第十章 工业以太通讯技术

第十章工业以太网通讯技术

随着信息技术的不断发展，信息交换技术覆盖了各行各业。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商。10.1工业以太网简介10.1.1以太网技术以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威夷大学。在局域网家族中，以太网是指遵循IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（LAN——LocalAreaNetwork，局域网）类型。目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种：10Base-T以太网——传输介质是铜轴电缆，传输速率为10Mbit/s；快速以太网——传输速率为100Mbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，兼容10Base-T以太网；Gigabit以太网——扩展的以太网协议，传输速率为1Gbit/s,采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网的交换机和路由器设备；10Gigabit以太网——2002年6月发布，是一种速度更快的以太网技术。支持智能以太网服务，是未来广域网（WAN——WideAreaNetwork）和城域网（MAN——MetropolitanAreaNetwork）的宽带解决方案。工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物，前者源于后者但不同与前者。以太网技术经过多年的发展，特别是它在Internet中广泛应用，使得它的技术更为成熟，并得到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技术上还是产品价格上，以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势。另为，随着技术的发展，控制网络与普通计算机网络、Internet的联系更为密切。控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通信能力的要求，这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。10.1.2工业以太网与传统以太网络的比较工业网络与传统办公室网络相比，有一些不同之处，如表10-1所示。办公室网络工业网络应用场合普通办公场合工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高拓扑结构支持线形、环形、星形等结构支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力可用性一般的实用性需求，允许网络故障时间以秒或分钟计极高的实用性需求，允许网络故障时间＜300ms以避免生产停顿网络监控和维护网络监控必须有专人员使用专用工具完成网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如WinCC监控，故障模块容易更换表10-1工业网络与传统办公室网络的比较工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络应用的需要。工业现场对工业以太网产品的要求包括：工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水。工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防爆措施保证安全生产。工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC——ElectroMagneticCompatibility）等。工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要求。工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易更换。10.1.3工业以太网应用于工业自动化中的关键问题1、通信实时性问题以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切实的解决方案。2、对环境的适应性与可靠性的问题以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好抗振动、抗疲劳能力。3、总线供电在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流10~36V低压供电。4、本质安全工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问题。这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络都提出了与以太网结合，用以太网作为现场总线网络的高速网段，使控制网络与Internet融为一体的解决方案。在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，使控制网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的一员。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讯接口，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。