第8章工业以太网

1、一、工业以太网简介二、以太网的物理连接与帧结构三、TCP/IP协议组工业以太网工业以太网一、工业以太网与以太网一、工业以太网与以太网二、二、工业以太网的特色技术工业以太网的特色技术三、三、通信非确定性的缓解措施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。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通信实时性改进

2、时性改进，工业应用环境应用性的改造工业应用环境应用性的改造，并添加了，并添加了一些控制应用一些控制应用功能后功能后，形成工业以太网技术主体。，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工业以太网要在继承和部分继承以太网原有核心技术核心技术的基础的基础上，应对上，应对适应工业环境性适应工业环境性、通信实时性通信实时性、时间发布时间发布、各节点间的各节点间的时间同步时间同步、网络的功能安全与信息安全网络的功能安全与信息安全等问题，提出相应的解决等问题，提出相应的解决方案，并添加方案，并添加控制应用功能控制应用功能，还要针对某些特殊的工业应用场合，还要针对某些特殊的工业应用场合

3、提出的提出的网络供电、本安防爆网络供电、本安防爆等要求给出解决方案。等要求给出解决方案。工业以太网一、工业以太网与以太网一、工业以太网与以太网 以太网和互联网原有的以太网和互联网原有的核心技术核心技术是工业太网的是工业太网的重要基础重要基础，而对，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，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，成为工业以太网的成为工业以太网的特色技术特色技术。 目前工业以太网的代表技术有：目前工业以太网的代表技术有：FF中高速网段中高速网段HSE，PROFIBUS的上层网段的上层网段PROFINET，Modbus/TCP和和EtherNet/

4、IP。 在控制器、在控制器、PLC测量变送器、执行器、测量变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以卡等设备中嵌入以太网通信接口，嵌入太网通信接口，嵌入TCP/IP协议，嵌入协议，嵌入Web Server便可形成支持便可形成支持以太网、以太网、TCP/IP协议和协议和Web服务器的服务器的Internet现场节点现场节点。借助。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，进而实现远远程监控程监控，也是工业以太网的一个有效解决方案。，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一、工业以太网与以太网 以太网的物理层

5、与数据链路层以太网的物理层与数据链路层采用采用IEEE802.3的规范，网络层和的规范，网络层和传输层采用传输层采用TCP/IP协议组协议组，应用，应用层采用简单邮件传送协议层采用简单邮件传送协议SMTP、简单网络管理协议简单网络管理协议SNMP、域名服、域名服务务DNS、文件传输协议、文件传输协议FTP、超文、超文本链接本链接HTTP等应用协议。这些是等应用协议。这些是以太网已有的以太网已有的核心和生命力所在核心和生命力所在。7654321以太网以太网应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层OSI参考模型参考模型应用协议应用协议以太网物层以

6、太网物层IP以太网以太网MACTCP/UDP工业以太网二、二、工业以太网的特色技术工业以太网的特色技术(1) 应对环境适应性的特色技术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。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，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，防防护级工业产品是工业以太网特色技术之一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，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。注

7、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普通以太网采用载波监听多路访问/ /冲突检测冲突检测(CSMA/CD)(CSMA/CD)的媒体访问控制的媒体访问控制方式，这种方式，这种平等竞争的非确定性网络平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对，不能满足控制系统对通信实时性、确通信实时性、确定性定性的要求，被认为不适合用于底层工业控制，这是的要求，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以太网进入控制网络领域在技术上的最大障碍域在技术上的最大障碍。工业以太网二、二、工业以太网的特色技术工业以太网的特

8、色技术(3) 实时以太网实时以太网 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，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。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/IPEtherNet/IP， PROFINET, P-Net, Interbus, VNET/IP, TCnet, EtherCAT, PROFINET, P-Ne

9、t, Interbus, VNET/IP, TCnet, EtherCAT, EtherNet Powerlink, EtherNet Powerlink, EPAEPA（Ethernet for Process AutomationEthernet for Process Automation）,Modbus-,Modbus- RTPS, SERCOS- RTPS, SERCOS-。(4) 网络供电网络供电 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，被称之为称之为网络供电网络供电。 工业以太网

10、目前有两种供电方式，一种利用工业以太网目前有两种供电方式，一种利用5 5类双绞线现有的信号接收与发送两对类双绞线现有的信号接收与发送两对线缆，另外一种采用线缆，另外一种采用5 5类线缆中空闲线对网络节点供电。类线缆中空闲线对网络节点供电。工业以太网二、二、工业以太网的特色技术工业以太网的特色技术(5) 本质安全本质安全 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。使系统安全得到保障。 目前以太网收发器的功

11、耗较高，设计低功耗以太网设备还存在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，努力。对应用于危险场合的工业以太网交换机等，目前一般采目前一般采取隔爆型作为防爆措施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应用协议，控制控制功能块功能块，控制网络的时间发布与管理控制网络的时间发布与管理，都是以太网、互联网中原先，都是以太网、互联网中原先不曾涉及的技术。不曾涉及的

