第11章工业以太网技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十一章,工业以太网技术,11.工业以太网技术,11.1 工业以太网概述,11.2 工业以太网的技术优势,11.3 工业以太网互连模型,11.4 工业以太网技术应解决的问题,11.5 工业以太网非确定性问题的解决措施,11.6 工业以太网技术的发展趋势,11.1 工业以太网概述,1.何谓工业以太网（,Industrial Ethernet）？,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。,2.工业以太网技术,在,IS0/OSI7,层协议中，以太网本身只定义了物理层和数据链路层。,高层控制协议，以太网使用了,TCP/IP,协议。,IP(internet protocol),：确定信息传递路线,TCP(transmission controI protocol),：保证传输的可靠性。,3.,IP,技术,IP,技术是,Internet,的基础：,IEEE1394，ATM(asynchronous transfer mode)，TCP,UDP(user datagram protocol),等等，它还可以适用于其它的通信标准，如,FTP(file transfer protocol),和,SMTP(Simple mail transfer protocol),等。,以太网已成为事实上的工业标准：,办公自动化,企业的管理网络,4.工业以太网的国际组织,工业以太网协会(,industrial ethernet association，lEA),工业自动化开放网络联盟(,industrial automation network alliance,IAONA),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。,5.工业以太网的发展,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。,工业以太网技术：,不仅包含了物理层与数据链路层的以太网规范，而且包含,TCP/IP,协议组，即包含网络层的网际互联协议,lP、,传输层的传输控制协议,TCP、,用户数据包协议,UDP,等。,有时甚至把应用层的简单邮件传送协议,SMTP、,域名服务,DNS、,文件传输协议,FTP、,再加上超文本链接,HTTP、,动态网页发布等互联网上的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。,6.过去以太网在工业自动化领域应用有限,（1）,以太网采用,CSMA/CD,碰撞检测方式：网络的不确定性,（2）,以太网所用的接插件(,connector)、,集线器(,hub)、,交换机(,switches),和电缆等不符合工业现场恶劣环境的要求。,（3）,以太网抗干扰性能较差，不具备本质安全性能。,（4）,以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。,7.现场总线与以太网融合,在现场总线协议中，为提高传输效率，一般只定义七层协议中的物理层、数据链路层和应用层。,为与以太网融合，通常在数据包前加入,IP,地址，并通过,TCP,来进行数据传递。,如今的控制网络中，以太网己经成为企业层和控制层的主要网络技术。,11.2 工业以太网的技术优势,1.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。,（3）,用户拥有成本下降。,（4）,以太网易与,Internet,集成。,2.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人，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。,（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。,（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。,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。,11.3 工业以太网互连模型,物理层与数据链路层采用,IEEE802.3,规范,网络层与传输层采用,TCP/IP,协议组,应用层的一部分可以沿用上面提到的那些互联网应用协议。,11.4 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。,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。,11.5 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,、5,Mbit/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。,11.6 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,lP,和以太网技术，当前快速发展的,IT(information technology),技术已成为工业控制网络中的一部分。,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。,当前流行的,OPC(OLE for Process,Control)、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,Chip Sever,的,Internet,芯片，从而使,Internet,无处不在的理念得到实现。,还可以在现场设备中嵌人称之,Chip Sever,的,Internet,芯片，从而使,Internet,无处不在的理念得到实现。,WindowsNT,对以太网驱动程序的支持，将使其成为工业控制中最合适的操作系统。,WindowsCE,也被认为是设备合适的嵌人式操作系统。,Windows NT,会占据80%的市场分额,Windows CE,以其实时功能占据16%,剩下的4%是专用系统,从信息集成的观点来看，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接，将底层信息集成到车间、公司级的数据库中，甚至通过,WEB,方式测览和交互控制。,因此，有专家预言，现场总线技术与以太网技术相结合将是未来发展的方向。,第二部分 第11章 复习题,1.什么是工业以太网？,2.工业以太网的协议结构包含哪几层？分别说明各自的作用？,3.为什么过去以太网在工业自动化领域应用比较有限？,4.以太网技术作为现场总线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解决措施？,