列车总线控制基础(列车通信网络概述)教材课件.ppt

1、大连交通大学大连交通大学列车总线控制基础列车总线控制基础王悦东王悦东大连交通大学大连交通大学课程的基本内容课程的基本内容第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 网络与通信基础网络与通信基础 第第3 3章章 微机控制基础微机控制基础第第4 4章章 列车通信网络列车通信网络 第第5 5章章 CRHCRH系列动车组网络控制系统系列动车组网络控制系统第第6 6章章 列车自动运行控制系统列车自动运行控制系统大连交通大学大连交通大学列车通信网络的定义列车通信网络的定义列车通信网络是一个安装在列车上的列车通信网络是一个安装在列车上的计算机局域网络系统计算机局域网络系统，负，负责对整列车各部分信息的采集与传递

2、，对整列车进行控制、监责对整列车各部分信息的采集与传递，对整列车进行控制、监测、故障诊断以及为旅客提供信息服务测、故障诊断以及为旅客提供信息服务。大连交通大学大连交通大学列车总线通信任务列车总线通信任务列车总线上不同类型的通信主要用于列车总线上不同类型的通信主要用于:控制控制牵引控制牵引控制:车辆控制车辆控制:故障诊断故障诊断旅客信息旅客信息预定座位等预定座位等1)2)4)灯灯,门门,加热加热,倾摆倾摆,.远程远程,重联牵引重联牵引,.预报下一站预报下一站,故障故障,线路线路.客车客车客车客车机车机车具有司机室的客车具有司机室的客车司机室司机室列车服务员列车服务员诊断计算机诊断计算机设备故障设

3、备故障,维修信息维修信息状态信息查询状态信息查询3)设备运行及状态设备运行及状态大连交通大学大连交通大学5 5列车控制网络的特点列车控制网络的特点列车网络特点列车网络特点工作环境恶劣，可靠性要求高；工作环境恶劣，可靠性要求高；实时性（时间确定性）要求高；实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性（自动组网）。列车组成的动态性（自动组网）。大连交通大学大连交通大学列车网络的层次结构列车网络的层次结构 大连交通大学大连交通大学常见的列车通信网络常见的列车通信网络1、现场总线、现场总线2、TCN3、工业以太网、工业以太网大连交通大学大连交通大学现场总线现场总线1、定义、定义2、组成、组成3、特点、

4、特点l1）全数字通信l2）系统的开放性l3）互可操作性l4）通信的实时性与确定性l5）功能自治性l6）现场环境的适应性4、优缺点优缺点5、与计算机通信的区别、与计算机通信的区别大连交通大学大连交通大学网网络络节节点点包括包括PLCPLC以及各种智能化的现场控制设备以及各种智能化的现场控制设备 基于统一、规范的通信协议基于统一、规范的通信协议 通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享 网网络络体体系系通信总线在现场设备中的延伸通信总线在现场设备中的延伸 生产控制生产控制网络结构网络结构 位于位于的底层的底层 现场总线概述现场总线概述1.现场总线的概念现

5、场总线的概念是应用在是应用在生产现场生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的系统的数字式、双向传输、多分支结构数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。的通信网络。大连交通大学大连交通大学u全数字通信全数字通信抗干扰能力和传输精度得到显著提高抗干扰能力和传输精度得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。2.2.现场总

6、线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u开放式系统开放式系统通信协议一致公开，任何人、任何单位均可采用通信协议一致公开，任何人、任何单位均可采用不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备可实现信息互访不同厂家的设备可实现信息互访用户可按需要，任意选用现场总线设备用户可按需要，任意选用现场总线设备不同设备之间可实现资源共享不同设备之间可实现资源共享与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共享享现场总线概述现场总线概述2.2.现场总线的特点现场总线的特点大连交通大学大连交通大学

