工业以太网与现场总线的优缺点 1 引言 用于办公室和商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，主要由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线尚不能满足这些要求。 现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。同时现场总线的传输速率也远远不如工业以太网传输速率快。 2 以太网与工业以太网 2.1 什么是以太网与工业以太网 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆型号为10 Base T。以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。 普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。 2.2 以太网具有的优点 （1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽； （2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT（信息技术）世界； （3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；
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。用于将PG/PC连接到工业以太网。 工业以太网重要性能:为了应用于严酷得工业环境,确保工业应用得安全可靠,SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要得性能: ?工业以太网技术上与IEEE802、3/802、3u兼容,使用ISO与TCP/IP 通讯协议?10/100M 自适应传输速率 ?冗余24VDC 供电 ?简单得机柜导轨安装 ?方便得构成星型、线型与环型拓扑结构 ?高速冗余得安全网络,最大网络重构时间为0、3 秒 ?用于严酷环境得网络元件,通过EMC 测试 ?通过带有RJ45 技术、工业级得Sub-D 连接技术与安装专用屏蔽电缆得Fast Connect连接技术,确保现场电缆安装工作得快速进行 ?简单高效得信号装置不断地监视网络元件 ?符合SNMP(简单得网络管理协议) ?可使用基于web 得网络管理 ?使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络。 工业以太网冗余原理
工业以太网专业术语 一、拓扑结构 拓扑是网络中电缆的布置。众所周知，EIA-485或CAN 采用总线型拓扑。但在工业以太网中，由于普遍使用集线器或交换机，拓扑结构为星型或分散星型。 二、接线 工业以太网专题">工业以太网使用的电缆有屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）、多模或单模光缆。10Mbps 的速率对双绞线没有过高的要求，而在100Mbps 速率下，推荐使用五类或超五类线。 光纤链接时需要一对，常用的多模光纤波长为62.5/125μm 或50/125μm。与多模光纤的内芯相比，单模光纤的内芯很细，只有10μm 左右。通常，10Mbps 使用多模光纤，100Mbps下，单模、多模光纤都适用。 三、接头和连接 双绞线接头中RJ-45 较常见，共两对线，一对用于发送，另一对用于接收。在媒介相关接口（MDI）的定义中，这四个信号分别标识为RD+，RD-，TD+，TD-。 一条通信链路由DTE（数据终端设备，如工作站）和DCE（数据通讯设备，如中继器或交换机）组成。集线器端口标识为MDI-X 端口表明DTE 和DCE 可以使用直通电缆相连。假如是两个DTE或两个DCE相连？可以采用电缆交叉的方法或直接利用集线器提供的上连端口（电缆不要交叉）。 光纤接头有两种，ST 接头用于10Mbps 或100Mbps；SC接头专用于100Mbps。单模纤通常使用SC接头。DTE 与DCE 之间的连接只需依照端口的TX、RX 标识即可。 四、工业以太网与普通商用以太网产品 什么是工业以太网？技术上，它与IEEE802.3 兼容，但设计和包装兼顾工业和商业应用的要求。工业现场的设计者希望采用市场上可以找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑工业现场的特殊要求。首先考虑的是高温、潮湿、震动。第二看是否能方便地安装在工业现场控制柜内。第三是电源要求。许多控制柜内提供的电源都是低压交流或直流。墙装式电源装置有时不能适应。电磁兼容性（EMC）的要求随工业环境对EMI（工业抗干扰）和ESD （工业抗震）要求的不同而变化。现场的安全标准与办公室的完全不同。有时需要的是恶劣环境的额定值。工厂里采用的可能是工业控制柜标准而楼宇系统采用的往往是烟雾标准。显然低价的商用以太网集线器和交换机无法达到这些要求。 五、速度和距离 讨论共享型以太网的距离，不能忽略碰撞域（Collision Domain）的概念。 共享型以太网或半双工以太网的媒体访问是由载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）确定的。在半双工的通讯方式下，发送和接收不能同时进行，否则数据会发生碰撞。站点发送前，首先要看是否有空闲的信道。发送时，站点还会在一段时间内收听，确保在这一时间内没有其它站点在进行同步传送，最终本站发送成功。反之，发生碰撞，
