1、 第十章第十章 工业以太网工业以太网第章 工业以太网 o.1工业以太网概述工业以太网概述o.2工业以太网协议结构o.3第三节 工业以太网设计及应用.1工业以太网概述工业以太网概述工业以太网工业以太网(Industrial Ethemmet)，就是在以太网技术和就是在以太网技术和TCP/IP技术的基技术的基础上开发出来的一种工业网络，即应础上开发出来的一种工业网络，即应用于工业自动化领域的以太网技术。用于工业自动化领域的以太网技术。一、以太网一、以太网1、以太网的发展史、以太网的发展史u1982年年12月，月，IEEE通过了通过了802.3 CSMA/CD规范规范，定义了以，定义了以太网的物理层
2、以及数据链路层的媒太网的物理层以及数据链路层的媒体访问控制（体访问控制（MAC）子层；）子层；u1990年推出年推出交换以太网交换以太网技术技术；u1993年推出年推出全双工以太网全双工以太网技术技术。u到到2003年年 IEEE 802.3标准已经支持标准已经支持同轴电缆、非屏蔽双绞线（同轴电缆、非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Paired）、光纤等）、光纤等传输介质，支持的通信波特率从传输介质，支持的通信波特率从1Mbit/s、10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s和和10Gbit/s，进入了高速以太网时代。，进入了高速以太网时代。u尤其尤其
3、IEEE 802.3标准支持标准支持UTP的使用（的使用（电话线用的也是电话线用的也是UTP），可以使用现成的），可以使用现成的电话线组网，不必重新布线，其安装维护电话线组网，不必重新布线，其安装维护方便，成本低廉特性，使以太网得到了广方便，成本低廉特性，使以太网得到了广泛的应用。泛的应用。IEEE 802.3标准定义了近标准定义了近20种以太网。种以太网。分类的依据主要是传输介质和通信波特分类的依据主要是传输介质和通信波特率的不同。率的不同。2、以太网种类u以太网类型名称分为三段：名称最前面是数字，表示通信波特率；名称中间是BASE或BROAD，表示网络是宽带还是基带；名称最后面如果是数字表
4、示网段的最大长度，如果是字母T表示传输介质是双绞线，如果是字母F表示传输介质是光纤。、以太网的优势(1)应用广泛。应用广泛。(2)成本低廉。成本低廉。(3)通信速率高。通信速率高。(4）软硬件资源丰富。）软硬件资源丰富。(5)可持续发展潜力大。可持续发展潜力大。(6)易于与易于与Internet连接，能实现办公连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。缝集成。4、以太网的非确定性问题、以太网的非确定性问题u以太网通信的非确定性是以太网技术进以太网通信的非确定性是以太网技术进入自动化领域的最大障碍。入自动化领域的最大障碍。u控制网络最大特点在于它应该
5、满足控制控制网络最大特点在于它应该满足控制作用对实时性的要求。以太网技术难以满作用对实时性的要求。以太网技术难以满足控制系统准确定时通信的实时性要求，足控制系统准确定时通信的实时性要求，一直被称之为非确定性一直被称之为非确定性(non-deterministic)网络。网络。u在工业自动化领域的应用受到限制。在工业自动化领域的应用受到限制。1、工业以太网解决非确定性问题的措施、工业以太网解决非确定性问题的措施 （1）提高通信速率）提高通信速率 以太网的通信速率一再提高，从以太网的通信速率一再提高，从10Mbit/s，100Mbit/s到千兆以太网技术的成功应用，眼下到千兆以太网技术的成功应用，
6、眼下其速率还在进一步提高。通信速率的提高是明其速率还在进一步提高。通信速率的提高是明显的，对减少碰撞冲突也是有效的。显的，对减少碰撞冲突也是有效的。（2）控制网络负荷）控制网络负荷 减轻网络负荷也可以减少信号的碰撞冲突，提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负荷低于满负荷的30%时，以太网基本可以满时，以太网基本可以满足对控制系统通信确定性的要求。足对控制系统通信确定性的要求。二、工业以太网出现及发展二、工业以太网出现及发展（3）采用以太网络的全双工交换技术）采用以太网络的全双工交换技术 采用以
7、太网交换机，将网络切分为多个采用以太网交换机，将网络切分为多个网段，就为连接在其端口上的每个网络节网段，就为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，从而有效地降低了点提供了独立的带宽，从而有效地降低了各网段和主干网络的负荷，使网络中产生各网段和主干网络的负荷，使网络中产生冲突的可能性大大降低，提高了网络通信冲突的可能性大大降低，提高了网络通信的确定性。的确定性。（4）提供适应工业环境的元件）提供适应工业环境的元件 现已开发出一系列密封性好、坚固、抗震现已开发出一系列密封性好、坚固、抗震动的以太网设备与连接件，例如导轨式收动的以太网设备与连接件，例如导轨式收发器、集线器、交换机、带锁紧机构
8、的接发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接插件等。它们适合在工业环境中使用，为插件等。它们适合在工业环境中使用，为以太网进入工业控制环境创造了条件。以太网进入工业控制环境创造了条件。2、工业以太网技术需解决的问题、工业以太网技术需解决的问题（1）通信实时性问题）通信实时性问题 （2）对环境的适应性与可靠性问题）对环境的适应性与可靠性问题 （3）总线供电）总线供电 （4）本质安全）本质安全。(1)环境适应性。包括机械环境适应性环境适应性。包括机械环境适应性(如耐振如耐振动、耐冲击动、耐冲击)、气候环境适应性、气候环境适应性(工作温度要求工作温度要求为为-4085C，至少为，至少为-20 70C，并