7、u互可操作互可操作不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作义，并能根据信息要求进行操作即某厂家生产的设备能够对另一个厂家的设备进行控制和即某厂家生产的设备能够对另一个厂家的设备进行控制和操作操作不同厂家的相同类型的设备可以互相替换不同厂家的相同类型的设备可以互相替换可统一组态，无需专用的驱动程序可统一组态，无需专用的驱动程序解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性为系统集成的自主性提供了产品保障为系统集成的自主性提供了产品保障2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总

8、线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u分散控制分散控制u现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。时诊断设备的运行状态。u由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构全分布式控制系统的体系结构。2.2.现

9、场总线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u对环境的高度适应对环境的高度适应专为现场环境设计专为现场环境设计可支持多种传输介质可支持多种传输介质双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等可两线制供电可两线制供电支持本质安全与防爆支持本质安全与防爆2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u一对多的总线型结构一对多的总线型结构现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。、树形等多种形式，以总线型为主。传统控制系统中设备的连接都是一对一的

10、布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便很强的系统扩展性很强的系统扩展性 主机能自动识别设备的增加或删减 无需架设新的线缆 无需系统停机2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总线控制系统结构现场总线控制系统结构现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学3.3.现场总线的特殊功能现场总线的特殊功能(1)(1)经济、安全、可靠地传输信息经济、安全、可靠地传输信息经济性经济性 信息、电源同时传输信息、电源同时传输 介质廉价介质廉价安全性安全性 解决防爆问题解决防爆问题可

11、靠性可靠性 电磁、气候、机械环境适应性电磁、气候、机械环境适应性现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学(2)正确使用所传信息正确使用所传信息可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息(3)及时处理所传信息及时处理所传信息信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输3.3.现场总线的特殊功能现场总线的特殊功能现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学线状（总线、菊花链型）、星型、树型线状（总线、菊花链型）、星型、树型以线状结构为多以线状结构为多4.4.现场总线的网络结构现场总线的网络结构现场总线概述现场

12、总线概述大连交通大学大连交通大学现场总线技术产生于二十世纪八十年代现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性开放性通用性通用性可靠性可靠性智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能仪表为现场总线的出现奠定了基础5.5.现场总线的产生与发展现状现场总线的产生与发展现状现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学现场总线近年来成为控制领域的研究热点现场总线近年来成为控制领域的研究热点各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准（欧洲、北美、亚洲、中国），呈

13、现百花国家、国际标准（欧洲、北美、亚洲、中国），呈现百花齐放的现状。最后，通过妥协，现场总线技术出现了协调齐放的现状。最后，通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面共存、共同发展的局面现场总线国际标准现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，据说可能包含了八种类型，据说可能还要增加到十二种类型还要增加到十二种类型5.5.现场总线的产生与发展现状现场总线的产生与发展现状现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学现场

14、总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学3.网络结构网络结构 容易实现对现场仪表的总线供电。容易实现对现场仪表的总线供电。一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。可以预料的。容易实现本安防爆规范。容易实现本安防爆规范。目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产目前

15、的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产生了一定的限制生了一定的限制。现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学4.系统结构系统结构 现场设备现场设备+传输介质传输介质现场总线接口现场总线接口微处理器微处理器传感器传感器A/D现场节点现场节点工作站工作站现

16、场总线现场总线现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学2.2.现场总线比较现场总线比较现场总线标准现场总线标准大连交通大学大连交通大学3030现场总线现场总线德国西门子公司：德国西门子公司：1979年德国西门子公司第一次开发车载微机控制装置1992年在SIBAS16基础上推出以80386为CPU的SIBAS32系统。已具备网络控制功能（符合已具备网络控制功能（符合TCN标准）标准）法国ALSTOM公司：将WorldFIP作为标准通信协议应用于其开发的AGATE列车控制系统，并成功应用于TGV高速列车美国美国Echelon公司：公司：20世纪90年代初，发