12、技术。工业以太网三、三、通信非确定性的缓解措施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：下方面：(1) (1) 利用以太网的高通信速率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

13、性提供了途径。网通信的非确定性提供了途径。 以太网的通信速率从以太网的通信速率从10Mb/s10Mb/s、100Mb/s100Mb/s提高到提高到1Gb/s1Gb/s，以至更，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，因而对的，因而对减少碰撞冲突也是有效的减少碰撞冲突也是有效的。工业以太网三、三、通信非确定性的缓解措施通信非确定性的缓解措施(2) (2) 控制网络负荷控制网络负荷 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，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。提高网络通

14、信的确定性。 研究结果表明，在网络负荷低于满负荷的研究结果表明，在网络负荷低于满负荷的30%30%时，以太网基本时，以太网基本可以满足对一般控制系统通信确定性的要求。可以满足对一般控制系统通信确定性的要求。(3) (3) 采用全双工以太网技术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。接收数据，这样更具备通信确定性的条件。工业以太网三、三、通信非确定性的缓解措施通信非确

15、定性的缓解措施(4) (4) 采用交换式以太网技术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。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。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应该

16、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，应采用实时以太网实时以太网。工业以太网一、以太网的物理连接一、以太网的物理连接二、二、以太网的帧结构以太网的帧结构三、三、以太网的通信帧结构与工业数据封装以太网的通信帧结构与工业数据封装工业以太网一、以太网的物理连接一、以太网的物理连接RJ-45RJ-45插头和制作工具插头和制作工具工业以太网一、以太网的物理连接一、以

17、太网的物理连接IPIP防护等级防护等级IPIP（INGRESS PROTECTIONINGRESS PROTECTION）防护等级系统是由）防护等级系统是由IECIEC（INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSIONINTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION）所起）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。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。IPIP防护等级是由两个数字所

18、组成，第防护等级是由两个数字所组成，第1 1个数字表示灯具离尘、防止外个数字表示灯具离尘、防止外物侵入的等级，第物侵入的等级，第2 2个数字表示灯具防湿气、防水侵入的密闭程度，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：如表一及表二所示： 表一：第一个标示特性号码（数字）所指的防护程度表一：第一个标示特性号码（数字）所指的防护程度 0 0 没有防护没有防护 对外界的人或物无特殊防护。对外界的人或物无特殊防护。 1 1 防止大于防止大于50mm50mm的固体物体侵入的固

19、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（直径大于较大尺寸（直径大于50mm50mm）的外物侵入。）的外物侵入。 2 2 防止大于防止大于12mm12mm的固体物体侵入的固体物体侵入 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12mm12mm）的外物侵入。）的外物侵入。 3 3 防止大于防止大于2.5mm2.5mm的固体物体侵入的固体物体侵入 防止直径或厚度大于防止直径或厚度大于2.5mm2.5mm的工具、电线的工具、电线 或类似的细节小外或类似的细

20、节小外物侵入而接触到灯具内部的零件。物侵入而接触到灯具内部的零件。 4 4 防止大于防止大于1.0mm 1.0mm 的固体物体侵入的固体物体侵入 防止直径或厚度大于防止直径或厚度大于1.0mm1.0mm的工具、电线或类似的细节小外的工具、电线或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件。物侵入而接触到灯具内部的零件。 5 5 防尘防尘 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。常工作。 6 6 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

21、。 表二：第二个标示特性号码（数字）所指的防护程度表二：第二个标示特性号码（数字）所指的防护程度 0 0 没有防护没有防护 没有防护。没有防护。 1 1 防止滴水侵入防止滴水侵入 垂直滴下的水滴（如凝结水）对灯具不会造成有害影响。垂直滴下的水滴（如凝结水）对灯具不会造成有害影响。 2 2 倾斜倾斜1515度时仍可防止滴水侵入度时仍可防止滴水侵入 当灯具由垂直倾斜至当灯具由垂直倾斜至1515度时，滴水对灯具不会造成有害影响。度时，滴水对灯具不会造成有害影响。 3 3 防止喷洒的水侵入防止喷洒的水侵入 防雨，或防止与垂直的夹角小于防雨，或防止与垂直的夹角小于6060度的方向所喷洒的水进入灯具造成损

22、度的方向所喷洒的水进入灯具造成损害。害。 4 4 防止飞溅的水侵入防止飞溅的水侵入 防止各方向飞溅而来的水进入灯具造成损害。防止各方向飞溅而来的水进入灯具造成损害。 5 5 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进入灯具造成损害。防止各自各方向由喷嘴射出的水进入灯具造成损害。 6 6 防止大浪的侵入防止大浪的侵入 装设于甲板上的灯具，防止因大浪的侵袭而进入造成损坏。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 7 防止浸水时水的侵入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灯具浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下能确保

