[第9讲]工业以太网通讯技术

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）网络部件工业以太网链路模块OLM、ELM依照IEEE802.3标准，利用电缆和光纤技术，SIMATICNET连接模块使得工业以太网的连接变得更为方便和灵活。OLM（光链路模块）有3个ITP接口和两个BFOC接口。ITP接口可以连接3个终端设备或网段，BFOC接口可以连接两个光路设备（如OLM等），速度为10Mbit/s。如图10-1所示。ELM（电气链路模块）有３个ITP接口和1个AUI接口。通过AUI接口，可以将网络设备连接至LAN上，速度为10Mbit/s。图10-1工业以太网OLM工业以太网交换机OSM、ESMOSM的产品包括：OSMTP62、OSMTP22、OSMITP62、OSMITP62-LD和OSMBC08。从型号就可以确定OSM的连接端口类型及数量，如：OSMITP62-LD，其中ITP表示OSM上有ITP电缆接口，“6”代表电气接口数量，“2”代表光纤接口数量，LD代表长距离，如图10-2所示。ESM的产品包括：ESMTP40、ESMTP80和ESMITP80，命名规则和OSM相同。图10-3所示为ESMTP80。图10-2OSMITP62-LD图10-3ESMTP80（3）通信处理器常用的工业以太网通信处理器（CP——CommunicatonProcesser，通信处理单元），包括用在S7PLC站上的处理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等。CP243-1是为S7-200系列PLC设计的工业以太网通信处理器，通过CP243-1模块，用户可以很方便地将S7-200系列PLC通过工业以太网进行连接，并且支持使用STEP7-Micro/WIN32软件，通过以太网对S7-200进行远程组态、编程和诊断。同时，S7-200也可以同S7-300、S7-400系列PLC进行以太网的连接。如图10-4所示。S7-300系列PLC的以太网通信处理器是CP343-1系列，按照所支持协议的不同，可以分为CP343-1、CP343-1ISO、CP343-1TCP、CP343-1IT和CP343-1PN，如图10-5所示。图10-4CP243-1图10-5CP343-1S7-400PLC的以太网通信处理器是CP443-1系列，按照所支持协议的不同，可以分为CP443-1、CP443-1ISO、CP443-1TCP和CP443-1IT，如图10-6所示。图10-6CP443-110.2掌握S7—300PLC的工业以太网通信方法10.2.1西门子支持的网络协议和服务网络通信需要遵循一定的协议，表10-2种列出了西门子公司不同的网络可以运行的服务。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10-2西门子公司的网络服务1、标准通信（StandardCommunication）标准通信运行于OSI参考模型第7层的协议，包括表10-3所示的协议。MAP（ManufacturingAutomationProtocol，制造业自动化协议）提供MMS服务，主要用于传输结构化的数据。MMS是一个符合ISO/IES9506-4的工业以太网通信标准，MAP3.0的版本提供了开放统一的通信标准，可以连接各个厂商的产品，现在很少应用。子网（Subnets）IndustrialEthernetPROFIBUS服务（Services）标准通信协议MMS~MAP3.0FMS表10-3标准通信协议2、S5兼容通信（S5-compatibleCommunication）SEND/RECEIVE是SIMATICS5通信的接口，在S7系统中，将该协议进一步发展为S5兼容通信“S5-compatibleCommunication”。该服务包括如下，见表10-4所示的协议。子网（Subnets）IndustrialEthernetPROFIBUS服务（Services）S5兼容通信协议ISOtransportISO-on-TCPUDPTCP/IPFDL表10-4S5兼容通信ISO传输协议：