11-现场总线与工业以太网

1、计算机网络现场总线与工业以太网第 11 章 现场总线与工业以太网11.1 现场总线与工业控制网络11.2 工业以太网概述11.3 工业以太网关键技术11.4 常用工业以太网n现场总线技术nIECIEC规范中对现场总线的描述规范中对现场总线的描述：一：一种应用于种应用于生产现场生产现场，在现，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串双向、串行、多节点数字通信的技术行、多节点数字通信的技术。n工业控制网络：n由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络表作为网络

2、节点而形成的网络n以以现场总线作为通信连接现场总线作为通信连接的的纽带，完成纽带，完成测量控制任务的网测量控制任务的网络系统、络系统、控制系统控制系统n工业控制网络是一个工业控制网络是一个特殊的计算机网络特殊的计算机网络11.1现场总线与工业控制网络减少了接线与安装4- 20 mAISISISISISFieldbus传统的4-20MA接线方式多个设备共用一个本安栅，多个设备共用一个本安栅，一对接线一对接线现场总线技术概述FCSDCSI/O CPU.FCSDCSFCSDCS工业控制网络的要求n（1）实时性好：实时性好：不仅需要传输速度快，而且还要求响应快；能够在规定的时间内，把数据传输给指定设备

3、。n（2）可靠性和容错性好：可靠性和容错性好：既能安装在工业现场，也能长期稳定地工作；在网络局部故障时，能在短时间内重建新连接。n（3）环境适应性好：环境适应性好：机械环境适应性好，如耐振动、耐冲击等；气候环境适应性好，如温度要求4085度、耐腐蚀、防尘、防水等；电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN500081-2、EN50082-2标准。11.1现场总线与工业控制网络工业控制网络的要求n（4）开放性和可扩展性好。n（5）安全性要求：安全性要求：在易燃易爆的场合使用时，要求产品具备防爆性能，包括隔爆和本质安全；防病毒、访问权控制、数据加密等。n（6）总线供电要求：总线供电要求：现场设备网

4、络不仅能传输信息，还能为现场总线设备提供工作电源。IEEE802.3af标准对总线供电进行了规范。n（7）安装要求：安装要求：适应工业环境安装；方便调试和维修。11.1现场总线与工业控制网络n现场总线技术为工业控制网络的基础，是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物（3C） ，适应企业信息集成系统 、管理控制一体化系统的发展需要。nIT技术在自控领域的延伸;自控领域的IT技术11.1现场总线与工业控制网络现场总线特点n适应工业应用环境，多为短帧传送。n要求实时性强，可靠性高，安全性好。n通信的传输速率相对较低。现场总线的现状n多种总线共存，每种总线各有其应用领域n每种总线各有其国际组织，均有

5、其支持背景n设备制造商参加多个总线组织n多种总线均作为国家和地区标准n协调共存n工业以太网引入工业领域Type1 TS61158现场总线现场总线Type2 CIP现场总线现场总线Type3 Profibus现场总线现场总线Type4 P2NET现场总线现场总线Type5 FF HSE高速以太网高速以太网Type6 SwiftNet被撤消被撤消Type7 WorldFIP现场总线现场总线Type8 INTERBUS现场总线现场总线Type9 FF H1 现场总线现场总线Type10 PROFINET RTEIEC61158第四版中列出的第四版中列出的20种现场种现场总线标准总线标准Type11

6、TCnet RTEType12 EtherCAT RTEType13 Ethernet Powerlink Type14 EPA RTEType15 Modbus2 RTPS RTEType16 SERCOS.现场总线现场总线Type17 VNET/ IP RTEType18 CC2Link现场总线现场总线Type19 SERCOS RTEType20 HART现场总线现场总线RTE(real-time ethernet)：实时以太网：实时以太网企业网络系统的层次结构互连网Internet企业内部网Intranet底层控制网Infranet企业资源规划层ERP制造执行层MES现场控制层FCS1

7、1.2 工业以太网概述E网到底11.2 工业以太网概述工业以太网n由于不能保证数据传输的实时性和确定性，以太网在工控领域没有得到广泛应用。n通过实时通讯增强技术、工业应用网络可靠性设计和实现，以太网也可满足工业数据通讯的实时性要求和工业环境的现场要求，这种改进后的以太网被称为工业以太网。 n工业以太网是指在技术上与IEEE802.3标准兼容，但在产品设计、材质、强度、稳定性和实时性等方面能够满足工业现场、环境、可靠性、安全性等要求的以太网。11.2 工业以太网概述工业以太网的优势n工业以太网源于普通以太网。n可满足控制系统各个层次的要求，利于管控一体化。n设备成本下降，用户维护成本下降。n易与

8、Internet集成。n广泛的开发技术支持，大量的现有软件资源。11.2 工业以太网概述工业以太网的要求工业以太网的要求n既要在技术上兼容商业以太网，又必须满足工控网络通讯的技术要求。n对于无实时性要求的数据传输，以太网工作方式没有问题；对于有实时要求的数据传输，工业以太网需要解决实时通讯问题，才能满足工业控制系统的实时性要求。n产品设计时，在材质的选用、产品的强度、可靠性、抗干扰能力、实时性等方面都要满足工业现场环境的应用需求。11.2 工业以太网概述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 工业以太网设备工业以太网设备商用以太网设备商用以太网设备元器件元器件