以太网技术在工业控制领域的应用及意义 随着计算机和网络技术的飞速发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求。现场总线技术适应了工业网络的发展趋势，用数字通信代替传统的模拟信号传输，大量地减少了仪表之间的连接电缆、接线端口等，降低了系统的硬件成本，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，以及总线通信协议的多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作等，无法达到全开放的要求，因此现场总线在工业网络中的进一步发展受到了限制。 随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP 的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备取代工业网络中相对昂贵的专用总线设备。 Ethernet通信机制 Ethernet是IEEE802. 3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或是更高，传输介质可采用双绞线、光纤、同轴电缆等，网络机制从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，工作方式从单工发展到全双工。 在OSI/ISO 7层协议中，Ethernet本身只定义了物理层和数据链路层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。自从APARNET将TCP/IP和Ethernet捆绑在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作为其高层协议，TCP用来保证传输的可靠性，IP则用来确定信息传递路线。 Ethernet的介质访问控制层协议采用CSMA/CD，其工作原理如下：某节点要
100/1000为速率 base表明使用的频率是基带 T使用的介质是同轴电缆，TX表明介质为双绞线，FX表明介质为光纤 X也表示光纤。根据BASE后面的媒质类型可以知道其支持的最大传输距离 1000BaseCX 或 1000Base-CX 1000BaseCX,也叫做1000Base-CX，是通过一个特殊的短于25米的150欧姆的电缆来传输的吉比特以太网。这种电缆是一种屏蔽了的电 缆。为了使由电压不稳造成的安全和干扰问题降到最小，发射机和接收器共享一个接点。为了最小化传输失真，每个连接器的回波损耗被限制在20db之内。连接 器的类型是DB-9连接器或者HSSDC。 1000BaseF 或 1000Base-F 1000BaseF，也叫做1000Base-F，是一个通过光纤来进行以太网通信的1000兆比特每秒的基带规格。1000Base-F使用 8B/10B美国国家标准协会的X3T11的光纤信道， FC-1帧编码,串行器/反串行器和反向不归零制在光纤上，计时在1250波特。1000BaseF多模式光纤能够支持平均纤长为500m的全双工，单个 模式的光纤支持纤长为2-3km的全双工。 1000BaseLH 或 1000Base-LH 1000BaseLH，也叫做 1000Base-LH，是一个定义在IEEE 802.3z中的通过光纤电缆的吉比特以太网标准。LH代表一个long haul，1000Base-LH使用长波激光（1310nm） 通过多模态和单模态光纤。1000BaseLH能够最大支持距离为550m的多模式光纤和10km的单模式光纤。 1000BaseLX 或 1000Base-LX 1000BaseLX,也叫做1000Base-LX，是一个定义在IEEE 802.3z中的通过光纤电缆的千兆以太网标准。LX代表长波， 1000Base-LX使用长波激光（1310nm） 通过模态和单模式光纤，它是和1000Base-SX相对的，1000Base-SX使用短波激光通过多模式光纤。1000BaseLX能够最大支持距离 为550m的多模式光纤和5km的单模式光纤。 1000BaseSX 或 1000Base-SX 1000BaseSX，也叫做1000Base-SX，是一个定义在IEEE 802.3z中的通过光纤电缆的千兆以太网标准。SX代表短波，1000Base-SX使用短波激光通过多模式光纤，其和1000Base-LX是相对 的，1000Base-LX是使用长波激光通过多模态和单模态光纤。