1、工 业 控 制 网 络 （现场总线）,ControlNet概 述,为什么要学习ControlNet总线？ ControlNet是一种高速的工业控制网络; ControlNet是开放、实时、具有确定性和可重复性(Determinism & Repeatability)的现场总线。 ControlNet是世界一流的自动化控制和信息解决方案供应商美国罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)公司推出的最优的工业控制网络技术NetLinx的控制层网络，也是罗克韦尔电子化制造（E-manufacturing）概念的主要技术之一。,ControlNet概 述,ControlNet的由来、组织
2、机构与标准 ControlNet是由美国罗克韦尔自动化公司于1997年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线。 1997年7月由罗克韦尔自动化等22家公司联合发起成立了控制网国际组织CI（ControlNet International）。 CI是一个为用户和供货商服务的非盈利性的独立组织。 2000年1月、2002年2月ControlNet分别成为国际标准IEC61158第2版、第3版的类型2（Type 2）。,ControlNet概 述,ControlNet的特点、优点与应用 ControlNet网络使用生产者/消费者模型。 生产者/消费者模型允许一个发送设备（生产者）与多个接收设备（消
3、费者）之间交换时间紧要的应用信息 。 确定性控制网络使用一种隐性令牌传递机制来提高协议效率。 协议使用一种基于时间的预定机制，它可使网络设备以确定性的、可预测性的方式来访问媒体，同时也防止了网络碰撞。,ControlNet概 述,ControlNet的主要技术特点可归纳为： （1）物理层介质：RG6同轴电缆、光纤。 （2）网络拓扑：总线形、星形、树形及其任何拓扑的混合。 （3）单网段长度：使用同轴电缆，1000m、 带2个节点，250m、带48个节点；使用光纤，短距离系统为300m，中等距离系统为7km。,ControlNet概 述,（4）中继器数目：串行使用，最大支持5个中继器，连接6个网段
4、；并行使用，最大支持48个中继器，连接48个网段。 （5）中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型。 （6）带中继器最大拓扑长度：使用同轴电缆，5000m；使用光纤，30km。 （7）网络节点数：使用中继器，可编址节点最多为99个；不带中继器，最多48个节点。,ControlNet概 述,（8）设备供电方式：设备采用外部供电。 （9）节点插拔：节点可带电插拨，安装与更换方便。 （10）网络速度：5Mbps（最大）。 （11）I/O数据个数：不限。 （12）I/O数据触发方式：轮询、状态改变/周期。,ControlNet概 述,（13）网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据。 （1
5、4）网络模型：生产者/消费者。 （15）网络刷新时间：可组态2100ms。,ControlNet概 述,ControlNet突出优点 ： （1）ControlNet是高速的控制和I/O网络，具有增强的I/O性能和点对点通信能力，支持多主方式，可以从任何一个节点（甚至适配器）访问整个网络。 （2）对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。,ControlNet概 述,ControlNet突出优点 ： （3）先进的生产者/消费者网络模型，最大限度地优化了带宽的利用率，并可构成多主、主/从、对等的通信结构；媒体访问算法确保了控制信息传送时间的准确性。 （4）ControlNet具有灵活
6、的安装选择，可使用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒体冗余方式。,ControlNet概 述,ControlNet体系结构与协议分层结构,ControlNet概 述,ControlNet拓扑结构,ControlNet冗余方式,ControlNet概 述,基金会现场总线,1994年6月，现场总线的两大国际组织ISP（Interoperable System Protocol）和北美World FIP (World Factory Instrumentation Protocol) 组织正式合并，产生了现场总线基金会（Fieldbus Foundation）
7、。FF的通信模型以ISO/OSI 开放系统模型为基础，采用了物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层。FF总线采用的是令牌总线通信方式,基金会现场总线,FF目前有高速（H2）和低速（H1）两种通信速率。H1的传输速率为31.25kb/s，传输距离可达1900m。H2很可能被高速以太网HSE 取代，HSE目前的通信速率为10Mb/s 。FF支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质，传输信号采用曼切斯特编码。采用功能模块和设备描述语言 DDL，包括10个基本功能块和为先进控制规定的19个标准的附加功能块。,基金会现场总线技术,网络拓扑,1单链路拓扑 所有的链路需要有且仅有一个链路活动