9、要耐腐蚀，并要耐腐蚀、防尘、防水、防尘、防水)、电磁环境适应性或电磁兼容性、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合应符合EN50081-2、EN50082-2标准。标准。(2)可靠性。由于工业控制现场环境恶劣，对工可靠性。由于工业控制现场环境恶劣，对工业以太网产品的可靠性也提出了更高的要求。业以太网产品的可靠性也提出了更高的要求。(3)安全性。在易爆或可燃的场合，工业以太网安全性。在易爆或可燃的场合，工业以太网产品还需要具有防爆要求，包括隔爆、本质安产品还需要具有防爆要求，包括隔爆、本质安全两种方式。全两种方式。(4)安装方便。适应工业环境的安装要求，如采安装方便。适应工业环境的安装要求，如采
10、用用DIN导轨安装。导轨安装。3、工业以太网发展趋势、工业以太网发展趋势.工业以太网协议结构工业以太网协议结构一、网络结构一、网络结构u只定义了物理层和数据链路层，均采用了只定义了物理层和数据链路层，均采用了IEEEE802.3标准；标准；u在网络层和传输层则采用了在网络层和传输层则采用了TCP/IP协议协议;uIP(internetprotocol)用来确定信息传递路用来确定信息传递路线，而线，而TCP(transmissioncontroIprotocol)则是用来保证传输的可靠性；则是用来保证传输的可靠性；u通常都省略了会话层、表示层，而定义了通常都省略了会话层、表示层，而定义了用户层。
11、用户层。工业以太网络结构工业以太网络结构二、物理层二、物理层物理层硬件完成下列功能：物理层硬件完成下列功能：（1）数据编码，采用曼彻斯特编码）数据编码，采用曼彻斯特编码方式；方式；（2）发送同步和时钟信号；）发送同步和时钟信号；（3）载波检出和冲突检出；）载波检出和冲突检出；（4）位传送和接收，在数据帧前面）位传送和接收，在数据帧前面加入加入64位的前同步信息位的前同步信息如下格式：10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011 前七组均为10101010，最后一组是10101011。给予收发器电缆
12、上的交流信号电平，在差动驱动时的标称值是700mV，（785）。三、数据链路层分为数据封装和链路管理两个子层在每个子层中，发送和接收是两个互相独立的部分，数据链路中的帧格式如图所示，四、介质访问控制协议四、介质访问控制协议CSMA/CD 在在8023以太网以太网MAC层中，对介质的访层中，对介质的访问控制采用了载波监听多路访问问控制采用了载波监听多路访问/冲突冲突检测协议检测协议CSMA/CD，其主要思想可用，其主要思想可用先听后说，边说边听先听后说，边说边听来形象的表示。来形象的表示。.工业以太网设计工业以太网设计及应用及应用一、交换机一、交换机工业以太网是以交换机为节点连接工业以太网是以交
13、换机为节点连接而成。目前工业交换机的种类很多而成。目前工业交换机的种类很多，如西门子的工业以太网交换机，如西门子的工业以太网交换机OSM和和ESM等。等。OSM产品包括产品包括OSM TP62、OSM TP22、OSM ITP62、OSM ITP62-LD和和OSM BC08。从型号可以确定。从型号可以确定OSM交换机的连接端口类型及数量，如交换机的连接端口类型及数量，如OSM ITP62-LD，其中，其中“ITP”表示采用工业屏蔽双绞线作为表示采用工业屏蔽双绞线作为传输介质；传输介质；“6”代表电气接口数量；代表电气接口数量；“2”代表光纤接口数量；代表光纤接口数量；“LD”代表长距离。代表
14、长距离。二、通信处理器二、通信处理器 常用的工业以太网通信处理器（常用的工业以太网通信处理器（CP）包括用在）包括用在S7PLC站上的：站上的：uCP243-1系列；系列；uCP343-1系列；系列；uCP443-1系列等。系列等。系统以工业以太网为界分为两层：系统以工业以太网为界分为两层：工业以太网以上是监控层；工业以太网以上是监控层；工业以太网以下是控制层。工业以太网以下是控制层。主控制器是西门子公司的主控制器是西门子公司的S7-300和和S7-400 PLC，两个控制器分别通过一，两个控制器分别通过一个通信处理器模块（个通信处理器模块（CP）与以太网连）与以太网连接。接。三、以太网配置三
15、、以太网配置具体的硬件组态过程请详见第四章，具体的硬件组态过程请详见第四章，本节只说明如何使用以太网通讯模块本节只说明如何使用以太网通讯模块组态工业以太网。组态工业以太网。1、设置、设置PG/PC接口接口详见本书第七章图详见本书第七章图7-5所示，设置好后所示，设置好后，可以连接操作员站与控制器，可以连接操作员站与控制器PLC，实现控制程序的下载与现场监控。实现控制程序的下载与现场监控。2、设置控制站以太网通信模块、设置控制站以太网通信模块 第十章复习题：第十章复习题：1.什么是以太网？什么是工业以太什么是以太网？什么是工业以太网？网？2.工业以太网的协议结构包含哪几工业以太网的协议结构包含哪几层？分别说明各自的作用？层？分别说明各自的作用？3.为什么过去以太网在工业自动化为什么过去以太网在工业自动化领域应用比较有限？领域应用比较有限？4.以太网技术具有哪些技术优势？以太网技术具有哪些技术优势？5.用于工业控制网络，工业以太网技术用于工业控制网络，工业以太网技术应该解决那些问题？应该解决那些问题？6.工业以太网对非确定性问题采取那些工业以太网对非确定性问题采取那些解决措施？解决措施？结束
