工业以太网简介
工业以太网
工业以太网工业以太网，所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。
以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准，但它是为办公自动化的应用而设计的，并没有考虑到工业现场环境的需求，比如高温、低温、防尘等，所以以太网不能直接应用于环境恶劣的工业现场。
所以工业以太网就随之产生了。
现代以太网技术与智能建筑以太网发展至今已有20余年历程，作为局域网组网的主要技术，一直长久不衰。
在这期间，令牌环、令牌总线、FDDI、ATM等技术分别在不同的阶段冲击着以太网在局域网领域的盟主地位。
但是以太网以其简单、价廉、高带宽、维护方便以及不断发展的特点牢牢地占领着局域网领域，并向着接入网和城域网领域发展。
自从以太网技术由共享发展到交换后，星型结构、交换与高带宽三大因素形成了与传统以太网大不相同的现代以太网技术。
进入21世纪以来，IT界已经不再寻找替代以太网的技术，转而寻找增强以太网的功能和将它扩展到新领域的途径。
现代以太网组网功能已经大大地超越了基本的以太网功能。
TCP／IP与以太网是开放性的强强组合，逐步渗透到建筑智能化领域的各个方面，给予智能建筑强大的生命力。
在智能建筑领域，TCP／IP以太网不仅作为信息服务／管理／监控的网络平台，而且越来越成为视频／语音等应用的支撑平台。
可以认为，随着安防数字化进程的加速，目前市场上直接采用标准双绞线和专用以太网来构成某些安防子系统的产品已经出现。
这样一来，出现基于以太网的多个子系统融合的、结构优化的、可靠的、—体化的安防系统已经不是一种方向性的讨论了。
在某些智能建筑的机电设备监控系统中，现场控制网络采用工业控制以太网已不是个别的案例了。
传统以太网（DIX）的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式丁作，网络的站点在同一时刻要么发送数据，要么接收数据，而不能同时发送和接收。
导致十双工传输模式工作的主要原因在于公共传输媒体上站点发送帧的碰撞。
这种帧碰撞效应不仪限制了站点的传输带宽；而且还构成了束缚传输范围的碰撞域，大大影响了传输媒体（特别是光纤）的传输距离。
西门子工业以太网简介及其组态-PPT
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表5-4 S5兼容通信
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ISO传输协议： ISO传输协议支持基于ISO的发送和接收，使得设备（例如
SIMATIC S5或PC）在工业以太网上的通信非常容易，该服 务支持大数据量的数据传输（最大8KB）。 ISO数据接收有通信方确认，通过功能块可以看到确认信息。 TCP： TCP即TCP/IP中传输控制协议，提供了数据流通信，但并不 将数据封装成消息块，因而用户并不接收到每一个任务的确 认信号。TCP支持面向TCP/IP的Socket。 TCP支持给予TCP/IP的发送和接收，使得设备（例如PC或 非西门子设备）在工业以太网上的通信非常容易。该协议支 持大数据量的数据传输（最大8KB），数据可以通过工业以 太网或TCP/IP网络（拨号网络或因特网）传输。 通过TCP，SIMATIC S7可以通过建立TCP连接来发送/接收 数据。
2
5.1.2 工业以太网与传统以太网络的比较
工业网络与传统办公室网络相比，有一些不同之处，如表5-所 示。
表5-1 工业网络与传统办公室网络的比较
3
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。
工业以太网简介
工业以太网简介:工业以太网就是基于IEEE 802、3 (Ethernet)得强大得区域与单元网络。
利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新得多媒体世界得途径。
企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供得广泛应用不但已经进入今天得办公室领域,而且还可以应用于生产与过程自动化。
继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工与自适应得100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802、3u 得标准)也已成功运行多年。
采用何种性能得以太网取决于用户得需要。
通用得兼容性允许用户无缝升级到新技术。
为用户带来得利益 :市场占有率高达80%,以太网毫无疑问就是当今LAN(局域网)领域中首屈一指得网络。
以太网优越得性能,为您得应用带来巨大得利益:通过简单得连接方式快速装配。
通过不断得开发提供了持续得兼容性,因而保证了投资得安全。
通过交换技术提供实际上没有限制得通讯性能。
各种各样联网应用,例如办公室环境与生产应用环境得联网。
通过接入WAN(广域网)可实现公司之间得通讯,例如,ISDN 或Internet 得接入。
