工业以太网的意义及其应用分析

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内，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

发送报文时，必须先监听网络，如果网络繁忙则坚持监听网络，一旦网络空闲就发送数据;在发送数据过程中继续监听，如果检测到冲突则立即停比发送并发出一个强化冲突的干扰信号，通知所有节点此时的网络己经发生冲突，此时冲突各方卞动退避随机等待一段时间后再重新监听网络，该随机时间由BEB(Binary Exponential Back-off)算法确定。

传统商用以太网主要缺陷及解决方案

由于Ethernet是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境的要求，将传统的Ethernet用于工业领域还存在明显的缺陷。但由于其技术简单、完全公开，通过不断改进、提升，市场占有率越来越大，而成本越来越低，进而变成主流。据VDC(Venrure Development Crop)调查报告，如今己有约95%的网络节点具有Ethernet接口。随着IT技术的快速发展，Ethernet引进了许多新技术和新标准，不仅提高了Ethernet实时能力，还进一步增强了柔性和可靠性，使Ethernet应用于工业现场设备之间的通信成为可能。

交换机是数据链路层的多端口网桥，也可以说是一种智能HUB它能够读取正在传送的数据的目的地址并把它转发到相应的端口，在源端和交换设备的目标端之间提供一个直接快速的点到点连接。从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的站接口流出。在普通交换设备中，一个节点传送的数据都要被广播到其他的各个节点，采用了交换技术之后，发送的数据通过交换机就直接送到了希望接收的目的地址，这就使得多个数据可以同时发送。交换机主要用来把网络分成不同的冲突域，同时对网络进行扩展。这种网络的性能主要由传输和接收的元件性能决定。通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个节点提供了独占的点到点链路。这样，在体系结构上和简单的点到点的连接完全一样，每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。交换式Ethernet克服了传统Ethernet的缺点，大大提高了网络性能，使原来的共享式带宽变成了独占式带宽.较好地解决了带宽问题。对于普通共享式Ethernet，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(如100Mb/s)的N分之一；而使用交换机之后，虽然数据传输速率仍为100Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此整个局域网的可用带宽相当于N*100Mb/s。

使用交换机，还可以对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点之间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需要经过主干网，也就不会占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。而全双工通信又使得端口间两对传输线路（双绞线或光纤等）上分别同时接收和发送报文帧，而不发生冲突，因此也不再受到CSMA/CD的约束。全双工交换式Ethernet已经成为一个确定性网络，不会因冲突而引起通信非确定性，Ethernet的通信实时性得到了保障。

工业可靠性

由于传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性以及可维护性。

随着技术的发展，Ethernet的网络传输线已从昂贵且难以安装的同轴电缆变化到廉价的非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力可与4~20mA模拟传输线路相当，如果需要更强大的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤网络。为了提高工业以太网的工业可靠性，在进行系统设计时，可通过可靠性设计提高现场设备的可靠性；采用环形冗余结构Ethernet以提高系统的可恢复性；采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理。

安全性

在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。以太网系统的本质安全包括几个方面，即工业现场Ethernet交换机、传输介质以及基于Ethernet的变送器和执行机构等现场设备。由于目前以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在60~70mA的这种缺陷已经得到解决，因此过去低功耗的Ethernet现场设备设计难以实现的要求和目标已经完全可以满足。

在目前技术条件下，对于没有严格的本安要求的非危险场合，对以太网系统可以采用隔爆防爆的措施，即通过对Ethernet现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不会外泄，以保证系统运行

的安全性。对于有严格的本安要求的危险场合，则可以直接采用本安型的工业以太网设备等防爆措施。

工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的3层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率，但同时也引入了一系列的网络安全问题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。

另外，最新推出的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。Ethernet在工业应用过程中的各种问题已经得到根本性的解决。

工业以太网的优势

Ethernet由于其应用的广泛性和技术的先进性，不仅在民用商业领域形成了垄断性优势，在工业应用中也具有传统现场总线所无法比拟的优越性。

带宽高

随着现场设备功能逐级增强，工业网络中传输的数据量将会成倍增加，加之现在有了现场设备要内置Web Server以网页形式与外界沟通信息的需求，工业网络对带宽的要求越来越高。而传统的现场总线一般的传输速率仅为1~2Mb/s 尽管有些总线可以得到更高的通信速率，如Contro1Net的传输速率为5Mb/s，PROFIBUS-DP可高达12Mb/s，但成本价格昂贵。

作为一种低成本网络技术，Ethernet目前的速率为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10000Mb/s的快速以太网也已开始大量广泛应用，其通信速率比传统的现场总线快得多，完全可以满足工业网络不断增长的带宽要求。

应用广泛

Ethernet是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。以工业以太网为主要研究对象的众多国际组织，如IEA (Industrial Ethernet Alliance)、IANOA (Industrial Automa-tion Network Alliance)等纷纷成立。几个主要现场总线组织(如FF、PROFIBUS、DcviccNct、Con-trolNET和LonWorks 等)也在开发基于Ethcr-net的现场总线协议，更有一些公司己在开发具有

Ethernet接口的仪表。几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，如果采用Ethernet作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发环境供选择。以太网与其他技术的对比

以太网技术能成为全球主流的通讯总线技术，是因为其优秀的开放性和灵活性，以及针对高可靠性需求方面的持续发展创新造成的。以太网技术与传统的SDH技术以及CAN、串口等其他的各种现场总线的特点对比如下。

表格 1 以太网与其他技术对比

综上，可看到，以太网在不断的发展中，在服务质量上已经超过了传统的SDH传输方式，并具有更多灵活、高速带宽、多业务承载、易于维护的更多优势及特点。与传统的现场总线相比，其确定性及高效率、优秀的综合管理性能、多业务互通性能也为现场总线的发展带来了更多机遇，充分扩展了用户需求的实现。

