工业控制网络05.ppt

1,工 业 控 制 网 络（现场总线）主讲教师：李中伟,2,为什么要学习ControlNet现场总线？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,哈工大网络与电气智能化研究所,3,ControlNet的由来、组织机构与标准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。它负责ControlNet技术规范的管理和发展，并通过开发测试软件提供产品的一致性测试，出版ControlNet产品目录，进行ControlNet技术培训，促进世界范围内ControlNet技术的推广和应用，等等。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,哈工大网络与电气智能化研究所,4,ControlNet,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（消费者）之间交换时间紧要的应用信息，而不需将发往多个目的的数据发送多次。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。,哈工大网络与电气智能化研究所,5,ControlNet,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。,哈工大网络与电气智能化研究所,6,（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；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,哈工大网络与电气智能化研究所,7,（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,哈工大网络与电气智能化研究所,8,（13）网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据。（14）网络模型：生产者/消费者。（15）网络刷新时间：可组态2-100ms。,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,9,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,哈工大网络与电气智能化研究所,10,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,哈工大网络与电气智能化研究所,11,ControlNet体系结构与协议分层结构作为罗克韦尔自动化推出的NetLinx三层网络控制层的ControlNet，是一种高效、可靠、组态与编程简单、结构灵活的高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输，对于在同一链路上的I/O、控制器实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具有相同的带宽。其体系结构与拓扑结构分别如图5-1、图5-2所示。ControlNet支持冗余方式，如图5-3所示。,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,12,图5-1 ControlNet体系结构,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,13,图5-2 ControlNet拓扑结构,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,14,图5-3 ControlNet冗余方式,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,15,一种隐性令牌传递机制被用于获取媒体访问权。每个节点均具有1个“隐性令牌寄存器”。所有节点的“隐性令牌寄存器”含有相同值以防止媒体上的碰撞。每个DLL在MAC帧结束时将“隐性令牌寄存器”设为所收到的MAC ID加1。若隐性令牌寄存器等于本地MAC ID，则节点可发送一个MAC帧。,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,16,ControNet使用一种隐性令牌传递机制来提高协议效率。允许所有设备具有同等机会访问网络，而没有因向每个设备传递一个“令牌”以使其获取发送数据的许可的网络开销。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。允许那些被要求基于周期、可重复和可预测的，且时间紧要的数据在一个预定义的进度中被生产，而没有因连续请求或“轮询”来获取数据所产生的效率损失。允许那些本质上对时间紧要或偶然性基础上被要求的数据利用任何可用的网络时间。这些非预定的数据是在完成时间紧要的数据的生产后，在此类数据的下一个预定生产的开始之前被发送的。,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,17,如图所示，MAC帧格式是协议数据单元（PDU），MAC帧的各部件以下列顺序发送：前同步、起始界定符、源MAC ID、0个或多个Lpackets、CRC和结束界定符。,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,18,图 总装生产线现场总线控制系统,ControlNet,哈工大网络与电气智能化研究所,19,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）。现场总线基金会是由国际上100多家主要的控制和检测仪表厂家以及最终用户组成的非营利性中立组织。其宗旨是开发适应于过程控制、开放、可相互操作、标准的现场总线。它同时符合IEC（国际电工委员会）标准及ISA（美国仪器仪表学会）的SP50标准，在国际上具有广泛的代表性。,哈工大网络与电气智能化研究所,20,基金会现场总线,基金会现场总线（FF,Foundation Fieldbus）是目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一，目前拥有120多个成员，这包括世界上最主要的自动化设备供应商：AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Smar、FUJI Electric 等。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，可分为周期通信和非周期通信。,哈工大网络与电气智能化研究所,21,基金会现场总线,FF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，可采用中继器延长传输距离，并可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2已被高速以太网HSE取代，HSE目前的通信速率为100Mb/s。低速现场总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树形拓扑结构。网络中的设备数量取决于总线带宽、通信段数、供电能力和通信介质的规格等因素。FF支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质，物理传输协议符合IEC61158-2标准，传输信号采用曼彻斯特编码。,哈工大网络与电气智能化研究所,22,基金会现场总线,FF总线拥有非常出色的互操作性，是由于它采用了功能模块和设备描述语言（DDL，Device Description Language）使得现场节点之间能准确、可靠地实现信息互通。目前FF有29个功能块，其中包括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。用户还可以开发自己的功能块，这些功能块之间通过标准的DDL实现互操作。