現(xiàn)場總線技術12 工業(yè)以太網(wǎng)

第十二章工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術

共三十七頁12.工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術

12.1工業(yè)以太網(wǎng)概述12.2工業(yè)以太網(wǎng)的技術優(yōu)勢12.3工業(yè)以太網(wǎng)互連模型(móxíng)

12.4工業(yè)以太網(wǎng)技術應解決的問題12.5工業(yè)以太網(wǎng)非確定性問題的解決措施12.6工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢

共三十七頁12.1工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)概述1.何謂工業(yè)以太網(wǎng)（IndustrialEthernet）？應用(yìngyòng)于工業(yè)自動化領域的以太網(wǎng)技術。在以太網(wǎng)技術和TCP/IP技術的基礎上發(fā)展起來的一種工業(yè)網(wǎng)絡。共三十七頁2.工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術在IS0/OSI7層協(xié)議中，以太網(wǎng)本身只定義(dìngyì)了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。高層控制協(xié)議，以太網(wǎng)使用了TCP/IP協(xié)議。IP(internetprotocol)：確定信息傳遞路線TCP(transmissioncontroIprotocol)：保證傳輸?shù)目煽啃?。共三十七?.IP技術IP技術是Internet的基礎：IEEE1394，ATM(asynchronoustransfermode)，TCP,UDP(userdatagramprotocol)等等，它還可以(kěyǐ)適用于其它的通信標準，如FTP(filetransferprotocol)和SMTP(Simplemailtransferprotocol)等。以太網(wǎng)已成為事實上的工業(yè)標準：辦公自動化企業(yè)的管理網(wǎng)絡共三十七頁4.工業(yè)以太網(wǎng)的國際組織工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(industrialethernetassociation，lEA)工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡聯(lián)盟(industrialautomationnetworkalliance,IAONA)推進工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展、教育和標準化管理、工業(yè)應用領域運用美國電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)也正著手制定現(xiàn)場(xiànchǎng)裝置與以太網(wǎng)通信的標準。共三十七頁5.工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展以太網(wǎng)技術最早由Xerox開發(fā)，后經(jīng)數(shù)字設備公司(digitalequipment此rp·)、lntel公司聯(lián)合(liánhé)擴展，于1982年公布了以太網(wǎng)規(guī)范。IEEE802.3就是以這個技術規(guī)范為基礎制定的。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。共三十七頁工業(yè)以太網(wǎng)技術：不僅(bùjǐn)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。有時甚至把應用層的簡單郵件傳送協(xié)議SMTP、域名服務DNS、文件傳輸協(xié)議FTP、再加上超文本鏈接HTTP、動態(tài)網(wǎng)頁發(fā)布等互聯(lián)網(wǎng)上的應用協(xié)議都與以太網(wǎng)這個名詞捆綁在一起。共三十七頁6.過去以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領域應用有限（1）以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測方式：網(wǎng)絡的不確定性（2）以太網(wǎng)所用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機(switches)和電纜等不符合(fúhé)工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。（3）以太網(wǎng)抗干擾性能較差，不具備本質安全性能。（4）以太網(wǎng)還不具備通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能。共三十七頁7.現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)融合在現(xiàn)場總線協(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)鏈路層和應用層。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TCP來進行數(shù)據(jù)傳遞(chuándì)。如今的控制網(wǎng)絡中，以太網(wǎng)己經(jīng)成為企業(yè)層和控制層的主要網(wǎng)絡技術。共三十七頁12.2工業(yè)以太網(wǎng)的技術(jìshù)優(yōu)勢1.工業(yè)以太網(wǎng)與其它控制網(wǎng)絡比較(bǐjiào)的優(yōu)勢:（1）工業(yè)以太網(wǎng)可以滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，使企業(yè)信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡得以統(tǒng)一。（2）設備成本下降。（3）用戶擁有成本下降。（4）以太網(wǎng)易與Internet集成。共三十七頁2.以太網(wǎng)技術作為現(xiàn)場總線技術具有如下技術優(yōu)勢:（1）采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證現(xiàn)場總線技術的可持續(xù)發(fā)展。由于以太網(wǎng)的廣泛應用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術投人，保證了以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展。如果工業(yè)控制(kòngzhì)領域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，將保證技術上的可持續(xù)發(fā)展，并在技術升級方面無需獨自的研究投入。共三十七頁（2）以太網(wǎng)受到廣泛的開發(fā)技術支持。由于以太網(wǎng)是應用最廣泛的計算機網(wǎng)絡技術，幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應用開發(fā)，例如Java、VisualC++、VisualBasic等。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證(bǎozhèng)多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。共三十七頁（3）由于以太網(wǎng)是應用最廣泛的計算機網(wǎng)絡技術，它也受到硬件開發(fā)商的高度重視，這使得以太網(wǎng)系統(tǒng)的設計有廣泛的硬件產(chǎn)品可供選擇。（4）由于以太網(wǎng)己被使用多年(duōnián)，以太網(wǎng)具有大量的軟件資源，人們對以太網(wǎng)設計、應用有很多的經(jīng)驗，對以太網(wǎng)技術十分熟悉。