8、调度器(LAS Line Active Scheduler)。能够成为LAS的设备被称作链路主设备（Line Master Device），所有其他设备被称为基本设备（Basic Device）。如果基本链路主设备没有赢得投标，它将指示赢得投标的链路主设备把LAS角色传递给它。,网络拓扑,网络拓扑,2桥式网络 对于具有不同速度和介质类型的链路，可以用桥把它们连接在一起，形成多链路网络或桥式网络。桥中互相协调的路线表形成一个扩展树。数据流只有两个方向，一个是流向根节点，另一个是离开根节点。扩展树中的每一个桥有一个根端口和一个或多个下游端口。如果桥包含有不作为LAS的下游端口，那条链路以及它的所有
9、下游链路操作时使用的数据链路时间，与数据链路时间主设备分发的数据链路时间无法同步。,网络拓扑,基金会现场总线与ISO/OSI参考模型的关系,基金会现场总线与ISO/OSI参考模型的关系,基金会现场总线的参考模型只具备ISO/OSI参考模型中7层中的3层，即物理层、数据链路层和应用层。应用层划分为两个子层总线访问子层和总线报文规范层。同时它又在原有的ISO/OSI参考模型第7层应用层之上增加了新的一层用户层。通常把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。,PROFIBUS现场总线,PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International）简称PI
10、，在1995年成立。我国的PROFIBUS用户组织或PROFIBUS专业委员会（简称CPO）于1997年7月在北京成立。,PROFIBUS现场总线,PROFIBUS由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)和 PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式 I/O的通信。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。P
11、ROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。,PROFIBUS协议结构,PROFIBUS-DP定义了第1、2层和用户接口。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。PROFIBUS-PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。,PROFIBUS协议结构,PROFIBUS-FMS定义了第1、2、7层，应用层包括现场总线信息规范（FMS, Fieldbus Message Specification）和低层接口(LLI, Lower Layer Interface)。FMS包括了应用协议并向用
12、户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并向FMS提供不依赖设备的第2层访问接口。,PROFIBUS协议结构,PROFIBUS传输技术,1.用于DP/FMS的RS-485传输技术 RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。两端有有源的总线终端电阻。传输速率：9.6kb/s12Mb/s。每个分段32个站（不带中继），最多可有127个站（带中继）。串联的中继器一般不超过3个。电缆最大长度取决于传输速率。,PROFIBUS传输技术,2.用于PA的IEC1158-2传输技术 根据IEC1158-2，在过程自动化中使用固定波特率31.25kbi
13、t/s的同步传输。IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1，采用曼彻斯特编码，能进行本质及非本质安全操作。站数：每段最多32个，总数最多为126个。中继器：最多可扩展至4台。,PROFIBUS传输技术,3. IEC1158传输设备安装要点 使用分段耦合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接在一起。主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R=100，C=1F 。线路最大长度的确定：根据经验先计算一下电流的需要，然后根据表8-2选用一种供电电源单元，最后根据表8-3中线的长度确定选用哪种电缆。,PROFIBUS传输技术,4.光纤传输技术 在电磁
14、干扰很大的环境下，可使用两种光纤导体：塑料纤维导体，距离小于50m，玻璃纤维导体，距离小于1km 。专用总线插头，可在RS-485信号和光纤导体信号间转换。,PROFIBUS介质存取协议,3种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。主-从通信允许当前获得令牌的主站存取它所属的从站。令牌环是所有主站的组织链，它是由主站的总线地址构成的逻辑环。在总线系统初建阶段，主站的介质存取控制（MAC）的任务是检查总线上主站的逻辑分配并建立令牌环。主站的实际令牌持有时间取决于预组态的令牌轮转时间。,PROFIBUS介质存取协议,所有报文的海明（Hamming）距离HD=4。每个PROF
