6第六章工业以太网.ppt

1、现场总线技术第六章,一、FF概述与现场总线基金会 二、FF的体系结构 三、FF的物理层 四、FF的数据链路层 五、FF的应用层 六、FF的用户层 七、FF系统的实际应用,第五章内容回顾,现场总线技术课程内容结构,第一章 现场总线技术概述,第二章 数据通信基础,第三章 控制网络基础,第四章 HART通信协议,第五章 基金会现场总线,第六章 工业以太网,现场总线协议,现场总线技术最新发展,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 四、几种典型的工业以太网,工业以太网,工业以太网,一、简述工业以太网的特色技术。 二、工业以太网通信非确定性的缓解措施有哪几种？ 三、举出

2、几种典型工业以太网的例子？,工业以太网,一、工业以太网与以太网 二、工业以太网的特色技术 三、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 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时性改进，工业应用环境应用性的改造，并添加了一些控制应用功能后，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核心技术的基础上，应对适应工业环境性、通信实时性、时间发布、各节点间的时间同步、网络的功能安全与信息安全等问题，提出相应的解决方案，并添加控制应用功能，还要针对某些

3、特殊的工业应用场合提出的网络供电、本安防爆等要求给出解决方案。,工业以太网,一、工业以太网与以太网 以太网和互联网原有的核心技术是工业太网的重要基础，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，成为工业以太网的特色技术。 目前工业以太网的代表技术有：FF中高速网段HSE， PROFIBUS的上层网段PROFINET，Modbus/TCP和EtherNet/IP。 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信接口，嵌入TCP/IP协议，嵌入Web Server便可形成支持以太网、TCP/IP协议和Web服务器的Internet现场节点。借助IE等通用的网络浏

4、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 以太网的物理层与数据链路层采用IEEE802.3的规范，网络层和传输层采用TCP/IP协议组，应用层采用简单邮件传送协议SMTP、简单网络管理协议SNMP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、超文本链接HTTP等应用协议。这些是以太网已有的核心和生命力所在。,7 6 5 4 3 2 1,以太网,工业以太网,二、工业以太网的特色技术 (1) 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。 针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的

5、产品称之为工业级的产品，防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注重材质、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 普通以太网采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的媒体访问控制方式，这种平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，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域在技术上的最大障碍。,工业以太网,二、工业以太网的特色技术 (3) 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

6、时以太网，实际上属于现场总线的一个新类型。 EtherNet/IP， PROFINET, P-Net, Interbus, VNET/IP, TCnet, EtherCAT, EtherNet Powerlink, EPA（Ethernet for Process Automation）,Modbus- RTPS, SERCOS-。 (4) 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，被称之为网络供电。 工业以太网目前有两种供电方式，一种利用5类双绞线现有的信号接收与发送两对线缆，另外一种采用5类线缆中空闲线对网络节点供电。,工业以太网,二、工业以太网的特色

7、技术 (5) 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。 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，如应用层的控制应用协议，控制功能块，控制网络的时间发布与管理，都是以太网、互联网中原先不曾涉及的技术。,工业以太网,三、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 其通信非确定性弊端对控制实时

8、性的影响。这些措施主要涉及以 下方面： (1) 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性提供了途径。 以太网的通信速率从10Mb/s、100Mb/s提高到1Gb/s，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的，因而对减少碰撞冲突也是有效的。,工业以太网,三、通信非确定性的缓解措施 (2) 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，提高网络通信的确定性。 研究结果表明，在网络负荷低于满负荷的30%时，以太网基本可以满足对一般控制系统通信确定性的

9、要求。 (3) 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 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。,工业以太网,三、通信非确定性的缓解措施 (4) 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到相当程度的缓解，但仍然没有从根本上完全解决通信的

10、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，应采用实时以太网。,工业以太网,一、以太网的物理连接 二、以太网的帧结构 三、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,RJ-45插头和制作工具,工业以太网,一、以太网的物理连接,IP防护等级 IP（INGRESS PROTECTION）防护等级系统是由IEC（INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION）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。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示灯具离

11、尘、防止外物侵入的等级，第2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 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

12、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。 表二：第二个标示特性号码（数字）所指的防护程度 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

