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
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
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。
现场总线与工业以太网CAN总线课件
基金会现场总线主要应用于 化工、石化、冶金等领域； LonWorks总线主要应用于 楼宇智能化、家庭自动化等 领域；Profibus总线主要应 用于制造业、流程工业等领 域；而Modbus总线则广泛 应用于工业自动化领域。
Profibus总线的传输速率范 围为9.6k～12Mbps，是传 输速率最高的总线； LonWorks总线的传输速率 范围为78k～1.5Mbps；基 金会现场总线的传输速率范 围为12k～150kbps；而 Modbus总线的传输速率范 围为1200～9600bps。
随着总线技术的不断发展，网络安全问题也日益突出。为了解决这一问
题，需要加强网络安全防护措施，如加密通信、访问控制等。
02 03
不同总线协议的兼容性问题
目前存在多种总线协议，不同协议之间的兼容性问题给应用带来了困扰 。为了解决这一问题，需要加强不同总线协议之间的互联互通，提高兼 容性。
总线设备的互操作性
02
工业以太网的发展前景良好，随着工业自动化和网络技术的不
断发展，将有更大的应用空间。
CAN总线在汽车和工业自动化领域的应用前景仍然广阔，但面
03
临技术更新和市场变化的挑战。
06
总线技术的未来发展趋势与挑战
总线技术的未来发展趋势
1 2 3
向工业4.0和智能制造发展
未来的总线技术将更加注重与工业4.0和智能制 造的融合，实现更加智能化、自动化的工业生产 。
LonWorks总线和基金会现 场总线都支持多个节点的连 接，最多可连接64个节点； 而Profibus总线和Modbus 总线则支持多个主站和从站 之间的连接，最多可连接 127个节点。
03
工业以太网技术概述
工业以太网的概念
现场总线、工业以太网、工业无线
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，。
基于LPC2368的以太网与CAN总线互联网关的设计
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。
基于工业以太网和现场总线互连的氧化锌生产线网络控制系统
第３ 期
刘星平等 ： 基于工业以太网和现场总线互连的氧化锌生产线网络控制系统
２ ５
２ 化 自化产 项工流及 结 曼 ｎ 动生线 目艺程其 构 。 置
设备 成 组 ｊ
自动化挥 发窑氧化锌 生产工艺 过程如 图 １ 示． 所 发 窑生 产线 为例 展开 ．
嚣耋 手萎 茎 萎
既处 理 了废 渣 ， 约 了资源 ， 给企业 带来 了经济 效 节 又 益 ， 一个 资源再 生 的 良好 循环 型项 目． 是 氧化 锌挥发 窑燃 烧过 程呈 现大惯 性 、 大滞后 、 严 重非 线性 、 料 热值 和燃烧 风量 随机 波动 不确定 、 燃 多 变量 耦合严 重 、 布 温 度 参 数 、 易 检 测等 特 性 ， 分 不 传
为 企业 网的上 层设备 之 间的通信 网络 ， 将主控 制 器 、 作 员站及 管理计 算机 连接起 来．在 企 业 网的最底 操 层 采 用现 场 总线 的形式． 系统具有成 本低 、 构 简单 、 靠性 高 、 制 分散 ， 实现 真正 的 ” 分布 式 ” 该 结 可 控 可 全
