工業(yè)以太網(wǎng)課件

7.6工業(yè)以太網(wǎng)

7.6.1工業(yè)以太網(wǎng)定義工業(yè)以太網(wǎng)是繼承或部分繼承以太網(wǎng)原有核心技術的基礎上，應對適應工業(yè)環(huán)境性、通信實時性、各節(jié)點間的同步性、特殊場合的信息安全和本安防爆性等要求給出的解決方案。涉及到企業(yè)網(wǎng)絡的各個層次。工業(yè)以太網(wǎng)既屬于信息網(wǎng)絡技術，也屬于控制網(wǎng)絡。7.6.2工業(yè)以太網(wǎng)特色技術1.應對環(huán)境適應的特色技術連接件帶鎖緊機構設計。封裝外殼防水、防塵、防電磁干擾、耐溫度變化設計。開發(fā)具有工業(yè)級的交換機、集線器和接插件等。7.6.2工業(yè)以太網(wǎng)特色技術2.通信非確定性的緩解措施利用以太網(wǎng)的高通信速率在相同的條件下，提高通信速率可以減少通信信號占用傳輸介質的時間?？刂凭W(wǎng)絡負荷控制網(wǎng)絡的通信量不大，隨機性、突發(fā)性通信機會不多，其網(wǎng)絡通信大多可以事先預計并作出相應安排。在網(wǎng)絡負荷低于滿負荷的30%時，可以基本滿足一般控制系統(tǒng)的通信確定性要求。采用全雙工以太網(wǎng)技術采用交換式以太網(wǎng)技術交換機以存儲轉發(fā)方式工作，可以看作是具有多個端口的網(wǎng)橋。所以，連接在同一個交換機上的不存在資源競爭問題。7.6.3以太網(wǎng)的通信幀結構與工業(yè)數(shù)據(jù)封裝7.6.3以太網(wǎng)的通信幀結構與工業(yè)數(shù)據(jù)封裝對于組態(tài)和診斷等非實時性數(shù)據(jù)一般利用TCP/IP協(xié)議發(fā)送。對于I/O等實時性數(shù)據(jù)一般采用UDP/IP協(xié)議發(fā)送。1.實時以太網(wǎng)簡介實時以太網(wǎng)是工業(yè)以太網(wǎng)針對通信實時性、確定性問題提出的解決方案，屬于工業(yè)以太網(wǎng)的特色與核心技術。目前，實時以太網(wǎng)還處于技術開發(fā)階段，種類繁多，實時機制、性能、通信一致性存在較大差異。目前，實時以太網(wǎng)技術有：EtherNet/IP，PROFINET，P-NET，INTERBUS，VNET/IP，TCENT，ETHERCAT，ETHERNET，POWERLINK，EPA，MODUBUS-RTPS，SERCOS-III11個技術標準。7.6.4實時以太網(wǎng)2.實時以太網(wǎng)通信參考模型PROFINETMODBUS/TCPETHERNET/IP如果一種實時以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層有別于普通以太網(wǎng)，則需要特殊的實時以太網(wǎng)通信控制器ASIC支持。不同實時以太網(wǎng)，其實時機制與時間性能等級是有差異的。工業(yè)以太網(wǎng)中對于沒有實時性要求的數(shù)據(jù)可以通過標準以太網(wǎng)通道傳輸，而對于有實時性要求的數(shù)據(jù)需要按軟實時（SRT）或等時同步（IRT）通道傳輸。2.實時以太網(wǎng)通信參考模型確定分時調度在標準以太網(wǎng)MAC層上增加實時調度層。實時調度層一方面保證實時數(shù)據(jù)的按時發(fā)送和接收，另一方面要安排時間處理非實時數(shù)據(jù)的通信。3.實時以太網(wǎng)的媒體訪問控制

