工业以太网协议之网络7层协议

以太⽹与⼯业以太⽹的区别 以太⽹产⽣延迟的主要原因是冲突，其原因是它利⽤了CSMA/CD技术。

在传统的共享⽹络中，由于以太⽹中所以的站点，采⽤相同的物理介质相连，这就意味着2台设备同时发出信号时，就会出现信号见的互相冲突。

为了解决这个问题，以太⽹规定，在⼀个站点访问介质前，必须先监听⽹络上有没有其他站点在同时使⽤该介质。

如果有则必须等待，此时就发⽣了冲突。

为了减少冲突发⽣的⼏率，以太⽹常采⽤1-持续CSMA，⾮持续CSMA，P-持续CSMA的算法2。

由于以太⽹是以办公为⽬标设计的，并不完全符合⼯业环境和标准的要求，将传统的以太⽹⽤于⼯业领域还存在着明显的缺陷。

但其成本⽐⼯业⽹络低，技术透明度⾼，特别是它遵循IEEE802.3协议为各⼚商⼤开了⽅便之门。

以太⽹的缺陷 1、确定性 由于以太⽹的MAC层协议是CSMA/CD，该协议是的⽹络上存在冲突。

对于⼀个⼯业⽹络，如果存在着⼤量的冲突，就必须多次重发数据，使得⽹络间通信的不确定性⼤⼤增加，带来系统控制性能的降低。

2、实时性 在中，在⼀个事件发⽣之后，系统必须在⼀个可以准确预见的时间范围内作出反应。

⽽⼯业上对数据传输的实时性要求⾮常⾼，数据的更新是在数⼗毫秒完成。

⽽以太⽹的CSMA/CD机制，当发⽣冲突时重发数据，可以尝试16次，这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。

⽽设备的掉线，可能会造成重⼤的设备或者⼈⾝安全事故。

3、可靠性 以太⽹是为商业设计的，但应⽤到⼯业现场，⾯对恶劣的⼯况、严重的线间⼲扰，必然降低其可靠性。

所以⼯业⽹络要求具有⾼的可靠性，可恢复性以及可维护性。

的解决机制 1、交换技术 将共享的局域⽹进⾏有效的冲突域划分机制。

各个领域之间⽤交换机连接，减少冲突问题和错误传输。

这样可以尽量避免冲突的发⽣，提⾼系统的确定性。

2、⾼速以太⽹ 冲突的发⽣与负载有关，负载越⼤，发⽣冲突的概率越⼤。

提⾼以太⽹的通讯速度，可以有想降低⽹络的负荷。

ModbusTcp协议详解Modbus TCP协议详解一、概述Modbus TCP是一种基于TCP/IP网络的通信协议，用于在工业自动化系统中实现设备之间的通信。