17、明了Lonworks控制网络技术德国德国Bosch公司公司:CAN总线总线美国：美国：ARCNET大连交通大学大连交通大学TCN（列车通信网络）概述（列车通信网络）概述l功能功能l体系结构体系结构lWTB和和MVB的特点的特点多功能车辆总线多功能车辆总线 MVBlMVB物理层物理层lMVB帧帧 绞式列车总线绞式列车总线WTBlWTB特性摘要特性摘要lWTB网络拓扑网络拓扑lWTB帧、报文帧、报文lWTB介质访问控制方式介质访问控制方式l列车初运行列车初运行 【主要内容主要内容】大连交通大学大连交通大学 TCN（列车通信网络）概述（列车通信网络）概述 TCN（列车通信网络）于（列车通信网络）于1

18、999年年6 月正式成为月正式成为国际标准国际标准，即，即IEC61735。该标准对列车通信网。该标准对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详细的规定。内容进行了详细的规定。大连交通大学大连交通大学 功能功能TCN（列车通信网络）将列车上的智能设备连接（列车通信网络）将列车上的智能设备连接起来，完成下述功能：起来，完成下述功能：l列车牵引及车辆控制（如车门、车灯等的远程控列车牵引及车辆控制（如车门、车灯等的远程控制）；制）；l远程诊断及维护；远程诊断及

19、维护；l旅客信息及舒适性；旅客信息及舒适性；大连交通大学大连交通大学TCNTCN三层结构三层结构：列车级控制、车厢级控制、设备级控制：列车级控制、车厢级控制、设备级控制TCNTCN的体系结构的体系结构大连交通大学大连交通大学1.1.连接各车辆的绞线式列车总线（连接各车辆的绞线式列车总线（Wire Train Bus,WTBWire Train Bus,WTB）,列车新编组时可自动配置（组态），通信介质为双绞线，列车新编组时可自动配置（组态），通信介质为双绞线，通信速率为通信速率为1Mbit/s1Mbit/s；2.2.连接一节车辆内或车辆组各设备的多功能车辆总线（连接一节车辆内或车辆组各设备的多

20、功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus,MVB)Multifunction Vehicle Bus,MVB)，具有快响应性，通，具有快响应性，通信介质为双绞线或光纤，通信速率为信介质为双绞线或光纤，通信速率为1.5Mbit/s1.5Mbit/s。3.3.这些总线在链路层提供了两种相同的服务：这些总线在链路层提供了两种相同的服务：u过程数据：周期性的，源寻址广播数据；过程数据：周期性的，源寻址广播数据；u消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。4.4.实时协议提供两种与总线无关独立的应用服务实时协议提供两种与总线无关独立的应用

21、服务5.5.网络管理支持组态、维护及操作。网络管理支持组态、维护及操作。TCN的体系结构的体系结构大连交通大学大连交通大学商业以太网办公自动化商业以太网办公自动化工业以太网工业自动化工业以太网工业自动化工业以太网工业以太网大连交通大学大连交通大学为什么工业领域需要以太网为什么工业领域需要以太网原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性1999 1999 年现场总线技术标准年现场总线技术标准IEC 61158 IEC 61158 终于尘埃落定终于尘埃落定,有有8 8种总线成为种总线成为国际电工委员会国际电工委员会(IEC)(IEC)现行的现场总线技术

22、标准。它们分别是现行的现场总线技术标准。它们分别是:基金会现场总线基金会现场总线FF(fundation fieldbus);FF(fundation fieldbus);ControlNet;ControlNet;Profibus;Profibus;P-Net;P-Net;FF(fieldbus fundation)FF(fieldbus fundation)高速以太网高速以太网HSE;HSE;SwiftNet;SwiftNet;WorldFIP;WorldFIP;Inter-bus.Inter-bus.从用户应用的角度来看从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致多种现场总线标准并立导

23、致在一个具体应用中可能会涉及多种不同标准的现场总线在一个具体应用中可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表仪表,需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。大连交通大学大连交通大学原因二：信息集成有新的要求原因二：信息集成有新的要求带宽问题：带宽问题：一般地来说一般地来说,现场总线标准的特点是通信协现场总线标准的特点是通信协议比较简单议比较简单,通信速率比较低。如基金会总线通信速率比较低。如基金会总线FFFF的的H1H1和和PROFIBUS-PA PROFIBUS-

