煤矿信息化技术煤矿信息化技术
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煤矿信息化技术-煤矿信 息化技术
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2020/11/21
煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•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
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•一、工业以太网技术
煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•数字化变电站
❖数字化技术优势
易于传输 – 同一信道可传输多种信息 – 信息不损失精度 – 可靠性：检错和容错
ProfiNet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协 议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可 以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的 Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到ProfiNet网络当中， 使整Profibus设备和协议能够原封不动地在Pet中使用。传统的 Profibus设备可通过代理proxy与ProFiNET上面的COM对象进行通信， 并通过OLE自动化接口实现COM对象间的调用。
❖资源共享能力强
• 随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各 个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的 束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览 工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是 其他任何一种现场总线都无法比拟的。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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。
•（四）工业以太网的优势
❖可持续发展潜力大
以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能 性，用户在技术升级方面无需独自的研究投人， 对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法 比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都 要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议 有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满 足。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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；
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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。
•Mod-bus TCP/IP
•Profi-Net
•HSE
•Ethernet/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。
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•（三）工业以太网协议
❖Ethernet/IP
Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。它 是由ODVA(Open Devicenet Vendors Assocation)和ControlNet International两大工业组织推 出的最新成员与DeviceNet和ControlNet一样，它 们都是基于CIP(Control and Information ProtoCol)协议的网络。它是一种是面向对象的协议， 能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式 信息(包括用于组态、参数设置、诊断等)的有效 传输。
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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。
• （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
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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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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•数字化变电站
•二、数字化变电所
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•数字化变电站
❖什么是数字化技术
信息以数字量的形式进行传输、处理和存储 数字量是指编码
– 不同进制：2，8，10，16 – 不同位数：表示范围和精度 – 值离散和时间离散
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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。
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•（三）工业以太网协议
❖HSE
HSE技术的一个核心部分就是链接设备，它是 HSE体系结构将Hl(31.25 kb/s)设备连接100 Mb/s 的HSE主干网的关键组成部分，同时也具有网桥 和网关的功能。网桥功能能够用于连接多个H1总 线网段，使同H1网段上的H1设备之间能够进行对 等通信而无需主机系统的干涉；网关功能允许将 HSE网络连接到其他的工厂控制网络和信息网络， HSE链接设备不需要为H1子系统作报文解释，而 是将来自H1总线网段的报文数据集合起来并且将 Hl地址转化为IP地址。
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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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•（三）工业以太网协议
❖ProfiNet
针对工业应用需求，德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有 的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，主要包括： (1)基于组件对象模型(COM)的分布式自动化系统；(2)规定了ProfiNet 现场总线和标准以太网之间的开放、透明通信；(3)提供了一个独立于 制造商，包括设备层和系统层的系统模型。
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•（四）工业以太网的优势
❖成本低廉
以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多 (约为1/10)；另外，以太网已经应用多年，人们对 以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相 当成熟的技术。大量的软件资源和设计经验可以 显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整 体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
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•（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。
(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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•（四）工业以太网的优势
❖应用广泛
•以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所 有的编程语言如Visual C＋＋、Java、Visual Basic等都支持以太网的应用开发。
❖通信速率高
•目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应 用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场 总线最高速率只有12Mb/s(如西门子Profibus-DP)。 显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多， 完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
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：
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。
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•（五）工业以太网在控制领域应用现状 •（一）混合Ethernet/Fieldbus的网络结构
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•（五）工业以太网在控制领域应用现状 •(二)专用工业以太控制网络
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•（五）工业以太网在控制领域应用现状 •(三)基于Web的网络监控平台
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•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
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•一、工业以太网技术
煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•数字化变电站
❖数字化技术优势
易于传输 – 同一信道可传输多种信息 – 信息不损失精度 – 可靠性：检错和容错
ProfiNet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协 议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可 以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的 Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到ProfiNet网络当中， 使整Profibus设备和协议能够原封不动地在Pet中使用。传统的 Profibus设备可通过代理proxy与ProFiNET上面的COM对象进行通信， 并通过OLE自动化接口实现COM对象间的调用。
❖资源共享能力强
• 随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各 个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的 束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览 工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是 其他任何一种现场总线都无法比拟的。
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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。
•（四）工业以太网的优势
❖可持续发展潜力大
以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能 性，用户在技术升级方面无需独自的研究投人， 对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法 比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都 要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议 有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满 足。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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；
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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。
•Mod-bus TCP/IP
•Profi-Net
•HSE
•Ethernet/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。
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•（三）工业以太网协议
❖Ethernet/IP
Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。它 是由ODVA(Open Devicenet Vendors Assocation)和ControlNet International两大工业组织推 出的最新成员与DeviceNet和ControlNet一样，它 们都是基于CIP(Control and Information ProtoCol)协议的网络。它是一种是面向对象的协议， 能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式 信息(包括用于组态、参数设置、诊断等)的有效 传输。
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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。
• （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
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•数字化变电站
•二、数字化变电所
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•数字化变电站
❖什么是数字化技术
信息以数字量的形式进行传输、处理和存储 数字量是指编码
– 不同进制：2，8，10，16 – 不同位数：表示范围和精度 – 值离散和时间离散
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（三）工业以太网协议
❖HSE
HSE技术的一个核心部分就是链接设备，它是 HSE体系结构将Hl(31.25 kb/s)设备连接100 Mb/s 的HSE主干网的关键组成部分，同时也具有网桥 和网关的功能。网桥功能能够用于连接多个H1总 线网段，使同H1网段上的H1设备之间能够进行对 等通信而无需主机系统的干涉；网关功能允许将 HSE网络连接到其他的工厂控制网络和信息网络， HSE链接设备不需要为H1子系统作报文解释，而 是将来自H1总线网段的报文数据集合起来并且将 Hl地址转化为IP地址。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（三）工业以太网协议
❖ProfiNet
针对工业应用需求，德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有 的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，主要包括： (1)基于组件对象模型(COM)的分布式自动化系统；(2)规定了ProfiNet 现场总线和标准以太网之间的开放、透明通信；(3)提供了一个独立于 制造商，包括设备层和系统层的系统模型。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（四）工业以太网的优势
❖成本低廉
以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多 (约为1/10)；另外，以太网已经应用多年，人们对 以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相 当成熟的技术。大量的软件资源和设计经验可以 显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整 体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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。
(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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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（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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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（四）工业以太网的优势
❖应用广泛
•以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所 有的编程语言如Visual C＋＋、Java、Visual Basic等都支持以太网的应用开发。
❖通信速率高
•目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应 用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场 总线最高速率只有12Mb/s(如西门子Profibus-DP)。 显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多， 完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
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：
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。
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（五）工业以太网在控制领域应用现状 •（一）混合Ethernet/Fieldbus的网络结构
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煤矿信息化技术煤矿信息化技术
•（五）工业以太网在控制领域应用现状 •(二)专用工业以太控制网络
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•（五）工业以太网在控制领域应用现状 •(三)基于Web的网络监控平台