基于工业以太网+现场总线的通讯网络设计

工业以太网与现场总线技术及应用摘要：工业控制需要高速、廉价、易于集成的通信网络。

以太网就是这样的一种网络。

本文分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景,指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求,并给出了工业以太网应用实例。

关键词：现场总线控制系统以太网 FCS一引言随着计算机和网络技术的发展，以智能化仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把控制领域带入了一个新的时代。

它所倡导的全开放、全分散、互操作的思想，成了未来控制领域崭新的特点。

但是,目前的现场总线技术仍具有很大的局限性,在全开放、全分散控制等方面,仍存在许多需要解决的问题。

首先,在目前现场总线控制系统中,主要是低速现场总线,现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低,主要用于数据采集和控制信号的输出,并实现PDI控制等一些简单的控制算法。

复杂的控制功能,如预测控制、神经网络控制、系统优化等,仍需要在PC机或工作站上实现。

其次,由于现场总线位于整个系统的最底层,只是系统的一个组成部分,仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。

同时,目前已经出现了Profibus 、Foundation Fieldbus等几十种现场总线。

由于每种现场总线代表着不同厂商的利益,各大厂商进行了激烈的市场竞争,这些现场总线很难实现统一。

因为不同现场总线产品不能实现互操作,一旦用户选择某种现场总线,今后就会被局限于这种现场总线,再选择另一种现场总线,必须付出高昂的代价。

因此,在现场总线的迅速发展过程中，形成一个统一的协议却始终是一个争论的焦点。

为了解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统集成问题,人们开始逐步达成一个共识，即向以太网靠拢将成为今后现场总线发展的一个趋势。

二以太网进入现场总线以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。

它具有如下特点：(1)以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,它受到广泛的技术支持,因此容易获得控制领域生产厂家的认可。

EtherCAT与TSN——工业以太网系统架构的最佳实践作者：EtherCAT技术协会Karl Weber博士摘要：EtherCAT 是现场总线领域的主流技术，而IEEE802.1Q标准是交换机技术在办公应用的基础。

TSN为IEEE 802网络提供实时能力。

现在可以在机器层使用EtherCAT，并通过交换机连接多台机器。

复杂的机器要求内置更多的通讯设施。

将EtherCAT网段集成到一个TSN 网络中可以结合这两种技术。

这无需改变EtherCAT的从站设备。

两种技术的适配通过在EtherCAT的主站端的更新及对连接EtherCAT的交换机的适度扩展来实现。

目标自工作组建立以来，TSN就成为人们所熟知的“时间敏感网络”的缩写。

TSN TG的组合用于为IEEE 802网络提供确定性服务。

TSN技术可以应用于多种应用场合。

其设计初始是用于一个只有少数几个终端站点的、需要传输大量的视频/音频（A/V）高速数据流的系统中。

TSN通过引入“高速通道”(streaming)概念扩展了IEEE 802的best effort网络模型。

此模型提供一系列用于提升高速通道实时性的特征。

对TSN的理解TSN工作组TSN工作组设置在IEEE802.1工作组中，负责桥接网络。

“桥接”一词用于标准的规范中，但更为大众的说法是“交换”。

TSN改善了帧在IEEE 802部分网络传输中的延迟性，并且没有因堵塞产生的损失。

这意味着交换机世界的改变。

然而，这并不会改变以太网网络的基本特征，例如每节点小数据量传输时效率低下，以及灵活却耗时而复杂的转发机制。

在终端站点间用TSN的桥接传输是通过“高速通道”（stream）实现的。

IEEE802.1 标准中使用术语“talker”表示高速通道的发起者，术语“listener”表示高速通道接收者。

高速通道使用单向的数据传输，数据可以从一个talker单向传输到一个或多个listener。

为了在IEEE 802.1网络中使用高速通道，需要一个高速通道标识。

现场总线、工业以太网、工业无线【前言】目前工业通信领域的三大主流技术：现场总线、工业以太网、工业无线。

综合应用趋势：将现场总线、以太网、嵌入式技术和无线通信技术融合到控制网络中，在保证系统稳定性的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，从而有助于企业加快新品开发、降低生产成本、完善信息服务。