起始時段7.6.4實時以太網(wǎng)非周期性通信的異步時段周期性通信的實時時段非周期性通信的保留時段網(wǎng)絡上各個節(jié)點之間要有統(tǒng)一的時間基準才能實現(xiàn)動作的協(xié)調一致。IEEE1588定義了時間同步協(xié)議PTP（PrecisionTimeProtocol），其基本功能是使分布在網(wǎng)絡上的各個節(jié)點的時鐘與該網(wǎng)絡的基準時鐘保持一致。7.6.5IEEE1588精確時間同步協(xié)議IEEE1588精確時間同步是基于IP組播通信實現(xiàn)的。根據(jù)時間同步的角色不同，該系統(tǒng)又將網(wǎng)絡上的節(jié)點分為主（Master）時鐘節(jié)點和從（Slave）時鐘節(jié)點。主時鐘節(jié)點：提供同步時鐘源的時鐘。一般由振蕩頻率穩(wěn)定、精度較高的節(jié)點擔任。從時鐘節(jié)點：與主時鐘源同步，并不斷調整與其保持一致的節(jié)點。7.6.5IEEE1588精確時間同步協(xié)議時鐘偏移量與傳輸延遲的測量過程主時鐘從時鐘攜帶TM1的后續(xù)報文Sync攜帶TM3的遲延響應報文遲延請求報文t1TM=2001TM1=2002TS=2000TS1=2002TS3=2004TM3=2006TS=2007+1t2TM=2008TS1-TM1=tDelay+tOffset

7.6.5IEEE1588精確時間同步協(xié)議TM3-TS3=tDelay-tOffset

精確偏移tOffset=(TS1-TM1-TM3+TS3)/2=1

邊界時鐘（BoundaryClock）：在連接有交換機的網(wǎng)絡系統(tǒng)中，交換機就成為邊界時鐘。7.6.5IEEE1588精確時間同步協(xié)議1.EtherNet/IP網(wǎng)絡簡介EtherNet/IP網(wǎng)絡是采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片和物理介質。根據(jù)應用場合要求，使用相應抗電磁干擾和防護等級的以太網(wǎng)交換機及線纜。對于工業(yè)環(huán)境，選擇EtherNet/IP認證的設備。7.6.6EtherNet/IP采用星形拓撲結構，利用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設備間的點對點連接；7.6.6EtherNet/IP以太網(wǎng)交換機2.EtherNet/IP通信參考模型控制與信息協(xié)議CIP（ControlandinformationProtocol）封裝TCP/UDPIP以太網(wǎng)MAC/LLC以太網(wǎng)物理層控制與信息協(xié)議CIP（ControlandinformationProtocol），1999年發(fā)布，是工業(yè)以太網(wǎng)的特色部分。其開發(fā)目的是為了提高設備間的互操作性。CIP一方面提供滿足控制要求的實時通道；另一方面滿足常規(guī)非實時信息交換。3.控制與信息協(xié)議CIP3.EtherNet/IP的報文種類I/O數(shù)據(jù)報：是指實時性要求較高的小數(shù)據(jù)包測量控制數(shù)據(jù)，采用UDP/IP傳輸。此報文沒有協(xié)議信息，數(shù)據(jù)接收者知道數(shù)據(jù)的含義，因此又稱為隱性報文。信息報文：是指實時性要求較低的大數(shù)據(jù)包組態(tài)、診斷、趨勢等數(shù)據(jù)，采用TCP/IP傳輸。此報文需要根據(jù)協(xié)議信息來理解數(shù)據(jù)報文的含義，因此又稱為顯性報文。網(wǎng)絡維護報文：在系統(tǒng)專門指定的時間內發(fā)送時鐘同步及調整一些與網(wǎng)絡運行參數(shù)，以使網(wǎng)絡系統(tǒng)正常運行。網(wǎng)絡維護報文一般采用廣播方式發(fā)送。4.EtherNet/IP的特點繼承TCP/IP協(xié)議的優(yōu)點，具有高速傳輸大量數(shù)據(jù)的能力。支持主機、PLC、機器人、HMI等典型設備。多組設備連接到交換機實現(xiàn)點對點10Mb/s或100Mb/s的自適應通信。星型拓撲易于連線、檢錯和維護。內置WebServer功能，現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)頁瀏覽。7.6.7其他工業(yè)以太網(wǎng)技術PROFINETPROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準。PROFINET是適用于不同需求的完整解決方案，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡安裝、IT標準和信息安全、故障安全和過程自動化。作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術。7.6.7嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點1.嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點：指采用普通以太網(wǎng)技術通信接口的專用集成芯片ASIC構成的測量控制節(jié)點。嵌入式以太網(wǎng)ASIC芯片包括：CPU、存儲器、以太網(wǎng)接口、多種通信接口、I/O接口等。這些芯片添加驅動、隔離電路等便可形成嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點。這些以太網(wǎng)節(jié)點可以方便地實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，集成Web服務器等。UBICOM的IP2022，RABBIT公司推出的RABBIT2000等都屬于嵌入式以太網(wǎng)芯片。7.6.7嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點2.IP2022簡介7.6.7嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點2.IP2022簡介IpOS為IP2022支持的操作系統(tǒng)。IP2022的應用程序可建立在該操作系統(tǒng)之上。通過它可以利用函數(shù)調用來管理各種I/O功能。UBICOM公司還推出了一套集成化開發(fā)環(huán)境——UBICOM