,哈工大网络与电气智能化研究所,23,基金会现场总线,基金会现场总线系统是为了适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。这种现场总线的系统是开放的，可以由来自不同制造商的设备组成。只要这些制造商所设计与开发的设备遵循基金会现场总线的协议规范，并且在产品开发期间，通过一致性测试，确保产品与协议规范的一致性，这样当把不同制造商的产品连接到同一个网络系统时，作为网络节点的各个设备之间就可以互操作，还可以允许不同厂商生产的相同功能设备之间相互替换。,哈工大网络与电气智能化研究所,24,基金会现场总线,哈工大网络与电气智能化研究所,25,基金会现场总线,哈工大网络与电气智能化研究所,26,PROFIBUS是德国于20世纪90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号为DIN19245。德国科学技术部总结了20世纪80年代德国工业界自动控制技术的发展经验，认识到为了适应20世纪90年代分布式计算机自动控制系统的发展需要，有必要对现有的各公司自己的定义的网络协议加以规范化、公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级能够兼容，以利于整体提高工业自动化系统的标准化水平，因此于1987年将该任务列为德国国家项目，由十三家大公司（如著名的SIEMENS、ABB公司等）及五家研究所经过两年多的时间完成。,PROFIBUS现场总线,哈工大网络与电气智能化研究所,27,PROFIBUS现场总线,PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International）简称PI，在1995年成立。到目前已有近30个国家和地区成立了地区性的PROFIBUS用户组织，会员已超过1000家，发展成为现场总线领域内全球最大的联合组织。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。,哈工大网络与电气智能化研究所,28,PROFIBUS现场总线,PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域的自动化。PROFIBUS由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和 PROFIBUS-FMS。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。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。,哈工大网络与电气智能化研究所,29,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。PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC61158-2标准，PA的传输技术可确保其本质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。,哈工大网络与电气智能化研究所,30,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。,哈工大网络与电气智能化研究所,31,PROFIBUS协议结构,32,基于PROFIBUS现场总线技术的控制系统分为两部分：采用PROFIBUS-DP的设备控制层，由SIEMENS S7-300系列PLC和PROFIBUS现场总线部件组成，完成生产设备的现场操作和控制；采用PROFIBUS-FMS的监控层，由工业PC组成，完成整线的在线监控并向设备控制层下达控制指令。再造烟叶生产线控制系统网络结构见图8-2。,PROFIBUS现场总线,哈工大网络与电气智能化研究所,33,PROFIBUS现场总线,哈工大网络与电气智能化研究所,34,一个典型的工厂自动化系统应该是3级网络结构。基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。（1）现场设备层 主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站（PLC、PC机或其他控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。,PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置,哈工大网络与电气智能化研究所,35,（2）车间监控层 车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间3条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。,PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置,哈工大网络与电气智能化研究所,36,（3）工厂管理层 车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网通过交换机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。车间管理层通常所说的以太网，即IEC802.3、TCP/IP的通信协议标准。厂区骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI 或ATM等网络。,PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置,哈工大网络与电气智能化研究所,37,PROFIBUS控制系统组成,PROFIBUS控制系统组成包括以下几个部分：1类主站 1类主站指PLC、PC或可做1类主站的控制器。1类主站完成总线通信控制与管理。2类主站PLC（智能型I/O）PLC可做PROFIBUS上的一个从站。PLC自身有程序存储，PLC的CPU部分执行程序并按程序驱动I/O。作为PROFIBUS主站的一个从站，在PLC存储器中有一段特定区域作为与主站通信的共享数据区。主站可通过通信间接控制从站PLC的I/O。,哈工大网络与电气智能化研究所,38,PROFIBUS控制系统组成,分散式I/0（非智能型I/0）通常由电源部分、通信适配器部分及接线端子部分组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执行，通信适配器部分接收主站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等返回给主站。通常分散型I/O是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。驱动器、传感器、执行机构等现场设备 即带PROFIBUS接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。至于哪些参数可进行通信，以及参数格式，由PROFIBUS行规决定。,哈工大网络与电气智能化研究所,39,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1990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。,哈工大网络与电气智能化研究所,40,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1990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。,哈工大网络与电气智能化研究所,41,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 Interconnection)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。