基于1000BaseSX的多模态光纤的最远距离是550m。 1000BaseT 或 1000Base-T 1000BaseT，也叫做1000Base-T，它是一个通过可达100m的双绞线支持数据传输至1000 Mbps的物理层标准。1000BASE-T 标准是定义在IEEE 802.3ab中的。和以太网相似，1000BaseT是基于带冲突检测的CSMA的局域网存取方法。 1000BaseX 或 1000Base-X 1000BaseX 定义了多种千兆以太网标准，就如定义在 IEEE802.3z中的，例如1000BaseLX, 1000BaseSX, 1000BaseCX 和1000BaseLH。基本上，所有的标准包含在1000BaseX使用带有8位数据的8B/10B编码方案和 2位纠错数据。每个规格允许不同的电缆（光纤和铜线）长度，使用不同的有线媒体。 1000BaseZX 1000BaseZX（或1000Base-ZX）是一个千兆以太网通信的Cisco指定标准。1000BaseZX运行在平常的链接跨度达43.5英里 （70 km）的单模式光纤上。使用premium单模式光纤或者色散位移单模光纤链接跨度达62.1英里 （100 km）是可能的。1000BaseZX 使用长波激光。1000BASEZX GBIC规定为用作基于各种交换机和路由器产品的，在千兆以太网平台上工作的物理媒体相关（子层）一个部件。它的运行信令速率为1250 Mbaud，传输和接收 8B/10B的编码数据。 100BaseFX 或 100Base-FX 100BaseFX，也叫做100Base-FX，是一个100-Mbps基带快速以太网标准。100BaseFX，是定义在 IEEE 802.3标准中的 100BaseX的一部分，其在通过光纤的快速以太网上使用4B/5B分组编码。100BaseFX的光纤长度能够支持：412m的全 双工毫米光纤，2km的全双工毫米光纤，15-20km的全双工单模光纤. 100BaseT 或 100Base-T 100BaseT,也叫做100Base-T或者快速以太网，是一个支持数据传输速率达100 Mbps（100兆位每秒）。100BASE-T是基于曼彻斯特信号编码传输通过3号或更好的双绞线。100BASE-T 标准是定义在 IEEE 802.3u中的，100BaseT是基于带冲突检测的CSMA的局域网存取方法。 100BaseT4 或 100Base-T4 100BaseT4，也叫做100Base-T4，是一个100-Mbps基带快速以太网标准，其使用4对3, 4或5号非屏蔽双绞线。为了保证合适的信号时间和质量，一个100BaseT4片段在长度上不能超过100m,100BaseT4 是 IEEE 802.3标准的一部分。 100BaseTX 或 100Base-TX 100BaseTX，也叫做100Base-TX，是一个使用两对UTP或者STP陪线的100-Mbps基带快速太网标准，基于4B/5B信号编码。第 1对线用于接收数据，第2对用于传输数据。为了保证适宜的信号时间和质量，一个100BaseTX片段在长度上不能超过100米。在 IEEE 802.3u标准中100BaseTX是100BaseX的一部分。 100BaseX 或 100Base-X 100BaseX，包括100BaseFX 和 100BaseTX，是一个基于 IEEE 802.3标准的使用4B/5B分组编码通过快速以太网的光纤电缆和双对子的100-Mbps基带快速以太网标准。 100VG-AnyLAN 100VG-AnyLAN,最初是由 Hewlett-Packard发展的,其是一个100-Mbps快速以太网和令牌环媒体技术，其使用4对3, 4或5号非屏蔽双绞线布线。100VG-AnyLAN 能够被用于操作在现有的10BaseT以太网络上。100VG-AnyLAN被定义在 IEEE 802.12标准里。 10Base2 或 10Base-2
工业以太网的特色技术及其应用选择 发布时间：2007-05-15 浏览次数：105 | 我要说几句 | ?? 用户解决方案2012优秀论文合订本 ?? NIDays2012产品演示资料套件 ?? 《提高测量精度的七大技巧》资源包 ?? LabVIEW 2012评估版软件 关键词：工业以太网实时特色技术 编者按：工业以太网成为自动化领域业界的技术热点已有时日，其技术本身尚在发展之中，还没有走向成熟，还存在许多有待解决的问题。究竟什么是工业以太网，它有哪些特色技术，如何应用与选择适合自己需求的工业以太网技术与产品，依然是今天人们所关心的问题。 一什么是工业以太网 工业以太网技术，是以太网或者说是互联网系列技术延伸到工业应用环境的产物。前者源于后者又不同于后者。以太网技术原本不是为工业应用环境准备的。经过对工业应用环境适应性的改造，通信实时性改进，并添加了一些控制应用功能后，形成了工业以太网的技术主体。因此，工业以太网是一系列技术的综称。 二工业以太网涉及企业网络的各个层次
