第五章 工业以太网 现场总线技术及其应用 教学课件
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工业以太网的发展得益于以太网多方面的技术进步。首先是 通信速率的提高，其次由于采用星形网络拓扑结构和交换技术， 使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA/ CD机制的制约，避免了冲突；再加上全双工通信方式使端口间两 对双绞线(或光纤)上分别同时接收和发送数据，而不发生冲突。
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工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以 太网标准。该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构， 有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满足 了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、 高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造 业厂商。
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5.1.1 工业以太网发展背景及应用情况
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5.1.2 工业以太网的应用层技术
工业以太网要在应用层、用户层等高层做一些具体规定，一方面满 足工业自动化的行业需求，同时需要在应用层、用户层等高层协议满 足开放系统的要求，满足互操作条件。
整合以太网技术的现场总线技术和产品有多个方面的意义：一方面 使工业以太网市场占有率快速提高，另一方面，这种整合的初衷是利 用以太网传输工业数据，而实际上同时也把现场总线的应用层技术整 合到了工业以太网技术之中。
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2．稳定性与可靠性
Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所 用的接插件、集线器、交换机和线缆等均是为商用领域设计 的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源 输入、高温、低温、防尘等)，故商用网络产品不能应用在有 较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。
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第5章 工业以太网
中国矿业大学 胡青松
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第5章 工业以太网
5.1.1 工业以太网发展背景及应用情况 随着信息技术的不断发展，信息交换技术覆盖了各行各
业。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现 场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管 控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。
HSE完全支持FF-H1现场总线的各项功能，诸如功能块和装 置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过连接装置与H1装置 相连接。连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干预就可 以进行对等层通信。连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主 系统的干预，也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。
采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要求。工业网络器 件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易更换。
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5.1.2 工业以太网的主要技术
✓首先是应用层和用户层技术。对应于ISO/OSI七层通信模型，以 太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层，而对较高的层 次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定，其中应用层和用 户层技术是工业以太网的最主要的技术； ✓第二，是网络层、传输层及其相关技术，网络层和传输层协议目 前以TCP/IP协议为主，但许多厂家结合了中间件技术，从而大大 改善了以太网性能； ✓第三，以太网的稳定性与可靠性技术。以太网应用于工业控制领 域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和线缆 等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计， 如高温、低温、防尘、抗干扰等，如何使以太网产品适应恶劣的工 业现场环境，也是工业以太网的主要技术。
工业网络与传统办公室网络的比较
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工业以太网络的特点
工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络应用的需要。工 业现场对工业以太网产品的要求包括：
工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求 工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水。
工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防爆措施 保证安全生产。
工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械环境适应 性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC:Electro Magnetic Compatibility）等。
工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环 境中控制柜内所需电源为低压24V直流。
HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当 增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框 架内无缝地进行操作，因而FF HSE总线可以使用当前流行的商用 （COTS）以太网设备。
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1．HSE
该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速 率从100Mbps到1Gbps或更高。
5.1.3几种典型的工业以太网简介
1．H源自文库E(高速以太网)
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1．HSE
HSE(High Speed Ethernet Fieldbus)由现场总线基金会组织 (FF)制定，是对FF-H1的高速网段的解决方案，它与H1现场总线 整合构成信息集成开放的体系结构。
FF HSE的1～4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定 义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在 H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接 口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以 及系统管理（SM）。
采用成熟的应用层和用户层技术，还可以增强工业以太网的确定性 和实时性。
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2．网络层、传输层及其相关技术
TCP/IP和UDP/IP都广泛应用于工业以太网数据传输与管理。 近年来，TCP/IP用于工业以太网的非实时数据通讯，而实时数 据通讯则采用UDP/IP协议。
工业以太网数据传输和管理的一个典型技术是，在应用层和 传输层之间增加中间件，对数据通讯进行管理和控制。
