11-現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)第 11 章 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)11.1 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)11.4 常用工業(yè)以太網(wǎng)n現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)nIECIEC規(guī)范中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的描述規(guī)范中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的描述：一：一種應(yīng)用于種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與監(jiān)控裝置之間實(shí)行場(chǎng)控制設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與監(jiān)控裝置之間實(shí)行雙向、串雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。n工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)：n由多個(gè)分散在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、具有數(shù)字通信能力的測(cè)量控制儀由多個(gè)分散在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、具有數(shù)字通信能力的測(cè)量控制儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而形成的網(wǎng)絡(luò)表作為網(wǎng)絡(luò)

2、節(jié)點(diǎn)而形成的網(wǎng)絡(luò)n以以現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信連接現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信連接的的紐帶，完成紐帶，完成測(cè)量控制任務(wù)的網(wǎng)測(cè)量控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)n工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)特殊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特殊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)11.1現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)減少了接線與安裝4- 20 mAISISISISISFieldbus傳統(tǒng)的4-20MA接線方式多個(gè)設(shè)備共用一個(gè)本安柵，多個(gè)設(shè)備共用一個(gè)本安柵，一對(duì)接線一對(duì)接線現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述FCSDCSI/O CPU.FCSDCSFCSDCS工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求n（1）實(shí)時(shí)性好：實(shí)時(shí)性好：不僅需要傳輸速度快，而且還要求響應(yīng)快；能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，把數(shù)據(jù)傳輸給指定設(shè)備

3、。n（2）可靠性和容錯(cuò)性好：可靠性和容錯(cuò)性好：既能安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，也能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作；在網(wǎng)絡(luò)局部故障時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)重建新連接。n（3）環(huán)境適應(yīng)性好：環(huán)境適應(yīng)性好：機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性好，如耐振動(dòng)、耐沖擊等；氣候環(huán)境適應(yīng)性好，如溫度要求4085度、耐腐蝕、防塵、防水等；電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN500081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。11.1現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求n（4）開(kāi)放性和可擴(kuò)展性好。n（5）安全性要求：安全性要求：在易燃易爆的場(chǎng)合使用時(shí)，要求產(chǎn)品具備防爆性能，包括隔爆和本質(zhì)安全；防病毒、訪問(wèn)權(quán)控制、數(shù)據(jù)加密等。n（6）總線供電要求：總線供電要求：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)

4、絡(luò)不僅能傳輸信息，還能為現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備提供工作電源。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)總線供電進(jìn)行了規(guī)范。n（7）安裝要求：安裝要求：適應(yīng)工業(yè)環(huán)境安裝；方便調(diào)試和維修。11.1現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)n現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物（3C） ，適應(yīng)企業(yè)信息集成系統(tǒng) 、管理控制一體化系統(tǒng)的發(fā)展需要。nIT技術(shù)在自控領(lǐng)域的延伸;自控領(lǐng)域的IT技術(shù)11.1現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn)n適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，多為短幀傳送。n要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好。n通信的傳輸速率相對(duì)較低。現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀n多種總線共存，每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域n每種總線各有其國(guó)際組織，均有

5、其支持背景n設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織n多種總線均作為國(guó)家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)n協(xié)調(diào)共存n工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域Type1 TS61158現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type2 CIP現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type3 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type4 P2NET現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type5 FF HSE高速以太網(wǎng)高速以太網(wǎng)Type6 SwiftNet被撤消被撤消Type7 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type8 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type9 FF H1 現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type10 PROFINET RTEIEC61158第四版中列出的第四版中列出的20種現(xiàn)場(chǎng)種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)Type11

6、TCnet RTEType12 EtherCAT RTEType13 Ethernet Powerlink Type14 EPA RTEType15 Modbus2 RTPS RTEType16 SERCOS.現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type17 VNET/ IP RTEType18 CC2Link現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線Type19 SERCOS RTEType20 HART現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線RTE(real-time ethernet)：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)互連網(wǎng)Internet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet底層控制網(wǎng)Infranet企業(yè)資源規(guī)劃層ERP制造執(zhí)行層MES現(xiàn)場(chǎng)控制層FCS1

7、1.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述E網(wǎng)到底11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)n由于不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性，以太網(wǎng)在工控領(lǐng)域沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。n通過(guò)實(shí)時(shí)通訊增強(qiáng)技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)也可滿足工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性要求和工業(yè)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)要求，這種改進(jìn)后的以太網(wǎng)被稱為工業(yè)以太網(wǎng)。 n工業(yè)以太網(wǎng)是指在技術(shù)上與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材質(zhì)、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性等方面能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、環(huán)境、可靠性、安全性等要求的以太網(wǎng)。11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)n工業(yè)以太網(wǎng)源于普通以太網(wǎng)。n可滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，利于管控一體化。n設(shè)備成本下降，用戶維護(hù)成本下降。n易與

