工业以太网课件

7.6工业以太网

7.6.1工业以太网定义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。涉及到企业网络的各个层次。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1.应对环境适应的特色技术连接件带锁紧机构设计。封装外壳防水、防尘、防电磁干扰、耐温度变化设计。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2.通信非确定性的缓解措施利用以太网的高通信速率在相同的条件下，提高通信速率可以减少通信信号占用传输介质的时间。控制网络负荷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。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。采用全双工以太网技术采用交换式以太网技术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。7.6.3以太网的通信帧结构与工业数据封装7.6.3以太网的通信帧结构与工业数据封装对于组态和诊断等非实时性数据一般利用TCP/IP协议发送。对于I/O等实时性数据一般采用UDP/IP协议发送。1.实时以太网简介实时以太网是工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。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。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-III11个技术标准。7.6.4实时以太网2.实时以太网通信参考模型PROFINETMODBUS/TCPETHERNET/IP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。不同实时以太网，其实时机制与时间性能等级是有差异的。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确定分时调度在标准以太网MAC层上增加实时调度层。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

起始时段7.6.4实时以太网非周期性通信的异步时段周期性通信的实时时段非周期性通信的保留时段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。IEEE1588定义了时间同步协议PTP（PrecisionTimeProtocol），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。7.6.5IEEE1588精确时间同步协议IEEE1588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）时钟节点。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。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。7.6.5IEEE1588精确时间同步协议时钟偏移量与传输延迟的测量过程主时钟从时钟携带TM1的后续报文Sync携带TM3的迟延响应报文迟延请求报文t1TM=2001TM1=2002TS=2000TS1=2002TS3=2004TM3=2006TS=2007+1t2TM=2008TS1-TM1=tDelay+tOffset

7.6.5IEEE1588精确时间同步协议TM3-TS3=tDelay-tOffset

精确偏移tOffset=(TS1-TM1-TM3+TS3)/2=1

边界时钟（BoundaryClock）：在连接有交换机的网络系统中，交换机就成为边界时钟。7.6.5IEEE1588精确时间同步协议1.EtherNet/IP网络简介EtherNet/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。7.6.6EtherNet/IP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；7.6.6EtherNet/IP以太网交换机2.EtherNet/IP通信参考模型控制与信息协议CIP（ControlandinformationProtocol）封装TCP/UDPIP以太网MAC/LLC以太网物理层控制与信息协议CIP（ControlandinformationProtocol），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CIP3.EtherNet/IP的报文种类I/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。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。网络维护报文：在系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的特点继承TCP/IP协议的优点，具有高速传输大量数据的能力。支持主机、PLC、机器人、HMI等典型设备。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。星型拓扑易于连线、检错和维护。内置WebServer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PROFINETPROFINET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标准。PROFINET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。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嵌入式以太网节点1.嵌入式以太网节点嵌入式以太网节点：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。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。UBICOM的IP2022，RABBIT公司推出的RABBIT2000等都属于嵌入式以太网芯片。7.6.7嵌入式以太网节点2.IP2022简介7.6.7嵌入式以太网节点2.IP2022简介IpOS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。UBICOM公司还推出了一套集成化开发环境——UBICOM

Unity

IDE。用户可在该环境下编写自己的C语言程序。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Web技术的远程通信1.Web技术简介Web技术通过Internet使计算机能够互相传送超文本的数据信息。Web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。Web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。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。动态文档是指文档的内容是在浏览器访问万维网服务器时才由应用程序动态创建。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

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。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。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。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。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。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。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Web嵌入式工控节点：将以太网接口、TCP/IP协议组以及Web服务器等互联网协议嵌入到PLC、变频器、执行器和控制器等设备中而形成的控制网络节点。这些控制节点向下可以连接传感器、开关、指示灯等输入输出器件；向上可以直接连入Internet，成为Internet上的合法节点，并可借助Web服务器与外界交换信息。3.Web嵌入式工控节点及其远程监控3.Web嵌入式工控节点及其远程监控内置Web服务器：由网络服务器提供交互Internet服务，在Web嵌入式远程监控系统中将被监控的各底层状态定义成HTML语言许可的网络变量，然后利用这些变量生产网页，由网络服务器提供给远程用户。远程用户通过网络浏览器观察设备的实时运行情况，也可以通过网页修改工艺变量，完成对现场设备的监控任务。Web嵌入式工控节点的每台设备都是Internet上的网络服务器，因