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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《现场总线及其应用技术》课件
2020/4/15
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要求及考试
上课认真做笔记 认真完成课后作业
平时成绩
30％
实验成绩
60%
平时表现及作业 40%
期末笔试
70％
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第一讲 现场总线概述
1.1 现场总线的现状和发展
现场总线 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室 之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、 互联、多变量、多点、多站的通信网络。
公司)
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1.1.5 现场总线的现状
1. 多种总线共存
世界市场对各种现场总线的需求：
过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,
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典型ABB的AC800M系统组成
iFIX
IFix Client 1
IFix Client 2
Gateway 3 NIC
MIS ERP
ห้องสมุดไป่ตู้
IFix Primary Server
ABB AC800M
AC800M
iFix OPC Client ABB OPC Server
AC800M
IFix Secondary Server
应用层
分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务； 现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。
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现场总线与工业以太网CAN总线
由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到 人们的重视。随着应用领域的增多，CAN的规范从CAN 1.2 规范(标准格式)发展为兼容CAN 1.2 规范的CAN2.0规范 (CAN2.0A为标准格式，CAN2.0B为扩展格式)，目前应用的 CAN器件大多符合CAN2.0规范。
4.1.1 CAN的工作原理、特点
1． CAN 的工作原理
当CAN 总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形 式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否 是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符 为标识符(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称 为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不 可能有两个节点发送具有相同标识符的报文。当一个节点要 向其它节点发送数据时，该节点的CPU 将要发送的数据和自 己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态；当它 收到总线分配时，转为发送报文状态。
（9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出 错率极低。
（10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般 采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
（11） 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能， 切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。
CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟， 控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控 系统之间的数据通讯。
CAN 具有的完善的通信协议可由CAN 控制器芯片及其接口 芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期， 这些是只仅仅有电气协议的RS-485 所无法比拟的。另外，与 其它现场总线比较而言，CAN 总线是具有通信速率高、容易 实现、低成本、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准 的现场总线。这些也是目前CAN 总线应用于众多领域，具有 强劲的市场竞争力的重要原因。
4.1.1 CAN的工作原理、特点
1． CAN 的工作原理
当CAN 总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形 式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否 是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符 为标识符(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称 为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不 可能有两个节点发送具有相同标识符的报文。当一个节点要 向其它节点发送数据时，该节点的CPU 将要发送的数据和自 己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态；当它 收到总线分配时，转为发送报文状态。
（9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出 错率极低。
（10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般 采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
（11） 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能， 切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。
CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟， 控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控 系统之间的数据通讯。
CAN 具有的完善的通信协议可由CAN 控制器芯片及其接口 芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期， 这些是只仅仅有电气协议的RS-485 所无法比拟的。另外，与 其它现场总线比较而言，CAN 总线是具有通信速率高、容易 实现、低成本、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准 的现场总线。这些也是目前CAN 总线应用于众多领域，具有 强劲的市场竞争力的重要原因。
现场总线技术及其应用
典型控制网络结构：罗克韦尔公司
现场总线的实质
现场总线的协议 制定协议依据：ISO的开发系统互联协议(OSI)。 实际制定的协议：OSI中的某些层 OSI协议：7层协议结构
现场总线系统的组成：
7 6 5 4 3 2 1
应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路 层 物理层
应用层
现场设备 形成系统的传输介质
－－控制层现场总线ControlNet
网络目标功 能 网络拓扑 端到端设备和I/O网络 在同一链路上传递I/O，编程和系统组 态信息 总线、星形、树形 网络节点数 99个可编地址 单段最多48个 模型对象设计；设备对象模型，类/ 实例/属性，设备描述
几种典型的现场总线
应用层设计
最大通讯速 率
通讯方式 网络刷新时 间 数据分组大 小 网络最大拓 扑
电源
网络模型
外部供电
生产者/消费者
连接器
物理层介质
标准同轴电缆BNC
RG6同轴电缆；光纤
其他几种典型现场总线
设备层现场总线DeviceNet：
基于CAN技术的开放标准，三层协议结构。罗克韦 尔 非完全开放的标准。德国
ProfiBus协议：
FF总线
由FF组织提出。三层协议结构。国际
端到端的控制系统解决方案。七层协议结构。 Echleon公司
－－控制层现场总线ControlNet
