀表將信息傳輸?shù)街骺卦O(shè)備或其它現(xiàn)場(chǎng)儀表所需的時(shí)間。這往往需要涉及：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的中斷和處理能力，傳輸時(shí)間，優(yōu)先級(jí)控制等多種因素。過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個(gè)時(shí)間達(dá)到最短，但它要求最大值是預(yù)先可知的。過程控制系統(tǒng)通常需要周期性地與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行信息交流，循環(huán)周期是指系統(tǒng)與所有現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備都至少完成一次通信所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間往往具有一定的隨機(jī)性，過程控制系統(tǒng)同樣希望其最大值是可預(yù)知的?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)第二十五頁，共54頁。2.信號(hào)傳輸要求現(xiàn)場(chǎng)總線通常采用以下二種技術(shù)來保證其實(shí)時(shí)性：簡(jiǎn)化技術(shù)：極大地提高通信傳遞速度簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：一般將網(wǎng)絡(luò)形式簡(jiǎn)化成線形；簡(jiǎn)化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2～3層；簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)信息，通常簡(jiǎn)化到只有幾字節(jié)。采用網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，并保證其可預(yù)知性。例如:采用主-從訪問方式，只要限制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，就可以將響應(yīng)時(shí)間控制在指定的時(shí)間內(nèi)。總之，實(shí)時(shí)性要求是現(xiàn)場(chǎng)總線區(qū)別于一般計(jì)算機(jī)通信的主要因素。改善現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性，減少響應(yīng)時(shí)間的不確定性是現(xiàn)場(chǎng)總線的重要發(fā)展趨勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)第二十六頁，共54頁。3.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)狀的，節(jié)點(diǎn)間的通信路徑是不固定的；大部分現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)是線狀的，節(jié)點(diǎn)間的通信路徑是比較固定的。FB采用線狀結(jié)構(gòu)的原因在于：

①容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的總線供電。一條線狀結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線支路上的電源負(fù)載是確定的，沿總線電源電壓的變化也是可以預(yù)料的。

②容易實(shí)現(xiàn)本安防爆規(guī)范。目前的本安防爆主導(dǎo)理論還是認(rèn)為，電纜的分布電感、電容以及由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的火花能量，都是隨著電纜的長(zhǎng)度而增加。現(xiàn)場(chǎng)總線由于限制電纜的長(zhǎng)度和總線上負(fù)載的數(shù)量，可以較好的解決本安防爆問題，同時(shí)這也對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用產(chǎn)生了一定的限制。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)第二十七頁，共54頁。4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備+傳輸介質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)總線接口微處理器傳感器A/D現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)工作站現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)第二十八頁，共54頁。2.現(xiàn)場(chǎng)總線比較現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)第二十九頁，共54頁?，F(xiàn)場(chǎng)總線德國西門子公司：1979年德國西門子公司第一次開發(fā)車載微機(jī)控制裝置1992年在SIBAS16基礎(chǔ)上推出以80386為CPU的SIBAS32系統(tǒng)。已具備網(wǎng)絡(luò)控制功能（符合TCN標(biāo)準(zhǔn)）法國ALSTOM公司：將WorldFIP作為標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議應(yīng)用于其開發(fā)的AGATE列車控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于TGV高速列車美國Echelon公司：20世紀(jì)90年代初，發(fā)明了Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)德國Bosch公司:CAN總線美國：ARCNET第三十頁，共54頁。TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)）概述功能體系結(jié)構(gòu) WTB和MVB的特點(diǎn) 多功能車輛總線MVBMVB物理層MVB幀絞式列車總線WTBWTB特性摘要WTB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋀TB幀、報(bào)文WTB介質(zhì)訪問控制方式列車初運(yùn)行

【主要內(nèi)容】第三十一頁，共54頁。TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)）概述TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)）于1999年6月正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，即IEC61735。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)、連接各車輛的列車總線、連接車輛內(nèi)部各智能設(shè)備的車輛總線及過程數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。第三十二頁，共54頁。

