工业以太网.ppt

1、工业以太网技术 现场总线与工业以太网技术2工业以太网技术 n一、工业以太网概述 n二、工业以太网的技术优势 n三、工业以太网互连模型 n四、工业以太网技术应解决的问题n五、工业以太网非确定性问题的解决措施 n六、工业以太网技术的发展趋势 3一、工业以太网概述以太网技术的思想渊源最早可以追溯以太网技术的思想渊源最早可以追溯到到1968年。以太网的核心思想是使用共年。以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威享的公共传输信道，这个思想源于夏威夷大学。在局域网家族中，以太网是指夷大学。在局域网家族中，以太网是指遵循遵循IEEE 802.3标准，可以在光缆和双标准，可以在光缆和双绞线上

2、传输的网络。以太网也是当前主绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（要应用的一种局域网（LANLocal Area Network，局域网）类型。目前的，局域网）类型。目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种：以太网按照传输速率大致分为以下四种：41 1）10Base-T 10Base-T 以太网以太网传输介质是双绞线，传传输介质是双绞线，传输速率为输速率为10Mbit/s10Mbit/s；2 2）快速以太网）快速以太网传输速率为传输速率为100Mbit/s100Mbit/s，采用光，采用光缆或双绞线作为传输介质，兼容缆或双绞线作为传输介质，兼容10Base-T 10Base-T

3、 以太网；以太网；3）Gigabit 以太网以太网扩展的以太网协议，传输扩展的以太网协议，传输速率为速率为1Gbit/s,采用光缆或双绞线作为传输介质，采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容基于当前的以太网标准，兼容 10Mbit/s以太网和以太网和100Mbit/s以太网的交换机和路由器设备；以太网的交换机和路由器设备；4）10 Gigabit 以太网以太网2002年年6月发布，是一月发布，是一种速度更快的以太网技术。支持智能以太网服务，种速度更快的以太网技术。支持智能以太网服务，是未来广域网（是未来广域网（WANWide Area Network）和城域网（和城域网（MA

4、NMetropolitan Area Network）的宽带解决方案。）的宽带解决方案。5n随着社会的进步和技术发展，用于商业系统的随着社会的进步和技术发展，用于商业系统的概念、方法和技术，越来越多地应用于工业领概念、方法和技术，越来越多地应用于工业领域。近年来工业自动化领域也越来越多受到信域。近年来工业自动化领域也越来越多受到信息技术（息技术（IT）的影响，信息技术的原理和标准）的影响，信息技术的原理和标准日益渗透到工业自动化产品和系统中。工业以日益渗透到工业自动化产品和系统中。工业以太网在工业自动化领域中快速发展并且日益重太网在工业自动化领域中快速发展并且日益重要，就是这种趋势的结果和体现

5、。要，就是这种趋势的结果和体现。工业以太网发展背景及应用情况工业以太网发展背景及应用情况6n何谓工业以太网（何谓工业以太网（Industrial Ethernet）？）？应用于工业自动化领域的以太网技术。在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的一种工业网络。n工业以太网工业以太网 一般来讲是指技术上与商用以太网(即IEEE 802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。以太网进入工业自动化领域的直接原因是，现场总线多种标准并存，异种网络通信困难。在这样的技术背景下，以太网逐步应用于工业

6、控制领域，并且快速发展。工业以太网的发展得益于以太网多方面的技术进步。7n首先是首先是通信速率的提高通信速率的提高，速率提高意味着网络负荷减，速率提高意味着网络负荷减轻和传输延时减少，网络碰撞几率下降；其次由于轻和传输延时减少，网络碰撞几率下降；其次由于采采用星形网络拓扑结构和交换技术用星形网络拓扑结构和交换技术，使以太网交换机的，使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA/CDCSMA/CD机制的机制的制约，避免了冲突；再加上制约，避免了冲突；再加上全双工通信方式全双工通信方式使端口间使端口间两对双绞线两对双绞线(或两根光纤或两根光纤)上分别

7、同时接收和发送数据，上分别同时接收和发送数据，而不发生冲突。这样，全双工交换式以太网能避免因而不发生冲突。这样，全双工交换式以太网能避免因碰撞而引起的通信响应不确定性，保障通信的实时性。碰撞而引起的通信响应不确定性，保障通信的实时性。工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方向发展，使通信已成为关键，用户对统一的通信协议向发展，使通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。所以，技术和应用的发展、和网络的要求日益迫切。所以，技术和应用的发展、需求使以太网进入工业自动化领域成为必然。需求使以太网进入工业自动化领域成为必然。8n以太网进入工业

