第06章工业以太网(3)

1、7.6 工业以太网 7.6.1 工业以太网定义工业以太网定义 n工业以太网是继承或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、各节点间的同步性、特殊场合的 信息安全和本安防爆性等要求给出的解决方 案。 n涉及到企业网络的各个层次。 n工业以太网既属于信息网络技术，也属于控 制网络。 7.6.2 工业以太网特色技术工业以太网特色技术 n1. 应对环境适应的特色技术 n连接件带锁紧机构设计。 n封装外壳防水、防尘、防电磁干扰、耐温度变化设 计。 n开发具有工业级的交换机、集线器和接插件等。 7.6.2 工业以太网特色技术工业以太网特色技术 n2. 通信非确定性的缓解措施

2、 n利用以太网的高通信速率 n在相同的条件下，提高通信速率可以减少通信信号占用传输介质 的时间。 n控制网络负荷 n控制网络的通信量不大，随机性、突发性通信机会不多，其网络 通信大多可以事先预计并作出相应安排。 n在网络负荷低于满负荷的30%时，可以基本满足一般控制系统的 通信确定性要求。 n采用全双工以太网技术 n采用交换式以太网技术 n交换机以存储转发方式工作，可以看作是具有多个端口的网桥。 所以，连接在同一个交换机上的不存在资源竞争问题。 7.6.2 工业以太网特色技术工业以太网特色技术 n3. 实时以太网 n在协议层次对传统以太网进行了丰富。 n同步精度达到毫秒、甚至微妙。 n4. 网

3、络供电 n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。 n利用5类双绞线的收发线将数字信号调制到直流或低频交流电 源上；或利用5类双绞线剩余的线直接供电。 n5. 本质安全 n应用于危险场合的工业以太网交换机等一般采用隔爆作为防 爆措施。 7.6.3 以太网的通信帧结构与以太网的通信帧结构与 工业数据封装工业数据封装 7.6.3 以太网的通信帧结构与以太网的通信帧结构与 工业数据封装工业数据封装 n对于组态和诊断等非实时性数据一般利 用TCP/IP协议发送。 n对于I/O等实时性数据一般采用UDP/IP协 议发送。 n1.实时以太网简介实时以太网简介 n实时以太网是工

4、业以太网针对通信实时性、确定性 问题提出的解决方案，属于工业以太网的特色与核 心技术。 n目前，实时以太网还处于技术开发阶段，种类繁多， 实时机制、性能、通信一致性存在较大差异。 n目前，实时以太网技术有：EtherNet/IP， PROFINET，P-NET，INTERBUS，VNET/IP， TCENT，ETHERCAT，ETHERNET，POWERLINK， EPA，MODUBUS-RTPS，SERCOS-III 11个技术标准。 7.6.4 实时以太网实时以太网 2. 实时以太网通信参考模型 PROFINET MODBUS/TCP ETHERNET/IP 2. 实时以太网通信参考模型

5、POWERLINK ETHERCAT n如果一种实时以太网的物理层和数据链路层 有别于普通以太网，则需要特殊的实时以太 网通信控制器ASIC支持。 n不同实时以太网，其实时机制与时间性能等 级是有差异的。 n工业以太网中对于没有实时性要求的数据可 以通过标准以太网通道传输，而对于有实时 性要求的数据需要按软实时（SRT）或等时 同步（IRT）通道传输。 2. 实时以太网通信参考模型 nRT-CSMA/CD n非实时节点在数据传输中如果检测到冲突就 停止发送，退出竞争。 n实时节点在数据传输中如果检测到冲突，则 发送竞争信号。最后按优先级决定占用总线。 3. 实时以太网的媒体访问控制 n确定分时

6、调度 n在标准以太网MAC层上增加实时调度层。 n实时调度层一方面保证实时数据的按时发送 和接收，另一方面要安排时间处理非实时数 据的通信。 3. 实时以太网的媒体访问控制 n确定分时调度 n确定性分时调度方案将通信过程分为若干个 循环，每个循环包括： n起始时段：用于必要的准备和时钟同步。 n周期性通信的实时时段：用于保证周期性实时数 据的传输，为传输数据安排好各自的微时隙。 n非周期性通信的异步时段：用于传输非实时性数 据 n非周期性通信的保留时段：用于发布时钟，控制 时钟同步或实行网络维护等。 3. 实时以太网的媒体访问控制 起始时段起始时段 7.6.4 实时以太网实时以太网 非周期性通

