工业以太网简介.ppt

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：2014/7/7-2014/7/181 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,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:基金会现场总线FF(fundation fieldbus);ControlNet;Profibus;P-Net;FF(fieldbus fundation)高速以太网HSE;SwiftNet;WorldFIP;Inter-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。,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。,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。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。,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。,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。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。,1 工业以太网概述,Every device has unique addressMulticasting,broadcasting supported,PA,SFD,DA,SA,Length,802.3 Header and Data Packet,FCS,7,1,6,6,2,46-1500 bytes,4,An 802.3 frame,SOF,1,以太网帧结构,|前序|目的地址|源地址|类型|数据|FCS|,|前序|帧起始定界符|目的地址|源地址|长度|数据|FCS|,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,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:0r2r，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。,重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性,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。,1 工业以太网概述,工业以太网在系统中的位置底层传动级（L0级）：0级，一般把传动（电机控制）和仪表作为级，即传动级；如电机传动控制系统，液气压传动控制系统。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。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。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。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电子商务级（L5）：使用各种电子工具从事商务或活动。,1 工业以太网概述,1 工业以太网概述,1 工业以太网概述,工业网络与传统办公室网络的比较,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。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。,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1036V低压供电。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。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。,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CSMACD（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”。10Base5 使用粗同轴电缆，最大网段长度为500m，基带传输方法；10Base2 使用细同轴电缆，最大网段长度为185m，基带传输方法；10BaseT 使用双绞线电缆，最大网段长度为100m；1Base5 使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps；10Broad36 使用同轴电缆（RG59U CATV），最大网段长度为3600m，是一种宽带传输方式；10BaseF 使用光纤传输介质，传输速率为10Mbps；,1 工业以太网概述,历史回顾:三轴电缆 线性和星型拓扑结构 通过屏蔽层加强了信息传输的完整性 适合地沟安装.,1 工业以太网概述,工业屏蔽双绞线 双屏蔽层适用于工业环境 国际超5类线标准：ISO/IEC 11 801and EN 50 173 标准线缆和防卤素线缆,1 工业以太网概述,光纤 由于对电磁环境不敏感，具有较强的抗干扰能力 最大长度:3100m（多模光纤），26km（单模光纤）,1 工业以太网概述,二、快速以太网 随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。在1993年10月以前，对于要求10Mbps以上数据流量的LAN应用，只有光纤分布式数据接口（FDDI）可供选择，但它是一种价格非常昂贵的、基于100Mpbs光缆的LAN。