SIMATIC NET基于经过现场应用验证得技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点,遍布世界各地,用于严酷得工业环境,包括有高强度电磁干扰得区域。
工业以太网络得构成 :一个典型得工业以太网络环境,有以下三类网络器件:◆网络部件连接部件:•FC 快速连接插座•ELS(工业以太网电气交换机)•ESM(工业以太网电气交换机)•SM(工业以太网光纤交换机)•MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块)通信介质:普通双绞线,工业屏蔽双绞线与光纤◆ SIMATIC PLC控制器上得工业以太网通讯外理器。
用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。
◆ PG/PC 上得工业以太网通讯外理器。
工业以太网简介
工业以太网简介一、 PROFINET接口S7-1200 PLC CPU本体上集成了一个PROFINET接口，支持以太网和基于TCP/IP和UDP的通信标准。
PROFINET接口支持10～100Mbit/s的RJ45口，支持电缆交叉自适应，因此一个标准或交叉的以太网线都可以用于这个接口。
使用这个接口可以实现S7-1200 PLC CPU与编程设备的通信、与HMI触摸屏的通信以及与其他CPU之间的通信。
提示：根据现在的发展趋势PROFINET应该是以后的主流，它优势很明显，传输和响应速度快、数据不丢失、方便。
二、支持的协议和连接资源数S7-1200 PLC CPU的PROFINET通信口主要支持以下通信协议及服务：PROFINET IO（V2.0开始）、S7通信（V2.0开始支持客户端）、TCP通信、ISO on TCP通信、UDP通信（V2.0开始）、Modbus TCP 通信、HMI通信、Web通信（V2.0开始）。
在“设备视图”中选中CPU，在巡视窗口中选择“属性”→“常规”→“连接资源”，显示界面如图1所示。
图1 连接资源数从图1中可以看出，S7-1200 PLC一共有68个连接资源，包括预留62个资源和6个动态资源，6个动态资源由系统自动分配给HMI 通信、S7通信、开放式用户通信(Open User Communication, OUC)，不能分配给PG通信、Web通信。
注意：开放式用户通信包含TCP通信、ISO-on-TCP通信、UDP 通信、Modbus TCP通信。
PG通信：代表和PC进行通信所占用的资源，如在线监控、下载程序。
HMI通信：代表和HMI通信所占用的资源。
S7通信：代表和通信伙伴建立S7通信连接所占用的资源。
开放式用户通信：代表和通信伙伴建立开放式用户通信连接所占用的资源。
Web通信：代表和Web浏览器通信所占用的资源。
动态资源：由系统自动分配的连接资源。
依据上面的解释，构成表1，其中最大连接资源=预留连接资源+动态资源。
工业以太网介绍
图像处理器 视频解码器
视频服 务器
磁盘阵列
接入交换机
主井井口 房变电所
通风机房 配电室
副井提 升机房
生活及办公 区变电站 主井
井下主 变电所
盘区胶带 机变电所
井上 井下
主厂房
副井
准备车间
主排水泵 房变电所
南北翼大巷胶 带机 变电所
集控室
压滤车间
普通装车站
专门针对工业自动化实时可靠性而从传统以太网变异 出的厂家私有环路冗余协议。
1、STP及RSTP
STP(Spanning Tree Protocol)，是作为一个链路层协 议(IEEE 802.1D)存在的，提供路径冗余和阻止网络循环 发生。它做法是强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。 如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径 重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。 RSTP(快速生成树算法，IEEE 802.1w)作为STP的升级， 将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。STP网络结构灵活， 但存在恢复速度慢的缺点。在很多的工业环境中并不适 用。
1、安装和连接 商用以太网
工业以太网
• 专用网络机柜内
• 连接标准的台式机\ 工作站\打印机等
•RJ45接口
• 现场安装（控制柜内或直 接安装于自动化设备上，环 境恶劣，某些场合甚至要求 满足IP67防护等级）
• DB9，航空插座等
2、使用寿命
商用以太网
• 几年或十几年（没 有相应标准可遵循） • 风扇散热 • 备件更换：3年 • 电源(220VAC)
5、冗余要求
商用以太网
•一般没有冗余或 仅仅有核心冗余
工业以太网 •多种冗余方式的结合
PROFINET总线技术基础
第四节 PROFINET的种类
PROFINET IO PROFINET CBA
33
一、PROFINET IO 1、简介
用于分布式I/O自动化控制系统，其工作性质类似 于PROFIBUS—DP。传感器、执行机构等装置连接 到I/O设备上，通过I/O设备连接到网络中。网络中还 有对I/O设备进行监控的I/O控制器和I/O监视器。
PROFINET 总线技术基础
1
§1 工业以太网 §2 PROFINET基础 §3 PROFINET的通信技术 §4 PROFINET的种类 §5 PROFINET IO的组态
