6第六章工业以太网.ppt

现场总线技术第六章 一 FF概述与现场总线基金会二 FF的体系结构三 FF的物理层四 FF的数据链路层五 FF的应用层六 FF的用户层七 FF系统的实际应用 第五章内容回顾 现场总线技术课程内容结构 第一章现场总线技术概述 第二章数据通信基础 第三章控制网络基础 第四章HART通信协议 第五章基金会现场总线 第六章工业以太网 现场总线协议 现场总线技术最新发展 一 工业以太网简介二 以太网的物理连接与帧结构三 TCP IP协议组四 几种典型的工业以太网 工业以太网 工业以太网 一 简述工业以太网的特色技术 二 工业以太网通信非确定性的缓解措施有哪几种 三 举出几种典型工业以太网的例子 工业以太网 一 工业以太网与以太网二 工业以太网的特色技术三 通信非确定性的缓解措施 工业以太网 一 工业以太网与以太网工业以太网源于以太网而又不同于普通以太网 互联网及普通计算机网络采用的以太网技术原本并不适应控制网络和工业环境的应用需要 通过对普通以太网技术进行通信实时性改进 工业应用环境应用性的改造 并添加了一些控制应用功能后 形成工业以太网技术主体 工业以太网要在继承和部分继承以太网原有核心技术的基础上 应对适应工业环境性 通信实时性 时间发布 各节点间的时间同步 网络的功能安全与信息安全等问题 提出相应的解决方案 并添加控制应用功能 还要针对某些特殊的工业应用场合提出的网络供电 本安防爆等要求给出解决方案 工业以太网 一 工业以太网与以太网 以太网和互联网原有的核心技术是工业太网的重要基础 而对以太网实行环境适应性 通信实时性等相关改造 扩展的部分 成为工业以太网的特色技术 目前工业以太网的代表技术有 FF中高速网段HSE PROFIBUS的上层网段PROFINET Modbus TCP和EtherNet IP 在控制器 PLC测量变送器 执行器 I O卡等设备中嵌入以太网通信接口 嵌入TCP IP协议 嵌入WebServer便可形成支持以太网 TCP IP协议和Web服务器的Internet现场节点 借助IE等通用的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制 进而实现远程监控 也是工业以太网的一个有效解决方案 工业以太网 一 工业以太网与以太网以太网的物理层与数据链路层采用IEEE802 3的规范 网络层和传输层采用TCP IP协议组 应用层采用简单邮件传送协议SMTP 简单网络管理协议SNMP 域名服务DNS 文件传输协议FTP 超文本链接HTTP等应用协议 这些是以太网已有的核心和生命力所在 7654321 以太网 工业以太网 二 工业以太网的特色技术 1 应对环境适应性的特色技术 工业以太网应对环境适应性的改造措施 很重要的一方面是打造工业级产品 针对工业应用环境需要 具有相应防护等级的产品称之为工业级的产品 防护级工业产品是工业以太网特色技术之一 这也是工业级产品在设计之初要注重材质 元器件工作温度范围的选择 2 应对通信非确定性的缓解措施普通以太网采用载波监听多路访问 冲突检测 CSMA CD 的媒体访问控制方式 这种平等竞争的非确定性网络 不能满足控制系统对通信实时性 确定性的要求 被认为不适合用于底层工业控制 这是以太网进入控制网络领域在技术上的最大障碍 工业以太网 二 工业以太网的特色技术 3 实时以太网 实时以太网是在应对工业控制中通信实时性 确定性从而提出的根本解决方案 自然属于工业以太网的特色和核心技术 站在控制网络的角度看 工作在现场控制层的实时以太网 实际上属于现场总线的一个新类型 EtherNet IP PROFINET P Net Interbus VNET IP TCnet EtherCAT EtherNetPowerlink EPA EthernetforProcessAutomation Modbus RTPS SERCOS 4 网络供电 网络传输介质在用于传输数字信号的同时 还为网络节点设备传递工作电源者 被称之为网络供电 工业以太网目前有两种供电方式 一种利用5类双绞线现有的信号接收与发送两对线缆 另外一种采用5类线缆中空闲线对网络节点供电 工业以太网 二 工业以太网的特色技术 5 本质安全本质安全是指将送往易燃易爆危险场合的能量 控制在引起火花所需能量的限度之内 从根本上防止在危险场合产生火花而使系统安全得到保障 目前以太网收发器的功耗较高 设计低功耗以太网设备还存在一些难点 真正符合本质安全要求的工业以太网还有待进一步努力 对应用于危险场合的工业以太网交换机等 