工业以太网简介
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从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致在一个具体应用中 可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表,需要解决不同标准系统之间的互 连接和互操作的问题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。
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1 工业以太网概述
原因二：信息集成有新的要求 带宽问题：
一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议比较简单,通信速率比 较低。如基金会总线FF的H1和PROFIBUS-PA 的传输速率只有 31.25Kbps。但随着仪器仪表智能化的提高,传输的数据也必将趋于复 杂,未来传输的数据可能已不满足于几个字节,甚至是WEB网页,所以网 络传输的高速性在工业控制中越来越重要。 与商业网集成问题：
在制造加工工业中，能够走出办公室,在任何地方对企业生产进行 实时监控,无疑是各个企业提高生产效率、增强竞争力的有效方法。 如此一来，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接,将 底层信息集成到车间、公司级的数据库中, 通过WEB方式浏览和交互 控制。现有现场总线标准大都无法直接与互联网连接，需要额外的网 络设备才能完成通信。
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1 工业以太网概述
1.2 工业以太网的特点及应用安全的要求
1、通信实时性 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时
的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实 时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要 有针对这一问题的切实的解决方案。
重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性
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1 工业以太网概述
工业以太网在商用以太网基 础上发展而来，它的体系结 构基本上采用了以太网的标 准结构。对应于ISO/OSI通 信参考模型，工业以太网协 议在物理层和数据链路层均 采用了802.3标准，在网络层 和传输层则采用被称为以太 网“事实上标准”的TCP/IP 协议簇，在高层协议上，工 业以太网通常省略了会话层 、表示层，而定义了应用层 ，有的工业以太网还定义了 用户层。
4、本质安全 工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆
问题。这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。 在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术
只是工业以太网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络都提出了与以太 网结合，用以太网作为现场总线网络的高速网段，使控制网络与Internet融为一 体的解决方案。
以太网最初的数据传输速度只有10Mbit/s，随着1996年快速以太网标准的发 布。以太网的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太网标准的发布将其速 度提高到最初速度的100倍。最初的以太网需要1.2毫秒才能传送一个1518字节 大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到120秒；如果采用千兆以太 网，这一时间只需12微秒。
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1 工业以太网概述
原因三：工业以太网的技术优势
(1) 解决协议的开放性和兼容性问题。 工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标
准，从而为PLC厂家和DCS厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还具有向下 兼容性。快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)的传统以太网标准的基础上发展 起来的，但它的传输速度从10Mbps提升到了100Mbps。在大多数场合，它还 可以使用已有的布线。此外，以太网还允许逐渐采用新技术。也就是说，没必要 一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。 (2) 解决带宽需求问题。
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1 工业以太网概述
| 前序 | 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS |
Ethernet Header PA SFD DA SA Type
Data Field Data Packet
FCS
71
66
2
46-1500 bytes
4
An Ethernet II frame
以太网帧结构
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1 工业以太网概述
(3) 解决与商用以太网集成问题。 以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,可以避免
现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外,使现场总线技术与 计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。 (4) 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是 其成功的重要因素。
网络监控和维 网络监控必须有专业人
护
员使用专用工具完成