15、IBUS 通信行规使用第二层服务的不同子集。这些服务由上层通过服务存取点(SAP, Service Access Point)来调用。服务存取点分源服务存取点(SSAP)和目的服务存取点(DSAP)两类。,PROFIBUS- DP,1. PROFIBUS- DP用于现场层的高速数据传送 主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS- DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。,PROFIBUS- DP,1) PROFIBUS- DP基本功能 DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的动态激活和撤销。DP从站组
16、态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP主站（DPM1）进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。,PROFIBUS- DP,2) PROFIBUS- DP系统配置和设备类型 系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。,PROFIBUS- DP,3种不同类型设备：一级DP主站（DPM1）：它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。二级DP主站（DPM2）：是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作
17、和监视目的。DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/0设备、驱动器、HMI、阀门等）。,PROFIBUS- DP,3) 系统行为 停止：DPM1和DP从站之间没有数据传输。清除：DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。运行：DPM1从DP从站读取输入信息并向从站写入输出信息。,PROFIBUS- DP,4) DPM1和DP从站间的循环数据传输 DPM1和DP从站之间的数据传送分3个阶段：参数设定、组态、数据交换。只有当设备类型、数据格式、长度以及输入/输出数量与实际组态一致时，DP从站才进入用户数据传输阶段。,PROFIBUS- DP,5) DPM
18、1和系统组态设备间的循环数据传输 PROFIBUS- DP允许主-主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。,PROFIBUS- DP,6)同步和锁定模式 主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。,PROFIBUS- DP,7)保护机制 如果错误自动反应功能
19、“使能”，一旦发生超时，DPM1将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。,PROFIBUS- DP,2.扩展DP功能 扩展的DP功能允许在主站与从站之间传送非循环的读和写功能以及报警，而且可以实现与循环用户数据通信相并行的操作。使得DP满足了复杂设备的需要，而这些设备往往必须在运行期间进行参数化。目前，扩展的DP功能主要由工程工具用于PA现场设备的在线操作。参数化工具往往增大令牌循环时间以便主站不仅能执行循环的数据传输，也能执行非循环的通信服务。扩展的DP功能是可选的，它们与DP基本功能兼容。,PROFIBUS- DP,3.电子设备数据文件GSD（Gerte S
20、tamm Datei）为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件方式描述这些产品的功能参数（如I/0点数、类型、诊断信息、传输速率、时间监视、允许从站个数、上装/下装能力等）。使用根据GSD所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。,PROFIBUS- DP,4. PROFIBUS-DP行规 PROFIBUS-DP行规精确地规定和说明了用户数据的含义。它包括：NC/RC行规（3.052）。编码器行规（3.062）。变速传动行规（3.071）。 操作员控制和过程监视行规（HMI）。,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA适用于PROFIB
21、US的过程自动化。在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS DP总线段之间通过耦合器连接，并使之实现两段间的透明通信。PROFIBUS-PA采用PROFIBUS DP的基本功能来传送测量值和状态，并用扩展的PROFIBUS DP功能来制定现场设备的参数和进行设备操作。,PROFIBUS-PA,目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其他选择的一些设备类型作了具体规定，这些设备如下：测压力、液位、温度和流量的变送器。数字量输入和输出。模拟量输入和输出。阀门。定位器。,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间监控级通信。应用层包括下面两部分
