第七章工业以太网

第7章工业以太网第7章工业以太网工业以太网简介以太网的物理连接与帧结构TCP/IP协议组实时以太网EtherNet/IP高速以太网HSEPROFINET嵌入式以太网节点与基于Web的远程监控什么是工业以太网什么是工业以太网？是用于工业环境的以太网？还是用于测量控制领域的以太网？还是某种现场总线？目前对工业以太网没有一个严格的定义。各家推出的工业以太网在技术上也存在相当大的差距。工业以太网源于、而又不同于普通以太网技术，它是计算机网络技术在工业应用领域延伸将普通以太网改进为适合工业应用环境添加控制应用功能、形成基于以太网通信的测量控制网络工业以太网是普通以太网技术在控制网络延伸的产物,是工业应用环境下信息网络与控制网络的结合体。应用于工业自动化领域的以太网技术。在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的一种工业网络。PROFINET和PROFIBUSPROFINET和PROFIBUS是PNO组织推出的两种现场总线。两者本身没有可比性，PROFINET基于工业以太网，而PROFIBUS基于RS485串行总线，两者协议上由于介质不同完全不同，没有任何关联。两者相似的地方都具有很好的实时性，原因在于都使用了精简的堆栈结构。基于标准以太网的任何开发都可以直接应用在PROFINET网络中，世界上基于以太网的解决方案的开发者远远多于PROFIBUS开发者，所以，有更多的可用资源去创新技术。Ethernet现场控制层FCS制造执行层MESEthernet资源规划层ERPEthernet调节阀温度变送器温度变送器温度变送器调节阀Internet控制网络因特网的发展历程1969年，最早的因特网——ARPANET；20世纪80年代，因特网——NSFNET；20世纪90年代以后，商业因特网。以太网的物理层命名原则信号速率（Mbit/s）带宽（基带或宽带）－长度（米）或电缆类型以太网的物理层基带传输是指在一条线上只有一个信道，所有的数据传输只能使用这个信道，基带采用MANCHESTER编码。10BASE5是最早也是最经典的以太网标准1990年发布的10BASE-T是以太网发展史上的一个里程碑，它在双绞线上实现了10Mbit/s的数据传输。1992年发布的10BASE-F系列以太网使用的传输介质是光纤。1995年通过了快速以太网标准IEEE802.3u。1998年开始陆续发布了吉位（千兆位）以太网1000BASE系列，从2002年开始陆续发布了万兆以太网10GBASE系列。大多数的工业以太网技术都是基于快速以太网技术而开发的。控制网络的应用领域一般都是百兆以太网。以太网的数据链路层以太网的数据链路层分为媒体访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。MACLLC介质访问方式是CSMA/CD工业以太网技术应解决的问题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。以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一间题的切实可行的解决方案。2.对环境的适应性与可靠性问题以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等能否自动化的要求。在产品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。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利用网线对现场设备供电，工业以太网目前还没有对网络节点供电做出规定。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。解决以太网竞争问题和提高服务质量的措施全双工以太网（full－duplexEthernet）数据优先权（dataprioritization）数据优先权涉及到为数据帧分配优先级——IEEE802.1q服务质量（QualityofService，QoS）为具体的传输建立确定的参数（确定性问题），保证传输延时（即等待时间）是可预测和有保障的。用以太网作为现场总线网络的高速网段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。例如Hl的高速网段HSE，EtherNet/IP，PROFlNet等，都是工业以太网技术的典型代表。“E”网到底，远程监控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，实现Ethernet的“E”网到底，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。在应用层协议尚末统一的环境下，借助IE等通用的网络测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。工业以太网非确定性问题的解决措施通信非确定性是以太网技术迸人控制领域的最大障碍。控制网络不同于普通计算机网络，其最大特点在于它应该满足控制作用对实时性的要求。以太网采用CSMA/CD的媒体访问控制方式：非确定性(non-deterministic)网络。1.提高通信速率在相同通信量的条件下，提高通信速率可以减少通信信号占用传输介质的时间，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：10Mbit/s，100Mbit/s到千兆控制网络：几十千位/s、几百千位/s、lMbit/s、5Mbit/s通信速率的提高是明显的，对减少碰撞冲突也是有效的。2.控制网络负荷减轻网络负荷也可以减少信号的碰撞冲突，提高网络通信的确定性。控制网络的通信量不大，随机性、突发性通信的机会也不多，其网络通信大都可以事先预计，并对其做出相应的通信调度安排。在网络设计时正确选择网络的拓扑结构控制各网段的负荷量合理分布各现场设备的节点位置3.