应用案例

在工业及军工行业中，以太网技术以其高可靠性、高品质解决了诸多原有网络无法处理的问题，为工业通讯网络的建设和使用带来了更高的实时性及可靠性。

1.船用平台信息管理系统

图表 1 船用平台管理系统

平台网采用双环网冗余设计，设两台网络数据浏览服务器；两台域控制服务器，若干客户端机器。两种服务器都是互为热备，配以网络管理软件，多功能操作站软件，形成高可靠性的船舶平台信息管理系统。

通过平台信息管理系统可以准确可靠地对动力系统、电站系统、损管系统、空调系统、航行信号、液位遥测等众多系统进行控制和监测。

2.智能电网----数字化变电站控制系统

智能电网的意义：

传统电网的不足与智能电网的意义：传统电网只有单一向的电力传送，无法达到双向传送及自动修复能力；智能电网则可以通过通信技术和IT技术，将电网资讯集中至电力公司，使电力公司可以完全监测电网的所有元器件状态，除了能够控制所有电网元器件以外，智能电网还可以自动化修复，如果一段输电线路意外断线，它将自动使用备用线路等技术来保持整个电网的运作来防止断点的可能性。再者，智能电网同时也能提供工业用户与家庭用户及时监控用电量的功能，用电消费者除了可以随时了解用电量，还可以决定花多少电，选择何时用电，和愿意付多少电费等等。

工业交换机在数字化变电站中起到的作用：

工业以太网交换机作为数字化变电站通信网络的关键设备，IEC61850-3对其提出了严酷的要求，使其能在各种恶劣工业环境下长期稳定、可靠、安全应用，为数字化变电站保驾护航。数字化变电站通信网络必须满足实时性、可靠性、安全性和扩展性的特殊要求，光纤通信凭借其带宽宽、可靠性高、保密性强、抗干扰能力好及传输距离远等优点，成为数字化变电站中理想的通信方式。

数字化变电站自动化系统的特点：

(1)智能化的一次设备：一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路，采用微处理器和光电技术设计，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程控制器代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

(2)网络化的二次设备：变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、测量控制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。

(3)自动化的运行管理系统：变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化、自动化；变电站运行发生故障时，能及时提供故障分析报告，指出故障原因及处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改为“状态检修”。

数字化变电站对工业以太网交换机的要求：

在功能方面：

（1）要求工业以太网交换机支持快速存储转发方式和QoS服务质量，以保证网络中重要的GOOSE数据包得到实时传输；

（2）要求工业以太网交换机支持基于端口和TAG标签的VLAN，实现网段隔离，保证重要数据的实时、可靠传输并抑制网络广播风暴；

（3）要求支持冗余的网络拓扑结构如环网、星型网等，以提高网络的可靠性；

（4）要求支持RSTP快速生成树协议，提高网络故障时的收敛速度，避免网络环回和抑制网络广播风暴；

（5）要求支持IGMP组播技术，利用其限制网络中的数据，保证网络的实时性、可靠性等等。

在电磁兼容方面：

要求工业以太网交换机必须通过静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度等电磁干扰实验和电击、雷击等测试。

在环境温度方面：

要求工业以太网交换机必须满足（-40℃～85℃）宽范围的工作温度，交换机的存储温度也要求满足宽温条件等等。

在机械结构方面：

工业以太网交换机必须通过专门的强振动、大冲击的承受度测试；满足特定的防尘、防潮等要求；具备良好的散热条件等等。

通信网络是数字化变电站自动化系统的纽带，而网络拓扑结构直接关系到变电站的安全稳定运行。工业以太网交换机支持多种网络拓扑结构如环型、星型、树型等。采用光纤冗余环网和星型网相结合的方式，可以避免工业以太网交换机的多级级联和单环节点过多而引发的网络缺陷，有利于提高网络的可靠性、实时性和扩展性，有助于保障变电站的正常工作。

图表 2 数字化变电站控制系统

在图表2的数字化变电站控制系统中，存在大量的SV采集数据以及以Goose 报文为代表的高实时要求的控制报文。本系统采用双树形网络，并进行了间隔层、站控层网络划分，并启用了Qos服务质量控制，VLAN隔离，使得在正常状态

下，采样SV报文可优先传递，当Goose报文出现时，则对Goose报文进行抢占式优先处理。这样，既保证了正常传输中对业务带宽和延时的控制，又能达到在特殊情况下的高优先级要求报文的质量保证。

东土工业交换机在河南淇县数字化边站控制系统中的应用：

（1）项目介绍：

淇县智能变电站位于鹤壁市淇县西部，京广铁路西侧。2009年6月开工，预计2010年12月底竣工投运。建设规模为本期安装180兆伏安主变压器2台。

特点是该站采用电子式互感器，信息传输采用光纤以太网络；同时，该变电站按照全数字式变电站进行设计，220千伏和110千伏均采用户外敞开常规设备，220千伏、110千伏均采用双母线接线。与传统变电站相比节约大量电缆，减少了占地。

由于本站二次系统基于IEC61850协议采用三网合一模式，过程层至间隔层全部采用光纤以太网通信，全站共需熔接光纤1152芯，集成度之高、光纤熔接量之大，国内罕见。同时，本站作为河南省第一个220kV的全数字化变电站，采用了很多新技术新方法，这对设备的可靠性提出了更高要求。

（2）系统结构

变电站继电保护系统对变电站内的高压进线、智能开关、变压器、低压出线、母差、母联等主要设备进行检测和保护，变电站内各种保护装置之间的通信协议采用IEC61850规约，同时要求网络通信设备采用具备1588时钟的工业以太网交换机，支持GOOSE报文等实时转发，保证变电站的可靠性。在变电站内实现网络的无缝连接。

