3.2有线通信网络技术

EMPOWERFORINDUSTRYGROWWITHPARTNERS有线通信网络技术学习目标

能够认知常见的几种网络拓扑结构能够认知工厂内网络的“两层三级”能够熟悉PON网络的数据传输基本流程能够识别汉云PLC网关、OPC网关、CNC网关的接口能够区分PROFINET的三种通讯方式有线通信网络技术工业网络架构在讲网络连接之前先看看我们人怎么交流，人与人交流满足两个条件，一是两个人要能对话，就是网络互联。但能对话还不行，两个人还要能理解对方的语言就是数据互通。在工业互联网体系架构中，网络连接为促进各种工业数据的充分流动和无缝集成提供支撑。网络连接分两个层次网络互联和数据互通。工业互联网网络连接框架有线通信网络技术工厂内网络工厂内网络互联以有线网络连接为主，无线网络为辅。工厂外智能产品/移动装备以无线网络连接为主。工厂内网络连接工厂的各种要素，并与企业数据中心互联，支撑工厂内的业务应用；工厂外网络用于连接工厂与工厂、工厂内与工厂外的系统、智能产品和用户、分支机构以及上下游协作企业。典型的工厂内网络示意图工业网络架构有线通信网络技术工厂内网络当前，工业网络主要在各个工业企业内部，总体来说，工厂内网络呈现“两层三级”的结构如右图。“两层”是指存在“工厂信息（IT）网络”和“工厂控制（OT）网络”。

“三级”是指根据目前工厂管理层级的划分，网络也被分为“现场级”、“车间级”、“工厂级/企业级”三个层次，每层之间的网络配置和管理策略相互独立。典型的工厂内网络示意图工业网络架构有线通信网络技术典型网络拓扑结构——星形星形拓扑工业网络架构星型结构明显特点是中间有一个中心点，一般这个中心点可能是路由器或者交换机。其中每一个节点都直接连接到这个中心点，构成了整个网络。有线通信网络技术典型网络拓扑结构——环形环形结构工业网络架构相对比于星型结构，环形结构中将不再有中心点，而是所有的节点通过首尾相连形成一个闭合的环。这样信息就在这个环上流动。一般以工业以太网构建环路上，比较常见。有线通信网络技术典型网络拓扑结构——树形树形结构工业网络架构对于自动化系统而言，树形结构是最常见的网络结构，其中最典型的就是DCS系统。体现的特点：集中，分散。这种结构与星形结构相比，它的通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。有线通信网络技术典型网络拓扑结构——总线型结构总线型结构工业网络架构目前工业网络中的很多现场总线都是基于总线型结构构建的。各个站点均是挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与站地址相符，相符则接收网上的信息。有线通信网络技术接入层、汇聚层和核心层网络结构工业网络架构企业内的网络如果网络规模比较大，会分为三层，从下往上分别是接入层、汇聚层和核心层。当然这个要根据实际情况而定，也可以分为两层。也可以混合，比如有些服务器通过交换机直接接入核心层如右图。有线通信网络技术OSI参考模型OSI七层网络模型工业网络设备OSI，是英文OpenSystemInterconnect的缩写，中文翻译开放系统互联，它如右图所示，从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。有线通信网络技术PON结构工业PON技术PON（PassiveOpticalNetwork无源光网络），由光线路终端OLT（OpticalLineTerminal）、光网络单元ONU（OpticalNetworkUnit）和光分配网络ODN（OpticalDistributionNetwork）组成如右图。什么是PON？有线通信网络技术工业PON原理《礼记·曲礼上》：“往而不来，非礼也；来而不往，亦非礼也。”常识告诉我们，通信双方有来有去，一根光纤怎么通信，我们看看PON是怎么解决这个问题的。PON波分复用技术工业PON技术有线通信网络技术工业PON传输流程PON的数据传输基本流程如右图。上行方向通过TDMA技术将每个ONU的上行数据分别组成一个时间片信息流，各自传送到OLT。下行方向通过广播技术将OLT的数据包传送至每个ONU，其中每个包的包头都包含了目的ONU的标识符。当数据包到达ONU时，ONU根据标识符进行地址解析，仅保留目的地址为自己的数据包。PON的数据传输基本流程工业PON技术有线通信网络技术工业PON体系架构工业PON处于车间级网络位置如图，通过工业级ONU设备实现光网络到设备层的连接，通过光分配网络（ODN），实现工业设备数据、生产数据等到OLT的汇聚，最终通过OLT与企业网络的对接，从而实现产线数据到工厂/企业IT系统的可靠有效地传输。工业PON整体系统架构工业PON技术有线通信网络技术网络拓扑设计工业PON技术工业PON手拉手保护的链型拓扑图有线通信网络技术网络拓扑设计工业PON技术工业PON星形组网拓扑图有线通信网络技术工业PON的使用场景1工业PON技术场景1：新增生产线，需对机床、机器人、流水线等设备部署信息自动化采集点。在这种场景下，生产车间需要新建或改造，需要同步部署信息化通信网络。这种场景的特点是车间内没有以太局域网，需要重新部署网络。在这种场景下可以完全通过PON网络搭建车间内的数据采集网络，工业级ONU直接连接机器或数据采集设备。有线通信网络技术工业PON的使用场景2工业PON技术场景2：原有车间仅部署了近端工业机床信息化操作，尚未将相关数据及控制指令远程化及自动采集化，车间生产线需要进行加强自动信息化能力。这种场景的特点是车间生产线已有现场到工位的信息化网络，但需要将数据采集到远端进行监控。有线通信网络技术工业PON的使用场景3工业PON技术场景3：厂区车间内已部署了工业以太局域网，但是其他拓展业务，如能源监控、视频安防、WiFi覆盖等需要部署，需要对多种应用进行网络安全隔离（物理及逻辑双重）。这种场景的特点是车间生产线已有信息化网络，辅助设备及业务需要重新部署网络。有线通信网络技术Modbus概述现场总线接入Modbus通信栈Modbus是一种串行通信协议，由于其协议简单易用，且没有版权要求，就是俗语便宜又好用。目前已经成为工业领域通信协议的事实标准。ModBus协议是施耐德电气的前身Modicon公司在1979年提出的。有线通信网络技术Moubus体系结构现场总线接入MODBUS协议允许在各种网络体系结构内进行简单通信，它的常见体系结构如左图。