共三十七頁最重要的是，如果采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線技術，可以(kěyǐ)避免現(xiàn)場總線技術游離于計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展主流之外，使現(xiàn)場總線技術和計算機網(wǎng)絡技術的主流技術很好地融合起來，形成現(xiàn)場總線技術和一般的計算機網(wǎng)絡技術相互促進的局面。這將意味著可以實現(xiàn)自動化控制領域的徹底開放，從而打破任何壟斷的企圖，并使自動化領域產(chǎn)生新的生機和活力。共三十七頁12.3工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)互連模型物理層與數(shù)據(jù)(shùjù)鏈路層采用IEEE802.3規(guī)范網(wǎng)絡層與傳輸層采用TCP/IP協(xié)議組應用層的一部分可以沿用上面提到的那些互聯(lián)網(wǎng)應用協(xié)議。共三十七頁共三十七頁12.4工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術應解決的問題1.通信實時性問題以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質訪問控制方式，其本質上是非實時的。平等競爭的介質訪問控制方式不能滿足工業(yè)自動化領域對通信的實時性要求。以太網(wǎng)一直被認為不適合(shìhé)在底層工業(yè)網(wǎng)絡中使用。需要有針對這一間題的切實可行的解決方案。共三十七頁2.對環(huán)境的適應性與可靠性問題以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設計的，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化的要求。在產(chǎn)品設計時要特別注重(zhùzhòng)材質、元器件的選擇。使產(chǎn)品在強度、溫度、濕度、振動、干擾、輻射等環(huán)境參數(shù)方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。共三十七頁3.總線供電在控制網(wǎng)絡中，現(xiàn)場控制設備的位置分散性使得它們對總線有提供工作電源的要求?，F(xiàn)有的許多控制網(wǎng)絡技術都可利用網(wǎng)線對現(xiàn)場設備供電，工業(yè)以太網(wǎng)目前還沒有對網(wǎng)絡節(jié)點供電做出規(guī)定。4.本質安全工業(yè)以太網(wǎng)如果(rúguǒ)要用在一些易燃易爆的危險工業(yè)場所，就必須考慮本安防爆問題，這是在總線供電解決之后要進一步解決的問題。共三十七頁用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的高速網(wǎng)段在工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡中，直接采用以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)絡的通信技術只是(zhǐshì)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的一個方面，現(xiàn)有的許多現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡提出了與以太網(wǎng)結合，用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的高速網(wǎng)段，使控制網(wǎng)絡與Internet融為一體的解決方案。例如Hl的高速網(wǎng)段HSE，EtherNet/IP，PROFlNet等，都是工業(yè)以太網(wǎng)技術的典型代表。共三十七頁“E”網(wǎng)到底，遠程監(jiān)控在控制網(wǎng)絡中采用以太網(wǎng)技術無疑有助于控制網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實現(xiàn)Ethernet的“E”網(wǎng)到底，使控制網(wǎng)絡無需經(jīng)過網(wǎng)關轉換即可直接連至互聯(lián)網(wǎng)，使測控節(jié)點有條件(tiáojiàn)成為互聯(lián)網(wǎng)上的一員。在應用層協(xié)議尚末統(tǒng)一的環(huán)境下，借助IE等通用的網(wǎng)絡測覽器實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)視與控制，進而實現(xiàn)遠程監(jiān)控，也是人們提出且正在實現(xiàn)的一個有效的解決方案。共三十七頁12.5工業(yè)以太網(wǎng)非確定性問題的解決(jiějué)措施通信非確定性是以太網(wǎng)技術迸人控制領域的最大障礙。控制網(wǎng)絡(wǎngluò)不同于普通計算機網(wǎng)絡(wǎngluò)，其最大特點在于它應該滿足控制作用對實時性的要求。以太網(wǎng)采用CSMA/CD的媒體訪問控制方式：非確定性(non-deterministic)網(wǎng)絡。共三十七頁1.提高通信(tōngxìn)速率在相同通信量的條件下，提高通信速率可以減少通信信號占用傳輸介質的時間，從一個角度為減少信號的碰撞沖突，解決以太網(wǎng)通信的非確定性提供了途徑。以太網(wǎng)：10Mbit/s，100Mbit/s到千兆控制網(wǎng)絡：幾十千位/s、幾百千位/s、lMbit/s、5Mbit/s通信速率的提高是明顯的，對減少碰撞沖突也是有效的。共三十七頁2.控制網(wǎng)絡負荷減輕網(wǎng)絡負荷也可以減少信號的碰撞沖突，提高網(wǎng)絡通信的確定性?？刂凭W(wǎng)絡的通信(tōngxìn)量不大，隨機性、突發(fā)性通信(tōngxìn)的機會也不多，其網(wǎng)絡通信(tōngxìn)大都可以事先預計，并對其做出相應的通信(tōngxìn)調度安排。在網(wǎng)絡設計時正確選擇網(wǎng)絡的拓撲結構控制各網(wǎng)段的負荷量合理分布各現(xiàn)場設備的節(jié)點位置共三十七頁3.采用以太網(wǎng)絡的全雙工交換技術采用以太網(wǎng)交換機，將網(wǎng)絡切分為多個網(wǎng)段，就為連接在其端口上的每個網(wǎng)絡節(jié)點提供了獨立的帶寬，相當于每個設備獨點一個網(wǎng)段，使同一個交換機上的不同設備之間不存在資源爭奪。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)過主干網(wǎng)傳輸，因此交換機能夠過濾掉這些數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)只在本地網(wǎng)絡傳輸，而不占用其他網(wǎng)段的帶寬。交換機之間通過主干線進行連接，從而(cóngér)有效地降低了各網(wǎng)段和主干網(wǎng)絡的負荷，使網(wǎng)絡中產(chǎn)生沖突的可能性大大降低，提高了網(wǎng)絡通信的確定性。共三十七頁4.提供適應工業(yè)環(huán)境的元件現(xiàn)已開發(fā)出一系列密封性好、堅固、抗震動(zhèndòng)的以太網(wǎng)設備與連接件，例如導軌式收發(fā)器、集線器、交換機、帶鎖緊機構的接插件等。它們適合在工業(yè)環(huán)境中使用，為以太網(wǎng)進入工業(yè)控制環(huán)境創(chuàng)造了條件。采取上述措施可以使以太網(wǎng)的非確定性問題得到相當程度的緩解，但還不能說從根本上得到了解決。共三十七頁12.6工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢以太網(wǎng)描述了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并已成為Internet的協(xié)議(xiéyì)。所以，許多現(xiàn)場總線組織也在致力于發(fā)展lP和以太網(wǎng)技術，當前快速發(fā)展的IT(informationtechnology)技術已成為工業(yè)控制網(wǎng)絡中的一部分。共三十七頁共三十七頁隨著微處理器和工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，末來的I/O設備可以是一臺網(wǎng)絡服務器，通過測覽器網(wǎng)頁就可以實現(xiàn)設備的加載、組態(tài)、監(jiān)控。注冊時，系統(tǒng)可以通過IP自動搜索(sōusuǒ)網(wǎng)絡上的硬件，這時組態(tài)軟件就可以顯示這些硬件，并提供組態(tài)界面。共三十七頁當前流行的OPC(OLEforProcess