24、PA 的传输速率只有的传输速率只有31.25Kbps31.25Kbps。但随着仪器。但随着仪器仪表智能化的提高仪表智能化的提高,传输的数据也必将趋于复杂传输的数据也必将趋于复杂,未来传未来传输的数据可能已不满足于几个字节输的数据可能已不满足于几个字节,甚至是甚至是WEBWEB网页网页,所所以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。与商业网集成问题：与商业网集成问题：在制造加工工业中，能够走出办公在制造加工工业中，能够走出办公室室,在任何地方对企业生产进行实时监控在任何地方对企业生产进行实时监控,无疑是各个企无疑是各个企业提高生产效率、增强竞争力的有效方

25、法。如此一来，业提高生产效率、增强竞争力的有效方法。如此一来，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接,将底层信息集成到车间、公司级的数据库中将底层信息集成到车间、公司级的数据库中,通过通过WEBWEB方式浏览和交互控制。现有现场总线标准大都无法直接方式浏览和交互控制。现有现场总线标准大都无法直接与互联网连接，需要额外的网络设备才能完成通信。与互联网连接，需要额外的网络设备才能完成通信。大连交通大学大连交通大学原因三：工业以太网的技术优势原因三：工业以太网的技术优势(1)解决协议的开放性和兼容性问题。解决协议的开放性和兼容性问题。工业以太网因

26、为采用由工业以太网因为采用由IEEE802.3IEEE802.3所定义的数据传输协议，它所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为是一个开放的标准，从而为PLCPLC厂家和厂家和DCSDCS厂家广泛接受。与现场总厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接线相比，以太网还具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)(10BaseT)的传统以太网标准的基础上发展起来的，但它的传输速度的传统以太网标准的基础上发展起来的，但它的传输速度从从10Mbps10Mbps提升到了提升到了100Mbps100Mbps。在大多数场合，它还可以使用已有的布。在

27、大多数场合，它还可以使用已有的布线。此外，以太网还允许逐渐采用新技术。也就是说，没必要一下线。此外，以太网还允许逐渐采用新技术。也就是说，没必要一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。(2)解决带宽需求问题。解决带宽需求问题。以太网最初的数据传输速度只有以太网最初的数据传输速度只有10Mbit/s10Mbit/s，随着，随着19961996年快速以年快速以太网标准的发布。以太网的速度提高到了太网标准的发布。以太网的速度提高到了100Mbit/s100Mbit/s。19981998年，千兆年，千兆以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的以太网标准的

28、发布将其速度提高到最初速度的100100倍。最初的以太网倍。最初的以太网需要需要1.21.2毫秒才能传送一个毫秒才能传送一个15181518字节大小数据；现在，快速以太网已字节大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到经将这一时间减少到120120秒；如果采用千兆以太网，这一时间只需秒；如果采用千兆以太网，这一时间只需1212微秒。微秒。大连交通大学大连交通大学(3)(3)解决与商用以太网集成问题。解决与商用以太网集成问题。以太网作为现场总线以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的尤其是高速现场总线结构的主体主体,可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的可以避免现场总线技术游离于计算

29、机网络技术的发展之外发展之外,使现场总线技术与计算机网络技术很好地融使现场总线技术与计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。合而形成相互促进的局面。(4)(4)以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。准对以太网的支持是其成功的重要因素。大连交通大学大连交通大学什么是以太网什么是以太网?1980 年年DEC(digital equipment corporation)、Intel 和和Xerox 三大公司发布了三大公司发布了DIX版以太网版以太网1.0 规范规范,其其传输速度为传输速度为10Mb/S,所支持的唯