工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求 较高 支持线形、环形、星形等结构，并便 于各种结构的组合和转换，简单的安 装，最大的灵活性和模块性，高扩展 能力
极高的实用性需求，允许网络故障时 间＜300ms以避免生产停顿
网络监控成为工厂监控的一部分，网 络模块可以被HMI软件如Win CC监 控，故障模块容易更换
Multicasting, broadcasting supported
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CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问技术
Carrier Sense (CS)—“侦听” 在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲，等待 一个IFG (46bit时间)后便立刻发送信息帧
Multiple Access (MA)—“多点接入” 如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突
PROCESS FIELD BUS
Ethernet, TCP/IP, Internet
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1 工业以太网概述
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1 工业以太网概述
工业网络与传统办公室网络的比较
办公室网络
工业网络
应用场合 普通办公场合
拓扑结构
支持线形、环形、星形 等结构
可用性
一般的实用性需求，允 许网络故障时间以秒或 分钟计
2、对环境的适应性与可靠性 以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其环境适应
能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产 品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿 度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑 到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类 的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使 设备具有更好抗振动、抗疲劳能力。
| 前序 | 帧起始定界符 | 目的地址 | 源地址 | 长度 | 数据
PA
SFD
S O
DA
SA
Length
F
802.3 Header and Data Packet
7 1 16 6
2
46-1500 bytes
| FCS | FCS
4
An 802.3 frame
Every device has unique address
1 工业以太网概述
工业以太网在系统中的位置
1. 底层传动级（L0级）：0级，一般把传动（电机控制）和仪表作为０级，即 传动级；如电机传动控制系统，液气压传动控制系统。
2. 基础自动化级（L1级）：一级，是机组的设备控制级，一般指仪表控制一级 、可编程控制器（PLC）等，也就是逻辑控制，通过数据采集、远程控制站 （电控柜）来实现仪表，driver，PLC等控制设备运转既为基础自动化级。
3. 过程控制级（L2）：二级，是围绕机组的工艺控制模型为主的部分，就是计 算机控制，有一定的控制模型和画面，但是这个计算机控制是单个工序的控 制，比如转炉、精炼、连铸的操作室里的计算机控制；核心是配套的生产过 程控制数学模型，既为过程控制级。
4. 生产控制级（L3）：三级，就整个厂的综合管理，主要完成整个厂各机组的 生产计划的管理，生产合同的跟踪，中间库和成品库管理等。
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1 工业以太网概述
1.4 工业以太网的分类与发展
一、标准以太网
开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是CSMA／CD（带有碰撞检测的载波侦听 多路访问）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网主要 有两种传输介质，那就是双绞线和同轴电缆。所有的以太网都遵循IEEE 802.3标准，下面 列出是IEEE 802.3的一些以太网络标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是 “Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带” 的意思，Broad代表“带宽”。
5. 企业管理级（L4）：四级，也叫生产管理级，如ERP等，主要完成整个公司 的合同管理、财务管理、生产计划管理，销售管理以及成品出厂发货等任务
6. 电子商务级（L5）：使用各种电子工具从事商务或活动。
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企业级（管理级）
1 工业以太网概述
控制级（单元级） 现场级
PROCESS FIELD BUS
每次检测到冲突，CSMA/CD采用BEB算法随机地 计算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。 帧重传时延的大小为时隙时间(slot Time,512bit的传输 时间)的整数倍r。
r为随机整数，其取值为:0<r<2r，k=min(n,10), 其 中，n为重传次数，最大值为16.对于 10M bit/s网络， 一个时隙时间为51.2us。因此冲突所导致的等待时间 最长可以达到51ms。
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1 工业以太网概述
1.1 为什么工业领域需要以太网
原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性
1999 年现场总线技术标准IEC 61158 终于尘埃落定,有8种总线成为国际 电工委员会(IEC) 现行的现场总线技术标准。它们分别是: ①基金会现场总线FF(fundation fieldbus); ②ControlNet;③Profibus; ④ P-Net; ⑤FF(fieldbus fundation)高速以太网HSE; ⑥SwiftNet; ⑦WorldFIP; ⑧Inter-bus.