1993年10月，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10100和网络接口卡FastNIC100，快速以太网技术正式得以应用。随后Intel、SynOptics、3COM、BayNetworks等公司亦相继推出自己的快速以太网装置。与此同时，IEEE802工程组亦对100Mbps以太网的各种标准，如100BASETX、100BASET4、MII、中继器、全双工等标准进行了研究。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u 100BASET快速以太网标准（Fast Ethernet），就这样开始了快速以太网的时代。,1 工业以太网概述,快速以太网与原来在100Mbps带宽下工作的FDDI相比它具有许多的优点，最主要体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足，那就是快速以太网仍是基于CSMACD技术，当网络负载较重时，会造成效率的降低，当然这可以使用交换技术来弥补。100Mbps快速以太网标准又分为：100BASETX、100BASEFX、100BASET4三个子类。100BASETX：是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT 1类布线标准。使用同10BASET相同的RJ45连接器。它的最大网段长度为100米。它支持全双工的数据传输。,1 工业以太网概述,100BASEFX：是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模光纤（62.5和125um）多模光纤连接的最大距离为550米。单模光纤连接的最大距离为3000米。在传输中使用4B5B编码方式，信号频率为125MHz。它使用MICFDDI连接器、ST连接器或SC连接器。它的最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里，这与所使用的光纤类型和工作模式有关，它支持全双工的数据传输。100BASEFX特别适合于有电气干扰的环境、远距离连接、或高保密环境等情况下的适用。100BASET4：是一种可使用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。100Base-T4使用4对双绞线，其中的三对用于在33MHz的频率上传输数据，每一对均工作于半双工模式。第四对用于CSMA/CD冲突检测。在传输中使用8B6T编码方式，信号频率为25MHz，符合EIA586结构化布线标准。它使用与10BASET相同的RJ45连接器，最大网段长度为100米。,1 工业以太网概述,三、千兆以太网千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。千兆技术仍然是以太技术，它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地投资保护。为了能够侦测到64Bytes资料框的碰撞，Gigabit Ethernet所支持的距离更短。Gigabit Ethernet 支持的网络类型，如下表所示：1000BaseCX Copper STP 25m 1000BaseSX Multi-mode Fiber 500m 1000BaseLX Single-mode Fiber 3000m,1 工业以太网概述,千兆以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。四、万兆以太网 万兆以太网规范包含在 IEEE 802.3 标准的补充标准 IEEE 802.3ae 中，它扩展了 IEEE 802.3 协议和 MAC 规范使其支持 10Gb/s 的传输速率。除此之外，通过 WAN 界面子层（WIS：WAN interface sublayer），10千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率，如 9.584640 Gb/s（OC-192），这就允许10千兆位以太网设备与同步光纤网络（SONET）STS-192c 传输格式相兼容。10GBASE-SR 和 10GBASE-SW 主要支持短波（850 nm）多模光纤（MMF），光纤距离为 2m 到 300 m。,1 工业以太网概述,1.5 工业以太网的拓扑结构总线型：所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。早期以太网多使用总线型的拓扑结构，采用同轴缆作为传输介质，连接简单，通常在小规模的网络中不需要专用的网络设备，但由于它存在的固有缺陷，已经逐渐被以集线器和交换机为核心的星型网络所代替。星型：管理方便、容易扩展、需要专用的网络设备作为网络的核心节点、需要更多的网线、对核心设的可靠性要求高。采用专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上，这就形成了星型结构。星型网络虽然需要的线缆比总线型多，但布线和连接器比总线型的要便宜。此外，星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。,1 工业以太网概述,共享型局域网（总线型）：所有的网络节点在同一个网段上，如果两个站同时发送信息，将产生冲突。经过一个随机的时间段后，再重新发送 重新发送增加了网络负荷 由重发而导致的信号延迟将影响信号传输的实时性,中继器,1 工业以太网概述,交换机局域网（星型）：交换机过滤并转发数据桢 交换机分辨数据帧的目的地址，并将该数据帧转发到目的节点 大大降低了冲突发生的概率，有效的提供了网络的效率,交换机,1 工业以太网概述,其他类型：冗余环网应用于故障安全的骨干网络中,光纤环网解决了两大问题：第一，轻松解决了在化工、矿业等极端条件的本质防爆问题，这一下子将以太交换设备向前推动了一个层次，使以太网可以到达工业现场层，第一次成为真正的FieldBus；第二，通过环网的冗余提高以太交换的可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高的应用环境中。