8、Internet集成。n廣泛的開(kāi)發(fā)技術(shù)支持，大量的現(xiàn)有軟件資源。11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)的要求工業(yè)以太網(wǎng)的要求n既要在技術(shù)上兼容商業(yè)以太網(wǎng)，又必須滿足工控網(wǎng)絡(luò)通訊的技術(shù)要求。n對(duì)于無(wú)實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)工作方式?jīng)]有問(wèn)題；對(duì)于有實(shí)時(shí)要求的數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)需要解決實(shí)時(shí)通訊問(wèn)題，才能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。n產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、可靠性、抗干擾能力、實(shí)時(shí)性等方面都要滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)用需求。11.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求 工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備商用以太網(wǎng)設(shè)備商用以太網(wǎng)設(shè)備元器件元器件

9、工業(yè)級(jí)工業(yè)級(jí)商業(yè)級(jí)商業(yè)級(jí)接插件接插件耐腐性、防塵、防水，如加固型耐腐性、防塵、防水，如加固型RJ45RJ45、DBDB9 9、航空接頭等、航空接頭等一般一般RJ45RJ45工作電壓工作電壓24VDC24VDC220VAC220VAC電源冗余電源冗余雙電源雙電源一般沒(méi)有一般沒(méi)有安裝方式安裝方式可采用可采用DINDIN導(dǎo)軌或其它固定安裝導(dǎo)軌或其它固定安裝桌面、機(jī)架等桌面、機(jī)架等工作溫度工作溫度-40-408585或或-20-2070705 54040電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)EN 50081EN 500812 2（工業(yè)級(jí)（工業(yè)級(jí)EMCEMC）EN 50082EN 500822 2( (工業(yè)級(jí)工業(yè)級(jí)E

10、MC)EMC)EN 50081EN 500812 2（辦公室用（辦公室用EMCEMC）EN 50082EN 500822 2( (辦公室用辦公室用EMC)EMC)MTBFMTBF值值至少至少1010年年3 35 5年年可靠的連接航空插頭連接航空插頭連接11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)高的防護(hù)等級(jí)：IP65n防塵防塵 完全防止外物侵入，且可完全防止灰塵進(jìn)入。完全防止外物侵入，且可完全防止灰塵進(jìn)入。n防止噴射的水侵入防止噴射的水侵入 防止各自各方向由噴嘴射出的水防止各自各方向由噴嘴射出的水進(jìn)入燈具造成損害。進(jìn)入燈具造成損害。IPIP（INGRESS PROTECTIONINGRESS PROTECTI

11、ON）防護(hù)等級(jí)系統(tǒng)是由）防護(hù)等級(jí)系統(tǒng)是由IECIEC所起草。將燈具所起草。將燈具依其防塵防濕氣之特性加以分級(jí)依其防塵防濕氣之特性加以分級(jí)。這里所指的外物含工具，人的手指等均不可接觸到燈這里所指的外物含工具，人的手指等均不可接觸到燈具內(nèi)之帶電部分，以免觸電。具內(nèi)之帶電部分，以免觸電。IPIP防護(hù)等級(jí)是由兩個(gè)數(shù)字防護(hù)等級(jí)是由兩個(gè)數(shù)字所組成，第所組成，第1 1個(gè)數(shù)字表示燈具離塵、防止個(gè)數(shù)字表示燈具離塵、防止外物侵入外物侵入的等的等級(jí)，第級(jí)，第2 2個(gè)數(shù)字表示燈具防濕氣、防水侵入的個(gè)數(shù)字表示燈具防濕氣、防水侵入的密閉程度密閉程度，數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越高數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越高11.3 工業(yè)以太網(wǎng)

12、關(guān)鍵技術(shù)IP防護(hù)第一個(gè)標(biāo)號(hào)第一個(gè)標(biāo)示特性號(hào)碼（數(shù)字）所指的人物侵入防護(hù)程度 0 沒(méi)有防護(hù) 對(duì)外界的人或物無(wú)特殊防護(hù)。 1 防止大于50mm的固體物體侵入 防止人體（如手掌）因意外而接觸到燈具內(nèi)部的零件。防止較大尺寸（直徑大于50mm）的外物侵入。 2 防止大于12mm的固體物體侵入 防止人的手指接觸到燈具內(nèi)部的零件防止中等尺寸（直徑大12mm）的外物侵入。 3 防止大于2.5mm的固體物體侵入 防止直徑或厚度大于2.5mm的工具、電線 或類似的細(xì)節(jié)小外物侵入而接觸到燈具內(nèi)部的零件。 4 防止大于1.0mm 的固體物體侵入 防止直徑或厚度大于1.0mm的工具、電線或類似的細(xì)節(jié)小外物侵入而接觸到燈

