第8章工業(yè)以太網(wǎng)

一、工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介二、以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)三、TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)一、工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)二、工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)三、通信非確定性的緩解措施8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)一、工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)源于以太網(wǎng)而又不同于普通以太網(wǎng)?！窕ヂ?lián)網(wǎng)及普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用的以太網(wǎng)技術(shù)原本并不適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用需要，通過(guò)對(duì)普通以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信實(shí)時(shí)性改進(jìn)，工業(yè)應(yīng)用環(huán)境應(yīng)用性的改造，并添加了一些控制應(yīng)用功能后，形成工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)主體?！窆I(yè)以太網(wǎng)要在繼承和部分繼承以太網(wǎng)原有核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)適應(yīng)工業(yè)環(huán)境性、通信實(shí)時(shí)性、時(shí)間發(fā)布、各節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)的功能安全與信息安全等問(wèn)題，提出相應(yīng)的解決方案，并添加控制應(yīng)用功能，還要針對(duì)某些特殊的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合提出的網(wǎng)絡(luò)供電、本安防爆等要求給出解決方案。8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)一、工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)●以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)原有的核心技術(shù)是工業(yè)太網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，而對(duì)以太網(wǎng)實(shí)行環(huán)境適應(yīng)性、通信實(shí)時(shí)性等相關(guān)改造、擴(kuò)展的部分，成為工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)。●目前工業(yè)以太網(wǎng)的代表技術(shù)有：FF中高速網(wǎng)段HSE，PROFIBUS的上層網(wǎng)段PROFINET，Modbus/TCP和EtherNet/IP。●在控制器、PLC測(cè)量變送器、執(zhí)行器、I/O卡等設(shè)備中嵌入以太網(wǎng)通信接口，嵌入TCP/IP協(xié)議，嵌入WebServer便可形成支持以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議和Web服務(wù)器的Internet現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)。借助IE等通用的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視與控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，也是工業(yè)以太網(wǎng)的一個(gè)有效解決方案。8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)一、工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)

以太網(wǎng)的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.3的規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用TCP/IP協(xié)議組，應(yīng)用層采用簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議SMTP、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP、域名服務(wù)DNS、文件傳輸協(xié)議FTP、超文本鏈接HTTP等應(yīng)用協(xié)議。這些是以太網(wǎng)已有的核心和生命力所在。7654321以太網(wǎng)應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層OSI參考模型應(yīng)用協(xié)議以太網(wǎng)物層IP以太網(wǎng)MACTCP/UDP8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)二、工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)(1)應(yīng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的特色技術(shù)●工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的改造措施，很重要的一方面是打造工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

●針對(duì)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境需要、具有相應(yīng)防護(hù)等級(jí)的產(chǎn)品稱之為工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，防護(hù)級(jí)工業(yè)產(chǎn)品是工業(yè)以太網(wǎng)特色技術(shù)之一，這也是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初要注重材質(zhì)、元器件工作溫度范圍的選擇。(2)應(yīng)對(duì)通信非確定性的緩解措施普通以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)的媒體訪問(wèn)控制方式，這種平等競(jìng)爭(zhēng)的非確定性網(wǎng)絡(luò)，不能滿足控制系統(tǒng)對(duì)通信實(shí)時(shí)性、確定性的要求，被認(rèn)為不適合用于底層工業(yè)控制，這是以太網(wǎng)進(jìn)入控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域在技術(shù)上的最大障礙。8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)二、工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)(3)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)●實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是在應(yīng)對(duì)工業(yè)控制中通信實(shí)時(shí)性、確定性從而提出的根本解決方案，自然屬于工業(yè)以太網(wǎng)的特色和核心技術(shù)。站在控制網(wǎng)絡(luò)的角度看，工作在現(xiàn)場(chǎng)控制層的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，實(shí)際上屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)新類型。

●EtherNet/IP，PROFINET,P-Net,Interbus,VNET/IP,TCnet,EtherCAT,EtherNetPowerlink,EPA（EthernetforProcessAutomation）,Modbus-RTPS,SERCOS-Ⅲ。(4)網(wǎng)絡(luò)供電

●

網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)在用于傳輸數(shù)字信號(hào)的同時(shí)，還為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳遞工作電源者，被稱之為網(wǎng)絡(luò)供電。