它是Modbus协议的一种变体，具有简单、高效、可靠的特点，被广泛应用于工业控制领域。

二、协议结构1. 物理层Modbus TCP协议使用以太网作为物理层传输媒介，支持10Mbps和100Mbps的传输速率。

数据通过以太网的数据链路层进行传输。

2. 传输层Modbus TCP协议使用TCP作为传输层协议，确保数据的可靠传输。

TCP提供了可靠的连接、流量控制和拥塞控制机制，保证了数据的完整性和准确性。

3. 应用层Modbus TCP协议的应用层采用了Modbus协议的数据格式和功能码。

数据格式包括消息头和消息体两部分。

消息头包括以下字段：- 事务标识符（Transaction Identifier）：用于标识请求和响应之间的对应关系。

- 协议标识符（Protocol Identifier）：用于标识Modbus协议。

- 长度字段（Length）：表示消息体的长度。

- 单元标识符（Unit Identifier）：用于标识设备。

消息体包括以下字段：- 功能码（Function Code）：用于指定请求或响应的功能。

- 数据字段（Data）：包含具体的请求或响应数据。

三、功能码Modbus TCP协议定义了一系列功能码，用于实现不同的功能。

常用的功能码包括：1. 读取线圈状态（Read Coils）：用于读取线圈的状态（开关量）。

2. 读取离散输入状态（Read Discrete Inputs）：用于读取离散输入的状态（开关量）。

3. 读取保持寄存器（Read Holding Registers）：用于读取保持寄存器的值（16位整数）。

4. 读取输入寄存器（Read Input Registers）：用于读取输入寄存器的值（16位整数）。

5. 写单个线圈（Write Single Coil）：用于写入单个线圈的状态。

摘要M odbus 是目前应用最广泛的现场总线协议之一，1999年又推出了在以太网上运行的M odbus/TC P 工业以太网协议。

本文对M odbus 协议进行了分析，给出了协议的帧格式和通信过程，并介绍了该协议良好的应用前景。

关键词M odbusM odbus/TC P 现场总线工业以太网1引言随着企业信息化进程的深入发展，实现企业上层管理网络与现场控制网络的无缝连接显得越来越重要。

在企业管理信息系统中由于以太网技术应用广泛，线缆和接口设备价格相对较低等特点在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到广泛应用，同时已呈现出向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。

基于这种发展现状，越来越多的人希望以太网技术能介入过程控制层，广泛取代目前种类繁多、标准不一的现场总线技术，这不仅可以使企业的管理信息系统实现垂直方向的集成，而且能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。

工业以太网是以太网技术向工业控制领域渗透催生的产物，一般是指技术上与商用以太网(即IEEE802.13或IEEE802.11系列标准)兼容，但在产品设计、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。

工业以太网基于成熟的以太网技术和TCP/IP 技术，具有较高实时性和传输能力。

2现场总线协议Modbus 与工业以太网协议Modbus/TCPM odbus 现场总线协议是Modicon 公司于1978年发明的一种工业控制器的网络协议。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以进行通信。

因为Modbus 协议是属于应用层的通信协议，位于OSI 模型的第7层[1]。

它与物理层的设备和电气接口无关，既支持传统的RS232/RS485通信标准也支持以太网通信标准，所以根据物理层层网络的不同Modbus 协议被分成串行链路版本和运行在以太网的Modbus/TCP 版本。

通用低压电器篇孙凡金(1977 ),男,副教授,博士,研究方向为网络控制系统。

Profi net 工业以太网实时通信协议分析孙凡金,!刘彦呈,!潘新祥(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连!116026)摘!要:在分析P ro fi net 关键技术组成的基础上,对其实时性优化技术进行了综述,并通过分析通信连接的建立及维护,实时协议的组成及通信策略,以及RT 与I RT 的通信技术与实现方法,从整体上研究了P rofi net 实时性优化的协议组成及基本特性,对设计与优化基于Profi net 工业以太网的自动化系统具有一定借鉴。

关键词:Prof i ne t ;实时性;通信连接;同步中图分类号:T P 393.04!文献标识码:A !文章编号:1001 5531(2008)21 0030 04The Anal ysis of the Real T i m e Co mmun icati onProtocol i n Profinet !!!SU N Fanji n ,!LIU Yancheng,!PAN X i n x iang(Schoo l ofM arine Eng i n eeri n g ,Da lian M ariti m e Un iversity ,Da lian 116026,Ch i n a)!!Abstract :Based on the analysis o f P ro fi net ∀s key techno l ogy ∀s constituti on ,its rea l ti m e opti m iza tion tech no l ogy w as survey ed .By ana l yz i ng t he buil d and m ai n tenance of co mmun ica ti on connect ,rea l ti m e protoco l ∀s con stituti on and communicati on stra tegy ,RT and I RT ∀s communicati on techno logy and rea liza ti onm e t hod ,t he protoco l constit ution and basi c character i stics for P ro fine t rea l ti m e opti m i zati on w ere st udied ,wh ich can be re ference f o r de si gn i ng and opti m izi ng autom ati c system based on Profi net .K ey words :Profi n et ;real ti m e ;co mmun icati on connect ;synch ronous刘彦呈(1963 ),男,教授,博士生导师,研究方向为工业监控网络。

每个仪表都有自己独特的通讯协议，常见的有modbus通讯协议、RS-232通讯协议、RS-485通讯协议、HART通讯协议等等，那么这些通讯协议究竟是怎么工作的，有哪些优缺点呢？本文将重点介绍目前常见的几种通讯协议！帮助仪表人学习。

通讯协议：又称通信规程，是指通讯双方对数据传送控制的一种约定。

约定中包括对数据格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。

常用的仪表通讯协议有：•modbus通讯协议•RS-232通讯协议•RS-485通讯协议•HART通讯协议。

•MPI通信•串口通信•PROFIBUS通信•工业以太网•ASI通信•PPI通信•远程无线通信•TCP•UDP•S7•profibus•pofinet•MPI•PPI•Profibus-DP•Devicenet•EthernetModbus通讯协议1Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。