目前一般采取隔爆型作为防爆措施 工业以太网的特色技术还有许多 如应用层的控制应用协议 控制功能块 控制网络的时间发布与管理 都是以太网 互联网中原先不曾涉及的技术 工业以太网 三 通信非确定性的缓解措施工业以太网可利用以太网原本具有的技术优势 扬长避短 缓解其通信非确定性弊端对控制实时性的影响 这些措施主要涉及以下方面 1 利用以太网的高通信速率 相同通信量的条件下 提高通信效率可以减少通信信号占用传输介质的时间 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 以太网的通信速率从10Mb s 100Mb s提高到1Gb s 以至更高 对于一般控制网络通信速率而言 通信效率的提高是明显的 因而对减少碰撞冲突也是有效的 工业以太网 三 通信非确定性的缓解措施 2 控制网络负荷 从另一个角度看 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 研究结果表明 在网络负荷低于满负荷的30 时 以太网基本可以满足对一般控制系统通信确定性的要求 3 采用全双工以太网技术采用全双工以太网 使网络处于全双工的通信环境下 也可以明显提高网络通信的确定性 全双工设备可以同时发送和接收数据 这样更具备通信确定性的条件 工业以太网 三 通信非确定性的缓解措施 4 采用交换式以太网技术 在传统的以太网中 多个节点共享同一个传输介质 共享网络的固定带宽 交换机接收并存储通信帧 根据目的地址和端口地址表 把通信帧转发到相应的输出端口 为连接在其端口上的每个网络节点提供独立的带宽 使不同设备之间产生冲突的可能性大大降低 应该指出的是 采取上述措施可以使以太网通信的非确定性问题得到相当程度的缓解 但仍然没有从根本上完全解决通信的确定性与实时性问题 要使工业以太网完全适应控制实时性的要求 应采用实时以太网 工业以太网 一 以太网的物理连接二 以太网的帧结构三 以太网的通信帧结构与工业数据封装 工业以太网 一 以太网的物理连接 RJ 45插头和制作工具 工业以太网 一 以太网的物理连接 IP防护等级IP INGRESSPROTECTION 防护等级系统是由IEC INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION 所起草 将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级 这里所指的外物含工具 人的手指等均不可接触到灯具内之带电部分 以免触电 IP防护等级是由两个数字所组成 第1个数字表示灯具离尘 防止外物侵入的等级 第2个数字表示灯具防湿气 防水侵入的密闭程度 数字越大表示其防护等级越高 两个标示数字所表示的防护等级如表一及表二所示 表一 第一个标示特性号码 数字 所指的防护程度0没有防护对外界的人或物无特殊防护 1防止大于50mm的固体物体侵入防止人体 如手掌 因意外而接触到灯具内部的零件 防止较大尺寸 直径大于50mm 的外物侵入 2防止大于12mm的固体物体侵入防止人的手指接触到灯具内部的零件防止中等尺寸 直径大12mm 的外物侵入 3防止大于2 5mm的固体物体侵入防止直径或厚度大于2 5mm的工具 电线或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件 4防止大于1 0mm的固体物体侵入防止直径或厚度大于1 0mm的工具 电线或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件 5防尘完全防止外物侵入 虽不能完全防止灰尘进入 但侵入的灰尘量并不会影响灯具的正常工作 6防尘完全防止外物侵入 且可完全防止灰尘进入 表二 第二个标示特性号码 数字 所指的防护程度0没有防护没有防护 1防止滴水侵入垂直滴下的水滴 如凝结水 对灯具不会造成有害影响 2倾斜15度时仍可防止滴水侵入当灯具由垂直倾斜至15度时 滴水对灯具不会造成有害影响 3防止喷洒的水侵入防雨 或防止与垂直的夹角小于60度的方向所喷洒的水进入灯具造成损害 4防止飞溅的水侵入防止各方向飞溅而来的水进入灯具造成损害 5防止喷射的水侵入防止各自各方向由喷嘴射出的水进入灯具造成损害 6防止大浪的侵入装设于甲板上的灯具 防止因大浪的侵袭而进入造成损坏 7防止浸水时水的侵入灯具浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下能确保不因进水而造成损坏 8防止沉没时水的侵入灯具无限期的沉没在指定水压的状况下 