2
第一节 工业以太网
概述 技术特点 传输介质和连接器
3
一、概述 工业以太网(Industrial Ethernet)是西门子公司提
100M/bits的自适应传输速率，传输距离最大可达 150km。 3. 可以通过Internet对企业生产进行远程监控。实现 办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接，实现 企业管控一体化。 4. 抗干扰能力强，适应严酷的工业生产环境。 5. 快速的网络故障定位与诊7断。
三、传输介质和连接器 目前采用多芯双绞线作为短距离信息传输，无线作
7a
无连接RPC
面向连接
RPC(DCOM)
6
5
4
UDP(RFC768) TCP(RFC793)
3
IP(RFC791)
27
二、通信等级
IT服务，TCP/IP
SRT
IRT
28
1. TCP/IP用于对通讯速率要求不高的数据传输。如设 备组态、设置参数和下载上传程序、低精度过程控 制、低精度运动控制等。
Ethernet SRT
IRT
《工业以太网》课件
03
CATALOGUE
工业以太网的实际应用案例
智能制造领域的应用
自动化生产线监控
工业以太网用于实时监控生产线的运行状态，确保生产过程的稳 定性和效率。
设备远程控制
通过工业以太网，实现对生产设备的远程控制，提高生产管理的 灵活性和便捷性。
数据采集与分析
工业以太网连接各种传感器和数据采集设备，实时采集生产数据 并进行深度分析，优化生产流程。
工业以太网用于构建智能城市的基础设施，如智能照明、智能安 防等。
物流管理
工业以太网用于实时追踪物流信息，提高物流管理的效率和准确性 。
矿业安全监控
工业以太网用于实时监测矿山的生产设备和环境状况，保障矿业生 产的安全。
04
CATALOGUE
工业以太网的发展趋势与未来展望
工业以太网的发展趋势
随着物联网、云计算等技术的发展，工业以太 网将与这些技术深度融合，实现更高效、智能
以太网技术不断发展，从最初 的10Mbps到现在的100Gbps ，具有很高的数据传输速率。
以太网协议与标准
以太网协议规定了数据帧的格 式、寻址方式、数据封装和解 封装等方面的规范。
以太网标准包括IEEE 802.3系 列标准，其中最常用的标准是 802.3u（快速以太网）、 802.3z（千兆以太网）和 802.3ae（万兆以太网）。
工业以太网的应用范围广泛，可以应用于各种工业设备和 系统中，如智能制造、智能物流、智能仓储等，对于工业 转型升级和智能化发展具有重要意义。
工业以太网的发展前景与挑战
工业以太网的发展前景广阔，随着工业自动化 技术的不断发展和进步，工业以太网的应用场 景和市场需求将会不断增加。
(完整版)工业以太网概述
工业以太网概述现场总线对于面向设备的自动化工业系统起到了极大的促进作用，但是由于现场总线工业网络存在一定的缺陷，导致其的发展受到极大的限制。
其缺陷包括有通信速率低，成本高，支持应用低，又由于现场总线通信协议多种多样，使得不同总线之间的互联互通比较繁琐，必须要通过一些通信协议转换器进行协议的转换，特别是有多个现场总线协议共存于一个系统中时，相互之间的协议转换更加繁琐。
以太网自从发明出来之后，由于以太网具有极强的兼容性、可扩展性、开放性，得到了飞速的发展，深入到了社会生活的各个层面，同样，以太网也进入了工业应用领域。
但是普通的以太网存在极大的缺陷导致其不能应用于工业领域：1.工业控制领域对于数据的实时性要求非常高，对于数据的延时一般都是必须要控制在几十个ms之内。
由于以太网采用的是载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），当以太网上发生冲突的时候，就会重发数据，很明显，一旦冲突发生，就必须牺牲时间为代价来解决冲突的问题，实时性就不能得到保证。
但是在工业领域，实时性不能得到保证的话，就有可能导致设备的停止运作，甚至造成安全事故。
2.由于以太网采用的是载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD 机制），使得以太网存在冲突，特别是在以太网网络负荷比较重的情况下，冲突出现的几率更大。
而一旦大量的冲突发生，导致数据不断的重发，使得工业网络之间的通信的不确定性大大增加，从而降低了系统控制性能。
3.以太网在最初设计时，没有考虑到工业现场的复杂电磁环境，在恶劣的外部环境中，必然导致以太网的可靠性的降低。
但是在生产环境中，工业网络必须有良好的可靠性，可维护性及可恢复性。
针对以太网存在的以上缺陷，采用了多种解决机制改善以太网的性能以使的其可以适用于工业网络，以形成工业以太网。
1.工业以太网交换技术。
为改善以太网在网络负荷较重的时候出现的拥塞问题，采用工业以太网交换机减少由于载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制）而产生的冲突问题和错误传输，从而提高系统的稳定性。
工业以太网简介
，其中 为整
以太网
离散的控制器
图 2.2 延时合并的网络控制系统结构
2.3.2 节点的驱动方式的选择 网络控制系统有一个很重要的概念：节点的驱动方式，其他控制系统中不 存在这个概念。一般节点的驱动方式分为两种：事件驱动和时间驱动。时间驱
