第6讲 工业以太网

工业以太网工业以太网第6讲（第3章）共118页第1页Lonworks总线（LocalOperationNetwork）技术核心——拥有3个(CPU)的神经元芯片(NeuronChip)通信协议——LonTalk，支持OSI7层LonTalkMAC子层算法：带预测和优先级（P-坚持CSMA）收发器与接收器——支持多种通信介质及其互连网络变量(NetworkVariable)——联系各网络节点提供给使用者一个完整的开发平台（现场调试工具LonBuilder、协议分析、专用网络开发语言NeuronC等。）GooverGoover•BACnet(BuildingAutomationandControlNetwork)是由美国暖通空调工程师协会(ASHRAE)提出和批准的楼宇自动控制通信协议标准，用于楼宇能量管理和控制系统的通信协议。规定了计算机控制器之间所有对话方式。BACnet—楼宇自动化与控制网络GooverGooverBACnet结构BACnet规范的是楼宇内机电设备控制器之间的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、变配电和其它建筑设备系统的服务和协议。BACnet结构含4个层次：物理层、数据链路层、网络层、应用层GooverGooverBACnet网络A.BACnet设备通过局域网传送符合BACnet标准二进制码的信息。B.BACnet采用五种网络技术进行信息数据传送.Ethernet、ARCnet、MS/TP(主从/令牌环)、PTP(点对点)、LonTalk。局域网标准数据速率EthernetISO/IEC8802-310--100MbpsARCnetATA/ANSI878.10.156--10MbpsMS/TPPSANSI/ASHRAE135-19959.6--78.4KbpsLonTalkPROPRIETARY4.8--1250KbpsGooverGooverDiscussionDiscussionDCS&&FCS(p14-15,p27-28)均采用先进的计算机技术；均采用网络通信技术；系统的开放性；综合性和专业性；系统可灵活扩展，可靠性高、管理能力强、使用方便，etc.DiscussionDiscussionDCSVs.Vs.FCS•（1）系统结构操作站现场控制站现场自动化设备(测量、执行)DCS结构示意图操作站现场自动化设备(测量、计算、执行、报警、趋势等)FCS结构示意图控制室现场DiscussionDiscussionDCSVs.Vs.FCS•（1）系统结构DCS：含I/O单元和（现场）控制站——集中与分散相结合；FCS：现场仪表/现场设备智能化与功能自治，可完成自动控制基本功能，构成虚拟控制站——实现全分布式控制系统，简化系统结构，提高可靠性。DiscussionDiscussionDSCVs.Vs.FSC•（2）通信网络DSC：截止于控制站orI/O单元；（现场仪表一对一模拟信号传输）FCS：通信线延伸到现场，实现现场仪表/现场设备互连的现场通信网络。网络控制系统网络控制系统网络化控制系统（NetworkedControlSystem,NCS），也称集成通信与控制系统（IntegratedCommunicationandControlSystem,ICCS）,是一种全分布式的、网络化的实时反馈控制系统。FCS属于NCS，为网络化控制系统的具体实现；（FCS重点为节点间实时或非实时信息传输和共享；NCS强调实时性的要求。）DCS不属于NCS。工业以太网工业以太网网络控制系统网络控制系统的控制网络之提纲1.以太网技术2.工业以太网3.Ethernet/IP工业以太网技术4.工业以太网的发展趋势一、以太网（一、以太网（EthernetEthernet））Ethernet产生于上个世纪七十年代为微型计算机网络终端通信设计采用星型或总线型结构传输速率为10M、100M、1000M甚至更高传输介质屏蔽（非屏蔽）双绞线光纤同轴电缆……12310BASE5混合网络500米10BASE5混合网络500米10BASE-FL连接网络500米10BASE-FL连接网络500米10BASE2混合网络185米10BASET连接网络100米中继器碰撞（Collision）分析ABABABABAB状态1：A站点在检测到网络上没有数据传输时开始向网络上发送数据状态2：A站数据在网络上传输时，B站因为没有检测到数据，也开始发送数据，此时两站都不知道发生了冲突。状态3：A站数据经过网络延时传输到B站，此时B站发现发生冲突，A占并不知道，仍在继续发送数据。状态4：B站发现发生冲突后，开始发送冲突数据帧，通知冲突域内各设备停止发送数据，但此时A站仍不知道，继续发送数据。状态5：冲突数据帧经过网络延时，传输到A站点，此时A站一帧数据没有发送完，发现冲突后，后退延时等待才重发数据。AB状态6：冲突帧传输到A站点时，A站数据已经发送完毕，则该帧数据被丢失。CSMA/CD（1）CSMA/CD（2）截断二进制指数回退算法IEEE802.3采用截断二进制指数后退算法(truncatedbinaryexponentialbackoff)计算随机等待时间。这种算法可用下式表示：T＝2τ×(2i–1),取0~T随机值；重试次数：i10截断,上限16;2τ取512位时.BNC连接器和T型连接器细缆以太网连网示意图双绞线以太网组网规则(无)屏蔽双绞线UTP/STP,网段最大长度100米;集线器（hub)；RJ(RegisteredJack)45连接器双绞线以太网10BaseTRJ45连接器示意图（UTP,RJ45）双绞线以太网10BaseT（续）网络扩展：hub级连、堆叠、连接粗缆或细缆HUB堆叠粗缆和双绞线以太网混合使用以太网在商用领域取得了很大的成功，为什么以前现场总线不使用以太网？