23、不因进水而造成损坏。成损坏。 8 8 防止沉没时水的侵入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。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、以太网的物理连接一、以太网的物理连接工业以太网物理连接工业以太网物理连接工业以太网一、以太网的物理连接一、以太网的物理连接工业以太网一、以太网的物理连接一、以太网的物理连接工业以太网一、以太网的物理连接一、以太网的物理连接工业以太网二、以太网的帧结构二、以太网的帧结构前导码 帧前定界码 目的MAC 源MAC 类型 数据 CRC7字节字节1字节字节6字节字节6字节字节2字节字节46-

24、1500字节字节4字节字节G(x)=xG(x)=x3232+x+x2626+x+x2323+x+x2222+x+x1616+x+x1212+x+x11 11+x+x1010+x+x8 8+x+x7 7+x+x5 5+x+x4 4+x+x2 2+x+1+x+1CRC-32 :CRC-32 :三、三、以太网的通信帧结构与工业数据封装以太网的通信帧结构与工业数据封装工业以太网三、三、以太网的通信帧结构与工业数据封装以太网的通信帧结构与工业数据封装TCP/IPTCP/IP封装的工业控制数据包封装的工业控制数据包工业以太网三、三、以太网的通信帧结构与工业数据封装以太网的通信帧结构与工业数据封装 工业以太

25、网中通常利用工业以太网中通常利用TCP/IPTCP/IP协议来发送非实时数据，而用协议来发送非实时数据，而用UDP/IPUDP/IP来发送实时数据。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。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。实时数据的特点是数据包短，需要定时或周期性通信。 TCP/IPTCP/IP一般用来传输组态和诊断信息，一般用来传输组态和诊断信息，UDP/IPUDP/IP用来传输实时用来传输实时I/OI/O数据。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现场总线控制网络

26、与以太网结合，用以太网作为现场总线上层( (高速高速) ) 网段的场合，通常会采用网段的场合，通常会采用TCP/IPTCP/IP和和UDP/IPUDP/IP协议来包装现场总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。异地的另一现场总线网段上。工业以太网一、一、TCP/IPTCP/IP协议组协议组二、二、IPIP协议协议三、用户数据报协议三、用户数据报协议UDPUDP四、传输控制协议四、传输控制协议TCPTCP五、简单网络管理协议五、简单网络管理协议SNMPSNMP一、一、TCP/I

27、PTCP/IP协议组协议组SMTPSMTP DNS DNSSNMPSNMPSNTPSNTP工业以太网二、二、IPIP协议协议 IPIP数据报的格式数据报的格式工业以太网二、二、IPIP协议协议IPv6IPv6 IPv6IPv6是互联网协议第是互联网协议第6 6版版“Internet Protocol Version 6”Internet Protocol Version 6”的缩写。的缩写。IPv6IPv6是是IETFIETF（互联网工程工作组）为了代替现有的互联网协议（互联网工程工作组）为了代替现有的互联网协议IPIP第第4 4版（版（IP v4IP v4）而推出的下一代协议版本。）而推出的

28、下一代协议版本。 IPv4IPv4已有差不多已有差不多2020年历史，年历史，IPv4IPv4地址空间越来越少，所有需要地址空间越来越少，所有需要加入互联网的新设备需要更大的地址空间。加入互联网的新设备需要更大的地址空间。IPv6IPv6将将IPIP地址从地址从3232位扩充为位扩充为128128位之后，据称能为地球上每一个沙位之后，据称能为地球上每一个沙粒配备一个唯一的粒配备一个唯一的IPIP地址。不管这一说法是否夸张，但它的确为控地址。不管这一说法是否夸张，但它的确为控制网络中的设备制网络中的设备各自提供一个全球唯一的各自提供一个全球唯一的IPIP地址地址提供了可能，这为提供了可能，这为控

29、制网络的技术发展添加了新的活力控制网络的技术发展添加了新的活力。工业以太网三、用户数据报协议三、用户数据报协议UDPUDP 用户数据报协议用户数据报协议UDPUDP是一个是一个无连接无连接的端到端的传输层协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。信息。UDPUDP所产生的包称为用户数据报。所产生的包称为用户数据报。 UDPUDP的报文格式的报文格式工业以太网四、传输控制协议四、传输控制协议TCPTCP传输控制协议为用户提供完整的传输层服务。传输控制协议为用户提供完整的传输层服务。 TCPTCP是一个可靠的是一个可靠的面向连接面向连接的端到端协议。通信两端在传输数的端到端协议。通信两端在传输数据之前必须先建立连接。据之前必须先建立连接。 TCPTCP通过创立连接，在发送者和接收者之间建立起一条通过创立连接，在发送者和接收者之间建立起一条虚电路虚电路，这条虚电路在整个传输过程中都是有效的。这条虚电路在整个传输过程中都是有效的。 TCPTCP通知接收者即将有数据到达来开始一次传输，同时通过连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。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。