【现场总线】现场总线的出现不仅简化了系统的结构，还使得整个控制系统的设计、安装、投运、检修维护都大大简化，给工业自动化带来一场深层次的革命。

但现场总线技术至今还没有一个统一的标准。

事实上，从现场总线的概念提出开始，国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。

很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。

【工业以太网】正当现场总线标准大战硝烟正浓之时，以太网悄悄进入了控制领域，从而产生了一个新的名词工业以太网，并且由于以太网传输速率较现场总线更快等优势，以太网技术一出生就风华正茂，近年来其势头更是盖过了现场总线。

然而，正如当年的现场总线的标准之争一样，工业以太网也出现了多种不同的以太网技术，如Ethernet/IP，Profinet，ModbusTCP，EtherCAT，Powerlink等，而且这些网络在不同层次上基于不同的技术和协议，包括了OPC，CP，IP等，而且，每种技术的背后都有不同的厂商阵营在支持，这就决定了多种以太网技术并存的局面。

【工业无线】再说说无线技术，从复杂的布线到如今仅需要一台无线信号发射器，从依赖PC机到现在可利用任何配有无线终端适配器的设备，连接网络呈现出在任何时间、任何地域、任何设备上都畅通无阻的现状。

技术的发展同时也推动了社会的进步，无论是军用产品、工业产品，甚至民用产品，无线技术俨然成为社会发展中必不可少的一部分。

相比有线网络，无线网络具有移动性，。

摘要提出了一种基于ＡＲＭ７微控制器ＬＰＣ２３６８的以太网与ＣＡＮ总线互联网关的设计。

给出了系统硬件框图、ＣＡＮ通信软件、以太网通信软件和以太网－ＣＡＮ协议转换软件等部分的程序设计流程图，所设计网关实现方法简单，外扩器件少，可靠性高，已用于某工业现场，实现了以太网与ＣＡＮ总线的互联，为企业信息网络与控制网络集成提供了一种可行的方法。

关键词：以太网，现场总线，互联网关，ＬＰＣ２３６８ＡｂｓｔｒａｃｔＰｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅＧａｔｅｗａｙｄｅｓｉｇｎｏｆＥｔｈｅｒｎｅｔ－ＣＡＮｗｈｉｔｃｈｂａｓｅｄｏｎＡＲＭ７ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐＬＰＣ２３６８．Ｇｉｖｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｒｄ－ｗａｒｅｆｒａｍｅｄｉａｇｒａｍ，ｐｒｏｇｒａｍｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＣＡＮｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、ＥｔｈｅｒｎｅｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＥｔｈｅｒｎｅｔ－ＣＡＮｐｒｏｔｏｃｏｌｃｏｎ－ｖｅｒｓｉｏｎ．ＧａｔｅｗａｙＤｅｓｉｇｎｅｄａｓｉｍｐｌｅ，ｌｅｓｓｆｏｒｅｉｇｎｅｘｐａｎｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓ，ｒａｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｗａｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｓｏｍｅｉｎｄｕｓｔｒｙｓｃｅｎｅ，ｒｅａｌｉｚｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆＥｔｈｅｒｎｅｔａｎｄＣＡＮ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ｆｉｅｄｂｕｓ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｇａｔｅｗａｙ，ＬＰＣ２３６８ＣＡＮ总线作为一种底层的现场网络，主要应用于企业下层车间和生产现场，而企业管理层大多采用以太网，因此必须将现场总线测控网络通过互联网关与以太网相连并接入因特网以满足这种上下层沟通的需求，本文提出了一种以太网与ＣＡＮ总线互联网关的设计方案，并实现了以太网（企业管理层）与ＣＡＮ总线（下层车间和生产现场）的互联。

１以太网—ＣＡＮ总线互联网关的硬件设计１．１微控制器的选择微控制器是以太网－ＣＡＮ总线互联网关的核心，对ＣＡＮ控制器和以太网控制器进行控制，内驻有以太网控制器驱动程序、ＣＡＮ控制器驱动程序以及ＴＣＰ／ＩＰ协议，完成以太网协议和ＣＡＮ总线协议转换，实现以太网和ＣＡＮ总线通信数据透明传输。