13、具內(nèi)部的零件。 5 防塵 完全防止外物侵入，雖不能完全防止灰塵進(jìn)入，但侵入的灰塵量并不會(huì)影響燈具的正常工作。 6 防塵 完全防止外物侵入，且可完全防止灰塵進(jìn)入。 第二個(gè)標(biāo)示特性號(hào)碼（數(shù)字）所指防水防護(hù)程度 0 沒(méi)有防護(hù) 沒(méi)有防護(hù)。 1 防止滴水侵入 垂直滴下的水滴（如凝結(jié)水）對(duì)燈具不會(huì)造成有害影響。 2 傾斜15度時(shí)仍可防止滴水侵入 當(dāng)燈具由垂直傾斜至15度時(shí)，滴水對(duì)燈具不會(huì)造成有害影響。 3 防止噴灑的水侵入 防雨，或防止與垂直的夾角小于60度的方向所噴灑的水進(jìn)入燈具造成損害。 4 防止飛濺的水侵入 防止各方向飛濺而來(lái)的水進(jìn)入燈具造成損害。 5 防止噴射的水侵入 防止各自各方向由噴嘴射出的水

14、進(jìn)入燈具造成損害。 6 防止大浪的侵入 裝設(shè)于甲板上的燈具，防止因大浪的侵襲而進(jìn)入造成損壞。 7 防止浸水時(shí)水的侵入 燈具浸在水中一定時(shí)間或水壓在一定的標(biāo)準(zhǔn)以下能確保不因進(jìn)水而造成損壞。 8 防止沉沒(méi)時(shí)水的侵入 燈具無(wú)限期的沉沒(méi)在指定水壓的狀況下，能確保不因進(jìn)水而造成損壞。 IP防護(hù)第二個(gè)標(biāo)號(hào)ESM: Electrical Switch Module無(wú)故障無(wú)故障:冗余管理器分隔冗余管理器分隔線端線端應(yīng)用于故障安全的骨應(yīng)用于故障安全的骨干網(wǎng)絡(luò)中干網(wǎng)絡(luò)中冗余技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)ESM: Electrical Switch Module有故障有故障:冗余管理器連冗余管理器連接線端接線端應(yīng)

15、用于故障安全應(yīng)用于故障安全的骨干網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)絡(luò)中冗余技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)冗余雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)冗余雙環(huán)網(wǎng)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)方法一方法一n修改MAC層協(xié)議來(lái)獲取確定性調(diào)度，通過(guò)改變CSMA/CD的運(yùn)行機(jī)制來(lái)滿足確定性和實(shí)時(shí)性。但不采用CSMA/CD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)已不是以太網(wǎng)了。方法二方法二n在保留以太網(wǎng)接口的基礎(chǔ)上，通過(guò)在MAC層上增加一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)度軟件層，來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性和確定性。是基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)IC芯片，通過(guò)修改既有的軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。典型的做法有虛擬時(shí)間協(xié)議、窗口協(xié)議和通訊平滑協(xié)議等。11.3 工業(yè)

16、以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)方法三方法三n采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)，則交換機(jī)各端口之間的輸入和輸出不受CSMA/CD機(jī)制的約束，避免了沖突。以太網(wǎng)的通訊實(shí)時(shí)性有了保障。方法四方法四n降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載：因?yàn)楣I(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)量很小，且沒(méi)有突發(fā)性的大數(shù)據(jù)流量，通過(guò)限制每個(gè)網(wǎng)段站點(diǎn)的數(shù)量，可降低網(wǎng)絡(luò)流量，滿足實(shí)時(shí)性要求。 11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方法五方法五n采用報(bào)文優(yōu)先級(jí)技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先進(jìn)進(jìn)排隊(duì)系統(tǒng)接受服務(wù)。通過(guò)優(yōu)先級(jí)排序，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的緊急事務(wù)信息能夠及時(shí)成功地傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，以得到及時(shí)處理。方法六方法六n采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)?？梢愿鶕?jù)職能、對(duì)象和應(yīng)用

17、等需求不同，可以將不同地理位置的站點(diǎn)劃為1個(gè)邏輯網(wǎng)段，形成一個(gè)VLAN。不同的VLAN相互隔離，避免廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方法七方法七n采用IPV6技術(shù)。IPV6技術(shù)具有簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)報(bào)頭、路由器處理數(shù)據(jù)更快、具有優(yōu)先級(jí)、具有流標(biāo)識(shí)等功能，可對(duì)報(bào)文做進(jìn)一步控制。方法方法八八n上述方法的合理集成實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)11.3 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)體系以太網(wǎng)物理層SynqNetPowerLinkIT通用應(yīng)用層協(xié)議：SNMP、SNTP、TELNET、FTP、HTTP、PPP、DHCP、 Ethernet/IPProfiNetSRT/IRT傳

18、輸層協(xié)議 UDP/TCP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 IP標(biāo)準(zhǔn)通道FF HSE以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（RFC894/RFC1042）11. 常用工業(yè)以太網(wǎng)幾種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通信參考模型比較幾種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通信參考模型比較n采用在TCP/IP之上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，包括EtherNet/IP、MODBUS-TCP等方案11. 常用工業(yè)以太網(wǎng)IPTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSNMPIEEE 802.3 EthernetIPTCPCIPUpper Layers(Session, Presentation, Application, Device Profiles)Data Link & Physical LayersNetwork LayerTransport LayerExplicitMessagingRe