7、信的异步时段非周期性通信的异步时段 周期性通信的实时时段周期性通信的实时时段非周期性通信的保留时段非周期性通信的保留时段 n网络上各个节点之间要有统一的时间基 准才能实现动作的协调一致。 nIEEE 1588定义了时间同步协议PTP （Precision Time Protocol），其基本功 能是使分布在网络上的各个节点的时钟 与该网络的基准时钟保持一致。 7.6.5 IEEE 1588精确时间同步协议 nIEEE 1588精确时间同步是基于IP组播通 信实现的。根据时间同步的角色不同， 该 系 统 又 将 网 络 上 的 节 点 分 为 主 （Master）时钟节点和从（Slave）时钟

8、节点。 n主时钟节点：提供同步时钟源的时钟。一般 由振荡频率稳定、精度较高的节点担任。 n从时钟节点：与主时钟源同步，并不断调整 与其保持一致的节点。 7.6.5 IEEE 1588精确时间同步协议 n时钟偏移量与传输延迟的测量过程 主时钟 从时钟 携带携带TM1的后续报文的后续报文 Sync 携带携带TM3的迟延响应报文的迟延响应报文 迟延请求报文迟延请求报文 t1 TM=2001 TM1=2002 TS=2000 TS1=2002 TS3=2004 TM3=2006 TS=2007+1 t2 TM=2008 TS1-TM1 = tDelay +tOffset 7.6.5 IEEE 1588

9、精确时间同步协议 TM3-TS3 = tDelay - tOffset 精确偏移精确偏移tOffset =(TS1-TM1-TM3+TS3)/2=1 n边界时钟（Boundary Clock）：在连接 有交换机的网络系统中，交换机就成为 边界时钟。 7.6.5 IEEE 1588精确时间同步协议 n由于交换机采用基于队列和存储转发的 工作机制，会导致时间同步过程中传输 迟延不稳定，造成时间抖动，影响时钟 同步精度。 n交换机端口收到同步报文时，记下接收 时间，并取得向下游端口传递该报文的 时间，就可以得到端口处因迟延产生的 时钟校正值。 7.6.5 IEEE 1588精确时间同步协议 n1.

10、EtherNet/IP网络简介 nEtherNet/IP网络是采用商业以太网通信芯片和物理 介质。根据应用场合要求，使用相应抗电磁干扰和 防护等级的以太网交换机及线缆。对于工业环境， 选择EtherNet/IP认证的设备。 7.6.6 EtherNet/IP n采用星形拓扑结构，利用以太网交换机实现 各设备间的点对点连接； 7.6.6 EtherNet/IP 以太网以太网 交换机交换机 n同时支持10Mb/s和100Mb/s的以太网通信产 品； n数据包最大1500字节 。 7.6.6 EtherNet/IP 2. EtherNet/IP通信参考模型 控制与信息协议CIP（Control an

11、d information Protocol） 封装 TCP/UDP IP 以太网MAC/LLC 以太网物理层 控制与信息协议CIP （Control and information Protocol） ，1999年发布， 是工业以太网的特色部分。 其开发目的是为了提高设备 间的互操作性。CIP一方面 提供满足控制要求的实时通 道；另一方面满足常规非实 时信息交换。 3. 控制与信息协议CIP 3. 控制与信息协议CIP nCIP采用面向对象的设计方法为数据提供服务 集。它用对象来描述控制设备中的通信信息、 服务、节点的外部特征和行为等。 nCIP的对象：对设备的特性进行抽象描述为对象。 每个

12、对象都有自己的属性，并提供一系列的服务 来完成各种任务，在响应外部事件时具备一定的 行为特征。 nCIP的标识：对于每个对象都有唯一的对象标识 （065535）号与其对应。软件系统通过标识号 来识别对象，理解通信数据包的意义。 3. EtherNet/IP的报文种类 nI/O数据报：是指实时性要求较高的小数据包测量 控制数据，采用UDP/IP传输。此报文没有协议信 息，数据接收者知道数据的含义，因此又称为隐 性报文。 n信息报文：是指实时性要求较低的大数据包组态、 诊断、趋势等数据，采用TCP/IP传输。此报文需 要根据协议信息来理解数据报文的含义，因此又 称为显性报文。 n网络维护报文：在系