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1 工业以太网概述
以太网的由来 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网
的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威 夷大学。
1980 年DEC( digital equipment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度 为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet Ⅱ。与DIX同 步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会。1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范。尽 管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它 就是以太网。
工业以太网、Profibus现场总线网络调试与维护
工业以太网概述 2014/7
课程安排
时间安排：2014/7/7 - 2014/7/18 1 工业以太网 内容：概述、Simatic NET、常见问题分析及解决、课程实验 2 profibus现场总线 内容：概述、网络硬件、课程实验、安装规范、故障诊断 3 考试 7/18号
Collision Detect (CD)—“冲突检测” CSMA/CD协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操作，直 到该信息帧成功发送或重传次数n达到上限(attempLimit)而 终止 发送
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百度文库
Intel Demo 2
CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问技术
Exponential Back-off Algorithm – “二进制 指数回避算法，BEB”
在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，使控制 网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的 一员。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讯 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。在应用层协议尚未统一的环境下，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，也是人们提 出且正在实现的一个有效的解决方案。
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1 工业以太网概述
3、总线供电 在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源
的要求。现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网 目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中 另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流10~36V低压供电 。
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1 工业以太网概述
原因二：信息集成有新的要求 带宽问题：
一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议比较简单,通信速率比 较低。如基金会总线FF的H1和PROFIBUS-PA 的传输速率只有 31.25Kbps。但随着仪器仪表智能化的提高,传输的数据也必将趋于复 杂,未来传输的数据可能已不满足于几个字节,甚至是WEB网页,所以网 络传输的高速性在工业控制中越来越重要。 与商业网集成问题：
在制造加工工业中，能够走出办公室,在任何地方对企业生产进行 实时监控,无疑是各个企业提高生产效率、增强竞争力的有效方法。 如此一来，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接,将 底层信息集成到车间、公司级的数据库中, 通过WEB方式浏览和交互 控制。现有现场总线标准大都无法直接与互联网连接，需要额外的网 络设备才能完成通信。
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1.2 工业以太网的特点及应用安全的要求
1、通信实时性 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时
的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实 时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要 有针对这一问题的切实的解决方案。
重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性
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1 工业以太网概述
工业以太网在商用以太网基 础上发展而来，它的体系结 构基本上采用了以太网的标 准结构。对应于ISO/OSI通 信参考模型，工业以太网协 议在物理层和数据链路层均 采用了802.3标准，在网络层 和传输层则采用被称为以太 网“事实上标准”的TCP/IP 协议簇，在高层协议上，工 业以太网通常省略了会话层 、表示层，而定义了应用层 ，有的工业以太网还定义了 用户层。
4、本质安全 工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆
问题。这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。 在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术
只是工业以太网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络都提出了与以太 网结合，用以太网作为现场总线网络的高速网段，使控制网络与Internet融为一 体的解决方案。
以太网最初的数据传输速度只有10Mbit/s，随着1996年快速以太网标准的发 布。以太网的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太网标准的发布将其速 度提高到最初速度的100倍。最初的以太网需要1.2毫秒才能传送一个1518字节 大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到120秒；如果采用千兆以太 网，这一时间只需12微秒。
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1 工业以太网概述
原因三：工业以太网的技术优势
(1) 解决协议的开放性和兼容性问题。 工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标
准，从而为PLC厂家和DCS厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还具有向下 兼容性。快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)的传统以太网标准的基础上发展 起来的，但它的传输速度从10Mbps提升到了100Mbps。在大多数场合，它还 可以使用已有的布线。此外，以太网还允许逐渐采用新技术。也就是说，没必要 一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。 (2) 解决带宽需求问题。
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1 工业以太网概述
| 前序 | 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS |
Ethernet Header PA SFD DA SA Type
Data Field Data Packet
FCS
71
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2
46-1500 bytes
4
An Ethernet II frame
以太网帧结构
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1 工业以太网概述
(3) 解决与商用以太网集成问题。 以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,可以避免
现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外,使现场总线技术与 计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。 (4) 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是 其成功的重要因素。
网络监控和维 网络监控必须有专业人
护
员使用专用工具完成
工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求 较高 支持线形、环形、星形等结构，并便 于各种结构的组合和转换，简单的安 装，最大的灵活性和模块性，高扩展 能力