Profinet网络Profinet是一个工业以太网实时通信协议，是现代工业自动化的核心技术之一。

本文将介绍Profinet的基本概念、应用场景、性能特点以及未来发展方向。

一、Profinet的基本概念Profinet（Process Field Net）是由西门子公司推出的一种基于以太网的工业现场总线技术。

Profinet通信协议采用TCP/IP协议作为底层传输层协议，能够为企业提供高可靠性的实时通信，适用于在制造、过程和物流领域中的各种自动化应用。

从技术层面上来看，Profinet是一种分布式控制系统（DCS），它由位于主控制器（PLC）和从设备（I/O模块、传感器、执行器等）之间的通信组成。

Profinet的最大特点是其可扩展性和兼容性。

Profinet网络可以扩展至数百个节点，而且它可以轻松地整合和升级现有的自动化系统。

此外，Profinet的兼容性也非常好，可以与现有的基于TCP/IP协议的网络相容，如以太网、无线局域网（WLAN）和广域网（WAN）。

二、Profinet的应用场景Profinet在各种工业自动化应用中都有广泛的应用。

下面列举了一些常见的应用场景：1. 离散制造业：在离散制造业中，Profinet可以用于控制各种机器和设备，例如机床、工业机器人等。

它可以支持现场总线和现场设备之间的大量数据交换。

这样就可以实现在整个生产过程中对生产计划、生产进度和生产数据进行实时监控和控制。

2. 过程制造业：在过程制造业中，Profinet可以用于控制各种工业设备，如化工厂、炼油厂、水处理厂等。

它可以实现过程数据的实时传输和监控，从而提高生产效率和质量。

3. 物流：Profinet可以用于控制自动化仓库，包括传送带、搬运机器人等。

它可以使物流系统更加高效，提高货物的生产效率。

4. 交通：Profinet可以用于控制交通信号灯。

它可以使交通系统更加智能化，提高交通安全和效率。

5. 公共设施：Profinet可以用于控制建筑自动化系统，如空调、照明和安防系统等。

（完整word）Ethernet／IP协议简介目录1．现场总线控制技术与工业以太网2.工业以太网实时性问题3．Ethernet／IP协议简介4．Ethernet／I P通信适配器硬件设计与实现5．EtherNet/IP 工业以太网优缺点及发展前景Ethernet／IP协议简介1 现场总线控制技术与工业以太网20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。

现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。

它的初衷是用数字通讯代替4--20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。

控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。

然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，P．Net，World FIP，Swift Net，FF之高速EtherNet即HSE。

这8种现场总线互不兼容，这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。

此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31．25kbps，高速总线H2的传输速度为1 Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。

又如广泛用于汽车行业的Can总线系统，其最高的传输速率为1 Mbps／40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。

浅论工业以太网技术1.引言网络技术的迅速发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以现场总线和工业以太网技术为代表的控制网络技术是现代自动控制技术与信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，也是信息化带动工业化的重点方向。

目前网络控制技术正从传统的控制网络技术——现场总线向现代控制网络技术——工业以太网技术的方向发展。

2.工业以太网的产生工业以太网是西门子公司提出的一种基于以太网通讯的一种工业用的通讯模式。

在技术上与商业以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能够满足工业现场的需要，也就是满足环境性、可靠性、安全性以及安装方便等要求的以太网。

以太网是按IEEE802.3标准的规定，采用带冲突检测的载波侦听多路访问方法(CSMA/CD)对共享媒体进行访问的一种局域网。

其协议对应于ISO/OSI七层参考模型中的物理层和数据链路层，以太网的传输介质为同轴电缆、双绞线、光纤等，采用总线型或星型拓扑结构，传输速率为10Mbps, 100Mbps, 1000Mbps 或更高。

在办公和商业领域，以太网是最常用的通信网络，近几年来，随着以太网技术的快速发展，以太网技术已开始广泛应用于工业控制领域，它是现代自动控制技术和信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，同时也是信息化带动工业化的重点方向。