动就是系统节点按照事先规定的时间间隔处理相应的任务，例如定时采样。而 事件驱动是指当系统节点收到数据时，开始处理相应的任务。不同的驱动方 式，系统的数学模型也不一致，即使采用相同的控制算法，控制效果也不同。 传感器一般都采用时间驱动方式 ，执行器和控制器的驱动方式有待讨 论。 当控制器和执行器有一个为时间驱动时，便存在与传感器时间同步的问 题。网络控制系统的节点有可能分布在一个较大的物理空间，各个节点很难保 持精确的时间同步。系统应当尽可能避免使用时间同步。 1、执行器采用时间驱动方式 传统的离散控制算法，都是基于 Z 变换的，也就是等周期控制，执行器节 点采用时间驱动，每个控制量的执行时间为定值（采样周期） ，与算法设计的一 致。当延时小于一个采样周期时，系统总的延时为常数，有利于控制算法的设 计与分析。但执行器节点采用时间驱动会增大反馈通道的时延，当前控制量无 法及时作用到被控对象，不可避免的降低闭环系统的性能。 2、执行器采用事件驱动方式 执行器节点采用事件驱动，可以减小反馈通道的时延，使得控制量能够尽 快的作用于被控对象，有利于改善系统的性能。在一个周期内执行器可能会收 到多个控制信号，或者几个周期内执行器才收到一个控制信号，每个控制量的 执行时间不是定值（采样周期） ，与算法设计不一致，可能使控制效果变差，同 时使得系统的数学模型相对要复杂一些，系统的分析也更加困难。 当网络总延时小于一个采样周期时，执行器一般都采用事件驱动方式。 3、控制器采用时间驱动方式 控制器采用时间驱动，就要考虑时间同步问题。 若控制器与传感器的时间同步，当传感器数据传输时延为 Tsc ，则传感器到 控制器的延时为 sc (int(Tsc T ) 1) T ， int() 是向零方向取整函数， T 为采样周 期。 若控制器与传感器的时间不同步，设控制器的时间比传感器的时间落后
第8章 工业以太网
工业以太网
8.1 工业以太网简介
一、工业以太网与以太网
OSI参考模型 7 应用层 表示层 以太网 应用协议
以太网的物理层与数据链路层 采用IEEE802.3的规范，网络层和 6 传输层采用TCP/IP协议组，应用 5 层采用简单邮件传送协议SMTP、 4 简单网络管理协议SNMP、域名服 3 务DNS、文件传输协议FTP、超文 本链接HTTP等应用协议。这些是 2 以太网已有的核心和生命力所在。 1
会话层
传输层 网络层 数据链路层 物理层 TCP/UDP IP
以太网MAC
以太网物层
工业以太网
8.1 工业以太网简介
二、工业以太网的特色技术
(1) 应对环境适应性的特色技术
● ●
工业以太网应对环境适应性的改造措施，很重要的一方面是打造工业级产品。 针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的产品称之为工业级的产品，防 护级工业产品是工业以太网特色技术之一，这也是工业级产品在设计之初要 注重材质、元器件工作温度范围的选择。
(2) 应对通信非确定性的缓解措施
普通以太网采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的媒体访问控制 方式，这种平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对通信实时性、确 定性的要求，被认为不适合用于底层工业控制，这是以太网进入控制网络领 域在技术上的最大障碍。
工业以太网
8.1 工业以太网简介
(5) 本质安全 本质安全是指将送往易燃易爆危险场合的能量，控制在引起火 花所需能量的限度之内，从根本上防止在危险场合产生火花而 使系统安全得到保障。 目前以太网收发器的功耗较高，设计低功耗以太网设备还存在 一些难点，真正符合本质安全要求的工业以太网还有待进一步 努力。对应用于危险场合的工业以太网交换机等，目前一般采 取隔爆型作为防爆措施。
第06章工业以太网(3)
3. EtherNet/IP的报文种类
I/O数据报：是指实时性要求较高的小数据包测量 控制数据，采用UDP/IP传输。此报文没有协议信 息，数据接收者知道数据的含义，因此又称为隐 性报文。 信息报文：是指实时性要求较低的大数据包组态、 诊断、趋势等数据，采用TCP/IP传输。此报文需 要根据协议信息来理解数据报文的含义，因此又 称为显性报文。 网络维护报文：在系统专门指定的时间内发送时 钟同步及调整一些与网络运行参数，以使网络系 统正常运行。网络维护报文一般采用广播方式发 送。
4. 网络供电
5. 本质安全
7.6.3 以太网的通信帧结构与 工业数据封装
7.6.3 以太网的通信帧结构与 工业数据封装
对于组态和诊断等非实时性数据一般利 用TCP/IP协议发送。 对于I/O等实时性数据一般采用UDP/IP协 议发送。
7.6.4 实时以太网
1.实时以太网简介
实时以太网是工业以太网针对通信实时性、确定性 问题提出的解决方案，属于工业以太网的特色与核 心技术。 目前，实时以太网还处于技术开发阶段，种类繁多， 实时机制、性能、通信一致性存在较大差异。 目 前 ， 实 时 以 太 网 技 术 有 ： EtherNet/IP ， PROFINET ， P-NET ， INTERBUS ， VNET/IP ， TCENT，ETHERCAT，ETHERNET，POWERLINK， EPA，MODUBUS-RTPS，SERCOS-III 11个技术标 准。