（3）网络要求

支持1588时钟同步

GOOSE报文能优先传输

符合IEC61850-10、IEC61850-8-1、IEC61850-7-1、IEC61850-7-2规范要求网络特性达到零丢包率

电磁环境特性能符合IEC61850-3规范要求

良好的温度特性和绝缘特性符合IEC61850-3规范要求

采用光纤接入的方式，提高网络的可靠性

系统采用双工业以太网的通信结构

GOOSE数据网络时延小于400微妙

（4）网络拓扑

3.工业以太网交换机在煤炭行业的应用

煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯重视煤矿安全生产问题，并采取一系列措施不断加强安全生产工作。通过不懈努力，煤矿安全生产总体呈现稳定好转趋势，但是因为煤矿生产是地下作业，受自然条件影响约束很大，不同的地质构造和煤层的赋存条件决定了煤矿企业必须采取不同的开拓开采方法，并且带来了许多自然灾害，如瓦斯、煤尘爆炸、矿井火灾、顶板冒落、矿井透水等，这些都是煤炭生产特有的不安全隐患。

煤矿行业的信息化需求

煤炭生产系统复杂、工作场所黑暗狭窄，人员集中，采掘工作面又随时移动，由于地质条件的变化会使移动的采掘工作面不断出现新情况和问题，如不及时采取相应的有效措施，可能会导致重大灾害事故，这就给安全工作带来了困难。

如何加强目前煤矿企业、集团公司、安全部门对煤矿安全生产管理模式，如何实现管理的现代化、信息化成为煤矿企业关心的问题。因此，建立能够全面掌握煤矿安全、生产信息，全面掌握矿区地面、井下环境信息、水文地理信息、煤层信息、巷道信息、机电设备信息及工作状态、井下人员分布及工作状态、每班产量等的信息系统极为重要，生产单位应该能做到灾害预防、事故救助、应急预案、安全培训等。

东土科技基于矿区信息化和智能化应用而推出了有线、无线相结合的工业以太网全覆盖解决方案。

工业以太网全覆盖，是通过有线、无线相结合的稳定可靠通信技术，对矿区的人(人员定位、无线通信)、设备(综合自动化)、环境(安全监控、矿压监控等)实现信息获取，并通过全面覆盖的高速网络（矿区地面、井下1000Mbit/s高速光网络、无线信号覆盖），使煤矿生产单位全面了解整个安全生产系统的各类情况。

工业以太网全覆盖面向的重点是所有与矿区安全、生产相关的网络接入。因为矿区在建设过程中，采用的不同传感器其厂家不同，协议接口不统一，有些

是早期建设项目，没有智能接口。建立有线、无线相结合的工业以太网，是达到全覆盖的基础。

构建全覆盖的工业以太网不仅提高矿山的安全管理水平，更多的是涉及到生产，如利用信息技术、网络技术以及传感网络对矿区煤运皮带、煤仓、洗煤厂、水仓、变电站等各个生产相关设备系统的监管和控制，很大程度提升了矿区的自动化生产能力。

应用于煤矿矿区的综合信息化系统

煤矿矿区综合信息化系统是将先进的自动控制、通讯、计算机技术、信息技术和现代管理技术结合，将企业的生产过程控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而提高企业核心竞争力。

综合自动化是煤矿实现高产高效的有效手段，对于提高煤矿的生产运行状况、安全水平、事故灾害预测预报以及生产业务管理具有重要的作用。

构建去全覆盖的工业以太网方案就是针对目前煤矿的实际需求，推出的高效、可靠、安全的自动化网络系统。矿井综合自动化信息系统的主体是以矿用光纤工业以太环网技术构建的综合数字化信息传输平台。

在该系统中，各种接入采集设备由大量监测环境、机电、人员等传感器设备构成，如风速、风量、温度、转速、振动、电压、电流、功率传感器等环境因素、甲烷、CO、CO2 、O2、锚杆压力、钻孔应力、顶板离层环境传感器、跑偏、堆煤、烟雾、皮带打滑等传感器、煤仓料位计、水位计等传感器等机电因素，以及摄像机、人员定位等，这些传感器在矿区地面、井下构建了一个庞大的数据采集设备接入层。

网络层设备主要由铺设在地面、井下的千兆光环网及工业级以太网交换机设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等，以及用无线工业以太网交换机组成的WiFi网络等构成，这些网络构建了覆盖整个矿区的数据网络。

应用层是矿区综合信息化系统，包含了矿区3D GIS系统、综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、短信管理平台、矿区应急指挥系统、调度系统等等。

该应用层硬件提供了各种通用的数据接口，在此之上，生产单位可以方便地

将提升机监控系统、安全监控系统、矿井通信系统、应急救援通信系统、视频监控系统、井下调度无线通信系统、大巷运输系统、选煤厂计算机控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、中央泵房监控系统、工业电视系统等系统进行无缝链接，最后经过工业以太网平台统一传输到应用层上进行统一的管理，如图表3所示，真正实现矿井“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节上的信息化和自动化，从而达到优化生产、优化管理。

图表3

煤矿区信息系统建设特点

该系统依托矿井工业以太环网的高速控制网络，通过推进煤矿矿井生产过程控制，促进企业综合信息化，可实现数据采集自动化、业务信息集成化、信息管理网络化，最终实现煤矿管理决策科学化、现代化和智能化。系统建设特点如下。