功能TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)）將列車上的智能設(shè)備連接起來，完成下述功能：列車牽引及車輛控制（如車門、車燈等的遠(yuǎn)程控制）；遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)；旅客信息及舒適性；第三十三頁，共54頁。TCN三層結(jié)構(gòu)：列車級(jí)控制、車廂級(jí)控制、設(shè)備級(jí)控制TCN的體系結(jié)構(gòu)第三十四頁，共54頁。1.連接各車輛的絞線式列車總線（WireTrainBus,WTB）,列車新編組時(shí)可自動(dòng)配置（組態(tài)），通信介質(zhì)為雙絞線，通信速率為1Mbit/s；2.連接一節(jié)車輛內(nèi)或車輛組各設(shè)備的多功能車輛總線（MultifunctionVehicleBus,MVB)，具有快響應(yīng)性，通信介質(zhì)為雙絞線或光纖，通信速率為1.5Mbit/s。3.這些總線在鏈路層提供了兩種相同的服務(wù)：過程數(shù)據(jù)：周期性的，源尋址廣播數(shù)據(jù)；消息數(shù)據(jù)：按需傳送的，目標(biāo)尋址的數(shù)據(jù)報(bào)文。4.實(shí)時(shí)協(xié)議提供兩種與總線無關(guān)獨(dú)立的應(yīng)用服務(wù)5.網(wǎng)絡(luò)管理支持組態(tài)、維護(hù)及操作。TCN的體系結(jié)構(gòu)第三十五頁，共54頁。商業(yè)以太網(wǎng)－辦公自動(dòng)化工業(yè)以太網(wǎng)－工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)以太網(wǎng)第三十六頁，共54頁。為什么工業(yè)領(lǐng)域需要以太網(wǎng)

原因一：現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，帶來系統(tǒng)復(fù)雜性 1999年現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61158終于塵埃落定,有8種總線成為國際電工委員會(huì)(IEC)現(xiàn)行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它們分別是: ①基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF(fundationfieldbus);②ControlNet;③Profibus;④P-Net;⑤FF(fieldbusfundation)高速以太網(wǎng)HSE;⑥SwiftNet;⑦WorldFIP;⑧Inter-bus. 從用戶應(yīng)用的角度來看,多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并立導(dǎo)致在一個(gè)具體應(yīng)用中可能會(huì)涉及多種不同標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表,需要解決不同標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)之間的互連接和互操作的問題,這必然會(huì)增加用戶的投資和使用維護(hù)的復(fù)雜性。第三十七頁，共54頁。

原因二：信息集成有新的要求 帶寬問題：一般地來說,現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單,通信速率比較低。如基金會(huì)總線FF的H1和PROFIBUS-PA的傳輸速率只有31.25Kbps。但隨著儀器儀表智能化的提高,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也必將趨于復(fù)雜,未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能已不滿足于幾個(gè)字節(jié),甚至是WEB網(wǎng)頁,所以網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母咚傩栽诠I(yè)控制中越來越重要。 與商業(yè)網(wǎng)集成問題：在制造加工工業(yè)中，能夠走出辦公室,在任何地方對(duì)企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,無疑是各個(gè)企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效方法。如此一來，現(xiàn)場(chǎng)總線的底層信息必然要和上層的通用局域網(wǎng)連接,將底層信息集成到車間、公司級(jí)的數(shù)據(jù)庫中,通過WEB方式瀏覽和交互控制?，F(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大都無法直接與互聯(lián)網(wǎng)連接，需要額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才能完成通信。第三十八頁，共54頁。

原因三：工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) (1)解決協(xié)議的開放性和兼容性問題。

工業(yè)以太網(wǎng)因?yàn)椴捎糜蒊EEE802.3所定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，從而為PLC廠家和DCS廠家廣泛接受。與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)還具有向下兼容性。快速以太網(wǎng)是在雙絞線連接(10BaseT)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但它的傳輸速度從10Mbps提升到了100Mbps。在大多數(shù)場(chǎng)合，它還可以使用已有的布線。此外，以太網(wǎng)還允許逐漸采用新技術(shù)。也就是說，沒必要一下子改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以一步步將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。 (2)解決帶寬需求問題。