22、：现场总线信息规范（FMS）：描述了通信对象和应用服务；低层接口（LLI）：FMS服务到第2层的接口。PROFIBUS-FMS利用通信关系将分散的过程统一到一个共用的过程中。可用来通信的那部分现场设备称虚拟现场设备（VFD），在实际现场设备与VFD之间设立一个通信关系表。,PROFIBUS-FMS,FMS有5种静态通信对象：简单变量、数组、记录、域和事件，还有两种动态通信对象：程序调用和变量表。静态通信对象进入静态对象字典，动态通信对象进入动态通信字典。FMS还提供上、下关系管理，配置管理，故障管理等网络管理功能。FMS行规包括：控制间的通信（3.002）、楼宇自动化（3.011）、低压开关设
23、备（3.032）。,未来的技术发展,1. 与以太网的透明连接功能从PROFIBUS到TCP/IP映象工程服务；从TCP/IP到PROFIBUS直接路由；复杂的现场设备代表分散的、面向对象的系统。 2. 用于运动控制的新功能需要在PROFIBUS协议中补充一些新功能（用于时钟同步和设备级的从站与从站通信） 3. 出版者/预订者模型4. PROFInet以以太网为基础实现PROFIBUS的纵向集成。,PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置,1.现场设备层PROFIBUS-DP/ PA 2.车间监控层PROFIBUS-FMS 3.工厂管理层以太网,PROFIBUS控制系统组成,1. 1类主站 完成
24、总线通信控制与管理。 2. 2类主站 PLC（智能型I/0）；分散式I/0（非智能型I/0）；驱动器、传感器、执行机构等现场设备,PROFIBUS控制系统配置的几种形式,1. 根据现场设备是否具备PROFIBUS接口的3钟形式 总线接口型：现场设备不具备PROFIBUS接口；单一总线型 ：现场设备都具备PROFIBUS接口；混合型。 2. 根据实际应用需要的几种结构类型结构类型1 结构类型6,LonWorks现场总线,LonWorks(局部操作网络，Local Operating Network)总线由美国Echelon公司推出，并由它与Motorola公司和Toshiba公司共同倡导，于19
25、90年正式公布。由于该技术完善、使用方便灵活、开发周期短、实用性强而受到了众多计算机制造商、仪表公司等的认可和支持。迄今已有4000多家生产商使用了LonWorks技术，并已安装了500多万个节点。目前已有很多家公司正在生产LonWorks产品或将其产品纳入LonWorks网络，如Honeywell公司已经将LonWorks技术用于楼宇控制系统。,LonWorks现场总线,LonWorks采用了ISO(国际标准化组织，International Organization for Standardization)定义的OSI(开放系统互连模型，Open System Interconnectio
26、n)的全部七层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简单化为参数设置；其通信速率从300bps到1.5Mbps不等，直接通信距离可达2.7km(78kbps，双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，是一种通用控制网络。LonWorks己被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输工业过程控制等行业。,现场总线的发展趋势,1 工业以太网的推出 2 以太网的优势 3 以太网应用于工业现场所面临的问题及解决措施 4 几种主流工业以太网 5 关于工业以太网的几点讨论,工业以太网的推出,由于现场总线
27、的种类很多，仅国际标准现场总线就多达二十多种，而不同现场总线协议/规范的兼容性较差，因此要实现不同现场总线之间的通信是非常困难的。这不但使FCS的开放性、互操作性与互换性难以真正体现，而且给用户对FCS的使用带来了很大的不便。为此，人们在努力寻求“一网到底”、“一网打尽”的解决方案，即希望建立一个统一的开放的通信标准。在这种情况下，在技术、价格、开放性及普及程度等方面具有优势和具有“e网到底”美誉的以太网（EtherNet）即成为首选，应用于工业环境/工业自动化领域的以太网工业以太网（Industrial EtherNet）被纷纷推出。,工业以太网的推出,为推进工业以太网的发展、应用、普及和标
28、准化，国际上成立了一些工业以太网组织: 工业自动化开放网络联盟IAONA（Industrial Automation Open Network Alliance） 工业以太网协会IEA（Industrial Ethernet Association） 分布式自动化接口组织IDA（Interface for Distributed Automation） 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,工业以太网的推出,一些现场总线国际组织也在其低速现场总线的基础上推出了基于以太网的高速总线: 现场总线基金会FF（FieldbusFoundation）的高速以太网HSE（H