企业网络系统按其功能划分，一般称为以下三个层次：企业资源规划层(Enterprise Resource Plan NI ng, ERP)、制造执行层(Manufacturing Excurtion System, MES)和现场控制层(Field Control System，FCS)。通过各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业信息系统。( 见图1) 图中的ERP与MES功能层属于采用以太网技术构成信息网络。这个层次的工业以太网，其核心技术依然是信息网络中原本的以太网以及互联网系列技术。工业以太网在该层次的特色技术是对其实行的工业环境适应性改造。而现场控制层FCS中，基于普通以太网技术的控制网络、实时以太网则属于该层次中工业以太网的特色技术范畴。可以把工业以太网在该层的特色技术看作是一种现场总线技术。除了工业环境适应性改造的内容之外，通信实时性、时间发布与同步、控制应用的功能与规范，则成为工业以太网在该层次的技术核心。
以太网协议 历史上以太网帧格式有五种: 1 E thernet V1：这是最原始的一种格式，是由Xerox P ARC提出的3Mbps CSMA/CD以太网标准的封装格式，后来在 1980年由DEC，Intel和Xerox标准化形成E thernet V1标准； 2 E thernet II即DIX 2.0：Xerox与DEC、Intel在1982年制定的以太网标准帧格式。Cisco名称为：ARP A。 这是最常见的一种以太网帧格式，也是今天以太网的事实标准，由DE C，Intel和Xerox在1982年公布其标准，主要更改了E thernet V1的电气特性和物理接口，在帧格式上并无变化；E thernet V2出现后迅速取代E thernet V1成为以太网事实标准；E thernet V2帧头结构为6bytes的源地址+6bytes的目标地址+2Bytes的协议类型字段+数据。 常见协议类型如下： 0800 IP 0806 ARP 0835 RARP 8137 Novell IPX 809b Apple Talk 如果协议类型字段取值为0000-05dc(十进制的0-1500)，则该帧就不是E thernet V2(ARP A)类型了，而是下面讲到的三种802.3帧类型之一；E thernet可以支持TCP/IP，Novell IP X/SP X，Apple Talk P hase I等协议；RFC 894定义了IP 报文在E thernet V2上的封装格式； 在每种格式的以太网帧的开始处都有64比特（8字节）的前导字符，如图所示。其中，前7个字节称为前同步码（P reamble），内容是16进制数0xAA，最后1字节为帧起始标志符0xAB，它标识着以太网帧的开始。前导字符的 作用是使接收节点进行同步并做好接收数据帧的准备。 ——P R：同步位，用于收发双方的时钟同步，同时也指明了传输的速率（10M和100M的时钟频率不一样，所以100M网卡可以兼容10M网卡），是56位的二进制数101010101010..... ——SD: 分隔位,表示下面跟着的是真正的数据,而不是同步时钟,为8位的10101011,跟同步位不同的是最后2位 是11而不是10. ——DA:目的地址,以太网的地址为48位(6个字节)二进制地址,表明该帧传输给哪个网卡.如果为FFFFFFFFFFFF, 则是广播地址,广播地址的数据可以被任何网卡接收到. ——SA:源地址,48位,表明该帧的数据是哪个网卡发的,即发送端的网卡地址,同样是6个字节. ----TYP E：类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据，不同的协议的类型字段不同。如：0800H 表示数据为IP包，0806H 表示数据为ARP包，814CH是SNMP包,8137H为IP X/SP X包，（小于0600H的值是用于IEEE802 的，表示数据包的长度。） ----DATA：数据段，该段数据不能超过1500字节。因为以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1514字节。 （14字节为DA，SA，TYP E）
工业以太网的构成及重要性能介绍 西门子就逐步地把以太网的概念引入到工业控制领域，到今天，西门子SCALANCE系列工业以太网交换机产品，已经在冶金、烟草、汽车、煤矿、造船、地铁、电力、风电、交通、石化、水处理等多个行业的多个项目中得到了成功的应用，产品线也日臻完善。 工业以太网简介 工业以太网是基于IEEE 802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。 企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet) 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。 为用户带来的利益 市场占有率高达80%，以太网毫无疑问是当今LAN(局域网)领域中首屈一指的网络。以太网优越的性能，为您的应用带来巨大的利益：通过简单的连接方式快速装配。 通过不断的开发提供了持续的兼容性，因而保证了投资的安全。 通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。
