《工业以太网》PPT课件.ppt

第四章 工业以太网,现场总线控制系统(FCS)的发展改变了工业控制系统的结构，具有开放、分散、数字化、可互操作性等特点，有利于自动化系统与信息系统的集成。 缺陷: 主要表现在迄今为止现场总线的通信标准尚未统一，这使得个厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速度也不尽人意，在有些场合无法满足实时控制的要求。由于上述原因，FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。,第四章 工业以太网,4.1 以太网和TCP/IP,以太网是一种计算机局域网组网技术。IEEE制定的IEEE802.3标准给出了以太网技术的标准，规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网的标准拓扑结构为总线拓扑，但目前的快速以太网(100BAST-T、1000BASE-T标准)为了最大程度地减少冲突、最有效地提高网络速度和使用效率，使用交换机进行网络连接和组织，这样，以太网的拓扑结构成了星型，但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑。 最初的以太网采用同轴电缆进行设备间的连接。电脑通过一个称作附加单元接口(AUI，Attachment Unit Interface)的收发器连接到电缆上。一根简单网线对于一个小型网络来说还是很可靠的，但对于大型网络，某处线路的故障或某个连接器的故障，都将造成以太网某个或多个网段的不稳定。,按照ISO的OSI七层结构，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完整的通信系统。以太网在成为数据链路和物理层的协议之后，就与TCP/IP紧密地捆绑在一起了。由于后来国际互连网采用了以太网和TCP/IP协议，人们甚至把如超文本连接HTTP等TCP/IP协议组放在一起，称为以太网技术; TCP/IP的简单实用已为广大用户所接受，不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络、监控层网络也都广泛使用以太网技术，并开始向现场设备层网络延伸。如今，TCP/IP协议成为最流行的网际互联协议，并由单纯的TCP/IP协议发展成为一系列以IP为基础的TCP/IP协议簇。,在TCP协议中，网络层的核心协议是IP(Internet Protocol)，同时还提供ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、ICMP(Internet Control Messages Protocol)等协议。 传输层的功能是提供应用程序间(端到端)的通信服务，包括用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)和传输控制协议TCP(Transfer Control Protocol)两个协议。其功能分别为： UDP负责提供高效率的服务，用于传送少量的报文，几乎不提供可靠性措施，使用UDP的应用程序需自己完成可靠性操作; TCP负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于传送大量报文，并保证数据传输的可靠性。,4.2 工业以太网,4.2.1 工业以太网技术 工业以太网是专门为工业应用环境设计的标准以太网。工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，工业以太网和标准以太网的异同可以比之与工业控制计算机和商用计算机的异同。以太网要满足工业现场的需要，需达到以下几个方面的要求。 (1) 适应性 (2) 可靠性 (3) 本质安全与安全防爆技术 (4) 安装方便。,工业以太网与OSI互联参考模型的分层对照,工业以太网的发展体现在以下几个方面： 通信确定性与适时性 1.1 提高通信速率 1.2 控制网络负荷 1.3 采用以太网的全双工交换技术 稳定性与可靠性 工业以太网协议,4.2.2 工业以太网协议,HSE 高速以太网(HSE, High Speed Ethernet)是现场总线基金会在摒弃了原有高速总线H2之后的作品。FF现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网的集成，由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步发送到企业ERP和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器察看现场运行情况。现场设备也可以从网络获得控制信息。,HSE与OSI互联参考模型的比较图,FF HSE工业以太网系统结构,HSE在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备(Linking Device)将FF H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网桥功能能够用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上面的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。 HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。,2. ProfiNet ProfiNet主要包括三方面技术： (1) 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统 (2) 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信 (3)提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型,采用标准TCP/IP与以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的PCM/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。,现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(Proxy)连接到ProfiNet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在ProfiNet中应用。,3. EtherNet/IP Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。 Ethernet/IP以特殊的方式将以太网节点分成预定义的设备类型。,EtherNet/IP是以太网、TCP/IP以及CIP的集成。 EtherNet/IP和DeviceNet以及ControlNet采用了相同的应用层CIP协议规范，只是在OSI协议七层模型中的低4层中有所不同， EtherNet/IP在物理层和数据链路层采用EtherNet技术，在传输层和网络层采用TCP(UDP)/IP技术。,4.2.3 工业以太网发展趋势,1、工业以太网与现场总线相结合 (1) 物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等； (2)使用标准以太网连接设备(如交换机)，在工业现场使用工业以太网交换机； (3)采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组； (4)应用层(甚至是用户层)采用现场总线的应用层、用户层协议； (5)兼容现有的成熟的传统控制系统(如DCS、PLC)；,2、工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已经成为大势所趋 (1)以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破，如：实时通信技术、总线供电技术、远距离传输技术、网络安全技术、可靠性技术等 (2)起草了EPA国家标准 (3)开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件,4.3 EtherNet/IP技术,EtherNet/IP(EtherNet Industry Protocol)是适合与工业环境应用的协议体系。它和DeviceNet以及ControlNet一样，都是CIP协议的网络，是一种面向对象的协议，能够保证网络上隐性的实时I/O信息和显性信息(包括用于组态、参数设置、诊断等)的有效传输，因此，他们具有相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。 EtherNet/IP协议充分利用了TCP/IP协议的优点，将其融和在一个网络中，使得EtherNet/IP不仅能用于普通的信息处理，还能用于传输对时间有苛刻要求的控制信息。,4.4 基于EtherNet/IP的系统设计,4.4.1 硬件设计 4.4.2 软件设计 4.4.3 系统测试,EtherNet/IP系统硬件设计步骤： 确定系统的拓扑结构 根据拓扑结构确定系统中的设备和交换机的位置 确定系统中网线的长度 对接地系统进行评估 对现场环境进行分析 根据环境确定传输介质 进行系统性能测试,4.4.1 硬件设计,返回,4.4.2 软件设计,EtherNet/IP系统硬件设计过程： 将已安装网络组态软件、编程软件的计算机接入EtherNet/IP网络 使用罗克韦尔自动化的BootP软件配置设置的初始EtherNet/IP地址(也可用其它网络组态软件) 通过RSNetWorx for EtherNet/IP组态软件扫描配置器及所连接的目标设备的参数。若要进行隐式通信，首先编辑扫描器的扫描列表，把要传输的I/O数据加入EtherNet/IP扫描器的扫描列表 用组态软件进行网络上的I/O组态 进行系统的连接优化，将不必要的连接删除 使用PLC编程软件编写特定的梯形图代码 将处理器设置为运行模式以及或输出,返回,4.4.3 系统测试,对网络的测试包括两方面的内容：一是硬件系统