29、igh Speed EtherNet） 控制网国际组织CI（ControlNetInternational）和开放式设备网供货商协会ODVA（Open DeviceNetVendors Association）的工业以太网EtherNet/IP（EtherNet/Industrial Protocol） PROFIBUS用户组织PNO（ProfibusNational Organisation）的PROFInet ModBus组织的ModBus/TCP（2003年10月，在美国休斯敦举办的ISA展览会上，ModBus组织和IDA组织宣布合并，成立ModBus-IDA组织）,工业以太网的推出,目
30、前，为解决以太网应用于工业现场中的不确定性或实时性问题，“实时以太网（Real Time Ethernet）”技术在工业以太网中被凸显出来。IEC/TC65/SC65C现已开始制定一个关于“Additional Profiles ISO/IEC 8802-3 based communication networks in real time applications”的新IEC61784-2标准。这项工作即是由最近成立的IEC/TC65/SC65C/WG11以“实时以太网”的名义来进行的。,工业以太网的推出,2004年1月在法国召开了IEC/TC65/SC65C/WG10、11、12、13等4
31、个工作组的联合大会和工作组会议。此次会议对之前收到的6个新的实时以太网协议提案将以IEC国际规范PAS（Publicly Available Specification）的形式发布。这些提案包括： 中国的EPA（Ethernet for Plant Automation） 德国BECKHOFF公司的EtherCAT（Ethernet for Control and Automation Technology） 日本横河公司的V-net 日本东芝公司的Tcnet IAONA（奥地利B&R（贝加莱）公司支持）的EPL（Ethernet PowerLink） 法国施耐德公司的ModBus/TCP (
32、RTPS),工业以太网的推出,PAS的有效期为3年（正式发布的IEC标准为5年），3年期限快到时，需重新审核。即在2007年启动修订IEC61158时，会考虑将PAS加入到现场总线国际标准IEC61158中，成为新的类型。（由于目前各种现场总线还不能统一到单一标准上来，因此IEC/TC65在2002年作出决议，2007年前不再向IEC61158中加入新的标准类型，直至IEC61158被修订）。,工业以太网的推出,除了以上提到的实时以太网外，还有一些组织/生产厂商（Organization/Manufacturer）也推出了实时以太网解决方案，如: IEEE的Precision Time Pro
33、tocol IGS的SERCOS- 德国Jetter的JetSync 美国United Electronic Systems（UEI）的Power DNA（Distributed Network Automation and Control） 美国Motion Engineering Inc.（MEI）的SynqNet 奥地利Oregano Systems的SynUTC 挪威OntimeNetworks的Switch mitZeit-Server 德国Real-Time Systems Group of University Hannover的RTnet,工业以太网的推出,应该指出，在国内，中
34、国仪器仪表行业协会、中国机电一体化技术应用协会等也成立了“工业以太网”工作小组。特别值得一提的是，以我国的EPA（EtherNetfor Plant Automation）通信标准浙大中控为主制定的用于工业测量与控制系统（征求意见稿）（EPA标准）于2004年5月17日通过了全国工业过程与测量标准化技术委员会的严格审查，最终将以国家标准予以发布。EPA作为我国自主开发的基于工业以太网的现场总线通信协议，对提升我国自动化技术的整体水平具有十分重要的意义，特别是将EPA标准引入国际标准，意义尤为重大。,工业以太网的优势,以太网是由美国Xerox公司于1975年推出的一种局域网，其真正的开端是夏威夷
35、岛上用于无线电通信的ALOHA系统，由过去人们曾认为的电磁波的传输介质（媒体）“以太（Ether）”而得名。1982年，Xerox公司、数字设备公司DEC、Intel公司联合公布了以太网规范。IEEE802.3就是以这个规范为基础制定的。,工业以太网的优势,按ISO/OSI参考模型，以太网规范只包括通信模型中的物理层与数据链路层（介质访问控制MAC子层）。严格地说，以太网规范与IEEE802.3标准并不完全相同，但在一般情况下，人们通常均将IEEE802.3和以太网规范等同看待。目前，由于以太网和工业以太网皆使用传输控制协议/互联网协议TCP/IP，因此现在人们所说的以太网及工业以太网不仅包含
