第6章 工业以太网通信原理

电气与自动化工程学院三江学院第六章工业以太网通信原理现场总线原理及应用22020/1/186.1概述6.2局域网6.3以太网本章的主要内容6.5工业以太网原理6.4TCP/IP协议现场总线原理及应用32020/1/186.3以太网备用以太网是局域网的一种技术规范；它属于数据链路层和物理层范畴；它定义了数据链路层的数据帧格式，以及物理层硬件的传输介质、连接方式、传输速率单独的以太网（无TCP/IP协议）采用的是MAC地址进行寻址；以太网+TCP/IP协议组合就是今天的互联网，采用的是IP地址寻址现场总线原理及应用42020/1/186.1概述6.2局域网及其体系结构6.3以太网6.4TCP/IP模型6.5工业以太网原理6.6实时工业以太网PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要内容本章主要介绍工业以太网PROFINET的网络原理。现场总线原理及应用52020/1/18长期以来，以PROFIBUS为代表的现场总线在工业生产中发挥了重要作用。通过现场总线，可以实现控制器与现场检测单元、执行机构等设备的数据交换；人们无需亲临现场而通过现场总线网络以及友好的人机界面就可以远程监控现场控制对象的各个参数，在提高了生产效率的同时也降低了人的劳动强度。6.1概述现场总线原理及应用62020/1/18然而，现代工业对网络化、自动化程度要求越来越高，现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，再加上总线通信协议的多样性，使得不同总线产品不能互连、互用和互操作等。另外，现场总线网络内的节点数、通信距离以及数据量都受到严格的控制，导致现场总线只能在小范围内进行组网，因而现场总线工业网络的进一步发展受到了极大的限制。6.1概述现场总线原理及应用72020/1/18随着计算机、通信技术的飞速发展，以往仅仅应用在办公环境下的以太网技术逐渐被应用到环境恶劣的工业生产中，并逐步发展成工业以太网。工业以太网采用统一的电气与物理接口以及标准的通信协议，将企业的管理层、车间层以及现场层（包括控制层和执行、检测层）连接到同一个网络中，使企业的管理水平、网络化程度都发生了质的飞跃。6.1概述现场总线原理及应用82020/1/18Siemens公司1998年发布工业以太网白皮书，并于2001年发布其工业以太网的规范，称为PROFINET。它是一种基于工业以太网通信的解决方案。PROFINET其实就是工业以太网，用于工业自动化领域创新的、开放式的以太网标准（IEC61158）。使用PROFINET，设备可从现场级一直连接到管理级。它既可以实现系统范围内的通信，又支持工厂范围内的工程与组态，直到现场级均支持IT标准。6.1概述现场总线原理及应用92020/1/186.1概述6.2局域网及其体系结构6.3以太网6.4TCP/IP模型6.5工业以太网原理6.6实时工业以太网PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要内容本章主要介绍工业以太网PROFINET的网络原理。现场总线原理及应用102020/1/18在有限的距离内，将计算机、终端和各种外部设备用高速传输线路（有线或无线）连接而成的通信网络称为局域网。局域网覆盖的地理范围比较有限，但传输速率及可靠性较高，传输的介质标准化，且各站点之间形成平等关系而不是主从关系。局域网常采用的传输介质有双绞线、光纤和无线通信信道，主干网通常采用的是光纤，连接到网络节点的通常采用双绞线和无线通信信道。6.2局域网及其体系结构现场总线原理及应用112020/1/18局域网通常采用的网络拓扑结构有星形、总线型、环形等。目前人们习惯将拓扑结构分为物理和逻辑两类。局域网在通信时必须为其网络内的各个节点分配站地址。分配站地址的时候可以采用静态和动态分配两种方法。静态分配的地址采用的是48位二进制位形式，称为MAC（MediumAccessControl，介质访问控制）地址。MAC地址具有全球惟一性。而动态分配则是由系统管理员在安装网络时动态分配给上网的设备（一般为16位）。6.2局域网及其体系结构现场总线原理及应用122020/1/18美国电气电子工程师学会（IEEE）于1980年2月成立了局域网标准委员会（简称IEEE802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE802标准，其中使用最广泛的有以太网、令牌环、无线局域网等。6.2.1IEEE802模型现场总线原理及应用132020/1/186.2.1IEEE802模型图6-1IEEE802模型层次图现场总线原理及应用142020/1/18局域网体系结构是通过一系列协议标准来描述的，这些标准统称为IEEE802标准。IEEE802标准包括：1）IEEE802.1关于高层局域网协议，包括局域网的体系结构、网络互连、管理等2）IEEE802.2关于逻辑链路控制的功能和服务的内容；3）IEEE802.3关于CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDirect，载波多路访问和冲突检测）介质访问控制子层与物理层规范，主要是以太网采用；4）IEEE802.4关于令牌总线介质访问控制子层与物理层规范的内容；6.2.2IEEE802标准现场总线原理及应用152020/1/186）IEEE802.6关于都会区网（也叫城域网）（MetropolitanAreaNetwork，MAN）介质访问控制子层与物理层规范的内容；7）IEEE802.7关于宽带TAG技术；8）IEEE802.8关于光纤FDDI技术；9）IEEE802.9关于同步局域网；10）IEEE802.10关于局域网网络安全性规范SILS；11）IEEE802.11关于无线局域网技术的内容；6.2.2IEEE802标准现场总线原理及应用162020/1/1812）IEEE802.12关于需求优先级；13）IEEE802.13未使用；14）IEEE802.14关于电缆调制解调器等方面的内容；15）IEEE802.15关于无线个人网；16）IEEE802.16关于宽带无线接入；17）IEEE802.17关于可靠个人接入技术。IEEE802.3标准是在以太网（Ethernet）规范的基础上制定的。该标准详细阐述了以太网技术的核心内容——CSMA/CD通信方式。