《工业以太网介绍》PPT课件

为什么以前不用Ethernet作现场总 线
Ethemet区别于其他网络(如令牌网、令牌环网、主从式网络等)的重要特点是，它 采用的介质访问控制方法一CSM A／CD(carrier sense multiple access with collision detection，冲突检测载波监听多点访问),是一种非确定性或随机性通信方 式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其 空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或更多的节点监听到网 络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长 度的时间后重新发送。16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信 息。
工业以太网介绍
---源自文库MRON：邹竹
现场总线的结构
• 物理层：定义了现场总线的 传输介质(双绞线、同轴电缆、 光纤和无线电)、传输速率最 大传输距离、拓扑结构及信 号类型等
• 数据链路层：为所有连接封 同一物理通道上的应用进程 提供实时协调管理，规定物 理层与应用层之间的接口， 信息传输的差错校验等。
• 是否可以通过提高网络波特率解决这些问题呢？答案是否定的。其根本原因在于，影 响网络吞吐量（Throughput）的三个要素中，除了波特率，还包括协议的效率和通讯 的模式。用以太网（典型1 500字节长）去处理位元（bit）信息显然效率不高。其实 核心的要素是网络通讯模式对网络带宽的使用效率和不同网络服务的优先级处理问题。 毕竟，网络波特率即便大幅提升，终究有一定限制，是有限的资源。
-----不确定性导致网络可靠性很差
Ethemet没有用于现场总线的另外一个重要原因是，作为工业现场智能设备的核心 组成部分— — 微处理器，在20世纪80年代时还处于初期发展阶段，功能简单，数字 处理能力不强，不能处理Ethemet上“捆绑”使用的TCP／IP协议。
----处理能力差导致系统不能有效识别和处理现场信息，导致系统安全性差
对于现场总线的要求
• 三个“C”恰好可以完整描述人们对工业网络典型的功能要求。而且通常这三种功能是 从顶层到底层，随时随地、贯穿始终的。很难想象，底层丰富的诊断数据如果不能方 便地在整个网络架构中提取和共享，这种诊断的实际意义有多大。但是很显然，这三 种网络功能（Services）在数据传送量、实时性要求、发生特性上都有着极大的区别， 甚至可以说将其融合在一根总线上存在本质上的冲突和矛盾。如何解决这一矛盾？我 们的问题是： (1) 是否可以通过提高总线波特率解决这些矛盾？ (2) 三层网络本身存在纵向集成问题，如何跨越不同的网络层次完整集成这些功能 (3) 是否可以使用某种代理（Proxy）或者网关来实现这些功能？ (4) 什么是真正可行的解决方案？
三层网络架构的缺点
1.三层网络没有通用的路由服务支持，必须借助于控制器或者网关设备完成不同层次之间 的信息传递 。
2.传统的主从模式的网络是基于轮询或者主从扫描方式工作的，控制器必须要占用其宝贵 的处理能力来管理通讯，同时用户必须调用相应的功能块，或编写特定的路由表来完 成通讯的任务。这样不仅加重了处理器的负荷，影响系统实时控制性能，而且非专业 人员很难达到底层的深度透明访问。这也就是传统系统只能提供有限诊断，甚至网络 的浏览也只能限定在静态访问的原因
3.拓展性较差，对于大规模应用有较高限制，特别是对于后期追加拓展，面临系统容量限 制。
4.对于形成整体的网络，存在风险节点，网络生存性差。 5.信息集成能力不强。控制站所获取的管理信息有限，大量的数据如设备参数、故障及故
障记录等数据很难得到，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换与信息共享 可靠性不易保证。只是将控制分散到若干局部，而未能实现危险的彻底分散。大量I/O 电缆敷设施工，不仅增加了成本，也增加了系统的不可靠性。 6.可维护性不高。由于现场设备信息不全，其在线故障诊断、报警、记录功能不强，很难 完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性
• 应用层：定义现场总线的命 令、响应、数据和事件。分： 为用户层提供服务的FMS (Fieldbus Messaging Speeication)和与数据链路 层连接的FAS(F|eld bus Aeee~Sublaye)两个子层。
之前工厂现场总线结构
• 现场设备层（Control）：典型的包括远程I/O控制、智能型设备如变频器实时网络控制、 控制器之间通过网络实现的互锁功能等。典型特点是：数据成组，数据块大小有限但是 强调快速、可重复、确定性的通讯。典型地开关量信号5~10毫秒、模拟量40~200毫秒刷 新等。某些通过实时总线连接的就地操作员（EOI）站也可归为这一类通讯
• 控制层网络（Collect）：通过网络完成的数据采集和发送。如上位HMI完成数据采集和 监视控制，同时也包括系统诊断信息的提取等。典型特点是数据通讯量大，要求周期性 或者应系统需要实现通讯，典型刷新时间500~1 000毫
• 管理层（Configure）：过网络完成就地和远程设备以及系统的设置、组态，程序的上 载、下载等任务，包括提供路由支持，实现网络设备的定位或者状态浏览功能。典型特 点是通讯任务为人为型、突发型，数据传送量非常大
引入Ethernet的必要性
工业以太网发展动力在于以下几点 1.自动化系统需要将生产流程中的所有东西联网，从最底层传感器到公司内部网
（Intranet）,以实现对于生产过程更为高效的控制 2.现代化生产需要工业网络尽可能扁平，最好是单一网络从顶层到车间一网到底，以
减少培训，安装和库存方面的费用 3.技术条件成熟使得以太网到工业现场成为可能。 4.最重要的原因是人们对于生产系统信息化的需求，以应对新经济条件下日益激烈的
竞争，生产企业必须不断优化生产过程，提高产出的同时最大限度的利用生产资源， 并且企业需要保证整个生产系统非预期的停机时间减少，以减少因此带来的损失，另 外在产品周期越来越短的情况下，客户对于产品的个性化需求也在日益提高，都要求 生产系统能够在最短时间内完成产品生产的组态或者组态变更，以缩短产品投放市场 的时间。日益严格的行业法规也越来越要求生产组织者能以最有效方式来满足这些法 规，同时给监管者提供生产方面最大的透明性。基于以上原因使得工业以太网在生产 管理方面的作用越来越突出。 5Ethernet/IP提供了在MES、ERP系统中通用的标签，以满足在构建企业信息化系统中 对于底层信息的调用和定义。并且减少了底层数据的变化导致整个系统重新组态的风 险