,哈工大网络与电气智能化研究所,42,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,哈工大网络与电气智能化研究所,43,工业以太网的推出,由于现场总线的种类很多，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。,哈工大网络与电气智能化研究所,44,为推进工业以太网的发展、应用、普及和标准化，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,哈工大网络与电气智能化研究所,45,一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（Fieldbus Foundation）的高速以太网HSE（High Speed EtherNet）控制网国际组织CI（ControlNet International）和开放式设备网供货商协会ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）的工业以太网EtherNet/IP（EtherNet/Industrial Protocol）PROFIBUS用户组织PNO（Profibus National Organisation）的PROFInetModBus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）FF HSE、EtherNet/IP、PROFInet已是IEC61158第3版中所包含的现场总线，也被写入了现场总线行规IEC61784-1中。此外，ModBus/TCP已成为半导体工业的标准EMIE54.9-2000,工业以太网的推出,哈工大网络与电气智能化研究所,46,目前，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,哈工大网络与电气智能化研究所,47,2004年1月在法国召开了IEC/TC65/SC65C/WG10、11、12、13等4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TcnetIAONA（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(RTPS),工业以太网的推出,哈工大网络与电气智能化研究所,48,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,哈工大网络与电气智能化研究所,49,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 ProtocolIGS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Ontime Networks的Switch mit Zeit-Server德国Real-Time Systems Group of University Hannover的RTnet,工业以太网的推出,哈工大网络与电气智能化研究所,50,应该指出，在国内，中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（EtherNet for 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。,工业以太网的推出,哈工大网络与电气智能化研究所,51,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。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。,哈工大网络与电气智能化研究所,52,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。,哈工大网络与电气智能化研究所,53,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。,哈工大网络与电气智能化研究所,54,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,哈工大网络与电气智能化研究所,55,（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致命弱点和主要障碍。解决措施：采用以太网全双工/交换技术提高通信速率通过实时调度/确定性通信调度来控制网络负荷,哈工大网络与电气智能化研究所,56,（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: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考虑到在工业环境下的安装要求,哈工大网络与电气智能化研究所,57,（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（Request 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。,哈工大网络与电气智能化研究所,58,（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。,哈工大网络与电气智能化研究所,59,（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。,哈工大网络与电气智能化研究所,60,（6）网络安全性,由以太网构成的控制系统也必须解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,哈工大网络与电气智能化研究所,61,（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,哈工大网络与电气智能化研究所,62,几种主流工业以太网,(1)EtherNet/IP(2)HSE(3)PROFInet(4)ModBus/TCP,哈工大网络与电气智能化研究所,63,(1)EtherNet/IP,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。,哈工大网络与电气智能化研究所,64,(1)EtherNet/IP,EtherNet/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，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。,哈工大网络与电气智能化研究所,65,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等。,(1)EtherNet/IP,哈工大网络与电气智能化研究所,66,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,哈工大网络与电气智能化研究所,67,（2）HSE,HSE是现场总线基金会对基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）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。,哈工大网络与电气智能化研究所,68,与EtherNet/IP一样，HSE的物理层与数据链路层采用以太网规范（100Mb/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,哈工大网络与电气智能化研究所,69,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/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,哈工大网络与电气智能化研究所,70,（3）PROFInet,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