各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。 通过接入WAN(广域网)可实现公司之间的通讯，例如，ISDN 或Internet 的接入。 SIMATIC NET基于经过现场应用验证的技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区域。 工业以太网络的构成 一个典型的工业以太网络环境，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，工业屏蔽双绞线和光纤 SIMATIC PLC控制器上的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上的工业以太网通讯外理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。 工业以太网重要性能 为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，SIMATIC
工业以太网技术全面解析 高性能、工厂设备和IT系统集成，以及工业物联网的需求驱动促进了工业以太网的增长。在实时工业以太网中，EPA、EtherCAT、RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的竞争者。下面对它们进行简单比较。Ethernet/IP Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODV A( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。 实现实时性的方法 Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。 Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术，在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。UDP是一种非面向连接的协议，它能够工作在单播和多播的方式，只提供设备间发送数据报的能力。对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据，使用UDP/IP协议来发送。而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。这样数据源只需一次性地把数据传到网上，其它节点有选择地接收数据，这样提高了通信的效率。 Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议，且独立于物理层及数据链路层，这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。另外，为了获得更好的时钟同步性能，2003年ODV A将 IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。 EPA EPA是在“863”计划的支持下，由浙江大学、清华大学、浙江中控技术公司、大连理工大学、中科院自动化所等单位联合制定，是用于工业测量和控制系统的实时以太网标准。
六种工业以太网比较 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
六种工业以太网比较 摘要：当前，工业以太网技术是控制领域中的研究热点。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即标准)兼容，但在产品设计时，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、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前，几种典型的工业以太网有HSE、PROFInet、Modbus/TCP、EtherNet/IP、Powerlink、EPA六种。本文通过对这六种工业以太网比较，以便更好的应用于系统集成。 关键词：工业以太网、HSE、PROFInet、Modbus、EtherNet、Powerlink、EPA 与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所持、软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。由于这些优点，特别是与信息传输技术的无缝集成以及传统技术无法比拟的传输宽带，以太网得到了工业界的认可。 1．HSE(高速以太网) HSE(High Speed Ethernet Fieldbus)由现场总线基金会组织(FF)制定，是对FF-H1的高速网段的解决方案，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构。 FF HSE的1-4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当