30、一物理介质为粗同轴电所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。缆。1982 年年,发布了发布了DIX2.0 版版,这就是通常所说的这就是通常所说的Ethernet。与。与DIX同步的是同步的是IEEE 成立的至今闻名的成立的至今闻名的802.3 委员会。委员会。1985 年，年，IEEE 802.3 委员会发布了委员会发布了CSMA/CD 访问方法和物理层规范。尽管其帧的定义与访问方法和物理层规范。尽管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它就是以太网不尽相同，但是现在更多的人认为它就是以太网。以太网标准包括：。以太网标准包括：lphysical layer:media,configu

31、rationldata link layer:MAC protocol,CSMA/CD大连交通大学大连交通大学CSMA/CDCarrier Sense(CS)“侦听侦听”在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲，等待在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲，等待一个一个IFG(46bitIFG(46bit时间时间)后便立刻发送信息帧后便立刻发送信息帧Multiple Access(MA)“多点接入多点接入”如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突Collision Detect(CD)“冲突检测冲突检测”CSMA/CD协议中采用重

32、传机制重新执行信息帧的发送操作，直协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操作，直到该信息帧成功发送或重传次数到该信息帧成功发送或重传次数n达到上限达到上限(attempLimit)而而 终止终止发送发送Intel Demo 2Intel Demo 2大连交通大学大连交通大学CSMA/CDExponential Back-off Algorithm “二进制指二进制指数回避算法，数回避算法，BEB”每次检测到冲突，每次检测到冲突，CSMA/CDCSMA/CD采用采用BEBBEB算法随机地计算法随机地计算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。帧算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。帧重传

33、时延的大小为时隙时间重传时延的大小为时隙时间(slot Time,512bit(slot Time,512bit的传输的传输时间时间)的整数倍的整数倍r r。r r为随机整数，其取值为为随机整数，其取值为:0r2:0r2r r，k=min(n,10),k=min(n,10),其中，其中，n n为重传次数，最大值为为重传次数，最大值为16.16.对于对于 10M bit/s10M bit/s网网络，一个时隙时间为络，一个时隙时间为51.2us51.2us。因此冲突所导致的等待。因此冲突所导致的等待时间最长可以达到时间最长可以达到51ms51ms。重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性重传时

34、延的不确定性，不能满足工业系统的实时性大连交通大学大连交通大学工业以太网与商业以太网的区别工业以太网与商业以太网的区别1、工业以太网的基本体系结构、工业以太网的基本体系结构2、改进的实时工业以太网体系结构、改进的实时工业以太网体系结构3、工业以太网的实时通信技术、工业以太网的实时通信技术4、工业以太网的设备环境适应性和、工业以太网的设备环境适应性和可靠性要求可靠性要求大连交通大学大连交通大学1、工业以太网基本体系结构、工业以太网基本体系结构 工业以太网在商用以太工业以太网在商用以太网基础上发展而来，它的网基础上发展而来，它的体系结构基本上采用了以体系结构基本上采用了以太网的标准结构。对应于太网

35、的标准结构。对应于ISO/OSIISO/OSI通信参考模型，通信参考模型，工业以太网协议在物理层工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了和数据链路层均采用了802.3802.3标准，在网络层和标准，在网络层和传输层则采用被称为以太传输层则采用被称为以太网网“事实上标准事实上标准”的的TCP/IPTCP/IP协议簇，在高层协协议簇，在高层协议上，工业以太网通常省议上，工业以太网通常省略了会话层、表示层，而略了会话层、表示层，而定义了应用层，有的工业定义了应用层，有的工业以太网还定义了用户层。以太网还定义了用户层。大连交通大学大连交通大学 根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通根

36、据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通信协议模型分为信协议模型分为5 5类，是经过常规最大努力提高实时性，一般工类，是经过常规最大努力提高实时性，一般工业以太网的通信协议模型业以太网的通信协议模型;采用在采用在TCP/IPTCP/IP之上进行实时数据交换之上进行实时数据交换方案方案;采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型;采采用集中调度提高实时性的解决方案用集中调度提高实时性的解决方案;采用类似采用类似InterbusInterbus现场总线现场总线“集总帧集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时通信方式和在物