●各生产过程全面实现自动化，并在信息中心分别对各生产环节进行监控，达到高产高效的目的。

●遵循先进、可靠、实用原则，尽量减少投资，节约成本。

●加强自动化系统、信息管理系统在煤炭行业的通用性。

●实现生产控制的实时数据库和信息管理的关系数据库的接口，能够实现信息系统对生产数据的无障碍存取。

●上位监控系统软件、网络管理软件等均基于WEB浏览器模式开发，支持远程监测、远程维护。

●提供有效的网络管理和系统监控、调试、诊断技术，保证系统维护管理简明、方便、有效，在设备发生故障时能够方便及时的发现故障、排除故障。

国投山西白羊岭煤矿信息化案例

针对煤矿的实际情况，本着信息网络通盘考虑，兼顾煤矿原有建设投资和未来发展需求，国投山西白羊岭煤矿建立了一套完整的工业自动化平台信息系统。随着信息系统的建设，该矿区逐步实现全矿信息化管理，最终全面提升了矿安全生产和运营管理水平。

纳入集中监控的主要生产环节覆盖生产、安全整个过程，包括主煤流运输、井下供排水、35kV变电所、地面变电所、井下变电所、矿井通风、压风系统、给排水、水处理、主井提升等。

需要纳入集中监测的主要生产环节有包括矿井环境监测、火灾束管监测预报、综掘工作面、注氮、注浆等。

矿井综合信息化系统通信网络平台为1000Mbit/s工业以太网，分为地面1000Mbit/s光纤环网和井下1000Mbit/s光纤环网，地面和井下的环网以太网交换机分别挂接在环网上，并为监控分站接入提供100Mbit/s与1000Mbit/s下联接口。每个环网有两个逻辑独立的单环，传输方向相反，且配置成自动切换的自愈环，如图3所示。

煤矿综合自动化利用全集成自动化的思想，是将矿井各生产环节的设备监控融为一体，与工业电视监视系统协作，利用工业以太网，在地面中央信息中心控制室实现对全矿井各生产环境和设备的监视和控制。并可将信息通过网络传送给矿级领导，使矿级领导在办公室通过计算机即可随时了解安全、生产、财务、人事、运销等各种信息，实现全矿井统一调度、统一管理。

煤矿数据中心服务器可以通过专线和集团信息中心联网，本地中心服务器作为集团中心网络的数据分站，实现煤矿数据采集和初步分析。经过处理的数据发送给信息中心，信息中心服务器做统一处理或存储，如图3所示。

该方案技术起点高、针对性强。一方面充分利用煤矿现有自动化设备，将不同时期、不同厂家、不同自动化水平的设备综合一起，实现统一管理；另一方面实现了煤矿综合自动化、综合信息化的目标，达到了国内先进技术水平。该方案的实施必将为集团公司其他老矿的综合信息化、自动化改造提供示范意义和借鉴意义。

在图表3的矿用综合监控系统中，首先，设备必须符合恶劣使用条件下的高可靠性及低功耗、本安/隔爆要求。其次，视频、监控数据、人员定位数据、控制数据多种业务混杂。系统采用环网拓扑，有效避免了单点故障引起的问题，同时，对不同业务进行了VLAN隔离划分，避免了相互之间的影响，对业务流的带宽也根据需求进行了限定，防止病毒和广播对网络的冲击。

双网双待)等功能。

视频监控等难题

高了井下流动人员通信的及时性和可靠性,实现了井下人员位置监测,强化了人员管理,满足了重点岗位和地点视频远程监控要求,为实现无人职守创造了条件。

通过以上设计和限制，全面实现了煤炭井上、井下通信的全覆盖。网络既保证了实时性和可靠性，也使得各种不同业务达到了需求的网络特性。

结束语

随着技术的不断发展，工业以太网在通信确定性、工业可靠性和安全性等方面的缺陷已经得到了根本性解决。美国电力研究院曾对Ethernet的实时性问题进行了研究，结果表明使用交换式集线器的1000 Mb/s Ethernet完全可以满足工业应用的实时性要求。Ethernet又因其全开放、成本低、带宽高、应用广泛等优点，在工业网络甚至工业现场中的应用势不可挡。据美国权威调查机构ARC(Automation Research Company)报告指出，今后Ethernet不仅继续垄断商用计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，而且必将领导未来现场总线的发展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。工业控制中的每一个领域，从嵌入式系统到现场总线，都意识到Ethernet和TCP/IP 的重要意义。

发展基于Ethernet的网络化控制系统，可广泛应用于电力自动化、楼宇自动化、过程控制等原来被现场总线所统治的领域。例如将Ethernet应用于变电站自动化系统，不仅可以满足系统网络信息量大、实时性要求高、分布性强等需求，而且使网络成为透明的、覆盖整个电力系统的应用实体，真正实现一种全开放的工业网络体系。

如果说现场总线系统是自动化领域的一场革命，那么工业以太网技术将把现场总线系统带入一个新时代，这一发展趋势不仅会受到广大用户的欢迎，而且拥有广阔的推广应用市场。

参考文献：《万方数据》作者：夏锋孙优贤

工业以太网的意义和应用分析

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

工业以太网的特色技术及其应用选择

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。

工业以太网与现场总线的优缺点 整理

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；

工业以太网总述

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。 公司之间的通讯

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处理器。用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。 PG/PC 上的工业以太网通讯处理器。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 NET 为以太网技术补充了不少重要的性能： 工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通讯协议 10/100M 自适应传输速率 冗余24VDC 供电 简单的机柜导轨安装 方便的构成星型、线型和环型拓扑结构 高速冗余的安全网络，最大网络重构时间为0.3 秒 用于严酷环境的网络元件，通过EMC 测试 通过带有RJ45 技术、工业级的Sub-D 连接技术和安装专用屏蔽电缆的Fast Connect连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行 简单高效的信号装置不断地监视网络元件 符合SNMP（简单的网络管理协议) 可使用基于web 的网络管理 使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络 工业以太网的技术特点 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：