竭诚为您提供优质文档/双击可除以太网采用的通信协议 篇一：以太网基础协议802.3介绍 802.3 802.3通常指以太网。一种网络协议。描述物理层和数据链路层的mac子层的实现方法，在多种物理媒体上以多种速率采用csma/cd访问方式，对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。 dixethernetV2标准与ieee的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合dixethernetV2标准的局域网。 早期的ieee802.3描述的物理媒体类型包括：10base2、10base5、10baseF、10baset和10broad36等；快速以太网的物理媒体类型包括：100baset、100baset4和100basex等。 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制llc(logicallinkcontrol)子层 媒体接入控制mac(mediumaccesscontrol)子层。
与接入到传输媒体有关的内容都放在mac子层，而llc 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对llc 子层来说都是透明的。 由于tcp/ip体系经常使用的局域网是dixethernetV2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层llc（即802.2标准）的作用已经不大了。 很多厂商生产的网卡上就仅装有mac协议而没有llc协议。 mac子层的数据封装所包括的主要内容有：数据封装分为发送数据封装和接收数据封装两部分，包括成帧、编制和差错检测等功能。 数据封装的过程：当llc子层请求发送数据帧时，发送数据封装部分开始按mac子层的帧格式组帧： （1）将一个前导码p和一个帧起始定界符sFd附加到帧头部分； （2）填上目的地址、源地址、计算出llc数据帧的字节数并填入长度字段len； （3）必要时将填充字符pad附加到llc数据帧后； （4）求出cRc校验码附加到帧校验码序列Fcs中； （5）将完成封装后的mac帧递交miac子层的发送介质访问管理部分以供发送；接收数据解封部分主要用于校验帧
以下是各种封装： 1.以太网II封装： 以太网技术的基础是以太网帧，也作标准以太网帧，也称为ARPA，即以太网II帧（最初的以太网II标准也称为DIX，由Digital，Intel和Xerox三家 发起公司的首字母拼合而成）。帧格式如下： 图1：以太网II报文格式 下面解释以太网II帧中的各个字段： ?Preamble—也作“Syncword”，用来同步。（在这里为10101010） ?Des-MAC—此目的地址可以是广播地址0xFFFFFFFFFFFF；可以是基于目的节点MAC地址的特定的48比特的单播地址；或者多播地址。此 MAC地址可以从协议同步期间消息的源地址字段中找到。 ?Sou-MAC—此源地址是发送方的48比特的MAC地址。 ?Type—即“以太网类型”，此字段用于识别上层协议。（详见下文） ?Payload—负载，即数据，包含了封装的数据（如：IP分组）。以太网II 的数据有效长度范围是46~1500字节。 ?FCS—此字段包含32比特的循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）值，用来校验损坏的帧。 最初的以太网II帧格式有一些缺陷。为了允许冲突检测，10Mbits/s以太网 要求分组大小最小为64字节。这就意味着如果帧长达不到标准就必须用0 来填充短帧。因此，上层协议需要包含一个“长度”字段来将实际数据与填充值区分开来。 幸运的是，为“以太网类型”字段所分配的值—0x0600XNS（施乐）、 0x0800IP（Internet协议）和0x6003DECNET—总是大于十进制值1500 （0x05DC）这一最大帧长度。所以IEEE的802委员会对这一任务的解决方案提供了一个标准，即802.3。此方法通过以长度两个8位组的“类型/协 议”字段代替同样两个8位组的“以太网类型”字段。从而将以太网II帧 与802.3帧区分开来。具体如下： ?如果此字段值大于十进制值1500，则此字段表示以太网类 型，且是类型II。 ?如果此字段值小于等于十进制值1500，则此字段表示长度， 且是802.3。（相见2. IEEE 802.3 LLC封装中的描述） 2.IEEE 802.3 LLC封装：