国内对工业以太网络技术的需求日益增加，在石油、化工、冶金、电力、机械、交通、建材、楼宇管理、现代农业等领域和许多新规划建设的项目中都需要工业以太网络技术的支持。

以太网是当今最流行、应用最广泛的通信技术，具有价格低、多种传输介质可选、高速度、易于组网应用等诸多优点，而且其运行经验最为丰富，拥有大量安装维护人员，是一种理想的工业通信网络。

首先，基于TCP/IP的以太网是一种开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。

XX大学XXXX 学院《工业以太网与现场总线》课程教学大纲编写人：XXX 审定人：XXX编制时间：2022.5.26 审定时间：2022.6.6一、课程基本信息：二、课程描述本课程跨越多个学科方向，包括控制理论和技术、电子技术、计算机网络和计算机技术等，是一门理论基础扎实、知识面广、应用性强、对学生水平要求较高的课程。

现场总线技术在军事、航空航天、工业、农业、社会和经济等领域都有重要应用。

该课程将介绍计现场总线技术中最基本、最重要、最成熟的内容。

通过课程学习，学生将巩固前期所学的基础课程，并能予以深入理解和应用，能开拓视野提升设计和应用现场总线控制系统的能力。

三、课程教学内容及学时分配第1章绪论（2学时）1.1 现场总线概述1.2 工业以太网概述1.3 现场总线简介1.4 工业以太网简介习题第2章CAN FD现场总线（4学时）2.1 CAN的特点2.2 CAN的技术规范2.3 CAN FD通信协议2.4 内嵌CANFD的微控制器LPC546xx2.5 具有集成收发器的CAN FD控制器TCAN4550习题第3章CAN FD应用系统设计（4学时）3.1 CAN FD高速收发器3.2 CAN FD收发器隔离器件3.3 TCAN4550的应用程序设计3.4 USB转CAN FD接口卡习题第4章CC-Link现场总线与开发应用（4学时）4.1 CC-Link现场网络概述4.2 CC-Link/CC-Link/LT通信规范4.3 CC-Link通信协议4.4 CC-Link IE网络4.5 CC-Link产品的开发流程4.6 CC-Link产品的开发方案4.7 CC-Link现场总线的应用习题第5章PROFIBUS-DP现场总线与应用系统设计（4学时）5.1 PROFIBUS概述5.2 PROFIBUS的协议结构5.3 PROFIBUS-DP现场总线系统5.4 PROFIBUS-DP的通信模型5.5 PROFIBUS-DP的总线设备类型和数据通信5.6 PROFIBUS通信用ASICs5.7 PROFIBUS-DP从站通信控制器SPC35.8 主站通信控制器ASPC2与网络接口卡5.9 PROFIBUS-DP从站的系统设计习题第6章PROFINET与工业无线以太网（4学时）6.1 PROFINET概述6.2 PROFINET通信基础6.3 PROFNET运行模式6.4 PROFINET端口的MAC地址6.5 PROFINET数据交换6.6 PROFINET诊断6.7 PROFINET IRT通信6.8 PROFINET控制器6.9 PROFINET 设备描述（GSD 文件）与应用行规6.10 PROFINET的系统结构6.11 工业无线以太网6.12 SIEMENS工业无线通信6.13 SCALANCE X工业以太网交换机习题第7章EtherCAT工业以太网（4学时）7.1 EtherCAT通信协议7.2 EtherCAT从站控制器概述7.3 EtherCAT数据链路层7.4 EtherCAT从站控制器的应用层控制7.5 EtherCAT从站控制器的存储同步管理7.6 EtherCAT从站信息接口（SII）7.7 EtherCAT从站控制器LAN9252习题第8章EtherCAT主站与从站应用系统设计（4学时）8.1 EtherCAT主站分类8.2 TwinCAT3 EtherCAT主站8.3 基于LAN9252的EtherCAT从站硬件电路系统设计8.4 基于LAN9252的EtherCAT从站驱动和应用程序代码包架构8.5 基于LAN9252的EtherCAT从站驱动和应用程序的设计实例8.6 EtherCAT通信中的数据传输过程8.7 EtherCAT主站软件的安装与从站的开发调试习题第9章工业互联网技术（2学时）9.1 工业互联网概述9.2 工业互联网的内涵与特征9.3 工业互联网发展现状9.4 工业互联网技术体系9.5 工业互联网体系架构9.6 工业互联网标准体系9.7 无源光纤网络技术（PON）与工业PON技术9.8 工业互联网与CPS的关系9.9 国内外主流工业互联网平台习题四、教学方法在教学方式上，以目前的授课资源为基础，不断丰富教学内容，积极采用启发和研讨式教学方法，促进课堂的生动性，提高学生的学习的主动性和应用的积极性，从而提高教学的质量。