控 制等特 点 ， 能够组 成开放 式 自动化控 制 系统 ； 因而 可克服 以往 集散控 制 系统和现 场 总线控 制 系统 的局 限性， 大大 降低 控制 系统 的成 本 、 高控 制 系统 的性 能 ， 获得优 良的性 能价 格 比． 提 并
关键 词 ：工业 以太 网 ； 现场 总线 ； 氧化锌 生产 线 ；网络 化控 制
中图分类 号 ：ＴＰ ３ ３６
文献标 识码 ：Ａ
文 章编 号 ：１ ７ —１ ９ ２ ０ ） ３ ０ ４ ５ ６ １ １ Ｘ（ ０ ８ ０ 一Ｏ ２ 一Ｏ
０ 引 言
随着计 算机 技术 、 信技 术和 控制技 术 的发展 ， 通 传 统 的工 业 控 制 领 域 正 经历 着 一 场 前 所 未 有 的变
现场总线与工业以太网-ProfiBus通讯技术
ProfiBus通讯技术的概述
1
类型
按传输速度分为ProfiBus DP、ProfiBus PA和ProfiBus FMS三种类型。
2
特点
传输距离长、接口方便、可靠性高、实时性好、适用性强。
3
应用领域
广泛应用于工业自动化、过程自动化以及工控网络。
现场总线和工业以太网的区别
1 支持的节点类型不同
ProfiBus适用于工厂自动化现场的传感器、执行机构等自动控制设备，而工业以太网适用 于计算机网络中的各种数据传输节点。
身技术的改进和完善，与现有工业控制网络 相结合，不断满足不同行业的自动化需求。
方便的接口
标准的RS-485接口易于连接和维护。
适用性强
适用于多种设备和场合，能适应多变的现场环 境需求。
ProfiBus在工业自动化中的应用
生产过程中的控制
ProfiBus应用广泛，如轨道交通信号控制系统，飞机 发动机控制系统，生产过程中的各种控制以及机器 人控制平台等。
物流行业中的应用
Proபைடு நூலகம்iBus应用在物流行业中，如卷烟机设备、包装设 备、包卷设备和输送带设备。
ProfiBus的未来发展趋势
1
实现更高速率
为满足控制网络不断提升的数据传输速度和容量需求，ProfiBus正在不断研发设计更高速率的 新产品，比如ProfiNet IOC。
2
支持IEEE 802标准
正在开发能够支持IEEE 802标准的ProfiBus产品，以增强ProfiBus网络兼容性和互操作性。
现场总线与工业以太网ProfiBus通讯技术
现场总线与工业以太网是工业自动化领域中最常见的现场通讯技术。本次演 示将深入探讨其中最前沿的ProfiBus通讯技术。
Profinet网络
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。
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Ｅ ｈ ｒ ｅ＋Ｐｒｆ ｕ —ＤＰ通信 的 Ｐ Ｃ控 制 系统 的 设计 。 阐 述 了主从 Ｐ Ｃ、 Ｌ 和 变频 器 的 通 信 过 程 和 网络 设 置 以及 该 控 制 ｔｅ ｎ ｔ ｏ ｉ ｓ ｂ Ｌ Ｌ ＰＣ
系统 的软 件 实现 。设 计 后 系统 抗 干 扰 能 力 强 、 讯 速 度 快 、 通 易于 扩展 。
关 键 词 ： ｒｆ ｕ — Ｐ ＭＰ 。 ｄ ｓ ｉ ｔｅｎ ｔ控 制 ， Ｐ ｏｉ ｓ Ｄ ， Ｉ ｎ ｕ ｔａ Ｅｈ ｒｅ ， ｂ Ｉ ｒｌ 网络 ， 信 通
Ａｂ ｔａ ｔΒιβλιοθήκη ｓ ｒｃ Ｔｈ ａ ｔ ｅ ｕｏｍａｔ ｔ ｒ ｔｕ ｔ ｒ ｄ ｈ ａ ａ ｔ ｇｅ ｆ ｎ ｓ ｒ Ｅ ｈ ｒ ｅ ｒ ｉｔｏｄｕ ｅｄ． ｃｏ ｍｕｎｃ ｉ ｃｏ ｔｏｌ ｙｓ ｉ ｎｅｗｏ ｋ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ａｎ ｔ ｅ ｄｖ ｎ ａ ｏ Ｉｄｕ ｔｉ ｃ ａｌ ｔ ｅ ｎ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｒ ｃ Ａ ｍ ｉａ ｏｎ ｔ ｎ ｒ ｓ —