此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。

由于modbus协议是完全公开透明的，所需的软硬件又非常简单，这就使它成为了一种通用的工业标准。

许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。

有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

特点Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。

它已经成为一通用工业标准。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。

modbus通讯协议是一种主从式异步半双工通信协议，采用主从式通讯结构，可以使一个主站对应多个从站进行双向通信。

它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。

SCALANCE — 性能可延展西门子全集成自动化理念已在全球各地成功演绎了无数次;通过共享工具和标准化机制，可实现集成解决方案。

最重要的基础工作之一就是致力于SIMATIC NET 工业通讯的发展。

SCALANCE 即是里程碑式成果，一种全新的有源网络部件，用于构建集成网络。

2SCALANCE XXWS安全性工业无线局域网工业以太网交换机SCALANCE S保证工业安全利用安全机制，如认证、数据加密或访问控制，SCALANCE S 可以保护网络和数据不受侵袭活动，操控和未经授权访问。

SOFTNET 安全客户机用于SCALANCE 保护下设备的安全访问。

SCALANCE W用于工业无线局域网的可靠无线电技术基于工业无线电局域网，SCALANCE W 将集成通讯拓展到一个过去很难甚至不可能进入的领域。

SCALANCE W 是通过专用的数据传输速率或监控无线连接做到这点。

SCALANCE W 采用了IEEE 802.11a / b / g / h / e / i无线局域网国际标准。

SCALANCE X从入门级到高性能网络工业以太网交换机SCALANCE X 提供一系列的不同功能的工业以太网交换机，例如：通过PROFINET 、SNMP 或是Internet诊断，以满足对网络结构、数据传输速率和端口数的不同需要。

这些有源网络部件可完美相互协同，旨在严酷的工业环境下能够集成、灵活、安全、高性能的构建网络。

工业环境下的通讯工业通讯与办公环境下的通讯有着根本上的不同。

在办公环境下，很多用户连接一台服务器；客户之间并没有交叉连接。

而这种数据传输在建立通讯连接时，多个用户同时连接服务器时会导致阻塞和延时。

这不能用于自动控制，因为循环的执行进程处理需要输入更新的数据来对组件发出适应的控制指令。

此外，应用技术，通讯关系和网络结构也必须各自能够适应严酷的工业环境。

工业网络必须能够反应灵活并在短时间内满足市场需求，重组必须快速而高效。

一、工业无线协议ZigbeeZigBee标准是由ZigBee联盟制定的一组基于802.15.4协议,关于组网、安全和应用方面的低成本和低功耗双向通信标准。

该标准致力于短距离、低速率无线通信的研究,强调简易组网、恰如其分的实现传输要求。

ZigBee协议明确定义了三种拓扑结构,即星型结构(star)、簇状结构(cluster tree)和网状结构(mesh),如图1所示。

并定义了两种相互配合使用的物理设备:全功能设备FFD (Full Function Device)和精简功能设备RFD (Reduced Function Device)。

(1)全功能设备支持任何一种拓扑结构,可以作为网络协调者和普通协调者,并且可以和网络中任何一种设备进行通信。

(2)精简功能设备只支持星型结构,不能成为网络中任一形式的协商者。

它只可以和网络协调者进行通信,功能实现较为简单。

从ZigBee协议定义的三种拓扑结构中可以看出,由全功能模块构成的网络协调器负责整个网络的管理工作,获取网络中节点信息,存储整个网络的“地图”,识别网络内各节点的功能,协调整个网络以及网络中各节点与中央控制室的通信,因此网络协调器是构建一个ZigBee网络的关键所在。