4. EtherNet/IP的特点
继承TCP/IP协议的优点，具有高速传输大量 数据的能力。 支持主机、PLC、机器人、HMI等典型设备。 多组设备连接到交换机实现点对点10Mb/s或 100Mb/s的自适应通信。 星型拓扑易于连线、检错和维护。 内置Web Server功能，现场数据可以通过网 页浏览。
什么是工业以太网？工业以太网有哪些类型？
什么是以太网？以太网是一种计算机局域网技术。
由IEEE组织的IEEE802.3标准制定了以太网技术标准，规定了物理层连接、电子信号和介质接入层协议的内容。
以太网现在是最流行的局域网技术，取代了令牌环、FDDI、ARCNET等其他局域网技术。
以太网是世界上使用最广泛的局域网技术。
有些人认为我们日常生活中的网络是以太网。
我们通常说的交换机，专业名称应该叫以太网交换机。
通常的光纤交换机也使用以太网技术，但传输介质由网线改为光纤。
什么是工业以太网？工业以太网是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的工业网络。
基于强大的区域集团和IEEE802.3(以太网)。
在线工业以太网SIMATICNET提供了新的多媒体世界的无缝集成。
工业以太网是西门子提出的第一种基于以太网通信的工业通信方式。
与其他西门子通信方式如MPI、DP总线等相比，工业以太网具有速度快、稳定性高、抗噪声能力强、互联互换性好等优点。
过去，以太网在商业环境中被广泛使用。
现在，在很多工业环境中，以太网也成为业界的热点。
相信在不久的将来，工业以太网将成为工业控制网络结构的主要形式和发展趋势。
以太网和工业以太网之间的关系：工业以太网是以太网技术与通用工业协议的完美结合，也是标准以太网在工业领域的应用拓展。
近年来，为了满足高实时性工业应用的需要，各大工业自动化公司和标准化组织都提出了各种工业以太网的实时技术标准，这些标准都是根据IEEE802.3标准制定的。
标准，提高实时性，并与标准以太网建立联系。
6种工业以太网类型。
(1)MODBUSTCP/IP。
(2)以太网/IP。
(3)以太网Powerlink。
(4)PROFINET。
(5)SERCOSIII。
(6)以太网。
工业以太网的优势：1.以太网产品价格相对便宜。
2.轻松接入互联网。
3.兼容性好，技术支持广泛。
4.以太网技术发展迅速，技术先进，可持续发展潜力巨大。
5.通信速度快。
6.强大的资源共享能力。
第七章工业以太网
在网段分配合理的情况下，由于网段上的多数数 据不需要经过主干网传输，因此交换机能够过滤 掉这些数据，使数据只在本地网络传输，而不占 用其他网段的带宽。
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利用网线对 现场设备供电，工业以太网目前还没有对 网络节点供电做出规定。
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。
工业以太网是普通以太网技术在控制网络延伸的产物,是工业 应用环境下信息网络与控制网络的结合体。
应用于工业自动化领域的以太网技术。
在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的一 种工业网络。
PROFINET和PROFIBUS
PROFINET和PROFIBUS是PNO组织推出的两种现场总 线。
这将意味着可以实现自动化控制领域的彻底开放， 从而打破任何垄断的企图，并使自动化领域产生 新的生机和活力。
工业以太网与其它控制网络比较的优势:
（1）工业以太网可以满足控制系统各个层次的 要求，使企业信息网络与控制网络得以统一。
（2）设备成本下降。以太网卡的价格是现场总 线网络接口卡的十分之一，由于安装量的原因， 现场总线的成本也远远无法与以太网相比。
推进工业以太网技术的发展、教育和标 准化管理、工业应用领域运用
美国电气电子工程师协会 (IEEE)也正着 手制定现场装置与以太网通信的标准。
以太网进入工控领域的优势
工业以太网
什么是工业以太网？工业以太网是西门子公司提出的一种基于以太网通讯的一种工业用的通讯模式。
它与其他的西门子通讯方式，比如MPI、DP总线等相比，显著的优越性是：速度快，稳定性高，抗干扰能力强，互联性和兼容性好，缺点可能就是它不菲的价格了，一块基本的CP343-1的以太网通讯模块价格就是近万元，所以现在的某些工业环境下，推广的力度并不是很大。
当今时代，网络就是控制的理念已经越来越被用户所接受，传统的基于RS485，CAN等总线的各种集散控制系统，由于其固有的缺陷，正在被基于TCP/IP协议的工业太网所取代，工业以太网总线和我们现在使用的局域网是一致的，它采用统一的TCP/IP协议，避免的不同协议间通讯不了的困扰，它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享，它可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件，它可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，它特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM，GPRS无线电话网实现远程数据采集，它采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。