主要原因：以太网通信存在不确定性以太网的特点：总线访问存在随机性：CSMA/CD，负荷大时，网络会因碰撞而瘫痪以太网通信存在不确定性响应时间无法预知，实时性得不到保证紧急事件无法保证得到及时处理在90年代中期之前，几乎所有的控制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或令牌环如ARCnet原因之二——微处理器功能简单微处理器（单片机）作为工业现场智能仪表的核心组成部分，在20世纪80年代时还处于初期发展阶段功能简单数字处理能力有限TCP（UDP）/IP协议比较复杂，早期的单片机处理不了原因之三——成本高，不敢用应用不广，未被广泛接受以太网刚产生时，成本较高如通信接口芯片网卡软硬件技术资源不足与令牌网及其他专用网络比，以太网优势不明显——因此，以前人们不敢将以太网用于现场总线今天的以太网优势昨天的以太网今天的以太网网络拓扑线型星型、线性集线器共享式交换式通信速率几M10、100、1000M、……传输介质粗同轴电缆光纤、粗缆、细缆、双绞线通信方式半双工半双工、全双工芯片成本高于$1000十几人民币芯片应用环境商业级工业级芯片已有问世应用实验室终端几乎所有领域软硬件资源极有限丰富被认知程度不熟悉非常熟悉、几乎无需培训负荷越小，响应时间越短以太网通信特性负荷越小，碰撞越少负荷在10%左右时，基本无碰撞负荷在30%以下时，以太网的通信响应时间优于ARCnet令牌网！——引自美国利诺LEEDS&NORTHRUP公司，《MAX1000技术概貌》信息网络负荷瞬时流量变化大，无法预测网络负荷波动大碰撞较为频繁不能满足通信响应实时性要求工业现场控制网络通信特点传输的信息量少，信息长度都比较小周期性信息较多测量、控制信息非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息需要传输的信息少、网络吞吐量小通常仅为几位（bit）或几个、十几、几十个字节（byte）网络负荷较为平稳对网络传输的吞吐量要求不高对比——工控网络负荷实例江苏某应用实例，6000多个I/O（10M以太网）正常情况下，周期性数据传输为主，平均负荷为4.5%，最大为6.4%组态信息上传/下载（非周期性信息）时，平均负荷增大，最大为7.2%——摘自浙大中控《WebFieldECS-100应用技术报告》提高以太网通信实时性的一般措施控制网络负荷提高通信速率、减小系统规模本质上，减小以太网报文碰撞的机率，并没有完全避免采用以太网的全双工交换技术无法消除报文阻塞基于IEEE802.1p的优先级技术对于规模较大的系统来说，现场所有的测量、控制数据发送的优先级都相同，仍然会出现报文碰撞和阻塞的问题时间同步商用以太网用于现场总线时的主要问题商用以太网直接应用现场总线时的问题不对CSMA/CD加以扩展，网络负荷过大而引起的数据丢包即使采用以太网交换机，也会发生报文阻塞与广播风暴每个节点的CPU资源被大大浪费网络带宽资源的浪费正常报文发送不出去通信实时性得不到保证现场总线向工业以太网发展FoundationFieldbusHSEEthernet/IPPROFINetMODBUSTCPP-NETonEthernetInterbusonEthernet——主要应用在控制系统的中、高层网络二、工业以太网技术二、工业以太网技术如今，Ethernet能不能用于工业控制现场?现场总线发展缓慢现场总线是专用网络，其国际组织由少数跨国公司操控核心技术被国外跨国公司所垄断如PROFIBUS总线，除了西门子以外，国内外几乎没有完全掌握其主站技术的公司高额的年费和专利使用费根据经营业绩（而不仅是销售现场总线产品的业绩）动辄上万美元，甚至于几十万美元/年中国企业只能跟踪研究开发现场总线发展缓慢（续）多种现场总线并存现场总线国际标准包含了十种类型FF、PROFIBUS、CONTROLNET、……使用成本高、难以混用和集成技术发展力量分散，进步缓慢虽然有部分应用，但优势不明显控制领域应该关注的焦点现场总线发展缓慢的思考本质上，现场总线还是一种通信网络IT领域的一些成果经过适当的改造，应该尽可能应用于现场总线控制领域的关注焦点应该是：先进、可靠、有效的控制技术提高产品的生产效率与产品品质节能、降耗、增效、绿色化生产提高产品的核心竞争力网络化、信息化与管控一体化生产装置网络化基础测量控制装置信息化手段信息采集、交换通道管控一体化管理控制信息的采集与共享数据挖掘与综合利用节能降耗增效——现场总线是控制系统的一个部分，但不是全部工业以太网的优势以太网的技术应用非常广泛资源丰富发展潜力巨大速率很高易于与Internet互联这使得工业以太网为企业的节能、增效，为提升网络化、信息化和管控一体化水平提供了充分的保障。工业网络特点—高可靠性高可靠性由于直接面向生产过程，负责传输测量和控制信息，必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故。可使用性好，网络自身不易发生故障容错能力强，网络系统局部单元出现故障，不影响整个系统的正常工作可维护性高，故障发生后能及时发现和及时处理，通过维修使网络及时恢复工业网络特点—强实时性强实时性在工业自动化控制中需要及时地传输现场过程信息和操作指令，工业控制局域网不但要完成非实时信息的通信，而且还要求支持实时信息的通信。这就不仅要求工业控制局域网传输速度快，而且还要求响应快，即响应实时性要好工业通信网络不仅要传输速度快，而且还要响应的实时性好，通常是0.01~0.1S工业网络特点—恶劣环境适应性符合恶劣的环境由于工业生产现场环境与一般商业环境不同，如温度与湿度变化范围大，空气污浊、粉尘污染大，振动、电磁干扰大，并常常伴随有腐蚀性、有毒气体等等。由此，要求工业控制局域网必须具有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、气候环境适应性（工作温度要求为-40~85°C，至少为-20～70°C，并要耐腐蚀、防尘、防水）、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC等要求，在这些指标上工业控制局域网设备需要经过严格的设