1．SIMOTION工业以太网网络介质 西门子工业以太网网络通常使用的物理传输介质为屏蔽双绞线（FC TP）、工业屏蔽双绞线（ITP）和光纤。 1.1 屏蔽双绞线（Fast Connection Twist Pair） FC TP快速连接双绞线用于将DTE快速连接到工业以太网上，配合西门子FC TP RJ45接头使用，连接方式如图1所示： 图1：FC TP电缆与TP RJ45接头 将双绞线按照TP RJ45接头标示的颜色插入连接孔中，快捷、方便地将DTE设备连接到工业以太网上。使用FC双绞线从DTE到交换机最长通信距离为100米（DTE到DTE）。也可以使用普通RJ45接头，为了保证数据传输的可靠性，在无干扰情况下最长通信距离为5米。 RJ－45连接有两种连接方式，交叉连接（如图2所示）和直通连接（如图3所示）。交叉连接用于网卡之间的连接或集线器之间的连接；直通线用于网卡与集线器之间或网卡与交换机之间的连接。Siemens交换机由于采用了自适应技术，可以自动检测线序，故通过交换机可以选择任意一种电缆进行连接。 图2 交叉线连接
图3 直通线连接 SIMOTION 带有RJ45接头，建议使用西门子FC TP和FC TP RJ45接头。 1.2 工业屏蔽双绞线（Industrial Twisted Pair） 屏蔽双绞线如图4所示，它有白/蓝和白/橙两对双绞屏蔽线。外部包有屏蔽层和绝缘层，用于连接有ITP 端口的以太网设备。通过ITP电缆连接的两个设备的最远距离为100米。 图4 ITP电缆结构图 连接ITP电缆的连接头有两种，即9 针或15 针的Sub－D 接头，如图所示5、6：
工业网络与通信 一工业网络通信基础 工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。具体有以下三种类型： (1)专用、封闭型工业网络：该网络规范是由各公司自行研制，往往是针对某一特定应用领域而设，效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维护都难以协调。专用型工业网络有三个发展方向：①走向封闭系统，以保证市场占有率。②走向开放型，使它成为标准。③设计专用的Gateway与开放型网络连接。 (2)开放型工业网络：除了一些较简单的标准是无条件开放外，大部分是有条件开放，或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员，产品需经过该组织的测试、认证，方可在该工业网络系统中使用。 (3)标准工业网络：符合国际标准IEC61158、IEC62026、ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网络，它们都会遵循ISO/OSI7层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面，或是自己设计通信IC，然后再依据应用领域设定数据传输格式。例如，DeviceNet的物理层与数据链路层是以CANbus为基础，再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。 目前IEC61158认可的八种工业现场总线标准分别是：Fieldbus Type1、Profibus、ControlNet、P-NET、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。 1 工业数据通信的技术组成和系统组成 2 工业数据通信的传输过程
二工业网络物理机构 1 网络的传输媒介 有线传输介质：双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。 2 工业通信网络的拓扑形式 工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和树形等。 (1)总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工业通信网络中最常用的一种拓扑形式。 (2)星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节点之间
1．S I M O T I O N工业以太网网络介质西门子工业以太网网络通常使用的物理传输介质为屏蔽双绞线（FCTP）、工业屏蔽双绞线（ITP）和光纤。 1.1屏蔽双绞线（FastConnectionTwistPair） FCTP快速连接双绞线用于将DTE快速连接到工业以太网上，配合西门子FCTPRJ45接头使用，连接方式如图1所示： 图1：FCTP电缆与TPRJ45接头 将双绞线按照TPRJ45接头标示的颜色插入连接孔中，快捷、方便地将DTE设备连接到工业以太网上。使用FC双绞线从DTE到交换机最长通信距离为100米（DTE到DTE）。也可以使用普通RJ45接头，为了保证数据传输的可靠性，在无干扰情况下最长通信距离为5米。 RJ－45连接有两种连接方式，交叉连接（如图2所示）和直通连接（如图3所示）。交叉连接用于网卡之间的连接或集线器之间的连接；直通线用于网卡与集线器之间或网卡与交换机之间的连接。Siemens交换机由于采用了自适应技术，可以自动检测线序，故通过交换机可以选择任意一种电缆进行连接。 图2交叉线连接