,ESM:Electrical Switch Module,1 工业以太网概述,冗余双环网,1 工业以太网概述,1.6 几种典型的工业以太网介绍 现场总线国际标准IEC 61158经过十几年的争论和斗争后，放弃了其制定单一现场总线标准的初衷，最终发布了包括8种(第3版修订后增加了两种类型，而成为10种类型)类型总线的国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。几种主流的工业以太网标准EPAEtherCATProfinetHSEModbus TCPEthernet PowerlinkEthernet/IP,EPA,EPA是一种用于过程行业中确定性以太网通讯的中国提案。它也是浙大中控的商业名称，无集团支持，尚未在市场中推广。方案：在MAC层中，达到实时的时间分割。通过常规TCPIP和或采用Modbus，完成所有其他传输。实时性：循环通讯为1O100ms，无同步。功能：通过TCPIP的常规lT和过程通讯。在慢实时中的分布式功能块之间的确定性通讯的额外功能。,EtherCAT,2003年,由倍福公司(Beckhoff)开发。由EtherCAT ETG的140名成员支持。方案：使用以太网物理层将闭环段内的主站连接到环内的从站。任何单一个报文以主站传递到每个从站，并从此处再回到主站。该报文具有一个以太网结构，但协议完全不同。每个从站拥有一个可在线读写的信箱。每台设备集成门列阵或处理实时解码的专用集成电路硅。常规TCP/IP设备必须通过网关连接，之后小型TCP/IP数据包能够嵌入在EtherCAT报文内，打开包装并在主站内组合在一起，因此到达外部设备，用于TCP/IP的带宽为1。实时性：循环时间从30us起。100个轴为100us，同步1us。功能：主要用于运动控制，I/O和编码器。,Profinet,由PROFlBus国际组织1200多名成员以及五大洲125个国家的区域组织共同定义。多于25家公司及1 OO多种产品。公司涉及：倍福，HMS，西门子等，德国汽车行业宣布采用Profinet的公司包括Audi，BMW等。方案：主要功能采用了常规TCP/IP。这包括组态，参数化及CBA(Component Based Automation基于组件的自动化)，在TCP/lP传输上无限制。对于l/0和达到1 ms的其他,实时功能，使用直接寻址和优先级报文(RT信道)。TCP/IP传输无限定，但由于优先级，会发生交换桐内的较短的延迟。对要求低于1ms的实时并且同步1uS，Profinet报文使用基于专用集成电路的交换机以菊花链或环形方式连接，来控制段中的传输。同步符合IEC 61588并且组态循环时间从250us起。实时性：对于30个轴，循环时间从250s起，及50的TCP/lP。对于15O个轴为1ms，同步1us。功能：CBA用于Profibus(已安装有1，300万个节点)和Interbus(已安装有700万个节点)的透明移植。,HSE,由Fieldbus Foundation定义，为通过网关将FF网络连接到以太网。由Fieldbus Foundation支持。唯一的产品是连接Foundation Fieldbus网络的连接设备。艾默生过程管理公司，Endress+Hauser和Smar国际组织是连接设备的制造商。方案：以太网报文中嵌入现场总线(FF)协议，无TCP/IP传输。实时性：无。功能：使DCS能够跳变接口并且仅使用以太网作为通讯网络。,Modbus TCP,由施耐德电气公司定义，由用户组织Modbus-IDA支持。自1979年开始使用初始的Modbus协议(如RS485)。轻松实现向以太网迁移，并广泛的推广。迄今为止，可能是最多使用的以太网解决方案。大约9O个产品主要来自有多接口选择的远程I/O供应商。方案：基于嵌入Modbus的常规TCP/IP，种使用请求/应答模式的非常简单的协议。此方案为非确定性，反应时间最佳20ms。可增加带有RTPS（Realtime Publisher Subscriber）实时性。这是使用UDP/IP来改善性能，但没有达到真正的实时标准，用于TCP/IP的带宽为90100。实时性：循环通讯为2O100ms，无同步。功能：将Modbus和以太网连接，用于I/O和在寄存器中读写的简单协议。,Ethernet Powerlink,Powerlink于2001年，由Bernecker+Rainer(B&R)开发，并由EPSG(EPL标准化组织)支持。Power-link早期以运动控制产品的形式推向市场，并在这种市场中占有份额，已安装60,000多个节点。方案：带有提供同步及肘间槽主站的闭环段。其中一个时间槽面向小型TCP/lP报文开放(1带宽)。实时性：对应于八个轴循环时间为0.2ms。主站与驱动之间1O个网络集线器，最大量限定为2O个轴，同步1us。功能：主要用于运动控制。,Ethernet/IP,由罗克韦尔公司定义。有ODVA的250名成员支持。主要产品是罗克韦尔,菲尼克斯及万可等，大约21个认证产品。2004年春天，通用汽车宣布，它将为其自动化程序标准化为Ethernet/IP。方案：通过常规以太网，基于常规TCP/IP，并带有可选UDP/IP对象嵌入协议，CIP经由常规以太网(公用接口协议)，传输I/O数据，组态与诊断。非确定性响应时间将至10ms。可添加同步(CIPsynq-IEC61588)，用于TCP/IP的带宽为9O100。实时性：循环通讯为10100ms，同步时间大约为10us。功能：用于ControlNet和DeviceNet(安装了base 2.5m的节点)通过桥路，实现到现场总线的迁移。驱动控制带有适度范围的循环时间及同步。,