以太網(wǎng)最初的數(shù)據(jù)傳輸速度只有10Mbit/s，隨著1996年快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布。以太網(wǎng)的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布將其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太網(wǎng)需要1.2毫秒才能傳送一個(gè)1518字節(jié)大小數(shù)據(jù)；現(xiàn)在，快速以太網(wǎng)已經(jīng)將這一時(shí)間減少到120秒；如果采用千兆以太網(wǎng)，這一時(shí)間只需12微秒。

第三十九頁，共54頁。 (3)解決與商用以太網(wǎng)集成問題。

以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線,尤其是高速現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)的主體,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)展之外,使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很好地融合而形成相互促進(jìn)的局面。 (4)以太網(wǎng)適配器的價(jià)格大幅度下跌以及各產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以太網(wǎng)的支持是其成功的重要因素。第四十頁，共54頁。什么是以太網(wǎng)? 1980年DEC(digitalequipmentcorporation)、Intel和Xerox三大公司發(fā)布了DIX版以太網(wǎng)1.0規(guī)范,其傳輸速度為10Mb/S,所支持的唯一物理介質(zhì)為粗同軸電纜。1982年,發(fā)布了DIX2.0版,這就是通常所說的EthernetⅡ。與DIX同步的是IEEE成立的至今聞名的802.3委員會(huì)。1985年，IEEE802.3委員會(huì)發(fā)布了CSMA/CD訪問方法和物理層規(guī)范。盡管其幀的定義與DIX2.0不盡相同，但是現(xiàn)在更多的人認(rèn)為它就是以太網(wǎng)。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括：physicallayer:media,configurationdatalinklayer:MACprotocol,CSMA/CD第四十一頁，共54頁。CSMA/CDCarrierSense(CS)—“偵聽”

在發(fā)送信息幀之前是否有網(wǎng)絡(luò)傳輸。一旦偵聽到信道空閑，等待一個(gè)IFG(46bit時(shí)間)后便立刻發(fā)送信息幀MultipleAccess(MA)—“多點(diǎn)接入”

如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，此時(shí)就會(huì)發(fā)生沖突CollisionDetect(CD)—“沖突檢測(cè)”

CSMA/CD協(xié)議中采用重傳機(jī)制重新執(zhí)行信息幀的發(fā)送操作，直到該信息幀成功發(fā)送或重傳次數(shù)n達(dá)到上限(attempLimit)而終止發(fā)送IntelDemo2第四十二頁，共54頁。CSMA/CDExponentialBack-offAlgorithm–“二進(jìn)制指數(shù)回避算法，BEB”

每次檢測(cè)到?jīng)_突，CSMA/CD采用BEB算法隨機(jī)地計(jì)算出下一次重傳需要等待的時(shí)間，即幀重傳時(shí)延。幀重傳時(shí)延的大小為時(shí)隙時(shí)間(slotTime,512bit的傳輸時(shí)間)的整數(shù)倍r。 r為隨機(jī)整數(shù)，其取值為:0<r<2r，k=min(n,10),其中，n為重傳次數(shù)，最大值為16.對(duì)于10Mbit/s網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)時(shí)隙時(shí)間為51.2us。因此沖突所導(dǎo)致的等待時(shí)間最長(zhǎng)可以達(dá)到51ms。重傳時(shí)延的不確定性，不能滿足工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性第四十三頁，共54頁。工業(yè)以太網(wǎng)與商業(yè)以太網(wǎng)的區(qū)別1、工業(yè)以太網(wǎng)的基本體系結(jié)構(gòu)2、改進(jìn)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)3、工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信技術(shù)4、工業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求第四十四頁，共54頁。1、工業(yè)以太網(wǎng)基本體系結(jié)構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)在商用以太網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它的體系結(jié)構(gòu)基本上采用了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。對(duì)應(yīng)于ISO/OSI通信參考模型，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均采用了802.3標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層則采用被稱為以太網(wǎng)“事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)”的TCP/IP協(xié)議簇，在高層協(xié)議上，工業(yè)以太網(wǎng)通常省略了會(huì)話層、表示層，而定義了應(yīng)用層，有的工業(yè)以太網(wǎng)還定義了用戶層。第四十五頁，共54頁。