基于现场总线技术的优点优势及应用设计方案分析1、现场总线系统概述随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化技术正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层渗透到现场设备，这样就产生了现场总线技术以及由此组成的控制系统—现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）。

自现场总线技术在90年代后期问世以来，它就已经开创了自动化控制技术的新纪元—数字时代。

目前现场总线技术已经在国内化工、石化、冶金、建材、医药等工业过程中开始了成功的应用并取得了显著的效益。

在国内，现场总线在火电厂机组控制方面已有局部使用，但还没有在全厂使用现场总线控制系统的范例。

签与此，我们在某电厂机组重要程度相对较低的锅炉补给水处理、工业废水处理、循环水处理系统（以下简称主厂房外水系统）采用现场总线技术进行控制，作为FCS 应用的尝试与研究。

2 、现场总线技术根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。

由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS。

衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。

FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。

现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。

现场设备级的数字化、网络化是电厂信息化管理的基础。

现场总线技术开发的出发点就是要为用户提供开放的、具有可互操作性、可互换性和统一标准的测量和控制产品，以现场总线技术为基础的FCS的优越性概括起来有以下几方面：互操作性、分散性、可靠性、精确性、开放性、经济性、可维护性。

1999年底IECTC65（负责工业测量和控制的第65标准化委员会）通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。

MVB与工业以太网网关的设计与实现的开题报告一、选题背景现代制造业普遍使用现场总线系统，例如PROFIBUS，AS-Interface，DeviceNet等等。

这些系统为现场控制提供了强大的支持。

但是，现场总线通常不能满足企业内远程监控、计算机集成和Web连接等需求。

因此，通过将现场总线系统与以太网连接起来，可以构建一个完整的网络系统，但是现场总线与以太网之间的协议不同，需要使用MVB（Multifunction Vehicle Bus）或CANopen等协议进行转换。

此外，由于MVB与工业以太网存在速率差异，需要使用MVB与工业以太网网关进行数据转换。

因此，设计与实现一个MVB与工业以太网网关是迫切需求的。

二、研究内容本课题的主要研究内容包括以下方面：1. MVB协议分析与设计：对MVB协议进行分析，掌握其特点，确定使用的MVB协议版本，并设计与MVB协议相兼容的数据传输方案。

2. 工业以太网协议分析与设计：对工业以太网协议进行分析，掌握其特点，并确定采用的工业以太网协议版本。

3. MVB与工业以太网网关硬件设计：对网络连接结构进行设计，设计合适的接口电路，进行硬件调试和测试。

4. MVB与工业以太网网关软件设计：编写MVB和工业以太网协议转换层软件，并进行测试和调试。

三、研究方法本课题采用以下研究方法：1. 文献调研：对MVB与工业以太网网关相关的文献进行综合调研，全面了解MVB与工业以太网网关相关技术的研究现状、应用前景和发展趋势，为设计与实现提供指导。

2. 硬件设计：参考MVB与工业以太网网关相关的设计方案，设计适用于本课题的硬件电路，包括各种外围电路和接口电路的设计、PCB电路板的布局、连线等。

3. 软件设计：根据硬件设计结果，编写对应的软件程序，实现MVB 和工业以太网之间的数据交换和转换。

4. 测试与验证：基于搭建好的硬件实验平台，进行测试和验证，验证MVB与工业以太网网关的传输性能和数据可靠性，为后续优化和进一步应用提供依据。