图1 Zigbee网络拓扑WIAWIA-PA标准是由我国科技人员自主研发成功的,用于构建符合中国微功率(短距离)无线电设备的技术要求的流程工业用监视和测控网络。

WIA-PA网络采用star-mesh两层拓扑结构。

现场设备构成星型网络,降低了现场设备协议的复杂性,提高了现场设备加入和退出网络的灵活性。

路由设备构成mesh网络,提高了通信的可靠性和网络的可扩展能力。

WIA-PA网络结构如图2所示,网络中定义了以下7类逻辑角色:(1)网关:负责WIA-PA网络与工厂内的其他网络的协议转换与数据映射;(2)冗余网关:负责网关的热备份;(3)网络管理者:负责构建由路由设备构成的网状拓扑结构,监测全网性能;(4)安全管理者:负责路由设备及现场设备的密钥管理与安全认证;(5)簇首:作为网络管理者的代理,负责构建由现场设备和路由设备组成的星型结构网络,监测星型结构网络性能;作为安全管理者的代理,负责合并及转发簇成员的数据;负责转发其他簇首的数据;(6)冗余簇首:负责簇首的热备份;(7)簇成员:负责获取现场数据并发送到族首。

十种类型现场总线的体系结构目录综述 (2)1 Type1 TS61158 现场总线 (2)2 Type2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 (3)3 Type3 Profibus 现场总线 (4)4 Type4 P-NET现场总线 (5)5 Tpye5 FF HSE现场总线 (5)6 Type6 SwiftNet现场总线 (6)7 Type7 WorldFIP现场总线 (7)8 Type8 INTERBUS现场总线 (8)9 Type9 FF H1现场总线 (10)10 Type10 PROFI net现场总线 (10)综述按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。

根据使用场合和用途不同，现场总线又分为H1低速现场总线和H2高速现场总线。

IEC/SC65C最初定义H1总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总线，H2总线为无需解决两线制供电，用于装置间传送信息的高速串行总线。

H1和H2总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统信息通信网络。

经过长达15年的争论，IEC61158用于工业控制系统的现场总线国际标准于2000年初终于获得通过，现场总线之争逐渐随之退潮，IEC/SC65C/WG6现场总线标准委员会到此也完成了历史使命。

为了进一步完善IEC61158标准，IEC/SC65C成立了MT9现场总线修订小组，继续这方面的工作。

MT9工作组在原来8种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2001年8月制定出由10种类型现场总线组成的第三版现场总线标准，它们是：Type1 TS61158 现场总线、Type2 ControlNet 和Ethernet/IP 现场总线、Type3 Profibus现场总线、Type4 P-NET现场总线、Type5 FF HSE现场总线、Type6 Swift-Net 现场总线、Type7 WorldFIP现场总线、Type8 INTERBUS现场总线、Type9 FF H1现场总线以及Type10 PROFInet现场总线，该标准于2003年4月成为正式国际标准。

在工作中，很多新人问我究竟什么是现场总线，什么是工业以太网，对于刚入行的新人来说是比较难理解，我这里尽量采用通俗的讲法给大家解释一下现场总线和工业以太网。

现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起俩的一种工业控制技术。

通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同余计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。

做过PLC的人都知道，如果现场有100个I/0点，我们就需从PLC柜引超过100根的电线到现场，如果是1000个呢？？所以有人就想，能不能把这些所有的点用一根电缆都连接起来呢？不错，现场总线就实现了这种功能。

它及大方便了布线。

还有一点，现场总线把原先PLC要实现的功能分散到了现场设备/仪表。

还有一点很重要：现场总线采用的数字传输。

数字化是各行各业普遍的趋势。

我们的电视现在都数字化了。

工业控制也要数字化！！数字传输比较模拟量传输就很大的优势！世界就是这么奇怪，当人类自以为聪明，把问题复杂话的时候惊奇的发现0和1才是世界的本质。

现场总线技术实际上是次采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号和连接方式，它依次实现了控制层和现场总线设别之间的数据传输，同时保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。

一般的现场总线具有以下几个特点：1、布线简单2、开放性3、实时性4、可靠性对于上面几个概念应该都比较好理解，深入的了解，大家可以参考相关资料。

工业以太网，所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。

以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准，但它是为办公自动化的应用而设计的，并没有考虑到工业现场环境的需求，比如高温、低温、防尘等，所以以太网不能直接应用于环境恶劣的工业现场。

所以工业以太网就随之产生了。

还有一个问题，很多人常问：为什么有那么多的现场总线协议，那么多的工业以太网协议呢？工业网络的发展经历了20多年，由于对未来的自动化控制的战略意义重大，市场潜力巨大，国际上著名的自动化设备制造商都千方百计地研发有自己特色的工业网络，各种现场总线和工业以太网相继产生。