工业以太网的研究现状及展望

工业以太网的研究现状及展望1 陈积明 王智 孙优贤 (浙江大学工业控制研究所,杭州 310027) 摘要简单介绍了以太网的发展现状并针对以太网在工业应用中的不足综合了现阶段国内外的研究 提出了一些解决方案同时分析了工业以太网的发展前景 关键词QoS 交换式以太网 VLAN 虚拟冲突 环冗余 OPC 1 前言 在现代工业控制中由于被控对象测控装置等物理设备的地域分散性以及控制与监控等任务对实时性的要求工业控制内在地需要一种分布实时控制系统来实现控制任务[1] 在分布式实时控制系统中不同的计算设备之间的任务交互是通过通信网络以信息传递的方式实现的为了满足任务的实时要求要求任务之间的信息传递必须在一定的通信延迟时间内从信息传送到信息接收之间的全部通信延迟称作端对端的通信延迟它主要包括产生延迟排队延迟传输延迟和发送延迟四方面的因素其中排队延迟由通信网络的 MAC层决定工业通信网络的采用不仅为实现过程分布控制提供了现实可行的条件而且对系统的实时性提出了强烈的要求为了满足工业控制中对时间限制的要求通常采用具有确定的有限排队延迟的专用实时通信网络典型的实时通信网络就是现场总线它是应用在生产现场在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通讯系统又称为开放式数字化多点通讯的低层控制网络被誉为自动化领域的计算机局域网[2]它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点以现场总线为纽带连接成为可以互相通信沟通信息共同完成自控任务的网络化控制系统 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化网络化和智能化发展的方向并且促使目前的自动化仪表DCS和可编程控制器(PLC)等产品面所临体系结构和功能结构的重大变革导致工业自动化产品的又一次更新换代现行的现场总线有FF PROFIBUS WorldFIP P-NET CAN和LONWORK等[3] 尽管现场总线获得了巨大的成功然而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的应用有限等缺陷如何利用COTS Commercial off-the shelf技术来满足工业控制需要是目前迫切需要解决的问题[4]其中如何把Ethernet应用到工业已经成为工业控制和实时通信研究的热点 Ethernet作为一种成功的网络技术进入市场已经将近二十年了在办公自动化和工业界获得了广泛的应用因为Ethernet具有成本低稳定和可靠等诸多优点Ethernet已经成为最受欢迎的通信网络之一然而由于Ethernet 的MAC层协议是CSMA/CD各个节点采用1坚持BEB Binary Exponential Back-off算法处理冲突具有排队延迟不确定的缺陷无法保证确定的排队延迟使之无法在工业控制中得到有效的使用随着IT技术的发展Ethernet的发展也取得了本质性的飞跃先后产生高速Ethernet和千兆Ethernet 产品和国际标准以及即将出现的十千兆Ethernet产品和国际标准针对Ethernet的排队延迟不确定性Ethernet又增加了双工通信技术交换技术信息优先级等来提高提高实时性同时Ethernet又改进了容错技术Ethernet的新变化已经引起工业通信系统供应商和用户的高度重视他们迫切需要知道Ethernet是否满足工业控制的要求采用 Ethernet能够带来哪些好处和需要解决哪些问题现在在美国成立了工业自动化通信网络联盟Industrial Automation Network Alliance, IANOA其主要目的在于建立Ethernet 为工业控制中的通讯标准[5]在欧洲成立了IANOA的联盟其主要目的推广Ethernet在工 1基金项目国家自然科学基金资助项目编号6008401

工业以太网与CAN总线的比较

工业以太网与CAN现场总线的比较 方健 摘要：工业以太网和现场总线是工业控制现场中的两大主要网络通信形式。本文分别简要介绍了工业以太网和CAN总线的内容，并对两者在优缺点、通信协议、在工业信息化网络的应用和通信方案进行了分析和比较。 关键词：CAN现场总线；工业以太网；通信协议；工业控制；通信方案 A comparison between industrial Ethernet and CAN bus Fang Jian (Hubei Normal University school of mechanical electrical and control engineering Hubei, Huangshi,453002) Abstract:Both industrial ethernet and fieldbus are the two primary forms of network communication in the field of industrial control.In this paper ,the content of industrial ethernet and fieldbus are both briefly introduced.And It presents the analysis and comparison between the industrial Ethernet and the fieldbus on relative merits, communication protocol , Industrial information network and communication scheme. Key words:CAN bus;industrial ethernet; communication protocol;industrial control 1、引言 现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。由于其表现出的强大的功能，现场总线已经成为工业生产中不可或缺的核心部分。发展比较成熟的现场总线有FF-Foundation Fieldbus，Lonworks，PROFIBUS，HART，CAN 等等。CAN（Controller Area Net）即控制器局部网依靠各自的优良特性和可靠性，被公认为最有前途的现场总线之一，应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。由于各个总线的采用的通信协议完全不同，实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的，应用受到了限制，主要应用于低速产品。而具有广泛性和技术先进性的以太网，可以作为现场总线的中高层通信网络，并开始逐步应用到工业控制现场。国内外的许多研究机构都致力于工业以太网的研究，使得工业以太网得到了快速的发展和很好的应用。 2、CAN总线和工业以太网 2.1、CAN总线的简介 CAN（Controller Area Network）－控制器局域网。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线最早是由德国Bosch公司在80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆、光导纤维，通信速率可达１Mbps[1]。 CAN 总线通信接口中集成了CAN 协议的物理层，数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充，数据块编码，循环冗余校验，优先级判别等项工作。CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

