以太网在工业中的应用

以太网在工业中的应用

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工业以太网在工业中的应用

以太网及发展史 工业控制领域引入以太网的原因 以太网应用作现场总线存在的主要问题 工业以太网技术的改进方案 几种典型工业以太网

以太网及发展史

以太网 (Ethernet) 是一种计算机局域网组网技术。 IEEE 制定的 IEEE 802.3 标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。

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以太网应用层

表示层

会话层

传输层

物理层数据链路层

网络层

OSI 参考模型应用协议

以太网物层

IP

以太网 MAC

TCP/UDP

以太网发展史

1973 施乐公司 Bob Metcalfe

以太网发展史

1976 Metcalfe 和他的助手 David Boggs 发表了一篇名为《以太网：局域计算机网络的

分布式包交换技术》的文章。文章里面介绍了具有冲突检测的多点数据通信系统

1985 IEEE 成为发布以太网标准的官方机构。开放标准有助于使以太网保持主导地位 。

1991 IEEE 发布批准通过了 10Base-T 以太网 CAT-3 双绞线布线标准，并成为了局域网部署标准。

1995 在 100Mbps 以太网标准被 IEEE 采用后，它被称为快速以太网标准 。

19981000Base-T 千兆以太网标准获批 。

2002 万兆以太网的标准是在 2002 年获批 。

工业以太网在工业中的应用

以太网及发展史 工业控制领域引入以太网的原因 以太网应用作现场总线存在的主要问题 工业以太网技术的改进方案 几种典型工业以太网

工业控制领域引入以太网的原因

　首先，基于 TCP/IP 的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。

多种现场总线标准并立必然会增加用户的投资

和使用维护的复杂性。

工业控制领域引入以太网的原因

　其次，低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口十分方便。

　第三，以太网具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作现场总线，很容易将 I/O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。

工业控制领域引入以太网的原因

第四，以太网易与 Internet 连接。任何地方都可以通过 Internet 对企业生产进行监视控制 ;以太网方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势可以使电子商务与工业生产控制紧密结合，实现企业管控一体化。

工业以太网在工业中的应用

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以太网应用作现场总线存在的主要问题

1 、传输的实时性和确定性 以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（ CSMA/C

D）以及二进制指数退避算法（ BEB），其实质是一种非确定性的网络系统。因此对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生冲突的可能性，造成响应时间不确定，使信息不能按要求正常传递，无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性。以太网的不确定性是影响以太网长期无法直接进入过程控制领域的重要原因之一

以太网应用作现场总线存在的主要问题

2 、工业可靠性 安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及具有较好的电磁兼容性。而传统的以太网主要应用于办公自动化领域，没有考虑工业现场环境的适应性需要。其所用插接件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设计的，抗干扰能力差，不符合工业现场恶劣环境的要求。

以太网应用作现场总线存在的主要问题

3 、缺乏应用于控制领域的应用层协议 以太网标准仅仅定义了 ISO/OSI参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上 TCP/IP 协议也只是提供了网络层和传输层的功能。两个设备要想正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议。目前，商用计算机通信领域采用的应用层协议主要是 FTP ， Telnet ， SMTP ， HTTP 等。这些协议所规定的数据结构等特性不适合工业控制现场设备之间的实时通信。因此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议。

工业以太网在工业中的应用

以太网及发展史 工业控制领域引入以太网的原因 以太网应用作现场总线存在的主要问题 工业以太网技术的改进方案 几种典型工业以太网

工业以太网技术的改进方案

1 、通信确定性的改进 交换式以太网技术； 提高波特率（通信速率从 10 Mb/s,100 Mb/s 发展到现

在的 1 000 Mb/s,10 Gb/s ）； 控制网络通信负荷； 以上三种技术降低网络中信号碰撞冲突的概率 ，使以太

网的实时性、确定性得到了较大的改善 。

工业以太网技术的改进方案

2 、通信可靠性的改进 工业级连接器、线缆；

工业以太网技术的改进方案

2 、通信可靠性的改进 工业级通信设备；

工业以太网技术的改进方案

2 、通信可靠性的改进 冗余配置和自动无扰切换

工业以太网技术的改进方案

3 、应用层协议 - 工业以太网协议 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 EtherNet/IP, ProfiNet, MODBUS/TCP 等。

工业以太网技术的改进方案

3 、应用层协议 - 工业以太网协议

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几种典型工业以太网

EtherNet/IP Modbus/TCP EtherCAT Powerlink PROFINET …

几种典型工业以太网

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