現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)12 工業(yè)以太網(wǎng)

第十二章工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術(shù)

共三十七頁(yè)12.工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術(shù)

12.1工業(yè)以太網(wǎng)概述12.2工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(shù)應(yīng)解決的問(wèn)題12.5工業(yè)以太網(wǎng)非確定性問(wèn)題的解決措施12.6工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

共三十七頁(yè)12.1工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)概述1.何謂工業(yè)以太網(wǎng)（IndustrialEthernet）？應(yīng)用(yìngyòng)于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)。在以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。共三十七頁(yè)2.工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術(shù)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?yè)3.IP技術(shù)IP技術(shù)是Internet的基礎(chǔ)：IEEE1394，ATM(asynchronoustransfermode)，TCP,UDP(userdatagramprotocol)等等，它還可以(kěyǐ)適用于其它的通信標(biāo)準(zhǔn)，如FTP(filetransferprotocol)和SMTP(Simplemailtransferprotocol)等。以太網(wǎng)已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：辦公自動(dòng)化企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)共三十七頁(yè)4.工業(yè)以太網(wǎng)的國(guó)際組織工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)(industrialethernetassociation，lEA)工業(yè)自動(dòng)化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(industrialautomationnetworkalliance,IAONA)推進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、教育和標(biāo)準(zhǔn)化管理、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域運(yùn)用美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)也正著手制定現(xiàn)場(chǎng)(xiànchǎng)裝置與以太網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)。共三十七頁(yè)5.工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展以太網(wǎng)技術(shù)最早由Xerox開發(fā)，后經(jīng)數(shù)字設(shè)備公司(digitalequipment此rp·)、lntel公司聯(lián)合(liánhé)擴(kuò)展，于1982年公布了以太網(wǎng)規(guī)范。IEEE802.3就是以這個(gè)技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)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(yè)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)：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(luò)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(shí)甚至把應(yīng)用層的簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議SMTP、域名服務(wù)DNS、文件傳輸協(xié)議FTP、再加上超文本鏈接HTTP、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布等互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用協(xié)議都與以太網(wǎng)這個(gè)名詞捆綁在一起。共三十七頁(yè)6.過(guò)去以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用有限（1）以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測(cè)方式：網(wǎng)絡(luò)的不確定性（2）以太網(wǎng)所用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機(jī)(switches)和電纜等不符合(fúhé)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)安全性能。（4）以太網(wǎng)還不具備通過(guò)信號(hào)線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的性能。共三十七頁(yè)7.現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)融合在現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)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(guò)TCP來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞(chuándì)。如今的控制網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)己經(jīng)成為企業(yè)層和控制層的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。共三十七頁(yè)12.2工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)(jìshù)優(yōu)勢(shì)1.工業(yè)以太網(wǎng)與其它控制網(wǎng)絡(luò)比較(bǐjiào)的優(yōu)勢(shì):（1）工業(yè)以太網(wǎng)可以滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，使企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)得以統(tǒng)一。（2）設(shè)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(yè)2.以太網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì):（1）采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以保證現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投人，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展。如果工業(yè)控制(kòngzhì)領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，將保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，并在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需獨(dú)自的研究投入。共三十七頁(yè)（2）以太網(wǎng)受到廣泛的開發(fā)技術(shù)支持。由于以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，例如Java、VisualC++、VisualBasic等。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)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(yè)（3）由于以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(shè)計(jì)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(duì)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用有很多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)十分熟悉。共三十七頁(yè)最重要的是，如果采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以(kěyǐ)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)展主流之外，使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流技術(shù)很好地融合起來(lái)，形成現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互促進(jìn)的局面。這將意味著可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的徹底開放，從而打破任何壟斷的企圖，并使自動(dòng)化領(lǐng)域產(chǎn)生新的生機(jī)和活力。共三十七頁(yè)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(luò)層與傳輸層采用TCP/IP協(xié)議組應(yīng)用層的一部分可以沿用上面提到的那些互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議。共三十七頁(yè)共三十七頁(yè)12.4工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)解決的問(wèn)題1.通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，其本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的。平等競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式不能滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)νㄐ诺膶?shí)時(shí)性要求。以太網(wǎng)一直被認(rèn)為不適合(shìhé)在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用。需要有針對(duì)這一間題的切實(shí)可行的解決方案。共三十七頁(yè)2.對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性問(wèn)題以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計(jì)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(dòng)化的要求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要特別注重(zhùzhòng)材質(zhì)、元器件的選擇。使產(chǎn)品在強(qiáng)度、溫度、濕度、振動(dòng)、干擾、輻射等環(huán)境參數(shù)方面滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。共三十七頁(yè)3.總線供電在控制網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的位置分散性使得它們對(duì)總線有提供工作電源的要求?，F(xiàn)有的許多控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都可利用網(wǎng)線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，工業(yè)以太網(wǎng)目前還沒(méi)有對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電做出規(guī)定。4.本質(zhì)安全工業(yè)以太網(wǎng)如果(rúguǒ)要用在一些易燃易爆的危險(xiǎn)工業(yè)場(chǎng)所，就必須考慮本安防爆問(wèn)題，這是在總線供電解決之后要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。共三十七頁(yè)用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)段在工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)中，直接采用以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)只是(zhǐshì)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)方面，現(xiàn)有的許多現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)提出了與以太網(wǎng)結(jié)合，用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)段，使控制網(wǎng)絡(luò)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(shù)的典型代表。共三十七頁(yè)“E”網(wǎng)到底，遠(yuǎn)程監(jiān)控在控制網(wǎng)絡(luò)中采用以太網(wǎng)技術(shù)無(wú)疑有助于控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實(shí)現(xiàn)Ethernet的“E”網(wǎng)到底，使控制網(wǎng)絡(luò)無(wú)需經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換即可直接連至互聯(lián)網(wǎng)，使測(cè)控節(jié)點(diǎn)有條件(tiáojiàn)成為互聯(lián)網(wǎng)上的一員。在應(yīng)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(luò)測(cè)覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視與控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，也是人們提出且正在實(shí)現(xiàn)的一個(gè)有效的解決方案。共三十七頁(yè)12.5工業(yè)以太網(wǎng)非確定性問(wèn)題的解決(jiějué)措施通信非確定性是以太網(wǎng)技術(shù)迸人控制領(lǐng)域的最大障礙?？刂凭W(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)不同于普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)，其最大特點(diǎn)在于它應(yīng)該滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。以太網(wǎng)采用CSMA/CD的媒體訪問(wèn)控制方式：非確定性(non-deterministic)網(wǎng)絡(luò)。共三十七頁(yè)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(hào)占用傳輸介質(zhì)的時(shí)間，從一個(gè)角度為減少信號(hào)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(luò)：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(duì)減少碰撞沖突也是有效的。共三十七頁(yè)2.控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也可以減少信號(hào)的碰撞沖突，提高網(wǎng)絡(luò)通信的確定性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的通信(tōngxìn)量不大，隨機(jī)性、突發(fā)性通信(tōngxìn)的機(jī)會(huì)也不多，其網(wǎng)絡(luò)通信(tōngxìn)大都可以事先預(yù)計(jì)，并對(duì)其做出相應(yīng)的通信(tōngxìn)調(diào)度安排。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)正確選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制各網(wǎng)段的負(fù)荷量合理分布各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)位置共三十七頁(yè)3.采用以太網(wǎng)絡(luò)的全雙工交換技術(shù)采用以太網(wǎng)交換機(jī)，將網(wǎng)絡(luò)切分為多個(gè)網(wǎng)段，就為連接在其端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了獨(dú)立的帶寬，相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備獨(dú)點(diǎn)一個(gè)網(wǎng)段，使同一個(gè)交換機(jī)上的不同設(shè)備之間不存在資源爭(zhēng)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(guò)主干網(wǎng)傳輸，因此交換機(jī)能夠過(guò)濾掉這些數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)只在本地網(wǎng)絡(luò)傳輸，而不占用其他網(wǎng)段的帶寬。交換機(jī)之間通過(guò)主干線進(jìn)行連接，從而(cóngér)有效地降低了各網(wǎng)段和主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，使網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生沖突的可能性大大降低，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。共三十七頁(yè)4.提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的元件現(xiàn)已開發(fā)出一系列密封性好、堅(jiān)固、抗震動(dòng)(zhèndòng)的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件，例如導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器、交換機(jī)、帶鎖緊機(jī)構(gòu)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(jìn)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(wèn)題得到相當(dāng)程度的緩解，但還不能說(shuō)從根本上得到了解決。共三十七頁(yè)12.6工業(yè)(gōngyè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(chǎng)總線組織也在致力于發(fā)展lP和以太網(wǎng)技術(shù)，當(dāng)前快速發(fā)展的IT(informationtechnology)技術(shù)已成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的一部分。共三十七頁(yè)共三十七頁(yè)隨著微處理器和工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，末來(lái)的I/O設(shè)備可以是一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過(guò)測(cè)覽器網(wǎng)頁(yè)就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的加載、組態(tài)、監(jiān)控。注冊(cè)時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)IP自動(dòng)搜索(sōusuǒ)網(wǎng)絡(luò)上的硬件，這時(shí)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(yè)當(dāng)前流行的OPC(OLEforProcess