所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即IEEE 802.3标准)兼容，但在产品设计时，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、抗干扰性和本质 安全等方面能满足工业现场的需要。
以太网进入工业自动化领域的直接原因是，现场总线多种标 准并存，异种网络通信困难。在这样的技术背景下，以太网逐步 应用于工业控制领域，并且快速发展。
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工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以 太网标准。该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构， 有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满足 了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、 高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造 业厂商。
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5.1.1 工业以太网发展背景及应用情况
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5.1.2 工业以太网的应用层技术
工业以太网要在应用层、用户层等高层做一些具体规定，一方面满 足工业自动化的行业需求，同时需要在应用层、用户层等高层协议满 足开放系统的要求，满足互操作条件。
整合以太网技术的现场总线技术和产品有多个方面的意义：一方面 使工业以太网市场占有率快速提高，另一方面，这种整合的初衷是利 用以太网传输工业数据，而实际上同时也把现场总线的应用层技术整 合到了工业以太网技术之中。
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2．稳定性与可靠性
Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所 用的接插件、集线器、交换机和线缆等均是为商用领域设计 的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源 输入、高温、低温、防尘等)，故商用网络产品不能应用在有 较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。
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第5章 工业以太网
5.1.1 工业以太网发展背景及应用情况 随着信息技术的不断发展，信息交换技术覆盖了各行各
业。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现 场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管 控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。
HSE完全支持FF-H1现场总线的各项功能，诸如功能块和装 置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过连接装置与H1装置 相连接。连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干预就可 以进行对等层通信。连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主 系统的干预，也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。
采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要求。工业网络器 件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易更换。
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5.1.2 工业以太网的主要技术
✓首先是应用层和用户层技术。对应于ISO/OSI七层通信模型，以 太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层，而对较高的层 次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定，其中应用层和用 户层技术是工业以太网的最主要的技术； ✓第二，是网络层、传输层及其相关技术，网络层和传输层协议目 前以TCP/IP协议为主，但许多厂家结合了中间件技术，从而大大 改善了以太网性能； ✓第三，以太网的稳定性与可靠性技术。以太网应用于工业控制领 域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和线缆 等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计， 如高温、低温、防尘、抗干扰等，如何使以太网产品适应恶劣的工 业现场环境，也是工业以太网的主要技术。
工业网络与传统办公室网络的比较
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工业以太网络的特点
工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络应用的需要。工 业现场对工业以太网产品的要求包括：
工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求 工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水。
工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防爆措施 保证安全生产。
工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械环境适应 性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC:Electro Magnetic Compatibility）等。
工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环 境中控制柜内所需电源为低压24V直流。
HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当 增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框 架内无缝地进行操作，因而FF HSE总线可以使用当前流行的商用 （COTS）以太网设备。
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1．HSE
该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速 率从100Mbps到1Gbps或更高。
5.1.3几种典型的工业以太网简介
1．H源自文库E(高速以太网)
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1．HSE
HSE(High Speed Ethernet Fieldbus)由现场总线基金会组织 (FF)制定，是对FF-H1的高速网段的解决方案，它与H1现场总线 整合构成信息集成开放的体系结构。
FF HSE的1～4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定 义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在 H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接 口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以 及系统管理（SM）。
采用成熟的应用层和用户层技术，还可以增强工业以太网的确定性 和实时性。
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2．网络层、传输层及其相关技术
TCP/IP和UDP/IP都广泛应用于工业以太网数据传输与管理。 近年来，TCP/IP用于工业以太网的非实时数据通讯，而实时数 据通讯则采用UDP/IP协议。
工业以太网数据传输和管理的一个典型技术是，在应用层和 传输层之间增加中间件，对数据通讯进行管理和控制。
所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即IEEE 802.3标准)兼容，但在产品设计时，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、抗干扰性和本质 安全等方面能满足工业现场的需要。
以太网进入工业自动化领域的直接原因是，现场总线多种标 准并存，异种网络通信困难。在这样的技术背景下，以太网逐步 应用于工业控制领域，并且快速发展。