36、以太网规范/IEEE802.3中的物理层与数据链路层，而且包含TCP/IP协议。,工业以太网的优势,与目前的现场总线相比，以太网具有以下优势: （1）应用广泛以太网标准开放、为所有的计算机共享，是目前应用最为广泛的计算机网络技术，得到了广泛的技术支持。以太网技术成熟，软硬件丰富，为广大用户所熟悉，普及程度极高。 （2）通信速率高目前以太网广泛使用的通信速率已从10Mbps提高到100Mbps，1000Mbps以太网技术也逐渐成熟并有所应用，10Gb/s以太网亦正在研究中。以太网可以满足对带宽有更高要求的场合。,工业以太网的优势,（3）价格低廉由于以太网的应用最为广泛，因此得到了硬件开发与生产厂
37、商的高度重视与广泛支持，硬件价格相对低廉。目前以太网网卡的价格只有PROFIBUS、FF等现场总线网卡价格的1/10。 （4）发展前景广阔以太网应用的普及性和支持的广泛性以及与其密切相关的信息技术的高速发展，决定了以太网具有广阔的发展前景。,以太网应用于工业现场所面临的问题及解决措施,（1）通信实时性/确定性 （2）对工业现场环境的适应性与可靠性 （3）统一的应用层协议 （4）总线供电 （5）本质安全 （6）网络安全性 （7）传输距离,（1）通信实时性/确定性,以太网采用的带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD介质访问控制方式，其本质上是非实时的，具有不确定性。这是以太网在工业现场中应用的
38、致命弱点和主要障碍。 解决措施： a.采用以太网全双工/交换技术 b.提高通信速率 c.通过实时调度/确定性通信调度来控制网络负荷,（2）对工业现场环境的适应性与可靠性,以太网是按办公环境设计的，将它应用于工业现场环境，必须解决其鲁棒性、抗（电磁）干扰能力等问题。 解决措施: 1)在产品设计时，要特别注重材质、元器件的选择，使产品在强度、湿度、温度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求 2)考虑到在工业环境下的安装要求,（3）统一的应用层协议,如上所述，可以认为，以太网包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，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。目前RFC（Req
39、uest For Comment）组织文件中的一些应用层协议，如FTP、HTTP、Telnet、SNMP、SMTP等，仅仅规定了用户应用程序该如何操作，并不是统一的应用层协议，因此以太网不是一个完整的工业网络协议。解决措施：制定统一并适用于工业现场的应用层技术规范，并可考虑参照IEC等有关标准，在应用层上增加用户层协议。,（4）总线供电,所谓总线供电或总线馈电，是指连接到现场设备的电缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。采用总线供电可减少网络线缆，降低安装复杂性与费用，提高网络和系统的易维护性。特别是在环境恶劣与危险场合，总线供电具有十分重要的意义。由于EtherNet以前主要用于商
40、业计算机通信，一般的设备或工作站（如计算机）本身已具备电源供电，没有总线供电的要求，因此其传输介质只用于传输信息。在FCS中，现场设备（节点）的位置分散，往往要求总线为它们提供工作电源。原来的以太网没有涉及此问题。2003年6月推出的IEEE802.3af标准对总线供电进行了规范。,（5）本质安全,以太网要用在易燃、易爆与有毒的恶劣工业环境中，就必须考虑其本安防爆问题。解决措施：对以太网系统采用隔爆防爆的措施，即通过对以太网现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使设备本身故障产生的电火花能量不致外泄，以隔离故障，从而保证系统其它部分的安全性。,（6）网络安全性,由以太网构成的控制系统也必须解
41、决其网络安全性问题。 解决措施： 利用网络本身对安全提供的两方面的支持： 网络设备访问控制和数据访问控制（身份验证、权限限制、传输加密、端口证实和报文过滤等） 通过引进防火墙机制，有效防止病毒及黑客的侵入,（7）传输距离,以太网的通信速率比较高，传输距离较短。如对于10Mbps以太网，每一段双绞线（10Base-T）的长度不超过100m，每一段细同轴电缆（10Base-2）的长度不超过185m，每一段粗同轴电缆（10Base-5）的长度不超过500m；对于100Mbps以太网，每一段双绞线（100Base-TX）的长度不超过100m。解决措施： 使用中继器或光纤通信介质,几种主流工业以太网,(
42、1) EtherNet/IP (2) HSE (3) PROFInet (4) ModBus/TCP,EtherNet/IP（Ethernet/Industrial Protocol）是一种适用于工业环境的通信系统。EtherNet/IP允许工业设备交换时间紧要的应用信息。这些设备包括简单I/O设备，如传感器/执行器，也可为复杂的控制设备，如机器人、PLC、焊接设备和过程控制器，等等。 EtherNet/IP得到了IAONA（工业自动化开放网络联盟）、IEA（工业以太网协会）、CI（控制网国际组织）、ODVA（开放式设备网供货商协会）等组织的支持。,(1) EtherNet/IP,EtherN