8、自动化领域已经成为不争的事以太网进入工业自动化领域已经成为不争的事实。实。ControlNet和和DeviceNet联合推出的联合推出的Ethernet/IP；Foundation Fieldbus推出的推出的HSE；Schneider开发的开发的Modbus TCP/IP；Simens开发的开发的PROFInet。n 都已经成为有代表性的工业以太网技术，借都已经成为有代表性的工业以太网技术，借助于这些厂家的现场总线产品市场，这些工业助于这些厂家的现场总线产品市场，这些工业以太网产品得以快速提高了市场占有率。以太网产品得以快速提高了市场占有率。9工业以太网技术工业以太网技术n在IS0/OSI7

9、层协议中，以太网本身只定义了物理层和数据链路层。n高层控制协议，以太网使用了TCP/IP协议。nIP(internet protocol)：确定信息传递路线nTCP(transmission controI protocol)：保证传输的可靠性。10IPIP技术技术nIP技术是Internet的基础：IEEE1394，ATM(asynchronous transfer mode)，TCP,UDP(user datagram protocol)等等，它还可以适用于其它的通信标准，如FTP(file transfer protocol)和SMTP(Simple mail transfer prot

10、ocol)等。n以太网已成为事实上的工业标准：办公自动化企业的管理网络11工业以太网的国际组织工业以太网的国际组织n工业以太网协会(industrial ethernet association，lEA)n工业自动化开放网络联盟(industrial automation network alliance,IAONA)n推进工业以太网技术的发展、教育和标准化管理、工业应用领域运用n美国电气电子工程师协会(IEEE)也正着手制定现场装置与以太网通信的标准。12工业以太网的发展工业以太网的发展n以太网技术最早由Xerox开发，后经数字设备公司(digitalequipment此rp)、lntel公

11、司联合扩展，于1982年公布了以太网规范。IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定的。n以太网规范只包括通信模型中的物理层与数据链路层。13n工业以太网技术：工业以太网技术：n不仅包含了物理层与数据链路层的以太网规范，而且包含TCP/IP协议组，即包含网络层的网际互联协议lP、传输层的传输控制协议TCP、用户数据包协议UDP等。n有时甚至把应用层的简单邮件传送协议SMTP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、再加上超文本链接HTTP、动态网页发布等互联网上的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。14n过去以太网在工业自动化领域应用有限过去以太网在工业自动化领域应用有限（1）以太网采用CS

12、MA/CD碰撞检测方式：网络的不确定性（2）以太网所用的接插件(connector)、集线器(hub)、交换机(switches)和电缆等不符合工业现场恶劣环境的要求。（3）以太网抗干扰性能较差，不具备本质安全性能。（4）以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。15n现场总线与以太网融合现场总线与以太网融合n在现场总线协议中，为提高传输效率，一般只定义七层协议中的物理层、数据链路层和应用层。n为与以太网融合，通常在数据包前加入IP地址，并通过TCP来进行数据传递。n如今的控制网络中，以太网己经成为企业层和控制层的主要网络技术。16二、工业以太网的技术优势n1.1.工业以太网与其它控制网络

13、比较的优势工业以太网与其它控制网络比较的优势:n（1）工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一。n（2）设备成本下降。n（3）用户拥有成本下降。n（4）以太网易与Internet集成。17n2.2.以太网技术作为现场总线技术具有如下以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势技术优势:n（1）采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投人，保证了以太网技术的不断发展。如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需独自的研究投入。18n（2）以太网

14、受到广泛的开发技术支持。n由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，例如Java、VisualC+、VisualBasic等。n采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。19n（3）由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，它也受到硬件开发商的高度重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产品可供选择。n（4）由于以太网己被使用多年，以太网具有大量的软件资源，人们对以太网设计、应用有很多的经验，对以太网技术十分熟悉。20n最重要的是，如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计

15、算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络技术相互促进的局面。n这将意味着可以实现自动化控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并使自动化领域产生新的生机和活力。21三、工业以太网互连模型n物理层与数据链路层采用IEEE802.3规范n网络层与传输层采用TCP/IP协议组n应用层的一部分可以沿用上面提到的那些互联网应用协议。2223四、工业以太网技术应解决的问题n1.1.通信实时性问题通信实时性问题n以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。n以太网一直被认为不适合在底

16、层工业网络中使用。需要有针对这一间题的切实可行的解决方案。24n2.2.对环境的适应性与可靠性问题对环境的适应性与可靠性问题n以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等能否自动化的要求。n在产品设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。25n3.3.总线供电总线供电n在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术都可利用网线对现场设备供电，工业以太网目前还没有对网络节点供电做出规定。n4.4.本质安全本质安全n工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险