在应用层协议尚未统一的环境下，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，也是人们提出且正在实现的一个有效的解决方案。10.1.4西门子工业以太网西门子公司在工业以太网领域有着非常丰富的经验和领先的解决方案。其中SIMATICNET工业以太网基于经过现场验证的技术，符合IEEE802.3标准并提供10Mbit/s以及100Mbit/s快速以太网技术。经过多年的实践，SIMATICNET工业以太网的应用已多于400000个节点，偏布世界各地，用于严酷的工业环境，并包括有高强度电磁干扰的地区。1、基本类型（1）10Mbit/s工业以太网应用基带传输技术，基于IEEE802.3，利用CSMA/CD介质访问方法的单元级、控制级传输网络。传输速率为10Mbit/s，传输介质为同轴电缆、屏蔽双绞线或光纤。（2）100Mbit/s快速以太网基于以太网技术，传输速率为100Mbit/s，传输介质为屏蔽双绞线或光纤。2、网络硬件（1）传输介质网络的物理传输介质主要根据网络连接距离、数据安全以及传输速率来选择。通常在西门子网络中使用的传输介质包括：2芯电缆，无双绞，无屏蔽（例如：AS-interfacebus）2芯双绞线，无屏蔽2芯屏蔽双绞线（例如：PROFIBUS）同轴电缆（例如：IndustrialEtherenet）光纤（例如：PROFIBUS/IndustrialEtherenet）无线通信（例如：红外线和无线电通信）在西门子工业以太网络中，通常使用的物理传输介质时屏蔽双绞线（TP——Twistedpair）、工业屏蔽双绞线（ITP——IndustrialTwistedpair）以及光纤。（2贱）网叫络部疫件工业休以太把网链盯路模虫块O比LM女、E粗LM依照含IE针EE降8缓02缺.3训标准群，利丈用电代缆和裤光纤已技术林，S夫IM繁AT呀IC走N键ET淹连接床模块茄使得上工业漏以太峡网的归连接圈变得科更为殖方便疯和灵语活。OL握M（子光链尚路模铁块）符有3租个I壶TP六接口叶和两愿个B皮FO荣C接动口。拒IT有P接影口可踢以连弓接3电个终稳端设艺备或饭网段瓶，B地FO何C接友口可卫以连贪接两腿个光鸦路设绝备（客如O串LM汗等）胜，速竞度为坛10凝Mb源it抱/s夸。如隙图1腿0-沾1所润示。EL四M（黄电气四链路戏模块检）有掀３个送IT取P接糠口和悟1个坛AU寺I接在口。颈通过穗AU球I接贱口，瓣可以救将网烧络设旱备连裁接至泡LA夸N上桶，速孝度为堪10软Mb溜it比/s魂。图1都0-秋1酿工业扰以太巷网O颜LM工业沿以太艺网交墓换机低OS购M、粥ES茅MOS例M的尝产品尺包括肌：O满SM克T退P6架2、驳OS舞M棉TP会22览、O予SM鞋I另TP扣62端、O绢SM滴I照TP睁62爸-L烈D和托OS标M屈BC风08不。从船型号迫就可统以确银定O射SM钩的连裂接端纯口类桑型及经数量症，如拆：O瓶SM洞I刻TP臂62追-L壁D，么其中尝IT岛P表花示O帅SM猎上有密IT送P电祥缆接仙口，面“6丹”代挣表电铺气接俗口数烂量，核“2费”代块表光故纤接强口数捆量，任LD联代表拴长距盾离，仆如图倒10杜-2负所示懒。ES肝M的颠产品区包括蓄：E症SM刷T消P4亲0、侦ES前M员TP展80撑和E姐SM槐I聪TP倒80俭，命搜名规廉则和揉OS乖M相浓同。相图1己0-增3所汽示为宗ES萄M深TP诸80宵。图1屠0-粉2影OS锡M轻IT披P6在2-独LD图1运0-穿3梢ES边M微TP深80（3隆）通席信处则理器常用毒的工废业以达太网继通信柱处理范器（宰CP魔——坚Co超mm列un抢ic师at搅on狡P款ro妈ce呈ss逢er巷，通群信处扁理单万元）娘，包萄括用丸在S迎7亿PL布C站向上的咬处理嚷器C崭P2威43应-1朝系列赞、C百P3灾43粮-1册系列脊、C璃P4事43叶-1溉系列临等。CP讽24拌3-知1是联为S海7-枯20铅0系何列P脖LC想设计有的工滩业以喂太网匪通信遵处理轰器，炮通过洁CP哭24冬3-永1模枣块，卵用户颗可以头很方数便地撇将S垒7-景20敌0系浪列P阀LC密通过减工业韵以太皱网进败行连辩接，霉并且甚支持餐使用再ST宴EP浩7-尸Mi寨cr牛o/愚WI兽N看32叛软件波，通猪过以黄太网怪对S编7-六20挑0进陶行远敢程组客态、乌编程树和诊纠断。远同时氧，S回7-术20剧0也板可以激同S退7-换30迁0、扬S7凝-4理00候系列嫁PL仿C进幕行以毛太网答的连纲接。生如图吨10悲-4打所示抽。S7菌-3慕00案系列预PL低C的谜以太昂网通的信处醋理器遥是C存P3隆43溉-1腥系列果，按消照所即支持脱协议献的不旬同，致可以鲜分为穗CP寺34肯3-循1、月CP越34没3-命1趴IS肆O、板CP视34蚕3-台1蚂TC披P、泥CP可34臂3-客1晒IT累和C标P3议43慕-1银P垃N，赏如图葬10扩-5涛所示倾。图1顿0-懂4刊CP目24野3-不1图1鄙0-量5退CP厕34这3-孟1S7命-4温00查P艰LC悔的以侄太网老通信诸处理兔器是前CP扫44线3-棕1系偏列，名按照蚀所支鹿持协姑议的蚊不同贞，可狠以分灯为C尺P4缠43拴-1阁、C族P4呜43惯-1享I获SO演、C业P4拦43种-1黎T瓜CP境和C倍P4文43何-1暖I袜T，周如图现10垒-6省所示划。图1恢0-混6坦CP强44签3-继110痰.2者掌握页S7俩—3娱00隔PL芬C的砍工业捧以太凶网通萌信方梢法10肃.2旁.1陕西汗门子些支持拒的网粪络协键议和拜服务网络至通信辆需要挺遵循哗一定戚的协移议，斗表1拔0-摄2种鹊列出载了西刚门子匙公司棕不同军的网穴络可沾以运知行的长服务右。子网（Subnets）IndustrialEthernetPROFIBUSMPI服务（Services）PG/OP通信S7通信S5兼容通信S7基本（S7Basic）通信标准通信DPGD表1衣0-宾2除西门圈子公窃司的兼网络意服务1、尤标准泥通信抹（S寺ta脏nd纠ar跪d卧Co柔mm协un酷ic踩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