Control)、HTTP等技術(shù)將為這一過(guò)程鋪平道路。上位機(jī)和底層設(shè)備(shèbèi)之間的客戶端-服務(wù)器模式如圖所示。還可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中嵌人稱之ChipSever的Internet芯片，從而使¨Internet"無(wú)處不在的理念得到實(shí)現(xiàn)。共三十七頁(yè)共三十七頁(yè)還可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中嵌人稱之ChipSever的Internet芯片，從而使¨Internet"無(wú)處不在的理念得到實(shí)現(xiàn)。WindowsNT對(duì)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)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(rèn)為(rènwéi)是設(shè)備合適的嵌人式操作系統(tǒng)。WindowsNT會(huì)占據(jù)80%的市場(chǎng)分額WindowsCE以其實(shí)時(shí)功能占據(jù)16%剩下的4%是專用系統(tǒng)共三十七頁(yè)從信息集成的觀點(diǎn)來(lái)看，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(kù)中，甚至通過(guò)WEB方式測(cè)覽和交互控制。因此，有專家預(yù)言(yùyán)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合將是未來(lái)發(fā)展的方向。

共三十七頁(yè)第二(dìèr)部分第12章復(fù)習(xí)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(jié)構(gòu)(jiégòu)包含哪幾層？分別說(shuō)明各自的作用？3.為什么過(guò)去以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用比較有限？共三十七頁(yè)4.以太網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)？5.用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)，工