●工業(yè)以太網(wǎng)目前有兩種供電方式，一種利用5類雙絞線現(xiàn)有的信號(hào)接收與發(fā)送兩對(duì)線纜，另外一種采用5類線纜中空閑線對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)二、工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)(5)本質(zhì)安全本質(zhì)安全是指將送往易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)合的能量，控制在引起火花所需能量的限度之內(nèi)，從根本上防止在危險(xiǎn)場(chǎng)合產(chǎn)生火花而使系統(tǒng)安全得到保障。目前以太網(wǎng)收發(fā)器的功耗較高，設(shè)計(jì)低功耗以太網(wǎng)設(shè)備還存在一些難點(diǎn)，真正符合本質(zhì)安全要求的工業(yè)以太網(wǎng)還有待進(jìn)一步努力。對(duì)應(yīng)用于危險(xiǎn)場(chǎng)合的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等，目前一般采取隔爆型作為防爆措施。工業(yè)以太網(wǎng)的特色技術(shù)還有許多，如應(yīng)用層的控制應(yīng)用協(xié)議，控制功能塊，控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間發(fā)布與管理，都是以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)中原先不曾涉及的技術(shù)。8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)三、通信非確定性的緩解措施工業(yè)以太網(wǎng)可利用以太網(wǎng)原本具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，緩解其通信非確定性弊端對(duì)控制實(shí)時(shí)性的影響。這些措施主要涉及以下方面：(1)利用以太網(wǎng)的高通信速率

●相同通信量的條件下，提高通信效率可以減少通信信號(hào)占用傳輸介質(zhì)的時(shí)間，從一個(gè)角度為減少信號(hào)的碰撞沖突、解決以太網(wǎng)通信的非確定性提供了途徑。

●以太網(wǎng)的通信速率從10Mb/s、100Mb/s提高到1Gb/s，以至更高，對(duì)于一般控制網(wǎng)絡(luò)通信速率而言，通信效率的提高是明顯的，因而對(duì)減少碰撞沖突也是有效的。8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)三、通信非確定性的緩解措施(2)控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷

●從另一個(gè)角度看，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)一般控制系統(tǒng)通信確定性的要求。(3)采用全雙工以太網(wǎng)技術(shù)采用全雙工以太網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)處于全雙工的通信環(huán)境下，也可以明顯提高網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。全雙工設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這樣更具備通信確定性的條件。8.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)三、通信非確定性的緩解措施(4)采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)

●在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)傳輸介質(zhì)，共享網(wǎng)絡(luò)的固定帶寬。

●交換機(jī)接收并存儲(chǔ)通信幀，根據(jù)目的地址和端口地址表，把通信幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的輸出端口，為連接在其端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)立的帶寬。使不同設(shè)備之間產(chǎn)生沖突的可能性大大降低。應(yīng)該指出的是，采取上述措施可以使以太網(wǎng)通信的非確定性問(wèn)題得到相當(dāng)程度的緩解，但仍然沒(méi)有從根本上完全解決通信的確定性與實(shí)時(shí)性問(wèn)題。要使工業(yè)以太網(wǎng)完全適應(yīng)控制實(shí)時(shí)性的要求，應(yīng)采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)的物理連接二、以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)三、以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與工業(yè)數(shù)據(jù)封裝8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)的物理連接RJ-45插頭和制作工具8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)的物理連接IP防護(hù)等級(jí)

IP（INGRESSPROTECTION）防護(hù)等級(jí)系統(tǒng)是由IEC（INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION）所起草。將燈具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具內(nèi)之帶電部分，以免觸電。IP防護(hù)等級(jí)是由兩個(gè)數(shù)字所組成，第1個(gè)數(shù)字表示燈具離塵、防止外物侵入的等級(jí)，第2個(gè)數(shù)字表示燈具防濕氣、防水侵入的密閉程度，數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越高，兩個(gè)標(biāo)示數(shù)字所表示的防護(hù)等級(jí)如表一及表二所示：表一：第一個(gè)標(biāo)示特性號(hào)碼（數(shù)字）所指的防護(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。表二：第二個(gè)標(biāo)示特性號(hào)碼（數(shù)字）所指的防護(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。