37、理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能。性能。2、改进的实时工业以太网体系结构、改进的实时工业以太网体系结构大连交通大学大连交通大学3、工业以太网的实时通信技术、工业以太网的实时通信技术n采用以太网与采用以太网与TCP/IPTCP/IP相结合的方法相结合的方法n直接修改传统以太网直接修改传统以太网MACMAC协议协议(CSMA/CD)(CSMA/CD)方式方式n数据链路层增加实时调度层的方式数据链路层增加实时调度层的方式n网络节点间的时间同步机制也是实现确定性网络节点间的时间同步机制也是实现确定性实时调度的必要手段之一实时调度的必要手段之一大连交通大学大连交通大学采用以太网与采用以太网与TCP

38、/IPTCP/IP相结合的方法相结合的方法n标准：标准：HSEHSE、EtherNET/IPEtherNET/IP和和Modbus/TCP Modbus/TCP 说明：它们是建立在以太网和说明：它们是建立在以太网和TCP/IPTCP/IP协议基础上的数据协议基础上的数据传递。提高实时性的主要手段包括提高通信速率传递。提高实时性的主要手段包括提高通信速率,控制控制网络负荷以及采用全双工交换技术。网络负荷以及采用全双工交换技术。然而然而,交交换式以太网并不是实时通信最终的解决方案换式以太网并不是实时通信最终的解决方案,当多个当多个数据流同时到达交换机时数据流同时到达交换机时,需要将其缓存后从目的端

39、口需要将其缓存后从目的端口顺序输出顺序输出,此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换机的具体实现方式和网络的负载情况机的具体实现方式和网络的负载情况,其值仍是一个不其值仍是一个不确定的数值。在许多工业应用环境中确定的数值。在许多工业应用环境中,需要一个设备同需要一个设备同时向多个设备发送数据时向多个设备发送数据(如广播或发布如广播或发布/预定关系预定关系)。交。交换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多播报文同时传递到一个端口时会造成数据传递的时延播报文同时传递到一个端口时会造成数据传递的时延。大连交通大学

40、大连交通大学采用以太网与采用以太网与TCP/IPTCP/IP相结合的方法相结合的方法n标准：标准：HSEHSE、EtherNET/IPEtherNET/IP和和Modbus/TCP Modbus/TCP 说明：它们是建立在以太网和说明：它们是建立在以太网和TCP/IPTCP/IP协议基础上的数据协议基础上的数据传递。提高实时性的主要手段包括提高通信速率传递。提高实时性的主要手段包括提高通信速率,控制控制网络负荷以及采用全双工交换技术。网络负荷以及采用全双工交换技术。然而然而,交交换式以太网并不是实时通信最终的解决方案换式以太网并不是实时通信最终的解决方案,当多个当多个数据流同时到达交换机时数据

41、流同时到达交换机时,需要将其缓存后从目的端口需要将其缓存后从目的端口顺序输出顺序输出,此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换机的具体实现方式和网络的负载情况机的具体实现方式和网络的负载情况,其值仍是一个不其值仍是一个不确定的数值。在许多工业应用环境中确定的数值。在许多工业应用环境中,需要一个设备同需要一个设备同时向多个设备发送数据时向多个设备发送数据(如广播或发布如广播或发布/预定关系预定关系)。交。交换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多播报文同时传递到一个端口时会造成数据传递的时延播报文同时传递到一

42、个端口时会造成数据传递的时延。大连交通大学大连交通大学采用以太网与采用以太网与TCP/IPTCP/IP相结合的方法相结合的方法另外，另外，HSEHSE，Ethernet/IPEthernet/IP和和Modbus TCPModbus TCP都没都没有在实质上解决以太网的通信不确定性问题，而有在实质上解决以太网的通信不确定性问题，而是采取了一种比较折衷的方案，即传输层、数据是采取了一种比较折衷的方案，即传输层、数据链路层和物理层沿用以太网的原有机制，在用户链路层和物理层沿用以太网的原有机制，在用户层或应用层对数据的传输进行控制。而对于应用层或应用层对数据的传输进行控制。而对于应用层以下的报文是不