工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及，现在已经有大量的配套产品在使用中。
如工业以太网HUB，工业以太网防火墙产，工业以太网关，以太网转RS232/RS485设备，以太网A/D模块，以太网D/A模块，以太网AI模块，以太网AO模块，以太网DI模块，以太网DO模块及复合功能模块。
工业以太网技术作为现场总线具有哪些技术优势？一、工业以太网（Ethernet）基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。
这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。
二、低成本、易于组网是以太网的优势。
以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口十分方便。
三、以太网具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。
而且以太网资源共享能力强，利用以太网作现场总线，很容易将I/O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。
11 工业以太网
4.提供适应工业环境的元件 现已开发出一系列密封性好、坚固、抗震 动的以太网设备与连接件，例如导轨式收 发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接 插件等。它们适合在工业环境中使用，为 以太网进入工业控制环境创造了条件。 采取上述措施可以使以太网的非确定性问 题得到相当程度的缓解，但还不能说从根 本上得到了解决。
IP技术 3. IP技术 IP 技 术 是 Internet 的 基 础 ： IEEE1394， ATM(asynchronous transfer mode)， TCP,UDP(user datagram protocol)等等， 它还可以适用于其它的通信标准，如 FTP(file transfer protocol) 和 SMTP(Simple mail transfer protocol)等。 以太网已成为事实上的工业标准：
11.3 工业以太网互连模型
物理层与数据链路层采用IEEE802.3 规范 网络层与传输层采用TCP/IP协议组 应用层的一部分可以沿用上面提到 的那些互联网应用协议。
11.4 工业以太网技术应解决的 问题
1.通信实时性问题 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。 以太网一直被认为不适合在底层工业网 络中使用。需要有针对这一间题的切实 可行的解决方案。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从信息集成的观点来看，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，甚至通过WEB方式测 览和交互控制。 因此，有专家预言，现场总线技术与 以太网技术相结合将是未来发展的方 向。
第二部分 第11章 复习题 章
1.什么是工业以太网？ 2.工业以太网的协议结构包含哪几 层？分别说明各自的作用？ 3.为什么过去以太网在工业自动化 领域应用比较有限？
工业以太网技术简介
同步过程如右图： 结论：
FF HSE（FOUNDATION™ Fieldbus High Speed Ethernet）
基金会现场总线（FF）是专为过程自动化而设计 的通讯协议。FF最初包括低速总线H1（速率为 31．25kbps）和高速总线H2（速率为1Mbps和2 ．5Mbps）两部分。但随着多媒体技术的发展和 工业自动化水平的提高，控制网络的实时信息传 输量越来越大，H2的设计能力已不能满足实时信 息传输的带宽要求。鉴于此，现场总线基金会放 弃了原有H2总线计划，取而代之的是将现场总线 技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型 高速现场总线－FF HSE（High Speed Ethernet ）。
Ethernet/IP（Industrial Protocol）概述
在工业控制上，现场总线已经发展的比 较成熟，形成了主要的几种协议作为不 同工业控制领域的规范 为了适应以太网的工业应用，各协议都 进行了针对性的改良，其中由DeviceNet 及ControlNet发展得到的就是Ethernet/IP 其核心是在应用层采用CIP（Control and Information Protocol）协议与以太网结 合
工业以太网EPA EPA由中国自主研发的一组工业以太网 标准，与Ethernet/IP等都是行业规范之 一 传输层及网络层沿用TCP/IP，即以太网 协议，而在应用层加入EPA应用层协议， 在数据链路层加入EPA通信调度管理实 体
