現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)第十章-工業(yè)以太網(wǎng)(第3版)課件

1、 第十章 工業(yè)以太網(wǎng)第章 工業(yè)以太網(wǎng) .1工業(yè)以太網(wǎng)概述.2工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議結(jié)構(gòu).3第三節(jié) 工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用.1工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)以太網(wǎng) (Industrial Ethemmet)，就是在以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，即應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)。一、以太網(wǎng)1、以太網(wǎng)的發(fā)展史1982年12月，IEEE通過(guò)了802.3CSMA/CD規(guī)范，定義了以太網(wǎng)的物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層；1990年推出交換以太網(wǎng)技術(shù)；1993年推出全雙工以太網(wǎng)技術(shù)。到2003年IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)支持同軸電纜、非屏蔽雙絞線（UTP，Unshielded

2、Twisted Paired）、光纖等傳輸介質(zhì)，支持的通信波特率從1Mbit/s、10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s和10Gbit/s，進(jìn)入了高速以太網(wǎng)時(shí)代。尤其IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)支持UTP的使用（電話線用的也是UTP），可以使用現(xiàn)成的電話線組網(wǎng)，不必重新布線，其安裝維護(hù)方便，成本低廉特性，使以太網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義了近20種以太網(wǎng)。分類的依據(jù)主要是傳輸介質(zhì)和通信波特率的不同。2、以太網(wǎng)種類以太網(wǎng)類型名稱分為三段：名稱最前面是數(shù)字，表示通信波特率；名稱中間是BASE或BROAD，表示網(wǎng)絡(luò)是寬帶還是基帶；名稱最后面如果是數(shù)字表示網(wǎng)段的最大

3、長(zhǎng)度，如果是字母T表示傳輸介質(zhì)是雙絞線，如果是字母F表示傳輸介質(zhì)是光纖。、以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)(1)應(yīng)用廣泛。(2)成本低廉。(3)通信速率高。(4）軟硬件資源豐富。(5)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆?6)易于與Internet連接，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無(wú)縫集成。4、以太網(wǎng)的非確定性問(wèn)題以太網(wǎng)通信的非確定性是以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域的最大障礙?？刂凭W(wǎng)絡(luò)最大特點(diǎn)在于它應(yīng)該滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被稱之為非確定性 (non-deterministic)網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。1、工業(yè)以太網(wǎng)解決非確定性問(wèn)題的措施 （1）提高

4、通信速率 以太網(wǎng)的通信速率一再提高，從10Mbit/s，100Mbit/s到千兆以太網(wǎng)技術(shù)的成功應(yīng)用，眼下其速率還在進(jìn)一步提高。通信速率的提高是明顯的，對(duì)減少碰撞沖突也是有效的。 （2）控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷 減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也可以減少信號(hào)的碰撞沖突，提高網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。研究結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于滿負(fù)荷的30%時(shí)，以太網(wǎng)基本可以滿足對(duì)控制系統(tǒng)通信確定性的要求。二、工業(yè)以太網(wǎng)出現(xiàn)及發(fā)展（3）采用以太網(wǎng)絡(luò)的全雙工交換技術(shù) 采用以太網(wǎng)交換機(jī)，將網(wǎng)絡(luò)切分為多個(gè)網(wǎng)段，就為連接在其端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了獨(dú)立的帶寬，從而有效地降低了各網(wǎng)段和主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，使網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生沖突的可能性大大降低，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。

5、 （4）提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的元件 現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一系列密封性好、堅(jiān)固、抗震動(dòng)的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件，例如導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器、交換機(jī)、帶鎖緊機(jī)構(gòu)的接插件等。它們適合在工業(yè)環(huán)境中使用，為以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制環(huán)境創(chuàng)造了條件。2、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)需解決的問(wèn)題（1）通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題 （2）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性問(wèn)題 （3）總線供電 （4）本質(zhì)安全。(1)環(huán)境適應(yīng)性。包括機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性 (如耐振動(dòng)、耐沖擊)、氣候環(huán)境適應(yīng)性 (工作溫度要求為-4085C ，至少為-20 70C ，并要耐腐蝕、防塵、防水)、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。 (2)可靠性。由于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)

6、環(huán)境惡劣，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。 (3)安全性。在易爆或可燃的場(chǎng)合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質(zhì)安全兩種方式。 (4)安裝方便。適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導(dǎo)軌安裝。3、工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì).工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議結(jié)構(gòu)一、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，均采用了IEEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層則采用了TCP/IP協(xié)議;IP(internetprotocol)用來(lái)確定信息傳遞路線，而TCP(transmissioncontroIprotocol)則是用來(lái)保證傳輸?shù)目煽啃?；通常都省略了?huì)話層、表示層，而定義了用戶層。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二、物理層物

7、理層硬件完成下列功能：（1）數(shù)據(jù)編碼，采用曼徹斯特編碼方式；（2）發(fā)送同步和時(shí)鐘信號(hào)；（3）載波檢出和沖突檢出；（4）位傳送和接收，在數(shù)據(jù)幀前面加入64位的前同步信息如下格式： 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011 前七組均為10101010，最后一組是10101011。給予收發(fā)器電纜上的交流信號(hào)電平，在差動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)的標(biāo)稱值是700mV，（785）。三、數(shù)據(jù)鏈路層分為數(shù)據(jù)封裝和鏈路管理兩個(gè)子層在每個(gè)子層中，發(fā)送和接收是兩個(gè)互相獨(dú)立的部分，數(shù)據(jù)鏈路中的幀格式如圖所示，四、介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議CSM

8、A/CD 在8023以太網(wǎng)MAC層中，對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn)控制采用了載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)協(xié)議CSMA/CD，其主要思想可用先聽(tīng)后說(shuō)，邊說(shuō)邊聽(tīng)來(lái)形象的表示。.工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用一、交換機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)是以交換機(jī)為節(jié)點(diǎn)連接而成。目前工業(yè)交換機(jī)的種類很多，如西門子的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)OSM和ESM等。OSM產(chǎn)品包括OSM TP62、OSM TP22、OSM ITP62、OSM ITP62-LD和OSM BC08。從型號(hào)可以確定OSM交換機(jī)的連接端口類型及數(shù)量，如OSM ITP62-LD，其中“ITP”表示采用工業(yè)屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)；“6”代表電氣接口數(shù)量；“2”代表光纖接口數(shù)量；“LD”代表長(zhǎng)距離。二、通信處理器 常用的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器（CP）包括用在S7PLC站上的：CP243-1系列；CP343-1系列；CP443-1系列等。系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為界分為兩層：工業(yè)以太網(wǎng)以上是監(jiān)控層；工業(yè)以太網(wǎng)以下是控制層。主控制器是西門子公司的S7-300和S7-400 PLC，兩個(gè)控制器分別通過(guò)一個(gè)通信處理器模塊（CP）與以太網(wǎng)連接。三、以太網(wǎng)配置具體的硬件組態(tài)過(guò)程請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)第四章，本節(jié)只說(shuō)明如何使用以太網(wǎng)通訊模塊組態(tài)工業(yè)以太網(wǎng)。1、設(shè)置PG/PC接口詳見(jiàn)本書第七章圖7-5所示，設(shè)置好后，可以連接操作員站與控制器PLC，實(shí)現(xiàn)控制程序的下載與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。2、設(shè)置控制站以太網(wǎng)通信模塊 第十章復(fù)習(xí)題：