图3直通线连接 SIMOTION带有RJ45接头，建议使用西门子FCTP和FCTPRJ45接头。 1.2工业屏蔽双绞线（IndustrialTwistedPair） 屏蔽双绞线如图4所示，它有白/蓝和白/橙两对双绞屏蔽线。外部包有屏蔽层和绝缘层，用于连接有ITP 端口的以太网设备。通过ITP电缆连接的两个设备的最远距离为100米。 图4ITP电缆结构图 连接ITP电缆的连接头有两种，即9针或15针的Sub－D接头，如图所示5、6：
????? 图5Sub－D9针接头????????????????????????????????????????????????图6Sub－D15针接头 使用Sub－D接头进行连接的网络连接牢固，不易松动。其连线方法及9/15接头的转换可以查阅西门子手册。同样ITP电缆也会有交叉连接的情况，可以直接定购ITPXP标准电缆。 SIMOTION只有RJ45以太网接口，通常不使用工业双绞线ITP。 1.3光纤 按光在光纤中的传输模式不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 单模光纤：中心玻璃芯较细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。 光纤技术只允许点对点的连接，即一个发送装置只对应一个接收装置。因而两个站点之间需要有发送和接收两根光纤进行连接。所有SIMATICNET标准的光缆都是两根光纤。光纤的连接头有很多种如图7所示：
工业以太网网络规划原则 不管“工业 4.0”还是“工业互联网”其技术本质都是自动化与信息化的深度融合。在融合的过程中网络会不断地增长。不断增长的网络复杂度为工业控制网络的设计方法提出了新的挑战。 目前实际工业应用的网络一般由控制工程师成设计，网络性能主要由控制工程师经验决定。但是随着网络复杂度增加，这难以保持高效与可靠。在大规模网络中，如何确定网络性能的瓶颈变得非常的棘手。并且，小规模网络中获取的网络设计经验未必适用于大规模网络。控制工程师设计工业控制网络需要保障网络 QoS 性能，避免工业控制网络的性能成为工业自动化系统性能的瓶颈。 工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显。工业以太网制造现在信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实现真正意义上的“E网到底”奠定了良好的基础。工业以太网已经被业内认为是未来控制网络的最佳解决方案，
也是当前现场总线中的主流技术（如下图1是工业以太网在工业控制系统的各个层级的应用）。 图1、工业以太网在自动化系统各个层级的应用 在上图中虽然从网络的网络上在自动化系统的各个层级都可以是以太网，但在各个层级上的以太网上运行的协议并不相同，这是由于控制系统的应用决定的。在控制系统的各个层级对传输的数据量、响应时间、传输的频次等的要求如下图2所示。
MII是英文Medium Independent Interface的缩写，翻译成中文是“介质独立接口”，该接口一般应用于以太网硬件平台的MAC层和PHY层之间，MII接口的类型有很多，常用的有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XLAUI等。下面对它们进行一一介绍。 MII接口： TXD[3:0]：数据发送信号，共4根信号线； RXD[3:0]：数据接收信号，共4根信号线； TX_ER(Transmit Error)：发送数据错误提示信号，同步于TX_CLK，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，TX_ER不起作用； RX_ER(Receive Error)：接收数据错误提示信号，同步于RX_CLK，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，RX_ER不起作用； TX_EN(Transmit Enable)：发送使能信号，只有在TX_EN有效期内传的数据才有效； RX_DV(Reveive Data Valid)：接收数据有效信号，作用类型于发送通道的TX_EN； TX_CLK：发送参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。注意，TX_CLK时钟的方向是从PHY侧指向MAC侧的，因此此时钟是由PHY提供的。 RX_CLK：接收数据参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps 速率下，时钟频率为2.5MHz。RX_CLK也是由PHY侧提供的。 CRS：Carrier Sense，载波侦测信号，不需要同步于参考时钟，只要有数据传输，CRS就有效，另外，CRS只在半双工模式下有效； COL：Collision Detectd，冲突检测信号，不需要同步于参考时钟，只在半双工模式下有效。 MII接口一共有16根线(TX_CLK, RX_CLK未记入)。