能确保不因进水而造成损坏 工业以太网 一 以太网的物理连接 工业以太网物理连接 工业以太网 一 以太网的物理连接 双绞线中电线的功能分配 工业以太网 一 以太网的物理连接 具有不同类型接口的网卡 工业以太网 一 以太网的物理连接 现场工业以太网交换机 工业以太网 二 以太网的帧结构 IEEE802 3标准具体定义了以太网数据帧的封装格式 如图所示 前导码帧前定界码目的MAC源MAC类型数据CRC 7字节 1字节 6字节 6字节 2字节 46 1500字节 4字节 G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1 CRC 32 以太网的帧结构与封装过程 三 以太网的通信帧结构与工业数据封装 工业以太网 三 以太网的通信帧结构与工业数据封装 TCP IP封装的工业控制数据包 工业以太网 三 以太网的通信帧结构与工业数据封装 工业以太网中通常利用TCP IP协议来发送非实时数据 而用UDP IP来发送实时数据 非实时数据的特点是数据包的大小经常变化 且发送时间不定 实时数据的特点是数据包短 需要定时或周期性通信 TCP IP一般用来传输组态和诊断信息 UDP IP用来传输实时I O数据 现场总线控制网络与以太网结合 用以太网作为现场总线上层 高速 网段的场合 通常会采用TCP IP和UDP IP协议来包装现场总线数据 让现场总线网段的数据借助以太网通过传送到管理层 或异地的另一现场总线网段上 工业以太网 一 TCP IP协议组二 IP协议三 用户数据报协议UDP四 传输控制协议TCP五 简单网络管理协议SNMP 一 TCP IP协议组 SMTP DNS SNMP SNTP 工业以太网 二 IP协议IP数据报的格式 工业以太网 二 IP协议IPv6 IPv6是互联网协议第6版 InternetProtocolVersion6 的缩写 IPv6是IETF 互联网工程工作组 为了代替现有的互联网协议IP第4版 IPv4 而推出的下一代协议版本 IPv4已有差不多20年历史 IPv4地址空间越来越少 所有需要加入互联网的新设备需要更大的地址空间 IPv6将IP地址从32位扩充为128位之后 据称能为地球上每一个沙粒配备一个唯一的IP地址 不管这一说法是否夸张 但它的确为控制网络中的设备各自提供一个全球唯一的IP地址提供了可能 这为控制网络的技术发展添加了新的活力 工业以太网 三 用户数据报协议UDP 用户数据报协议UDP是一个无连接的端到端的传输层协议 仅仅为来自上层的数据增加端口地址 校验和以及长度信息 UDP所产生的包称为用户数据报 UDP的报文格式 工业以太网 四 传输控制协议TCP 传输控制协议为用户提供完整的传输层服务 TCP是一个可靠的面向连接的端到端协议 通信两端在传输数据之前必须先建立连接 TCP通过创立连接 在发送者和接收者之间建立起一条虚电路 这条虚电路在整个传输过程中都是有效的 TCP通知接收者即将有数据到达来开始一次传输 同时通过连接中断来结束连接 通过这种方法 使接收者知道这是一次完成的传输过程 而不仅仅是一个包 工业以太网 四 传输控制协议TCP TCP的报文格式 工业以太网 五 简单网络管理协议SNMP SNMP SimpleNetworkManagementProtocol 属于应用层协议 管理程序和代理程序按客户服务器方式工作 管理程序运行SNMP客户程序 向某个代理程序发出请求 或命令 代理程序运行SNMP服务器程序 返回响应 或执行某个动作 在网管系统中往往是一个 或少数几个 客户程序与很多的服务器程序进行交互 在多种不同协议控制网络并存的形式下 可以借助应用层的SNMP 实现不同控制网络设备之间的数据交互和信息集成 工业以太网 五 简单网络管理协议SNMP 网络管理的一般模型 管理站 因特网 网络管理员 被管设备 管理程序 运行SNMP客户程序 代理程序 运行SNMP服务器程序 A A A A M 被管设备 被管设备 被管设备 M A A 被管设备 网管协议 工业以太网 以太网物理层 SynqNet PowerLink IT通用应用层协议 SNMP SNTP TELNET FTP HTTP PPP DHCP Ethernet IP ProfiNet SRT IRT 传输层协议UDP TCP 网络层协议IP 标准通道 FFHSE 以太网数据链路层 RFC894 RFC1042 工业以太网解决方案 几种实时以太网的通信参考模型比较 工业以太网 一 Ethernet IP二 ModbusTCP IP三 LXI协议 