工业以太网交换机发展现状分析及组网方案

工业以太网交换机发展 现状分析及组网方案 Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】

工业以太网交换机发展现状分析及组网方案 文章来自： 近几年来经济发展带动着计算机技术与自动化控制技术的高速发展两者相结合应用不断提高促进产业信息化和智能化，这就带动了工业控制接口转换器 RS232转换器、RS485转换器、RS485集线器、工业以太网交换机在数据采集、网络通讯的应用带来了工业生产自动化，实现优质、高产、低耗，提高工业企业经济效益的重要技术手段。 目前国内的工业以太网交换机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难现已大部分退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升，各类芯片电子元器件、生产设备在国际市场基本可平等选购。深圳宇泰科技在这些有利条件下，通过强大的研发团队和先进的生产设备，自主研发工业接口转换器、以太网交换机，产品通过多项专利技术及国内外各项质量认证性能指示处于国内外领先不平。工业以太网交换机的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业接口转换器。 工业以太网交换机主要是应用于复杂的工业环境中的实时以太网数据传输。以太网在设计时，由于其采用载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），在复杂的工业环境中应用，其可靠性大大降低，从而导致以太网不能使用。工业以太网交换机采用存储转换交换方式，同时提高以太网通信速度，并且内置智能报警设计监控网络运行状况，使得在恶劣危险的工业环境中保证以太网可靠稳定的运行。

工业以太网与现场总线的优缺点(精)

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，Intran et/l nternet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；（4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术； （5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；（6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。2.3工业以太网的优点（1）基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放、完善不同厂商设备，容易互连具有互操作性；（2）可实现远程访问， 远程诊断；（3）不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等； （4）网络速度快，可达千兆甚至更快；（5）支持冗余连接配置，数据可达性 强，数据有多条通路抵达目的地；（6 ）系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠 的系统安全体系；（7）可降低投资成本。3主流应用层协议-工业以太网协议由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。目前已经制定的工业以太网协议有MODBUS/TCP,HSE, EtherNet/IP, ProfiNet等。MODBUS/TCP协议是法国施耐德公司1999年公布的协议，以一种非常简单的方

六种工业以太网比较

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

工业以太网的发展与前景

工业以太网的发展与前景 摘要：随着以太网技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。 关键词：工业，以太网，发展，瓶颈，前景，DCS , TCP/IP 1.分散型控制系统DCS及其发展 现代意义的工业控制网络体系是出现在上世纪七十年代，即最初的分散型控制系统 DCS(也称集散控制系统)，它有着明显的缺点：首先，结构是多级主从关系，现场设备之间相互通信必须经过主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；其次，它还使用大量的模拟信号，很多现场仪表仍然使用传统的4—20mA电流模拟信号，传输可靠性差，不易于数字化处理；第三，各系统设计厂家的DCS制定独立的标准，通讯协议不开放，极大的制约了系统的集成与应用，不利于现代跨国公司的进一步发展。 为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足工业现场的需要，现场总线技术应运而生。经过四十年的发展，出现了过多的现场总线标准种类，且各有自己的优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；其次，控制系统中如果有多种现场总线同时存在，由于总线通信协议的多样性。这样会使控制任务无限复杂化，另外在本质安全、系统可靠性、数据传输速度等方面存在一些技术瓶颈或不符合现代企业对信息的要求。为了解决这些问题而出现了以TCP／IP协议为基础的工业以太网技术。下面对工业以太网技术进行详细介绍。 2. 工业以太网的前世今生 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。 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。 3. 以太网与工业以太网 以太网: （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；（4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术； （5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；

各种工业以太网的区别

各种工业以太网的区别其实就是协议的区别，其中最主要的还是应用层协议的区别。 都是以太网通讯，只是每个公司的叫法不一样，西门子用PROFINET、AB用Ethernet IP、施耐德的MODBUS TCP/IP。 取个例子，以太网就像高速公路，Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP/IP分别像高速公路上的宝马、奔驰、奥迪车，都可以从一个城市把物品运送到另一城市。但是每个车上安装的零件无法和另一车上的零件进行更换。 EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EterCAT名称中的CAT为ControlAutomation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。 Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP 协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议西蒙公司开发 Ethernt/IP属于ODVA组织，Rockwell只是其中一个推广力度比较大的公司而已。施耐德也是ODVA组织的成员，施耐德所有PLC都可以支持Ethernt/IP协议。Ethernt/IP协议是十大总线之一，和Controlnet、Devicenet一起称为CIP总线。可以实现协议间路由，但是需要Rslinx 软件进行配置。通讯时需要设置RPI参数，没有任何客户端的反馈信息，因此不管现场客户端是否收到数据，数据一致由服务器不断的发，缺少相应的检测。 PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。 PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。 MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O 模块的网关服务的。 MODBUS/TCP协议是作为一种（实际的）自动化标准发行的。既然MODBUS已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而，本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是MODBUS作为可编程的协议交替用于PLC’s的“多余部分”。 它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用的和可选的，特别是那些适用于特殊设备如PLC’s的报文。 Modbus TCP/IP由Modbus IDA组织提出，有施耐德旗下的Modicon公司主推，在目前施耐德所有PLC产品中都支持，同时也支持Ethernet/IP协议，Modbus TCP/IP是免费的、全开放协议，可以用VB等高级编程语言调用winsock控件即可实现与PLC的数据通讯，因此，很