Unity

IDE。用戶可在該環(huán)境下編寫自己的C語言程序。以太網(wǎng)通信接口的嵌入式節(jié)點采用的軟硬件資源豐富，技術成熟，便于使用，應用廣泛。需要注意的是，其應用范圍受到實時性要求的限制。7.6.8基于Web技術的遠程通信1.Web技術簡介Web技術通過Internet使計算機能夠互相傳送超文本的數(shù)據(jù)信息。Web服務器：Web服務器是一個軟件，用于管理Web頁面，并使這些頁面通過本地網(wǎng)絡或Internet供客戶瀏覽器使用。Web瀏覽器：起著控制作用，任務是使用一個URL(Internet地址)來獲取一個Web服務器上的WEB文檔，解釋這個HTML，并將文檔內容以用戶環(huán)境顯示出來。靜態(tài)文檔是指該文檔創(chuàng)作完畢后就存放在萬維網(wǎng)服務器中，在被用戶瀏覽的過程中，內容不會改變。動態(tài)文檔是指文檔的內容是在瀏覽器訪問萬維網(wǎng)服務器時才由應用程序動態(tài)創(chuàng)建。動態(tài)文檔和靜態(tài)文檔之間的主要差別體現(xiàn)在服務器一端。這主要是文檔內容的生成方法不同。而從瀏覽器的角度看，這兩種文檔并沒有區(qū)別。1.Web技術簡介1.Web技術簡介2.基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)：通過現(xiàn)場控制網(wǎng)絡、企業(yè)內部網(wǎng)絡和Internet把分布于各地的測量控制設備或控制系統(tǒng)互聯(lián)起來，實現(xiàn)控制設備間的遠程信息交互，完成遠程監(jiān)視控制任務。借助遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對某些特殊或危險的無人值守的場合的監(jiān)控。便于企業(yè)內部的信息集成，為經營管理和決策工作提供及時、全面、準確的信息資源。管理人員借助遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以在任何地方掌握企業(yè)的實時生產情況，下達生產指令。技術人員借助遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以在任何地方進行遠程故障診斷和技術支持。2.基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，授權客戶端使用通用Web瀏覽器通過Internet完成對生產現(xiàn)場的遠程監(jiān)控任務。用戶只需用通用的Web瀏覽器軟件就可以完成任務，而無需在客戶端安裝專用客戶軟件?；赪eb方式實現(xiàn)遠程監(jiān)控是一個趨勢。3.Web嵌入式工控節(jié)點及其遠程監(jiān)控Web嵌入式工控節(jié)點：將以太網(wǎng)接口、TCP/IP協(xié)議組以及Web服務器等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嵌入到PLC、變頻器、執(zhí)行器和控制器等設備中而形成的控制網(wǎng)絡節(jié)點。這些控制節(jié)點向下可以連接傳感器、開關、指示燈等輸入輸出器件；向上可以直接連入Internet，成為Internet上的合法節(jié)點，并可借助Web服務器與外界交換信息。3.Web嵌入式工控節(jié)點及其遠程監(jiān)控3.Web嵌入式工控節(jié)點及其遠程監(jiān)控內置Web服務器：由網(wǎng)絡服務器提供交互Internet服務，在Web嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)中將被監(jiān)控的各底層狀態(tài)定義成HTML語言許可的網(wǎng)絡變量，然后利用這些變量生產網(wǎng)頁，由網(wǎng)絡服務器提供給遠程用戶。遠程用戶通過網(wǎng)絡瀏覽器觀察設備的實時運行情況，也可以通過網(wǎng)頁修改工藝變量，完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)控任務。Web嵌入式工控節(jié)點的每臺設備都是Internet上的網(wǎng)絡服務器，因