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３ 基 于 Ｉｄ ｓ ｒ ｌＥ ｈ ｒｅ ＋ ｒｆ ｕ — Ｐ 的控 制 系统 网络 ｎ ｕ ｔａ ｔ ｅ ｎ ｔ Ｐ ｏｉ ｓ Ｄ ｉ ｂ 基 于 上 述 原 因 ，提 出 基 于 ｎ ｕ ｔａ ｔｅｎ ｔ 控制 级 控 １ ，— ｄ ｓｒ Ｉ ｈ ｒｅ 的 ｉ Ｅ ＞） —（Ｉ Ｓ
传 统 的 控 制 系统 仅 仅 限 于 车 间级 监 控 和 现 场 层 的 通 信 ， 将 各 分 布式 的 Ｉ 组 成 网络 。这 种 网络 一 般 只 能对 下 级 生 产 设 备 ／ Ｏ
进 行状 态 监 控 和 管 理 ，但 是 不 能 及 时 获 取 各 个 现 场 层 的 即 时 信 息 ，也 不 能 对 当前 整 个 生 产 线 的 状 态 进 行 监 控 和 统 一 调 度 。 在 此基 础 上 发 展 出的 工 厂 管 理 级 网 络 ， 控 制 级 网 络 ， 即 则解 决 了 上 述 问题 。 入 了上 位 机监 控 系 统 ， 现 场 层 生 产 数 据 及 时 送 到 引 把 控 制 级 ， 现整 个 生 产 系 统 的 在 线 监 控 ， 时 控 制 和 数 据 交 换 的 实 实 统 一 。控 制 级 可 以完 成 Ｐ Ｃ 与 计 算 机 和 Ｈ （ 机 接 口 ） Ｐ Ｃ Ｌ ＭＩ人 、Ｌ 与 Ｐ Ｃ之 间 的 数 据 交换 。 数 据 通 讯 可 以周 期 性 地 自动进 行 ， Ｌ 或
１ 传 统 的工 厂 自动 化 网络 结 构
控 制 ， 其 扩 展 性 收 到 了极 大 限制 。第 二 ， 使 当控 制 级 和现 场 的距
离 过 长 时 ， Ｉ 络 必 须 采 用 中 继 器来 延 长通 讯 距 离 。 是 中继 ＭＰ 网 但 器 的 使 用 会令 传输 速度 、 定 性 和 抗 干 扰 能 力 大 大下 降 。 第 三 ， 稳 采 用 基 于 Ｔ ／Ｐ协 议 的 以 太 网 通 讯 方 式 是 面 向 对 象 的 连 接 ， ＣＰ Ｉ Ｐ Ｃ 之 问不 存 在 主 从关 系 ，对 系统 进 行 扩 展 时 仅 需 在 对 象 层 面 Ｌ 对 组 态进 行修 改 。
Ｊ１ ＿ ０刚 圳 丘
基 于时 间 驱 动 （ 由用 户 程 序 块 调 用 ） 以某 厂 的 腈 纶 生 产 线 为 例 ， 。 控 制 系 统 采 用 ＭＰ＋ ｒｆ ｕ — ｌＰｏｉ ｓ ＤＰ的 网络 结 构 ， 图 １所 示 。 ｂ 如
应 用 报文 优 先 技 术 ， 优 先 级 高 使
制 系统设 计 方 案 。 门子 公 司专 西 门 的 以太 网通 讯 模 块 ＣＰ ４ — ３３ １ 符 合 ｌＯ 的 １至 ４层 协 议 ， Ｓ 如 图 ２所 示 。 模 块 采 用 的是 全 双 该 工 模 式 ， 据 ＩＥ ８ ２３ Ｐ ｑ 根 Ｅ Ｅ０． ＆ ，
世 谴 跚 ｛ 捌 ，
《 业控 制 计 算 机 》 Ｏ ８年 ２ 工 ２Ｏ １卷 第 １ ２期
６ １
基于工业以太网＋ 现场总线的通讯网络设计
葛锁 良 何 明 岳 胜 （ 合肥工业大学电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 ２ ００ ） ３０ ９
摘 要
介 绍 了 自动 化 网络 结构 和 工业 以 太 网的 优 势 。 针 对 某 腈 纶 纺 丝 生 产 线 传 统 的 控 制 网络 通 讯 系统 ，提 出基 于 Ｉｄ ｓｒ Ｉ ｎ ｕ ｔａ ｉ