煤矿信息化技术
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为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络 也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国 Hirschmann, Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集 线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电 源供电，接插件采用牢固的DB-9 结构。此外，在实际应用 中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏 蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此 提高网络的抗干扰能力和可靠性。
Mod-bus TCP/IP
Profi-Net
HSE
Ethernet/IP
精品课件
丁恩杰教授讲义
（三）工业以太网协议
❖Modbus TCP/IP
该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将 Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结 合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一 个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus 的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定 性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更 加友好。利用网络浏览器便查看企业网内部设备运行情况 。施耐德公司已经为Mod-bus注册了502端口，这样就可以 将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器 ，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。
（一）工业以太网概念
❖ Ethernet为何不能直接应用于工业场合
(1)Ethernet的介质访问控制(MAC)层协议采用带碰 撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)方式，当网 络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制 的实时性要求；
(2)Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆 等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶 劣环境要求；
丁恩杰 教授 中国矿业大学
精品课件
丁恩杰教授讲义
报告提纲
一、工业以太网技术 二、数字化变电所 四、WI-FI无线通信技术 五、研究课题--基于WI-FI的新一代井下救 灾监控指挥系统
精品课件
丁恩杰教授讲义
一、工业以太网技术
（一）工业以太网概念 （二）Ethernet应用于工业现场的关键技术 （三）工业以太网协议 （四）工业以太网的优势
2．不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空 闲线缆为现场设备提供电源。
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丁恩杰教授讲义
（三）工业以太网协议
当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、 FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时， 体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对 象以及工程模型的应用协议，目前还没有统一的 应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应 产品的有以下几种主要协议：
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖安全性
在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易 爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以 及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工 业现场的安全生产。 在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆、防爆的措 施比较可行，即通过对Ethernet现场设备采取增安、气 密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点 火能量不外泄，以保证系统运行的安全性。对于没有严 格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆 措施。
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丁恩杰Βιβλιοθήκη Baidu授讲义
（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖稳定性与可靠性
传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的，没有考虑 工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候 、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了 更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可 靠性、可恢复性及可维护性。
（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖总线供电
总线供电(或称总线馈电)是指连接到现场设备的线缆不 仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对于现 场设备供电可以采取以下方法：
1．在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技 术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频 交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。
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（一）工业以太网概念
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技 术，在技术上与商用以太网(即IEEE 802.3标 准)兼容。产品设计时，在材质的选用、产品 的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可 靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工 业现场的需要。
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖通信确定性与实时性
3.降低网络负载。工业控制网络与商业控制网络 不同，每个结点传送的实时数据量很少，一般为 几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输 也很少发生，因此可以通过限制网段站点数目， 降低网络流量，进一步提高网络传输的实时性。 4.应用报文优先级技术。在智能交换机或集线器 中，通过设计报文的优先级来提高传输的实时性 。
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖通信确定性与实时性
工业以太网采取了以下措施使得该问题基本得到解决： 1．采用快速以太网加大网络带宽。Ether-net的通信速率 从10、100 Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在数据吞吐量相 同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网 络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降，从而提高 其实时性。 2．采用全双工交换式以太网。用交换技术替代原有的总 线型CSMA/CD技术，避免了由于多个站点共享并竞争信道 导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实 现全双工通信，提高信道的利用率。
(3)在工厂环境中，Ethernet抗干扰(EMI)性能较差 ，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性；
(4)Ethernet不能通过信号线向现场设备供电问题 。
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（一）工业以太网概念 随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet传 输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，上述 问题在工业以太网中正在迅速得到解决。
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖安全性
工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵 与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关 或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过 权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。
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Mod-bus TCP/IP
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（三）工业以太网协议
❖Modbus TCP/IP
该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将 Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结 合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一 个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus 的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定 性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更 加友好。利用网络浏览器便查看企业网内部设备运行情况 。施耐德公司已经为Mod-bus注册了502端口，这样就可以 将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器 ，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。
（一）工业以太网概念
❖ Ethernet为何不能直接应用于工业场合
(1)Ethernet的介质访问控制(MAC)层协议采用带碰 撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)方式，当网 络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制 的实时性要求；
(2)Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆 等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶 劣环境要求；
丁恩杰 教授 中国矿业大学
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一、工业以太网技术 二、数字化变电所 四、WI-FI无线通信技术 五、研究课题--基于WI-FI的新一代井下救 灾监控指挥系统
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一、工业以太网技术
（一）工业以太网概念 （二）Ethernet应用于工业现场的关键技术 （三）工业以太网协议 （四）工业以太网的优势
2．不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空 闲线缆为现场设备提供电源。
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（三）工业以太网协议
当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、 FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时， 体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对 象以及工程模型的应用协议，目前还没有统一的 应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应 产品的有以下几种主要协议：
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖安全性
在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易 爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以 及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工 业现场的安全生产。 在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆、防爆的措 施比较可行，即通过对Ethernet现场设备采取增安、气 密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点 火能量不外泄，以保证系统运行的安全性。对于没有严 格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆 措施。
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖稳定性与可靠性
传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的，没有考虑 工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候 、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了 更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可 靠性、可恢复性及可维护性。
（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖总线供电
总线供电(或称总线馈电)是指连接到现场设备的线缆不 仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对于现 场设备供电可以采取以下方法：
1．在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技 术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频 交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。
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（一）工业以太网概念
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技 术，在技术上与商用以太网(即IEEE 802.3标 准)兼容。产品设计时，在材质的选用、产品 的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可 靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工 业现场的需要。
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖通信确定性与实时性
3.降低网络负载。工业控制网络与商业控制网络 不同，每个结点传送的实时数据量很少，一般为 几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输 也很少发生，因此可以通过限制网段站点数目， 降低网络流量，进一步提高网络传输的实时性。 4.应用报文优先级技术。在智能交换机或集线器 中，通过设计报文的优先级来提高传输的实时性 。
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（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖通信确定性与实时性
工业以太网采取了以下措施使得该问题基本得到解决： 1．采用快速以太网加大网络带宽。Ether-net的通信速率 从10、100 Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在数据吞吐量相 同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网 络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降，从而提高 其实时性。 2．采用全双工交换式以太网。用交换技术替代原有的总 线型CSMA/CD技术，避免了由于多个站点共享并竞争信道 导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实 现全双工通信，提高信道的利用率。
(3)在工厂环境中，Ethernet抗干扰(EMI)性能较差 ，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性；
(4)Ethernet不能通过信号线向现场设备供电问题 。
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（一）工业以太网概念 随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet传 输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，上述 问题在工业以太网中正在迅速得到解决。
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丁恩杰教授讲义
（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术
❖安全性
工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵 与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关 或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过 权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。
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