MODBUS网络体系结构的实例有线通信网络技术Moubus协议内容现场总线接入Modbus数据帧和其他协议类似，Modbus协议最基本的通信单位是帧，整个Modbus帧又被称之为应用数据单元（ADU），ADU中又包含了协议数据单元（PDU）用于传真正需要传输的数据。有线通信网络技术Moubus协议内容现场总线接入Modbus协议是一个主/从架构的协议。在同一个Modbus网络中同一时刻只有一个节点是主（master）节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是从（slave）节点，从节点的最大编号为247。Modbus协议架构有线通信网络技术Moubus协议内容现场总线接入Modbus协议规定了4个存储区，这里以常用的5段长度进行说明，如下表Modbus协议4个存储区区号名称读写范围0区输出线圈可读可写00001-099991区输入线圈只读10001-199993区输入寄存器只读30001-399994区保持寄存器可读可写40001-49999有线通信网络技术Moubus协议内容现场总线接入Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于针对上述存储区的读写，如下表功能码功能说明01H读取输出线圈02H读取输入线圈03H读取保持寄存器04H读取输入寄存器05H预置单线圈06H预置单寄存器0FH预置多线圈10H预置多寄存器Modbus协议功能码有线通信网络技术工业以太网接入PROFINET的三种通讯方式：（1）TCP/IP标准通信PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。（2）实时（RT）通讯对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，大概需要5－10ms的响应时间。目前，可以使用现场总线技术达到这个响应时间，如PROFIBUSDP。（3）同步实时（IRT）通讯在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制（MotionControl），PROFINET的同步实时（IsochronousReal-Time,IRT）技术可以满足运动控制的高速通信需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。小结

OSI网络模型从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。企业内的网络如果网络规模比较大，会分为三层，从下往上分别是接入层、汇聚层和核心