概述：ControlNet是一种面向控制层的实时性现场总线网络，在 同一物理介质上提供时间关键性I/O数据和报文数据：包括程序上、 下载，组态数据，和端到端报文传递。具有高度的确定性和可重 复性。适用于控制关系复杂关联、要求控制信息同步、协调实时 控制、输出数据速率高的应用场合。 7 应用层 对象和对象模型 ControlNet协议规范
现场总线与工业以太网_CAN__总_线
ISO11783（农业和森林机械）都在美国标准J1939的基础上定 义了基于CAN应用的子协议。 ３．CAN的发展过程 尽管当初研究CAN的起点是应用于客车系统，但CAN的第 一个市场应用却来自于其他领域。特别是在北欧，CAN早已得 到非常普遍的应用。在荷兰，电梯厂商Kone在电梯上使用了 CAN总线，Philips医疗系统也使用CAN构成X光机的内部网络， 成为CAN的用户。 1992年5月，CiA“CAN in Automation”用户集团正式成立。 CiA推荐仅使用遵循ISO11898的CAN收发器。现在，在当时的 CAN网络中使用非常普遍但并不兼容的RS-485收发器已基本消 失。 从1990年中期起，Infineon公司和Motorola公司等生产 CAN模块集成器件的15家半导体厂商已向欧洲的汽车厂商提供
同时，由于CAN总线的特点，其应用范围目前已不仅局限 于汽车行业，已经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、 机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器 械及传感器等领域中得到了广泛应用。
4.1
概述
4.1.1 4.1.2 4.1.3
CAN工作原理、特点 发展背景及应用情况 一个典型的工程实例
4.1.1 CAN的工作原理、特点
1． CAN 的工作原理 当CAN 总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形 式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否 是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符 为标识符(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称 为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不 可能有两个节点发送具有相同标识符的报文。当一个节点要 向其它节点发送数据时，该节点的CPU 将要发送的数据和自 己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态；当它 收到总线分配时，转为发送报文状态。
5第五章工业以太网
工业以太网
现场总线
5.1 工业以太网简介
三、通信非确定性的缓解措施
(4) 采用交换式以太网技术 在传统的以太网中，多个节点共享同一个传输介质，共享网络 的固定带宽。 交换机接收并存储通信帧，根据目的地址和端口地址表，把通 信帧转发到相应的输出端口，为连接在其端口上的每个网络节 点提供独立的带宽，使不同设备之间产生冲突的可能性大大降 低。
●
工业以太网
现场总线
5.1 工业以太网简介
一、工业以太网与以太网
●
以太网和互联网原有的核心技术是工业以太网的重要基础，而对 以太网实行环境适应性、通信实时性等相关改造、扩展的部分，成 为工业以太网的特色技术。 ● 目前工业以太网的代表技术有：FF中高速网段HSE， PROFIBUS的上层网段PROFINET， EtherNet/IP 和Modbus/TCP 。 ● 在控制器、PLC测量变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以太 网通信接口，嵌入TCP/IP协议，嵌入Web Server便可形成支持以太 网、TCP/IP协议和Web服务器的Internet现场节点。借助IE等通用 的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控， 也是工业以太网的一个有效解决方案。
工业以太网
现场总线
5.2 以太网的物理连接与帧结构
一、以太网的物理连接
RJ-45插头和制作工具
工业以太网
现场总线
5.2 以太网的物理连接与帧结构
一、以太网的物理连接
IP防护等级 IP（INGRESS PROTECTION）防护等级系统是由IEC （INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION）所起 草。将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级。这里所指的外物含 工具，人的手指等均不可接触到灯具内之带电部分，以免触电。IP 防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示灯具离尘、防止外 物侵入的等级，第2个数字表示灯具防湿气、防水侵入的密闭程度， 数字越大表示其防护等级越高，两个标示数字所表示的防护等级 如表一及表二所示：
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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。
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。
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。
5.1.3几种典型的工业以太网简介
1．HSE(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）。
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。
Page 13
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。
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。
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。
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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。
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。
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
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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2．稳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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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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。
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。
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。
5.1.3几种典型的工业以太网简介
1．HSE(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）。
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。
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。
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。
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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。
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。
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
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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2．稳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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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