工业以太网 EtherNet IP 标准TCP IP以太网 CIP Ethernet IP实时以太网 一 Ethernet IP 工业以太网 CIP包含了各种工业实时控制需要的服务和行规 Profiles CIP将网络上数据按照有实时控制要求和没有实时控制要求以不同的优先等级区别对待 CIPMessageRouting ConnectionManagement CIPDataManagementServicesExplicitMessages I OMessages CIPApplicationLayerApplicationObjectLibrary Semi conductor Valves Drives Robots Other 通用工业协议CIP CommonIndustrialProtocol 设备应用描述AppProfiles Lay7应用层 由于交换机基于队列和存储转发机制 在网络负载较大的情况下 每个数据包的延迟时间是不等的 这样计算出的时间同步精度不高 当采用IEEE1588边界时钟 由于是点 点连接 主时钟和从时钟之间几乎没有延迟时间抖动 而且与交换机的内部队列延迟 抖动和时间的传输方向无关 结合CIPSync 基于IEEE 1588技术 EtherNet IP实现 100ns高精度时间同步 一 Ethernet IP 工业以太网 二 ModbusTCP 1979年Modicon公司 现Schneider的一部分 提出的Modbus Modbus最初作为工业串行链路的事实标准 1997年Schneider电气在TCP IP上实现Modbus协议 2004年Modbus作为我国国家标准 工业以太网 二 ModbusTCPModbus协议规范 工业以太网 二 ModbusTCPModbus是一种简单客户机 服务器应用协议 客户机能够向服务器发送请求 服务器分析请求 处理请求 向客户机发送应答 工业以太网 二 ModbusTCP通用Modbus帧结构 协议数据单元 PDU Modbus是一个可选择部分使用的协议 服务器可执行部分Modbus协议 Modbus由公共功能码和用户定义的功能码组成 Modbus应用协议使用功能码列表读或写数据 或者在远程服务器上进行远程处理 读 写寄存器列表 读 写比特列表 诊断 标识 工业以太网 二 ModbusTCPModbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的 四个基本表为 Modbus公共功能码的定义 工业以太网 二 ModbusTCPModbusTCP IP是一种互联网协议 Modbus TCP主要是以一种简单的方式将Modbus框架嵌入到TCP结构中 MODBUS TCP协议已经成为一种 实际的 自动化标准 工业以太网 二 ModbusTCP 连接至TCP IP网络的ModbusTCP IP客户机和服务器设备互连设备 如 在TCP IP网络和串行链路子网之间互连的网桥 路由器或网关等设备 工业以太网 Modbus报文传输服务结构 工业以太网 二 ModbusTCPMODBUS TCP可以采用单一的连接方式 要求支持多个独立的事务处理 TCP允许很大数量的并发连接 在每次请求时重新建立连接MODBUS TCP请求通过TCP从端口502发出 工业以太网 三 LXI 自2004年9月安捷伦科技公司和VXI科技公司联合成立国际LXI联盟至今 已有包括多数国际著名测试测量公司在内的51家公司加入该联盟 2008年10月1 3版本的LXI标准发布 截止2009年8月 基于LXI的仪器有超过1300种 有超过20家的产品供应商 对于LXI总线的推出国内测试界也积极响应 目前 陕西海泰电子有限责任公司 北京无线电计量测试研究所 北京航天测控技术开发公司 哈尔滨工业大学等单位已加入了LXI联盟 工业以太网 三 LXILXI LANeXtensionsforInstrumentationwww lxistandard org 工业以太网 三 LXI 所谓LXI就是一种基于以太网技术等工业标准的 由中小型总线模块组成的新型仪器平台 LXI仪器是严格基于IEEE802 3 TCP IP 网络总线 网络浏览器 IVI C0M驱动程序 时钟同步协议 IEEE1588 和标准模块尺寸的新型仪器 与带有昂贵电源 背板 控制器 MXI卡和电缆的模块化插卡框架不同 LXI模块本身已带有自己的处理器 LAN连接 电源和触发输入 LXI模块的高度为一个或二个机架单位 宽度为全宽或半宽 因而能容易混装各种功能的模块 工业以太网