43、et/IP采用以太网的物理层、数据链路层及TCP/IP协议。EtherNet/IP最具特色的部分为其应用层和用户层的控制和信息协议CIP（Control And Information Protocol）。CIP由对象建模、信息协议、通信对象、对象库、设备描述、设备配置方法和数据管理等部分组成。 CIP是DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP的顶层公共规范，是独立于物理媒体和数据链路层的面向对象的协议，可实现这3种不同网络的互连，提供工业现场设备（如传感器、执行器）和高端设备（控制器）之间的通信。CIP支持多处理器结构，且任何一个处理器既可“拥有”自己的I/O或设备，
44、又可监听网络上设备的输入和输出，与其它控制器进行实时互锁或对等通信。CIP采用“生产者/消费者”模式来提高网络效率。,(1) EtherNet/IP,EtherNet/IP具有3种最基本的功能： 实时控制基于控制器或智能设备内所存储的组态信息，通过网络通信中的状态变化来实现实时控制，可提供操作或过程中的实时工厂级数据交换。 网络组态通过总线既可实现对同层网络的组态，也可以实现对下层网络的组态。网络组态可以在网络启动时进行，而设备参数修改或控制器逻辑修改也可以在线通过网络实现。 数据采集可基于既定节拍或应用需要来方便地实现数据采集。所需要的数据通过人机接口显示，包括趋势和分析、配方管理和系统故障
45、等。,(1) EtherNet/IP,应用于控制场合的EtherNet/IP网络拓扑一般采用有源星型拓扑（10/100Mb/s），成组的设备采用点对点方式连接到以太网交换机。交换机是整个网络系统的核心。EtherNet/IP现场设备具有内置的Web Server功能，不仅能够提供WWW服务，还能提供诸如电子邮件等网络服务，其模块、网络和系统的数据信息可以通过网络浏览器获得。EtherNet/IP的现有产品已能通过HTTP提供诸如读写数据、读诊断、发送电子邮件、编辑组态数据等能力。,(1) EtherNet/IP,HSE是现场总线基金会对基金会现场总线FF （Foundation Fieldbu
46、s）H1的高速网段的解决方案。现场总线基金会对HSE的定位是，HSE是将控制网络集成到世界通信系统Internet的技术。 HSE采用作为其技术核心部分的链接设备（Linking Device）将远程H1网段的信息传送到主干以太网上。这些信息可以通过以太网送到主控制室，并进一步送到企业的企业资源规划ERP（Enterprise Resources Planning）和管理系统。操作员可以在主控制室直接使用网络浏览器等工具查看现场设备的运行情况，也可以通过同样的网络传输途径将控制信息送至现场设备。,(2) HSE,与EtherNet/IP一样，HSE的物理层与数据链路层采用以太网规范（100Mb
47、/s）；网络层采用IP协议；传输层采用TCP、UDP协议；而应用层是独具特色的现场设备访问FDA（Field Device Access）。HSE的一大特点是在应用层之上又定义了用户层。用户层包括功能块、设备描述、网络与系统管理等功能，从而使系统更加开放，实现了用户层的互操作性。,(2) HSE,FF技术的最大特点就是功能块，将传统上运行于控制器中的功能块下放到现场设备当中，使现场设备真正成为智能仪表而不是简单的传感器和执行器。同样，HSE也使用标准的FF功能块，以保证控制网络所有层次上数据表达的统一。在此基础上，HSE又增加了柔性功能块，这是HSE技术的另一个独特的特点。柔性功能块能把远程I
48、/O和子系统集成起来，提高了现场控制功能，在增强过程控制功能的同时，又弥补了H1系统用于离散或间歇控制应用领域时的不足。 HSE支持对交换机、链接设备的冗余配置与接线，也支持危险环境下的本质安全。,(2) HSE,PROFInet是用于PROFIBUS纵向集成的、开放的、统一的完整系统解决方案，它能将现有的PROFIBUS网络通过代理服务器（Proxy）连接到以太网上，从而将工厂自动化和企业信息管理自动化有机地融为一体。 PROFInet采用组件对象模型COM/DCOM技术，通过优化的通信机制来满足实时通信的要求。以对象的形式表示的PROFInet组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象/
49、COM（Component Object Model）对象作为协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）以DCOM（Distributed Component Object Model）协议定义的形式出现在现场总线上。连接对象活动控制ACCO确保已组态的互相连接的设备间通信关系的建立和数据交换。,(3) PROFInet,PROFInet构成从PROFIBUS的I/O层直至以太网的基于组件的分布式自动化系统的体系结构方案。在该方案中，通过以太网TCP/IP访问PROFIBUS设备是由Proxy使用远方程序调用和DCOM来实现的。Proxy既代表了PROFIBUS用户，又代表了工业以太网上的其它PROFInet用户。,(3) PROFInet,基于以太网的PROFInet通信有3种： TCP、UDP和IP：用于非时间紧要数据的传输，如参数分配和配置 软实时SRT（Soft Real Time）：用于工厂自动化等场合的时间紧要过程数据的传输 同步实时IRT（Isochronous Real Time）：用于运动控制等特殊复杂的需求中,