工业以太网通信标准PROFInet及其应用

工业以太网通信标准PROFInet及其应用 发布日期：2011-09-27 浏览次数：2110 分享到：0 【摘要】：随着信息技术技术的飞速发展,当今自动化技术的发展正日益受到信息技术原理及其标准的重大影响。在自动化领域中集成信息技术可以为企业内部自动化系统间的全局通信提供解决方案,基于工业以太网通信标准的PROFInet通信技术使这种集成 成为可能。PROFInet是Process Field Net的缩写,它是Profibus客户、生产商与系统集成联盟协会推出的在PROFIBUS与以太网间全开放的通信协议。 1 引言 随着信息技术技术的飞速发展,当今自动化技术的发展正日益受到信息技术原理及其 标准的重大影响。在自动化领域中集成信息技术可以为企业内部自动化系统间的全局通信提供解决方案,基于工业以太网通信标准的PROFInet通信技术使这种集成成为可能。PROFInet 是Process Field Net的缩写,它是Profibus客户、生产商与系统集成联盟协会推出的在PROFIBUS与以太网间全开放的通信协议。PROFInet是一种基于实时工业以太网的自动化解决方案,包括一整套完整高性能并可升级的解决方案,可以为PROFIBUS及其他各种现场总线网络提供以太网移植服务;PROFInet标准的开放性保证了其长远的兼容性与扩展性,从而 可以保护用户的投资与利益。PROFInet可以使工程与组态、试运行、操作和维护更为便捷,并且能够与PROFIBUS以及其它现场总线网络实现无缝集成与连接。工程实践证明,在组建企业工控网络时采用PROFInet通讯技术可以节省近15%的硬件投资。 2 PROFInet通讯标准 PROFInet可以提供办公室和自动化领域开放的、一致的连接。PROFInet方案覆盖了分散自动化系统的所有运行阶段,它主要包含以下方面:（1）高度分散自动化系统的开放对象模型（结构模型）;（2）基于Ethernet的开放的、面向对象的运行期通信方案（功能单元间的通信关系）;（3）独立于制造商的工程设计方案（应用开发）。PROFInet方案可以用一条等式简单而明了地描述:PROFInet=Profibus+具有PROFIBUS和IT标准Ethernet的开放的、一致的通信。 2.1 PROFInet设备的软件结构 PROFInet设备的软件覆盖了现场设备的整个运行期通信,基于模块化设计的软件包含若干通信层,每层都与系统环境一致。PROFInet软件主要包括一个RPC（Remote Procedure Call）层,一个DCOM（Distributed Component Object Model）层和一个专门为PROFInet对象定义的层。PROFInet对象可以是ACCO（Active Connection Control Object）设备、RT auto （Runtime Automation）设备、物理设备或逻辑设备。软件中定义的实时数据通道提供PROFInet对象与以太网间的实时通信服务。PROFInet通过系统接口连接到操作系统（如WinCE）,通过应用接口连接到控制器（如PLC）。

工业以太网EtherCAT协议分析与研究

电气与自动化工程学院 《控制网络与通信》 期末大作业报告 题目：工业以太网EtherCAT 协议分析与研究 姓名：吉宇 学号：160514205 班级：测控142 学年：2016～2017学年第二学期

目录 1.引言 (1) 1.1选题意义及课题来源 (1) 1.2国内外研究和发展现状 (1) 2.主流工业以太网技术对比 (2) 2.1工业以太网概述 (2) 2.2实时工业以太网的比较 (2) 3.ETHERCAT系统运行原理 (3) 3.1E THER CAT系统组成 (3) 3.2E THER CAT数据帧 (4) 3.3E THER CAT寻址方式和通信服务 (5) 3.4应用层 (5) 4.应用案例 (6) 5．结束语 (8) 参考文献 (9)

1.引言 1.1选题意义及课题来源 在 Internet等信息网络技术飞速应用的时代，工业上提出了一种重要的方案来解决工业现场设备和设备系统之间的信息集成，这就是现场总线。由于现场总线经济实用、可靠、简单，所以得到了许多工业化企业、标准团体等的密切关注，得到了非常广泛的研究和应用。 然而在其不断的发展过程和实际应用中，一些不好之处逐渐显现：如标准过多，相互之间又不可兼容，信息不能全面连接集成，传输速率较低，并且在工业上使用的现在现场总线需配备单独的实时网络，使用的成本也比较高。基于以上不足，工业化企业因此逐渐将发展目光转向了具有管理方便、兼容性好、传输速度快、开放性强、结构简单、功耗低和成本低等优点的以太网。 1.2国内外研究和发展现状 目前，国内外已经开发出了多种工业以太网产品，如 Profi Net、Powerlink、Modbus/TCP、Ethernet/IP、EtherCAT、EPA等。在众多工业以太网协议中，EtherCAT凭借它的卓越的实时性优势、拓扑结构灵活、配置简单、易于实现、基于以太网标准及技术的开放性等优势，已经逐渐成为工业控制领域发展的主流。 国外很多企业对EtherCAT的技术研究已经比较深入，而且已经开发出了比较成熟的产品，除了德国Beckhoff之外，还有美国Kollmorgen、意大利Phase、美国 NI、SEW、TrioMotion、MKS、Omron、Copley Controls 等自动化设备公司都推出了一系列支持 EtherCAT驱动设备。 1.3主要内容及章节安排 第一节为引言。本章主要介绍本文的选题意义和针对课题研究背景做简单介绍，概述了国内外研究和发展现状与对本文的主要内容进行安排。 第二节为工业以太网技术对比。通过对几种主流的实时工业以太网进行对比分析，得出EtherCAT协议的优势。 第三节为EtherCAT运行原理。对EtherCAT协议相关的理论知识进行介绍，包括系统主从站组成、EherCAT协议帧、EtherCAT报文寻址方式及通信命令、协

工业以太网交换机发展现状分析及组网方案

工业以太网交换机发展 现状分析及组网方案 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-MG129]