13、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。,工业以太网,一、以太网的物理连接,工业以太网物理连接,工业以太网,一、以太网的物理连接,双绞线中电线的功能分配,工业以太网,一、以太网的物理连接,具有不同类型接口的网卡,工业以太网,一、以太网的物理连接

14、,现场工业以太网交换机,工业以太网,二、以太网的帧结构,IEEE802.3标准具体定义了以太网数据帧的封装格式，如图所示。,前导码 帧前定界码 目的MAC 源MAC 类型 数据 CRC,7字节,1字节,6字节,6字节,2字节,46-1500字节,4字节,G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,CRC-32 :,以太网的帧结构与封装过程,三、以太网的通信帧结构与工业数据封装,工业以太网,三、以太网的通信帧结构与工业数据封装,TCP/IP封装的工业控制数据包,工业以太网,三、以太网的通信帧结构与工业数据封装, 工业以太网中通常

15、利用TCP/IP协议来发送非实时数据，而用UDP/IP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。实时数据的特点是数据包短，需要定时或周期性通信。 TCP/IP一般用来传输组态和诊断信息，UDP/IP用来传输实时I/O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(高速) 网段的场合，通常会采用TCP/IP和UDP/IP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，或异地的另一现场总线网段上。,工业以太网,一、TCP/IP协议组 二、IP协议 三、用户数据报协议UDP 四、传输控制协议TCP 五、简单网络管理协议SNMP,

16、一、TCP/IP协议组,SMTP,DNS,SNMP,SNTP,工业以太网,二、IP协议 IP数据报的格式,工业以太网,二、IP协议 IPv6 IPv6是互联网协议第6版“Internet Protocol Version 6”的缩写。IPv6是IETF（互联网工程工作组）为了代替现有的互联网协议IP第4版（IP v4）而推出的下一代协议版本。 IPv4已有差不多20年历史，IPv4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。 IPv6将IP地址从32位扩充为128位之后，据称能为地球上每一个沙粒配备一个唯一的IP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各自提供

17、一个全球唯一的IP地址提供了可能，这为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UDP,用户数据报协议UDP是一个无连接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、校验和以及长度信息。UDP所产生的包称为用户数据报。,UDP的报文格式,工业以太网,四、传输控制协议TCP,传输控制协议为用户提供完整的传输层服务。 TCP是一个可靠的面向连接的端到端协议。通信两端在传输数据之前必须先建立连接。 TCP通过创立连接，在发送者和接收者之间建立起一条虚电路，这条虚电路在整个传输过程中都是有效的。 TCP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

18、。 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。,工业以太网,四、传输控制协议TCP,TCP的报文格式,工业以太网,五、简单网络管理协议SNMP,SNMP(Simple Network Management Protocol)属于应用层协议。 管理程序和代理程序按客户服务器方式工作。 管理程序运行 SNMP 客户程序，向某个代理程序发出请求（或命令），代理程序运行 SNMP 服务器程序，返回响应（或执行某个动作）。 在网管系统中往往是一个（或少数几个）客户程序与很多的服务器程序进行交互。 在多种不同协议控制网络并存的形式下，可以借助应用层的SNMP，实现不同控制网络设备

19、之间的数据交互和信息集成。,工业以太网,五、简单网络管理协议SNMP,网络管理的一般模型,管理站,因特网,网络 管理员,被管设备, 管理程序（运行 SNMP 客户程序）, 代理程序（运行 SNMP 服务器程序）,A,A,A,A,M,被管设备,被管设备,被管设备,M,A,A,被管设备,网管协议,工业以太网,以太网物理层,SynqNet,PowerLink,IT通用应用层协议： SNMP、SNTP、 TELNET、FTP、HTTP、PPP、DHCP、 ,Ethernet/IP,ProfiNet,SRT/ IRT,传输层协议 UDP/TCP,网络层协议 IP,标准 通道,FF HSE,以太网数据链路

20、层（RFC894/RFC1042）,工业以太网解决方案：,几种实时以太网的通信参考模型比较,工业以太网,一、Ethernet/IP 二、Modbus TCP/IP 三、LXI协议,工业以太网,EtherNet/IP =标准TCP/IP以太网+ CIP,Ethernet/IP实时以太网,一、Ethernet/IP,工业以太网,CIP包含了各种工业实时控制需要的服务和行规 (Profiles); CIP将网络上数据按照有实时控制要求和没有实时控制要求以不同的优先等级区别对待。,CIP Message Routing, Connection Management,CIP Data Managemen