采用以太网络的全双工交换技术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点提供了独立的带宽，相当于每个设备独点一个网段，使同一个交换机上的不同设备之间不存在资源争夺。在网段分配合理的情况下，由于网段上的多数数据不需要经过主干网传输，因此交换机能够过滤掉这些数据，使数据只在本地网络传输，而不占用其他网段的带宽。交换机之间通过主干线进行连接，从而有效地降低了各网段和主干网络的负荷，使网络中产生冲突的可能性大大降低，提高了网络通信的确定性。4.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、带锁紧机构的接插件等。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。采取上述措施可以使以太网的非确定性问题得到相当程度的缓解，但还不能说从根本上得到了解决。工业以太网组织:工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation）工业自动化开放网络联盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）等推进工业以太网技术的发展、教育和标准化管理、工业应用领域运用美国电气电子工程师协会(IEEE)也正着手制定现场装置与以太网通信的标准。以太网进入工控领域的优势价格优势：由于信息网络的存在和以太网的大量使用，使得其具有价格明显低于控制网络相应软硬件的特点，如网卡技术优势：技术成熟、易于得到、技术深入人心，已为许多人掌握。有利于企业网络的信息集成，便于与上层网络的连接，便于与外界沟通信息工业以太网沿用现有以太网技术可发挥其上述优势工业以太网的标准化工作目前一是集中在应用层，二是致力于在数据链路层实现实时以太网工业以太网目前还没有一致的定义与规范以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:（1）采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，保证了以太网技术的不断发展。如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需独自的研究投入。以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:（2）以太网受到广泛的开发技术支持。由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，例如Java、VisualC++、VisualBasic等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:（3）由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，它也受到硬件开发商的高度重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产品可供选择。（4）由于以太网己被使用多年，以太网具有大量的软件资源，人们对以太网设计、应用有很多的经验，对以太网技术十分熟悉。以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:最重要的是，如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络技术相互促进的局面。这将意味着可以实现自动化控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并使自动化领域产生新的生机和活力。工业以太网与其它控制网络比较的优势:（1）工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一。（2）设备成本下降。以太网卡的价格是现场总线网络接口卡的十分之一，由于安装量的原因，现场总线的成本也远远无法与以太网相比。（3）用户拥有成本下降。几乎每家企业都具有以太网维护能力的人员，无需再专门学习一种控制网络。（4）以太网易与Internet集成。工业以太网的现状技术上的改造大公司增加开发力度几种主要的工业以太网Ethernet/IP基于以太网技术、TCP/IP技术和CIP技术，因此它兼具工业以太网和CIP网络的优点。HSE基于以太网（IEEE802.3）＋TCP/IP＋H1的六层结构。发展以太网技术最早由Xerox开发，后经数字设备公司(digitalequipment此rp·)、lntel公司联合扩展，于1982年公布了以太网规范。IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定的。以太网规范只包括通信模型中的物理层与数据链路层。1999年底，PI——PROFINET;2000年底，成为IEC61158-10;2002年，第一个软件包；基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准，是一种实时以太网技术，同时它无缝地集成现有的现场总线系统，从而使现在对于现场总线技术的投资得到保护。支撑技术多，集成的功能强工业以太网技术的发展趋势以太网描述了物理层和数据链路层，并已成为Internet的协议。所以，许多现场总线组织也在致力于发展IP和以太网技术，当前快速发展的IT(informationtechnology)技术已成为工业控制网络中的一部分。发展趋势随着微处理器和工业以太网的发展，末来的I/O设备可以是一台网络服务器，通过测览器网页就可以实现设备的加载、组态、监控。注册时，系统可以通过IP自动搜索网络上的硬件，这时组态软件就可以显示这些硬件，并提供组态界面。发展趋势当前流行的OPC(OLE(-ObjectLinkingandEmbedding，对象连接与嵌入)forProcessControl,用于过程控制的OLE)、HTTP等技术将为这一过程铺平道路。上位机和底层设备之间的客户端-服务器模式如图所示。还可以在现场设备中嵌人称之ChipSever的Internet芯片，从而使Internet无处不在的理念得到实现。发展趋势发展趋势还可以在现场设备