Control)、HTTP等技術將為這一過程鋪平道路。上位機和底層設備(shèbèi)之間的客戶端-服務器模式如圖所示。還可以在現(xiàn)場設備中嵌人稱之ChipSever的Internet芯片，從而使¨Internet"無處不在的理念得到實現(xiàn)。共三十七頁共三十七頁還可以在現(xiàn)場設備中嵌人稱之ChipSever的Internet芯片，從而使¨Internet"無處不在的理念得到實現(xiàn)。WindowsNT對以太網(wǎng)驅動程序的支持，將使其成為工業(yè)控制中最合適的操作系統(tǒng)。WindowsCE也被認為(rènwéi)是設備合適的嵌人式操作系統(tǒng)。WindowsNT會占據(jù)80%的市場分額WindowsCE以其實時功能占據(jù)16%剩下的4%是專用系統(tǒng)共三十七頁從信息集成的觀點來看，現(xiàn)場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、公司級的數(shù)據(jù)庫中，甚至通過WEB方式測覽和交互控制。因此，有專家預言(yùyán)，現(xiàn)場總線技術與以太網(wǎng)技術相結合將是未來發(fā)展的方向。

共三十七頁第二(dìèr)部分第12章復習題1.什么是工業(yè)以太網(wǎng)？2.工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議結構(jiégòu)包含哪幾層？分別說明各自的作用？3.為什么過去以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領域應用比較有限？共三十七頁4.以太網(wǎng)技術作為現(xiàn)場總線技術具有哪些技術優(yōu)勢？5.用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(wǎngluò)，工