21、t Services Explicit Messages, I/O Messages,CIP Application Layer Application Object Library,Semi- conductor,Valves,Drives,Robots,Other,通用工业协议CIP （Common Industrial Protocol）,设备应用描述 App Profiles,Lay 7 应用层,由于交换机基于队列和存储转发机制，在网络负载较大的情况下，每个数据包的延迟时间是不等的，这样计算出的时间同步精度不高。 当采用IEEE1588边界时钟，由于是点点连接，主时钟和从时钟之间几乎没

22、有延迟时间抖动，而且与交换机的内部队列延迟、抖动和时间的传输方向无关。,结合CIP Sync（基于 IEEE-1588技术）EtherNet/IP实现+-100ns高精度时间同步,一、Ethernet/IP,工业以太网,二、Modbus TCP, 1979年Modicon公司(现Schneider 的一部分)提出的Modbus。 Modbus最初作为工业串行链路的事实标准。 1997年Schneider电气在TCP/IP上实现Modbus协议。 2004年Modbus作为我国国家标准。,工业以太网,二、 Modbus TCP Modbus协议规范,工业以太网,二、 Modbus TCP Mod

23、bus是一种简单客户机/服务器应用协议。 客户机能够向服务器发送请求。 服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答。,工业以太网,二、 Modbus TCP 通用Modbus帧结构协议数据单元 (PDU) Modbus是一个可选择部分使用的协议 ： 服务器可执行部分Modbus协议。 Modbus由公共功能码和用户定义的功能码组成。 Modbus应用协议使用功能码列表读或写数据，或者在远程服务器上进行远程处理。 读/写寄存器列表，读/写比特列表。 诊断，标识。,工业以太网,二、 Modbus TCP Modbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的。 四个基本表为：,Modbus公共

24、功能码的定义,工业以太网,二、 Modbus TCP Modbus TCP/IP是一种互联网协议 。 Modbus/TCP主要是以一种简单的方式将Modbus框架嵌入到TCP结构中。,MODBUS/TCP 协议已经成为一种（实际的）自动化标准。,工业以太网,二、 Modbus TCP,连接至TCP/IP网络的Modbus TCP/IP客户机和服务器设备互连设备，如：在TCP/IP网络和串行链路子网之间互连的网桥、路由器或网关等设备。,工业以太网,Modbus报文传输服务结构,工业以太网,二、 Modbus TCP MODBUS/TCP 可以采用单一的连接方式，要求支持多个独立的事务处理。,TC

25、P 允许很大数量的并发连接，在每次请求时重新建立连接 MODBUS/TCP请求通过TCP从端口502 发出。,工业以太网,三、LXI,自2004年9月安捷伦科技公司和VXI科技公司联合成立国际LXI联盟至今，已有包括多数国际著名测试测量公司在内的51家公司加入该联盟，2008年10月1.3版本的LXI标准发布。截止2009年8月，基于LXI的仪器有超过1300种，有超过20家的产品供应商。对于LXI总线的推出国内测试界也积极响应，目前，陕西海泰电子有限责任公司、北京无线电计量测试研究所、北京航天测控技术开发公司、哈尔滨工业大学等单位已加入了LXI联盟。,工业以太网,三、LXI LXI LAN

26、eXtensions for I,工业以太网,三、LXI,所谓LXI就是一种基于以太网技术等工业标准的、由中小型总线模块组成的新型仪器平台。 LXI仪器是严格基于IEEE 802.3、TCPIP、网络总线、网络浏览器、IVIC0M 驱动程序、时钟同步协议(IEEE1588)和标准模块尺寸的新型仪器。与带有昂贵电源、背板、控制器、MXI卡和电缆的模块化插卡框架不同，LXI模块本身已带有自己的处理器、LAN连接、电源和触发输入。 LXI模块的高度为一个或二个机架单位，宽度为全宽或半宽，因而能容易混装各种功能的模块。,工业以太网,三、LXI,信号输