13、统专门指定的时间内发送时 钟同步及调整一些与网络运行参数，以使网络系 统正常运行。网络维护报文一般采用广播方式发 送。 4. EtherNet/IP的特点 n继承TCP/IP协议的优点，具有高速传输大量 数据的能力。 n支持主机、PLC、机器人、HMI等典型设备。 n多组设备连接到交换机实现点对点10Mb/s或 100Mb/s的自适应通信。 n星型拓扑易于连线、检错和维护。 n内置Web Server功能，现场数据可以通过网 页浏览。 7.6.7 其他工业以太网技术其他工业以太网技术 nPROFINET nPROFINET由PROFIBUS国际组织推出，是新一代 基于工业以太网技术的自动化总线

14、标准。 nPROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其 功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布 式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安 装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。 n作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网 和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术。 7.6.7 其他工业以太网技术其他工业以太网技术 nHSE高速以太网：HSE是现场总线基金会在 2000年对H1的高速网段提出的解决方案。 HSE是一种基于EthernetTCPIP协议、运 行在100BaseT以太网上的高速现场总线。 它能支持低速总线H1的所有功能，是对H1的 补充和增强。 nHSE的特

15、色技术是它的灵活功能块设计，包括 联动驱动、监控数据获取、批处理、先进I O子系统接口等，它支持多路技术、PLC和网 关，给用户提供了一个标准化的企业综合协 议。 7.6.7 嵌入式以太网节点嵌入式以太网节点 n1.嵌入式以太网节点 n嵌入式以太网节点：指采用普通以太网技术通信 接口的专用集成芯片ASIC构成的测量控制节点。 n嵌入式以太网ASIC芯片包括：CPU、存储器、以 太网接口、多种通信接口、I/O接口等。这些芯片 添加驱动、隔离电路等便可形成嵌入式以太网节 点。这些以太网节点可以方便地实现TCP/IP协议 栈，集成Web服务器等。 nUBICOM的IP2022，RABBIT公司推出的

16、 RABBIT2000等都属于嵌入式以太网芯片。 7.6.7 嵌入式以太网节点嵌入式以太网节点 n2. IP2022简介 7.6.7 嵌入式以太网节点嵌入式以太网节点 n2. IP2022简介 nIpOS为IP2022支持的操作系统。IP2022的应用程 序可建立在该操作系统之上。通过它可以利用函 数调用来管理各种I/O功能。 nUBICOM公司还推出了一套集成化开发环境 UBICOMUnityIDE。用户可在该环境下编写自 己的C语言程序。 n以太网通信接口的嵌入式节点采用的软硬件资源 丰富，技术成熟，便于使用，应用广泛。需要注 意的是，其应用范围受到实时性要求的限制。 7.6.8 基于基于

17、Web技术的远程通信技术的远程通信 n1. Web技术简介 nWeb技术通过Internet使计算机能够互相传送超文 本的数据信息。 nWeb服务器：Web服务器是一个软件，用于管理Web页 面，并使这些页面通过本地网络或Internet供客户浏览器 使用。 nWe b 浏 览 器 ： 起 着 控 制 作 用 ， 任 务 是 使 用 一 个 URL(Internet地址)来获取一个Web服务器上的WEB文档， 解释这个HTML，并将文档内容以用户环境显示出来。 n静态文档是指该文档创作完毕后就存放在万维网 服务器中，在被用户浏览的过程中，内容不会改 变。 n动态文档是指文档的内容是在浏览器访问

18、万维网 服务器时才由应用程序动态创建。 n动态文档和静态文档之间的主要差别体现在服务 器一端。这主要是文档内容的生成方法不同。而 从浏览器的角度看，这两种文档并没有区别。 1. Web技术简介 1. Web技术简介 2. 基于Web的远程监控系统 n 远程监控系统：通过现场控制网络、企业内部网络 和Internet把分布于各地的测量控制设备或控制系统 互联起来，实现控制设备间的远程信息交互，完成远 程监视控制任务。 n借助远程监控系统可以实现对某些特殊或危险的无人 值守的场合的监控。 n便于企业内部的信息集成，为经营管理和决策工作提 供及时、全面、准确的信息资源。 n管理人员借助远程监控系统可以在任何地方掌握企业 的实时生产情况，下达生产指令。 n技术人员借助远程监控系统可以在任何地方进行远程 故障诊断和技术支持。 2. 基于Web的远程监控系统 n在基于Web的远程监控系统中，授权客户端 使用通用Web浏览器通过Internet完成对生产 现场的远程监控任务。 n用户只需用通用的Web浏览器软件就可以完 成任务，而无需在客户端安装专用客户软件。 n基于Web方式实现远程监控是一个趋势。 3. Web嵌入式工控节点及其远 程监控 nWeb嵌入式工控节点：