9、工业级工业级商业级商业级接插件接插件耐腐性、防尘、防水，如加固型耐腐性、防尘、防水，如加固型RJ45RJ45、DBDB9 9、航空接头等、航空接头等一般一般RJ45RJ45工作电压工作电压24VDC24VDC220VAC220VAC电源冗余电源冗余双电源双电源一般没有一般没有安装方式安装方式可采用可采用DINDIN导轨或其它固定安装导轨或其它固定安装桌面、机架等桌面、机架等工作温度工作温度-40-408585或或-20-2070705 54040电磁兼容标准电磁兼容标准EN 50081EN 500812 2（工业级（工业级EMCEMC）EN 50082EN 500822 2( (工业级工业级E

10、MC)EMC)EN 50081EN 500812 2（办公室用（办公室用EMCEMC）EN 50082EN 500822 2( (办公室用办公室用EMC)EMC)MTBFMTBF值值至少至少1010年年3 35 5年年可靠的连接航空插头连接航空插头连接11.3 工业以太网关键技术高的防护等级：IP65n防尘防尘 完全防止外物侵入，且可完全防止灰尘进入。完全防止外物侵入，且可完全防止灰尘进入。n防止喷射的水侵入防止喷射的水侵入 防止各自各方向由喷嘴射出的水防止各自各方向由喷嘴射出的水进入灯具造成损害。进入灯具造成损害。IPIP（INGRESS PROTECTIONINGRESS PROTECTI

11、ON）防护等级系统是由）防护等级系统是由IECIEC所起草。将灯具所起草。将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级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。具内之带电部分，以免触电。IPIP防护等级是由两个数字防护等级是由两个数字所组成，第所组成，第1 1个数字表示灯具离尘、防止个数字表示灯具离尘、防止外物侵入外物侵入的等的等级，第级，第2 2个数字表示灯具防湿气、防水侵入的个数字表示灯具防湿气、防水侵入的密闭程度密闭程度，数字越大表示其防护等级越高数字越大表示其防护等级越高11.3 工业以太网

12、关键技术IP防护第一个标号第一个标示特性号码（数字）所指的人物侵入防护程度 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

13、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。 第二个标示特性号码（数字）所指防水防护程度 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

14、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。 IP防护第二个标号ESM: Electrical Switch Module无故障无故障:冗余管理器分隔冗余管理器分隔线端线端应用于故障安全的骨应用于故障安全的骨干网络中干网络中冗余技术11.3 工业以太网关键技术ESM: Electrical Switch Module有故障有故障:冗余管理器连冗余管理器连接线端接线端应

15、用于故障安全应用于故障安全的骨干网络中的骨干网络中冗余技术11.3 工业以太网关键技术网络技术冗余双环网网络技术冗余双环网11.3 工业以太网关键技术实时性和确定性问题：实时以太网技术实时性和确定性问题：实时以太网技术方法一方法一n修改MAC层协议来获取确定性调度，通过改变CSMA/CD的运行机制来满足确定性和实时性。但不采用CSMA/CD协议的网络已不是以太网了。方法二方法二n在保留以太网接口的基础上，通过在MAC层上增加一个实时调度软件层，来实现以太网实时性和确定性。是基于标准的以太网IC芯片，通过修改既有的软件协议实现的。典型的做法有虚拟时间协议、窗口协议和通讯平滑协议等。11.3 工业

16、以太网关键技术实时以太网技术实时以太网技术方法三方法三n采用全双工交换式以太网技术，则交换机各端口之间的输入和输出不受CSMA/CD机制的约束，避免了冲突。以太网的通讯实时性有了保障。方法四方法四n降低网络负载：因为工业控制网络中，每个节点所传输的实时数据量很小，且没有突发性的大数据流量，通过限制每个网段站点的数量，可降低网络流量，满足实时性要求。 11.3 工业以太网关键技术方法五方法五n采用报文优先级技术，优先级高的报文先进进排队系统接受服务。通过优先级排序，工业现场中的紧急事务信息能够及时成功地传输到中央控制系统，以得到及时处理。方法六方法六n采用虚拟局域网技术。可以根据职能、对象和应用

17、等需求不同，可以将不同地理位置的站点划为1个逻辑网段，形成一个VLAN。不同的VLAN相互隔离，避免广播风暴的产生。实时以太网技术实时以太网技术11.3 工业以太网关键技术方法七方法七n采用IPV6技术。IPV6技术具有简化的数据报头、路由器处理数据更快、具有优先级、具有流标识等功能，可对报文做进一步控制。方法方法八八n上述方法的合理集成实时以太网技术实时以太网技术11.3 工业以太网关键技术实时以太网体系以太网物理层SynqNetPowerLinkIT通用应用层协议：SNMP、SNTP、TELNET、FTP、HTTP、PPP、DHCP、 Ethernet/IPProfiNetSRT/IRT传

18、输层协议 UDP/TCP网络层协议 IP标准通道FF HSE以太网数据链路层（RFC894/RFC1042）11. 常用工业以太网几种实时以太网的通信参考模型比较几种实时以太网的通信参考模型比较n采用在TCP/IP之上进行实时数据交换，包括EtherNet/IP、MODBUS-TCP等方案11. 常用工业以太网IPTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSNMPIEEE 802.3 EthernetIPTCPCIPUpper Layers(Session, Presentation, Application, Device Profiles)Data Link & Physical LayersNetwork LayerTransport LayerExplicitMessagingRe