6.2.2IEEE802标准现场总线原理及应用172020/1/18IEEE802.3标准定义的载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）通信方式是以太网核心技术。载波侦听是指发送节点在发送信息帧之前，必须侦听当前的通信媒体是否空闲；多路访问，既表示多个节点可以同时访问网络媒体，也表示一个节点发送的信息可以被多个节点所接收。冲突检测，是指发送节点在发出信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生了冲突。如果发生冲突（即其他节点也在发送信息），此时信息在媒体上的重叠将使接收点无法接收正确的信息。6.2.3载波多路访问和冲突检测现场总线原理及应用182020/1/181.CSMA/CD的发送与接收CSMA/CD采用的总是线争用技术，其发送过程如下：1）侦听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续侦听，直到信道空闲为止；2）若没有监听到任何信号，就传输数据；3）传输的时候继续侦听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1）（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会返回到侦听信道状态。注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点）；6.2.3载波多路访问和冲突检测现场总线原理及应用192020/1/184）若未发现冲突，则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6s（以10Mbit/s运行）。CSMA/CD在接收的时候，每个节点都在监听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到MAC帧，实体分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址为本节点地址，就保存该信息帧，否则丢弃该帧。6.2.3载波多路访问和冲突检测现场总线原理及应用202020/1/182.CSMA/CD的特点1）各节点采用竞争的方法抢占对共享媒体的访问权利；2）网络维护方便，增删节点容易；3）如果网络内节点较少（负载轻），节点能够及时地访问媒体，实时性相对较高；4）如果负载比较重，节点的冲突的机会就会大大增加，通信的实时性就会变得很差。CSMA/CD通常被应用在网络变更比较频繁，节点数较少且实时性要求不高的办公场合。但是，随着以太网技术的飞速发展，CSMA/CD实时性不高的缺点也逐渐被克服，使得以太网技术在局域网乃至互联网都得到了非常广泛的应用。6.2.3载波多路访问和冲突检测现场总线原理及应用212020/1/186.1概述6.2局域网及其体系结构6.3以太网6.4TCP/IP模型6.5工业以太网原理6.6实时工业以太网PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要内容本章主要介绍工业以太网PROFINET的网络原理。现场总线原理及应用222020/1/18以太网是以CSMA/CD方式工作的局域网技术。最初的以太网采用无源传输媒体——同轴电缆作为总线传输信息，并以历史上用于表示传播电磁波的物质——以太（ETHER）来命名。但是后来，爱因斯坦证明“以太”根本就不存在，但是该名称被一直沿用下来了。20世纪70年代美国Xerox（施乐）公司、Intel公司和DEC公司共同研制开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，介质访问控制（MAC）方法采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制，数据传输速率达到10Mbit/s。6.3以太网现场总线原理及应用232020/1/18以太网不是一种具体的网络，而是一种局域网技术规范。它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌总线网（TokenBUS）、令牌环网（TokenRing）、光纤分布式数字接口（FDDI）和ARCnet等。以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网为了最大程度地减少冲突，最大程度地提高网络速度和使用效率，使用交换机（Switch）来进行网络连接和组织，这样，以太网的拓扑结构就成了星形。IEEE802.3定义了以太网（采用CSMA/CD方式）的数据帧结构标准。6.3以太网现场总线原理及应用242020/1/18采用CSMA/CD方式工作的以太网帧结构包括8个字段，如图6-2所示。6.3.1以太网的帧结构PCSPADDATALSADASFDP图6-2以太网的帧结构P（Preamble）：占用7个字节，由交替的1和0（10101010）组成的用于同步的前缀；SFD（StartFrameDelimiter）：帧起始分界符，占一个字节，由10101011构成，用于指明数据帧开始。DA（DestinationMACAddesses）：目的MAC地址，用于指明帧被传送的一个或多个目的地址现场总线原理及应用252020/1/18SA（SourceMACAddesses）：源MAC地址，用于指明发送帧的源站点。L（Length/Type）：数据字段长度，占2个字节，表明DATA的数据长度。DATA：数据字段，这个字段包括从源站到目的站传输的数据，最多包含1500字节。如果这个字段小于46字节，那就必须使用下面的“PAD”字段，以使帧的总长度大于64字节。PAD：填充字段，如果需要，额外的数据字节将被附加到这个字段中，以使帧的长度大于64字节（从DA字段到FCS字段）。FCS（FrameCheckSequence）：帧校验序列，这个字段包括4个字节的循环冗余校检码（CRC），用于检查错误6.3.1以太网的帧结构现场总线原理及应用262020/1/18最初的以太网标准定义的最小帧为64字节，最大帧为1518字节。这个数字包含从目的MAC地址字段到校检字段的所有字节，帧前缀和帧起始分界字段不包含在内。6.3.1以太网的帧结构现场总线原理及应用272020/1/18局域网中，相互连接的计算机和网线布局被称为网络的拓扑结构