极高的实用性需求，允许网络故障时 间＜300ms以避免生产停顿
网络监控成为工厂监控的一部分，网 络模块可以被HMI软件如Win CC监 控，故障模块容易更换
Multicasting, broadcasting supported
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CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问技术
Carrier Sense (CS)—“侦听” 在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲，等待 一个IFG (46bit时间)后便立刻发送信息帧
Multiple Access (MA)—“多点接入” 如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突
PROCESS FIELD BUS
Ethernet, TCP/IP, Internet
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1 工业以太网概述
工业网络与传统办公室网络的比较
办公室网络
工业网络
应用场合 普通办公场合
拓扑结构
支持线形、环形、星形 等结构
可用性
一般的实用性需求，允 许网络故障时间以秒或 分钟计
2、对环境的适应性与可靠性 以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其环境适应
能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产 品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿 度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑 到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类 的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使 设备具有更好抗振动、抗疲劳能力。
| 前序 | 帧起始定界符 | 目的地址 | 源地址 | 长度 | 数据
PA
SFD
S O
DA
SA
Length
F
802.3 Header and Data Packet
7 1 16 6
2
46-1500 bytes
| FCS | FCS
4
An 802.3 frame
Every device has unique address
1 工业以太网概述
工业以太网在系统中的位置
1. 底层传动级（L0级）：0级，一般把传动（电机控制）和仪表作为０级，即 传动级；如电机传动控制系统，液气压传动控制系统。
2. 基础自动化级（L1级）：一级，是机组的设备控制级，一般指仪表控制一级 、可编程控制器（PLC）等，也就是逻辑控制，通过数据采集、远程控制站 （电控柜）来实现仪表，driver，PLC等控制设备运转既为基础自动化级。
3. 过程控制级（L2）：二级，是围绕机组的工艺控制模型为主的部分，就是计 算机控制，有一定的控制模型和画面，但是这个计算机控制是单个工序的控 制，比如转炉、精炼、连铸的操作室里的计算机控制；核心是配套的生产过 程控制数学模型，既为过程控制级。
4. 生产控制级（L3）：三级，就整个厂的综合管理，主要完成整个厂各机组的 生产计划的管理，生产合同的跟踪，中间库和成品库管理等。
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1 工业以太网概述
1.4 工业以太网的分类与发展
一、标准以太网
开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是CSMA／CD（带有碰撞检测的载波侦听 多路访问）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网主要 有两种传输介质，那就是双绞线和同轴电缆。所有的以太网都遵循IEEE 802.3标准，下面 列出是IEEE 802.3的一些以太网络标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是 “Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带” 的意思，Broad代表“带宽”。
5. 企业管理级（L4）：四级，也叫生产管理级，如ERP等，主要完成整个公司 的合同管理、财务管理、生产计划管理，销售管理以及成品出厂发货等任务
6. 电子商务级（L5）：使用各种电子工具从事商务或活动。
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企业级（管理级）
1 工业以太网概述
控制级（单元级） 现场级
PROCESS FIELD BUS
每次检测到冲突，CSMA/CD采用BEB算法随机地 计算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。 帧重传时延的大小为时隙时间(slot Time,512bit的传输 时间)的整数倍r。
r为随机整数，其取值为:0<r<2r，k=min(n,10), 其 中，n为重传次数，最大值为16.对于 10M bit/s网络， 一个时隙时间为51.2us。因此冲突所导致的等待时间 最长可以达到51ms。
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1 工业以太网概述
1.1 为什么工业领域需要以太网
原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性
1999 年现场总线技术标准IEC 61158 终于尘埃落定,有8种总线成为国际 电工委员会(IEC) 现行的现场总线技术标准。它们分别是: ①基金会现场总线FF(fundation fieldbus); ②ControlNet;③Profibus; ④ P-Net; ⑤FF(fieldbus fundation)高速以太网HSE; ⑥SwiftNet; ⑦WorldFIP; ⑧Inter-bus.
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1 工业以太网概述
以太网的由来 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网
的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威 夷大学。
1980 年DEC( digital equipment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度 为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet Ⅱ。与DIX同 步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会。1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范。尽 管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它 就是以太网。
工业以太网、Profibus现场总线网络调试与维护
工业以太网概述 2014/7
课程安排
时间安排：2014/7/7 - 2014/7/18 1 工业以太网 内容：概述、Simatic NET、常见问题分析及解决、课程实验 2 profibus现场总线 内容：概述、网络硬件、课程实验、安装规范、故障诊断 3 考试 7/18号
Collision Detect (CD)—“冲突检测” CSMA/CD协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操作，直 到该信息帧成功发送或重传次数n达到上限(attempLimit)而 终止 发送
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Intel Demo 2
CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问技术
Exponential Back-off Algorithm – “二进制 指数回避算法，BEB”
在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，使控制 网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的 一员。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讯 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。在应用层协议尚未统一的环境下，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，也是人们提 出且正在实现的一个有效的解决方案。
Page 16
1 工业以太网概述
3、总线供电 在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源
的要求。现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网 目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中 另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流10~36V低压供电 。