17、工业场所，就必须考虑本安防爆问题，这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。26n用以太网作为现场总线网络的高速网段用以太网作为现场总线网络的高速网段n在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络提出了与以太网结合，用以太网作为现场总线网络的高速网段，使控制网络与Internet融为一体的解决方案。n例如Hl的高速网段HSE，EtherNet/IP，PROFlNet等，都是工业以太网技术的典型代表。27n“E”E”网到底，远程监控网到底，远程监控n在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，实现Ethe

18、rnet的“E”网到底，使控制网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的一员。n在应用层协议尚末统一的环境下，借助IE等通用的网络测览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控，也是人们提出且正在实现的一个有效的解决方案。28五、工业以太网非确定性问题的解决措施n通信非确定性是以太网技术迸人控制领域的最大障碍。n控制网络不同于普通计算机网络，其最大特点在于它应该满足控制作用对实时性的要求。n以太网采用CSMA/CD的媒体访问控制方式：非确定性(non-deterministic)网络。29n1.提高通信速率n在相同通信量的条件下，提高通信速率可以减少通信信号占用

19、传输介质的时间，从一个角度为减少信号的碰撞冲突，解决以太网通信的非确定性提供了途径。n以太网：10Mbit/s，100Mbit/s到千兆n控制网络：几十千位/s、几百千位/s、lMbit/s、5Mbit/sn通信速率的提高是明显的，对减少碰撞冲突也是有效的。30n2.2.控制网络负荷控制网络负荷n减轻网络负荷也可以减少信号的碰撞冲突，提高网络通信的确定性。n控制网络的通信量不大，随机性、突发性通信的机会也不多，其网络通信大都可以事先预计，并对其做出相应的通信调度安排。在网络设计时 正确选择网络的拓扑结构 控制各网段的负荷量 合理分布各现场设备的节点位置31n3.3.采用以太网络的全双工交换技术

20、采用以太网络的全双工交换技术n采用以太网交换机，将网络切分为多个网段，就为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，相当于每个设备独点一个网段，使同一个交换机上的不同设备之间不存在资源争夺。n在网段分配合理的情况下，由于网段上的多数数据不需要经过主干网传输，因此交换机能够过滤掉这些数据，使数据只在本地网络传输，而不占用其他网段的带宽。n交换机之间通过主干线进行连接，从而有效地降低了各网段和主干网络的负荷，使网络中产生冲突的可能性大大降低，提高了网络通信的确定性。32n4.4.提供适应工业环境的元件提供适应工业环境的元件n现已开发出一系列密封性好、坚固、抗震动的以太网设备与连接件，例如导轨式

21、收发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接插件等。它们适合在工业环境中使用，为以太网进入工业控制环境创造了条件。n采取上述措施可以使以太网的非确定性问题得到相当程度的缓解，但还不能说从根本上得到了解决。33六、工业以太网技术的发展趋势n以太网描述了物理层和数据链路层，并已成为Internet的协议。n所以，许多现场总线组织也在致力于发展lP和以太网技术，当前快速发展的IT(information technology)技术已成为工业控制网络中的一部分。3435n随着微处理器和工业以太网的发展，末来的I/O设备可以是一台网络服务器，通过测览器网页就可以实现设备的加载、组态、监控。n注册时，系统可以通

22、过IP自动搜索网络上的硬件，这时组态软件就可以显示这些硬件，并提供组态界面。36n当前流行的OPC(OLE for Process Control)、HTTP等技术将为这一过程铺平道路。n上位机和底层设备之间的客户端-服务器模式如图所示。n还可以在现场设备中嵌人称之Chip Sever的Internet芯片，从而使Internet无处不在的理念得到实现。3738n还可以在现场设备中嵌人称之Chip Sever的Internet芯片，从而使Internet无处不在的理念得到实现。nWindowsNT对以太网驱动程序的支持，将使其成为工业控制中最合适的操作系统。nWindowsCE也被认为是设备合

23、适的嵌人式操作系统。Windows NT会占据80%的市场分额Windows CE以其实时功能占据16%剩下的4%是专用系统39n从信息集成的观点来看，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，甚至通过WEB方式测览和交互控制。n因此，有专家预言，现场总线技术与以太网技术相结合将是未来发展的方向。40复习题复习题n1.什么是工业以太网？n2.工业以太网的协议结构包含哪几层？分别说明各自的作用？n3.为什么过去以太网在工业自动化领域应用比较有限？41n4.以太网技术作为现场总线技术具有哪些技术优势？n5.用于工业控制网络，工业以太网技术应该解决那些问题？n6.工业以太网对非确定性问题采取那些解决措施？42The End!