【经典资料，ＷＯＲＤ文档，可编辑修改】 工业以太网交换机发展现状分析及组网方案 近几年来经济发展带动着计算机技术与自动化控制技术的高速发展两者相结合应用不断提高促进产业信息化和智能化，这就带动了工业控制接口转换器 RS232转换器、RS485转换器、RS485集线器、工业以太网交换机在数据采集、网络通讯的应用带来了工业生产自动化，实现优质、高产、低耗，提高工业企业经济效益的重要技术手段。 目前国内的工业以太网交换机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难现已大部分退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升，各类芯片电子元器件、生产设备在国际市场基本可平等选购。深圳宇泰科技在这些有利条件下，通过强大的研发团队和先进的生产设备，自主研发工业接口转换器、以太网交换机，产品通过多项专利技术及国内外各项质量认证性能指示处于国内外领先不平。工业以太网交换机的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业接口转换器。 工业以太网交换机主要是应用于复杂的工业环境中的实时以太网数据传输。以太网在设计时，由于其采用载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），在复杂的工业环境中应用，其可靠性大大降低，从而导致以太网不能使用。工业以太网交换机采用存储转换交换方式，同时提高以太网通信速度，并且内置智能报警设计监控网络运行状况，使得在恶劣危险的工业环境中保证以太网可靠稳定的运行。

工业以太网交换机发展现状分析及组网方案

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工业以太网交换机发展现状分析及组网方案 文章来自： 近几年来经济发展带动着计算机技术与自动化控制技术的高速发展两者相结合应用不断提高促进产业信息化和智能化，这就带动了工业控制接口转换器RS232转换器、RS485转换器、RS485集线器、工业以太网交换机在数据采集、网络通讯的应用带来了工业生产自动化，实现优质、高产、低耗，提高工业企业经济效益的重要技术手段。 目前国内的工业以太网交换机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难现已大部分退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升，各类芯片电子元器件、生产设备在国际市场基本可平等选购。深圳宇泰科技在这些有利条件下，通过强大的研发团队和先进的生产设备，自主研发工业接口转换器、以太网交换机，产品通过多项专利技术及国内外各项质量认证性能指示处于国内外领先不平。工业以太网交换机的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业接口转换器。 工业以太网交换机主要是应用于复杂的工业环境中的实时以太网数据传输。以太网在设计时，由于其采用载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），在复杂的工业环境中应用，其可靠性大大降低，从而导致以太网不能使用。工业以太网交换机采用存储转换交换方式，同时提高以太网通信速度，并且内置智能报警设计监控网络运行状况，使得在恶劣危险的工业环境中保证以太网可靠稳定的运行。 随着电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业的迅速发展，从数字家庭用的机顶盒、数字电视、到银行柜员机、高速公路收费系统、加油站管理、制造业生产线控制，金融、政府、国防等行业信息化需求不断增加，对工业以太网交换机需求很大，交换机市场发展前景十分广阔。 工业以太网交换机，在工业极端恶劣环境里能够连续长期稳定可靠工作。宇泰科技UT-6405/6408工业以太网交换机是5/8个端口的工业非管理型以太网交换机，提供交直流输入正反接保护防止烧坏仪器，外观设计精巧，同时支持工业标准的卡扣式安装和墙式安装，所以它非常容易安装应用在任何工业网络上。 产品特点： ■兼容性：标准IEEE802.3，802.3u，802.3x ■网路：10/100Base-TX ■以太网传输距离：达到100米 ■连接器：5x10/100Base-TXRJ-45端口 电源要求： ■直流：9~48V提供反接保护 ■交流：9~38V ■过流防护：1.1A 功率消耗： ■满载：2.2Watts ■尺寸：150mm×100mm×30mm（长×宽×高） ■外壳：铁壳 ■ESD静电防护：4000V(以太网)

几种典型工业以太网技术比较

几种典型工业以太网技术比较

1 工业以太网总览 表1给出了常见的几种工业以太网及其管理组织。 表1-1 常见工业以太网及其管理组织列表 上述各种工业以太网管理组织的标识如图1所示。 图1-1 工业以太网管理组织标识 根据从站设备的实现方式，可将工业以太网分为三种类型： （1）类型A ——通用硬件、标准TCP/IP协议 Modbus/TCP、Ethernet/IP、PROFInet/CbA（版本1）采用这种方式。使用标准TCP /IP协议和通用以太网控制器，结构如图1-2所示。这种方式下，所有的实时数据（如过程数据）和非实时数据（如参数配置数据）均通过TCP/IP 协议传输。其优点是成本低廉，实现方便，完全兼容通用以太网。在具体实现中，某些产品可能更改/优化了TCP/IP协议以获得更好的性能，但其实时性始终受到底层结构的限制。

通用以太网控制器IP TCP/UDP IT 应用 HTTP SNMP FTP … 图1-2 工业以太网类型A 结构 （2）类型B —— 通用硬件、自定义实时数据传输协议 Ethernet Powerlink 、PROFInet/RT （版本2）采用这种方式。采用通用以太网控制器，但不使用TCP/IP 协议来传输实时数据，而是定义了一种专用的包含实时层的实时数据传输协议，用来传输对实时性要求很高的数据，结构如图1-3所示。TCP/IP 协议栈可能依然存在，用来传输非实时数据，但是其对以太网的读取受到实时层（Timing-Layer ）的限制，以提高实时性能。这种结构的优点是实时性较强，硬件与通用以太网兼容。 通用以太网控制器 IT 应用 HTTP SNMP FTP … 图1-3 工业以太网类型B 结构 （3）类型C —— 专用硬件、自定义实时数据传输协议 EtherCAT 、SERCOS-III 、PROFInet/IRT （版本3）采用这种方式。这种方式在类型B 的基础上底层使用专有以太网控制器（至少在从站侧），以进一步