根據(jù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)擴(kuò)展的不同技術(shù)方案，可將實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議模型分為5類，①是經(jīng)過常規(guī)最大努力提高實(shí)時(shí)性，一般工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議模型;②采用在TCP/IP之上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換方案;③采用經(jīng)優(yōu)化處理和提供旁路實(shí)時(shí)通道的通信協(xié)議模型;④采用集中調(diào)度提高實(shí)時(shí)性的解決方案;⑤采用類似Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線“集總幀”通信方式和在物理層使用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提升以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能。2、改進(jìn)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)第四十六頁，共54頁。3、工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信技術(shù)采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結(jié)合的方法直接修改傳統(tǒng)以太網(wǎng)MAC協(xié)議(CSMA/CD)方式數(shù)據(jù)鏈路層增加實(shí)時(shí)調(diào)度層的方式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步機(jī)制也是實(shí)現(xiàn)確定性實(shí)時(shí)調(diào)度的必要手段之一第四十七頁，共54頁。采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結(jié)合的方法標(biāo)準(zhǔn)：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP說明：它們是建立在以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)傳遞。提高實(shí)時(shí)性的主要手段包括提高通信速率,控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以及采用全雙工交換技術(shù)。 然而,交換式以太網(wǎng)并不是實(shí)時(shí)通信最終的解決方案,當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)流同時(shí)到達(dá)交換機(jī)時(shí),需要將其緩存后從目的端口順序輸出,此時(shí)多路轉(zhuǎn)換和緩存的時(shí)間取決于不同交換機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)方式和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況,其值仍是一個(gè)不確定的數(shù)值。在許多工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中,需要一個(gè)設(shè)備同時(shí)向多個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)(如廣播或發(fā)布/預(yù)定關(guān)系)。交換式以太網(wǎng)更適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)廣播或多播報(bào)文同時(shí)傳遞到一個(gè)端口時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)延。

第四十八頁，共54頁。采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結(jié)合的方法標(biāo)準(zhǔn)：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP說明：它們是建立在以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)傳遞。提高實(shí)時(shí)性的主要手段包括提高通信速率,控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以及采用全雙工交換技術(shù)。 然而,交換式以太網(wǎng)并不是實(shí)時(shí)通信最終的解決方案,當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)流同時(shí)到達(dá)交換機(jī)時(shí),需要將其緩存后從目的端口順序輸出,此時(shí)多路轉(zhuǎn)換和緩存的時(shí)間取決于不同交換機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)方式和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況,其值仍是一個(gè)不確定的數(shù)值。在許多工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中,需要一個(gè)設(shè)備同時(shí)向多個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)(如廣播或發(fā)布/預(yù)定關(guān)系)。交換式以太網(wǎng)更適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)廣播或多播報(bào)文同時(shí)傳遞到一個(gè)端口時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)延。

第四十九頁，共54頁。采用以太網(wǎng)與TCP/IP相結(jié)合的方法

另外，HSE，Ethernet/IP和ModbusTCP都沒有在實(shí)質(zhì)上解決以太網(wǎng)的通信不確定性問題，而是采取了一種比較折衷的方案，即傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層沿用以太網(wǎng)的原有機(jī)制，在用戶層或應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行控制。而對(duì)于應(yīng)用層以下的報(bào)文是不能控制的，如ARP(AddressResolutionProtocol)、ICMP(InternetControlMessagesProtocol)等協(xié)議所產(chǎn)生的報(bào)文。這種折衷的方案不