工业以太网EPA ----同步时钟 同步时钟的实现： 1 PTP网络拓扑结构：（OC BC） M主时钟，S从时钟通过报文传递校准 同步报文 跟随报文 延时请求 延迟相应 PTP的“结构体”（引擎结构“数据 集”）
可靠性——冗余技术
可靠性——冗余技术
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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。
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(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。
7/18号
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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. 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。
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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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。
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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”
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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1.4 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”。
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| 前序 | 目的地址 | 源地址 | 类型 Ethernet Header PA 7 SFD 1 DA 6 SA 6 Type 2 | 数据 Data Field Data Packet 46-1500 bytes FCS 4 | FCS |
An Ethernet II frame
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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 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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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。 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。
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
网络监控必须有专业人 员使用专用工具完成
网络监控和维 护
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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。 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。
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
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工业以太网在系统中的位臵
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。
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企业级（管理级）
Ethernet, TCP/IP, Internet
控制级（单元级）
PROCESS FIELD BUS
现场级
PROCESS FIELD BUS
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工业网络与传统办公室网络的比较 办公室网络 应用场合 普通办公场合 工业网络 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
以太网帧结构
| FCS |
| 前序
| 帧起始定界符 | 目的地址 | 源地址 | 长度 | 数据
PA
7
SFD
1
S O F
DA
6
SA
6
Length
2
An 802.3 frame