43、能控制的，如层以下的报文是不能控制的，如ARP(Address ARP(Address Resolution Protocol)Resolution Protocol)、ICMP(Internet ICMP(Internet Control Messages Protocol)Control Messages Protocol)等协议所产生的报等协议所产生的报文。这种折衷的方案不能满足实时性要求很高的文。这种折衷的方案不能满足实时性要求很高的场合。场合。大连交通大学大连交通大学直接修改直接修改CSMA/CDCSMA/CD方式方式由于导致不确定性通信的由于导致不确定性通信的CSMA/CDCSMA

44、/CD机制位于以太网机制位于以太网MACMAC层层,所以最直接的方法是修改以太网的所以最直接的方法是修改以太网的MACMAC层协议。采层协议。采用这种方式中用这种方式中,加州大学开发的加州大学开发的CSMA/DCRCSMA/DCR协议影响较为协议影响较为广泛，它保持了与标准广泛，它保持了与标准CSMA/CD CSMA/CD 的兼容，该协议在未发的兼容，该协议在未发生冲突的情况下，采用生冲突的情况下，采用CSMA/CDCSMA/CD协议，当发生冲突时，采协议，当发生冲突时，采用一种确定性的冲突解决算法用一种确定性的冲突解决算法(二叉树遍历算法二叉树遍历算法)来保证来保证一个确定性数据的最坏信道访

45、问时间。一个确定性数据的最坏信道访问时间。但由于以太网的但由于以太网的MACMAC协议是固化在硬件芯片中的协议是固化在硬件芯片中的,要要修改修改MACMAC层协议层协议,就必须对相关硬件进行改动就必须对相关硬件进行改动;其次其次,该类该类只能保证确定时间内解决冲突只能保证确定时间内解决冲突,往往最坏冲突解决时间通往往最坏冲突解决时间通常远大于平均冲突解决时间常远大于平均冲突解决时间,而实时系统中最关注的正是而实时系统中最关注的正是系统在最坏条件下的表现。系统在最坏条件下的表现。因此此类方案多见于学术文因此此类方案多见于学术文章，没有相应的工业标准采用。章，没有相应的工业标准采用。大连交通大学大

46、连交通大学数据链路层增加实时调度层的方式数据链路层增加实时调度层的方式在在MACMAC层之上增加一个实施确定性调度的软件层层之上增加一个实施确定性调度的软件层.现现有的几种方案的共同思想是有的几种方案的共同思想是,网段内的实时报文和非实时网段内的实时报文和非实时报文将分时发送报文将分时发送,协议栈中实时通信报文经过数据链路层协议栈中实时通信报文经过数据链路层传递后传递后,不经过网络层和传输层而直接传递给应用层不经过网络层和传输层而直接传递给应用层,同同时非实时报文仍然要通过时非实时报文仍然要通过TCP/IPTCP/IP协议来传递协议来传递.典型的有下典型的有下列几种：列几种：(1)(1)基于带

47、宽预留方式的调度基于带宽预留方式的调度(2)(2)基于时间片的分时调度方式基于时间片的分时调度方式(3)EtherCAT(3)EtherCAT方式方式大连交通大学大连交通大学4、工业以太网设备环境适应性和可靠性要求、工业以太网设备环境适应性和可靠性要求 工业以太网设备商用以太网设备元器件工业级商业级接插件耐腐性、防尘、防水，如加固型RJ45、DB9、航空接头等一般RJ45工作电压24VDC220VAC电源冗余双电源一般没有安装方式可采用DIN导轨或其它固定安装桌面、机架等工作温度-4085或-2070540电磁兼容标准EN 500812（工业级EMC）EN 500822(工业级EMC)EN 500812（办公室用EMC）EN 500822(办公室用EMC)MTBF值至少10年35年大连交通大学大连交通大学几种主流的工业以太网标准几种主流的工业以太网标准EPAEtherCATProfinetHSEModbus TCPEthernet PowerlinkEthernet/IP