8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)的物理連接工業(yè)以太網(wǎng)物理連接8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)的物理連接雙絞線中電線的功能分配8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)的物理連接具有不同類型接口的網(wǎng)卡8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)的物理連接現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)二、以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)具體定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的封裝格式，如圖所示。前導(dǎo)碼幀前定界碼目的MAC源MAC類型 數(shù)據(jù) CRC7字節(jié)1字節(jié)6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)46-1500字節(jié)4字節(jié)G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1CRC-32:以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)與封裝過(guò)程三、以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與工業(yè)數(shù)據(jù)封裝8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)三、以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與工業(yè)數(shù)據(jù)封裝TCP/IP封裝的工業(yè)控制數(shù)據(jù)包8.2以太網(wǎng)的物理連接與幀結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)三、以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與工業(yè)數(shù)據(jù)封裝●工業(yè)以太網(wǎng)中通常利用TCP/IP協(xié)議來(lái)發(fā)送非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而用UDP/IP來(lái)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?！穹菍?shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)包的大小經(jīng)常變化，且發(fā)送時(shí)間不定。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)包短，需要定時(shí)或周期性通信。●TCP/IP一般用來(lái)傳輸組態(tài)和診斷信息，UDP/IP用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)?！瘳F(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線上層(高速)網(wǎng)段的場(chǎng)合，通常會(huì)采用TCP/IP和UDP/IP協(xié)議來(lái)包裝現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)，讓現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段的數(shù)據(jù)借助以太網(wǎng)通過(guò)傳送到管理層，或異地的另一現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上。8.3TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)一、TCP/IP協(xié)議組二、IP協(xié)議三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP四、傳輸控制協(xié)議TCP五、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP6.3TCP/IP協(xié)議組一、TCP/IP協(xié)議組SMTPDNSSNMPSNTP8.3TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)二、IP協(xié)議IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式8.3TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)二、IP協(xié)議IPv6●

IPv6是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版“InternetProtocolVersion6”的縮寫。IPv6是IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程工作組）為了代替現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP第4版（IPv4）而推出的下一代協(xié)議版本?！馡Pv4已有差不多20年歷史，IPv4地址空間越來(lái)越少，所有需要加入互聯(lián)網(wǎng)的新設(shè)備需要更大的地址空間。IPv6將IP地址從32位擴(kuò)充為128位之后，據(jù)稱能為地球上每一個(gè)沙粒配備一個(gè)唯一的IP地址。不管這一說(shuō)法是否夸張，但它的確為控制網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備各自提供一個(gè)全球唯一的IP地址提供了可能，這為控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展添加了新的活力。8.3TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP是一個(gè)無(wú)連接的端到端的傳輸層協(xié)議，僅僅為來(lái)自上層的數(shù)據(jù)增加端口地址、校驗(yàn)和以及長(zhǎng)度信息。UDP所產(chǎn)生的包稱為用戶數(shù)據(jù)報(bào)。

UDP的報(bào)文格式.3TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)四、傳輸控制協(xié)議TCP傳輸控制協(xié)議為用戶提供完整的傳輸層服務(wù)。●

TCP是一個(gè)可靠的面向連接的端到端協(xié)議。通信兩端在傳輸數(shù)據(jù)之前必須先建立連接?！?/p>

TCP通過(guò)創(chuàng)立連接，在發(fā)送者和接收者之間建立起一條虛電路，這條虛電路在整個(gè)傳輸過(guò)程中都是有效的?！?/p>

TCP通知接收者即將有數(shù)據(jù)到達(dá)來(lái)開始一次傳輸，同時(shí)通過(guò)連接中斷來(lái)結(jié)束連接。●通過(guò)這種方法，使接收者知道這是一次完成的傳輸過(guò)程，而不僅僅是一個(gè)包。8.3TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)四、傳輸控制協(xié)議TCPTCP的報(bào)文格式8.3TCP/IP協(xié)議組工業(yè)以太網(wǎng)五、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMPSNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)屬于應(yīng)用層協(xié)議?！?/p>

管理程序和代理程序按客戶服務(wù)器方式工作?！?/p>

管理程序運(yùn)