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。
精选现场总线CANopen与工业以太网总线知识概述
7
2024/3/30
现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT
CANopen概述
（6）可使用多种线缆和连接器； （7）数据通信可采用事件驱动、远程请求、 同步传输等多种方式； （8）采用心跳报文、节点保护、寿命保护等 多种设备监控方式，有利于节点之间的可靠通 信； （9）提供典型的预定义主/从连接组，最多可 支持127个节点； （10）提供很大的灵活性，应用非常广泛。
1与工业以太网总线EtherCAT
对象字典示例
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2024/3/30
现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT
CANopen通讯
CANopen通讯模型定义了4种报文（通讯对象）： ➢ 网络管理报文（NMT） ➢ 服务数据对象SDO(Service Data Object） ➢ 过程数据对象PDO（ProcessData Object） ➢ 预定义报文或者特殊功能对象
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2024/3/30
现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT
CiA Draft Standard Proposal 402
1 2 3 4 5 6
PROFILE POSITION MODE(标准位置模式) HOMING MODE(回原点模式) INTERPOLATED POSITION MODE(插补位置模式) PROFILE VELOCITY MODE(标准速度模式) PROFILE TORQUE MODE(标准转矩模式) VELOCITY MODE(速度模式)
➢ 节点启动(boot-up)
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现场总线CANopen与工业以太网EtherCAT
NMT Module Control
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，。
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。
工业通信中的工业以太网与现场总线比较
工业通信中的工业以太网与现场总线比较工业通信是指在工业环境中实现设备之间信息传递和控制的过程。
随着工业自动化的发展，工业通信技术也得到了广泛应用。
其中，工业以太网和现场总线是两种常见的通信技术。
本文将对工业以太网和现场总线进行比较，探讨其各自的特点和适用场景。
一、工业以太网工业以太网是一种基于以太网技术的通信网络，它采用了以太网的物理层和数据链路层协议，同时也引入了一些工业特定的协议。
与普通的以太网相比，工业以太网在实时性、可靠性和稳定性方面进行了优化。
它支持高速通信和大带宽传输，能够满足现代工业环境中对数据传输速度和质量的要求。
工业以太网适用于需要高速通信和大规模连接的场景，如工业自动化、机器人控制和分布式控制系统。
它可以同时传输多个数据流，并支持实时监控和控制。
由于其基于标准的以太网协议，工业以太网具有较好的兼容性和可扩展性，易于集成和维护。
二、现场总线现场总线是另一种常用的工业通信技术，它是一种分布式控制系统中用于实现设备之间数据传输和通信的协议。
现场总线通常采用串行通信方式，将控制系统中的各种设备连接起来，通过总线传输数据和命令。
现场总线具有以下几个特点：首先，它是一种实时性较好的通信技术，能够满足工业自动化对实时监控和控制的需求；其次，现场总线采用分布式的网络结构，可以减少布线的复杂性和成本；第三，现场总线支持多主控制，可以实现多台设备之间的并行操作；最后，现场总线具有较好的抗干扰能力和可靠性，能够适应恶劣的工业环境。
现场总线适用于需要分布式控制和小范围通信的场景，如工业机械、设备监控和传感器网络。
由于现场总线采用串行通信方式，它的传输速率相对较低，适用于不需要大带宽和高速通信的应用。
三、工业以太网与现场总线的比较工业以太网和现场总线在工业通信中都有自己的优势和适用场景。
下面对它们进行比较：1. 传输速率：工业以太网的传输速率相对较高，可以达到百兆甚至千兆级别，而现场总线的传输速率一般在几十到几百kbps之间。
以太网有什么缺陷？工业以太网又有何优势
以太网有什么缺陷？工业以太网又有何优势
以太网三大缺陷
1.确定性
由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，因此该协议在网络上存在冲突。
对于工业网络来说，如果存在大量的冲突，数据必须多次重传，大大增加了网络间通信的不确定性，降低了系统的控制性能。
2.实时性
在工业控制系统中，事件发生后，系统必须在可以准确预见的时间范围内做出响应。
然而，行业对数据传输的实时性要求非常高，数据更新只需几十毫秒就能完成。
当发生冲突时，以太网的CSMA/CD机制可以尝试16次重新发送数据。
这种冲突解决机制是以时间为代价的，设备断开可能导致重大设备或人身安全事故。
3.可靠性
以太网是为商业设计的，但当应用到工业现场时，面对恶劣的工作条件和严重的线路间干扰，它不可避免地会降低可靠性。
因此，工业网络对可靠性、可恢复性和可维护性提出了很高的要求。
二、工业以太网技术特点
1.交换技术
共享局域网被有效地划分为冲突域。
交换机用于连接各个领域，以减少冲突问题和错误传递。
这可以最大限度地避免冲突，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，冲突的可能性就越大。
提高以太网的通信速度可以降低网络负载。
3.IEEE1588时间同步机制
IEEE1588定义了一种协议(PTP)，用于精确同步与测量和控制网络中的对象的网络通信、本地计算和分布相关的时钟。
该协议特别适用于基于以太网的技术，精度可以达到微秒级。
随着科技的进步和发展，以太网传输速率的提高和以太网交换技术的发展，传统商用以太网的上述问题在工业以太网中正在得到解决。
工业以太网现场总线技术
二、易于和Internet连接。
三、可以使现场总线技术与计算机网络技术很好 地融合而形成相互促进的局面。
2.4.2
2.4.3 以太网应用于工业现场的关键技术
(1) 工业以太网通信的实时性
长期以来，Ethernet通信响应的“不确定性”是它在工 业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。
➢Ethernet Powerlink实时以太网：(由奥地利B&R公司于2001年开发，并在 2002年成立了EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)组织。战略伙 伴有设备级通信协议和行规用户集团、工业自动化开放网络体系结构集团）
➢EtherCAT实时以太网: （由德国Beckhoff公司开发，并得到ETG(EtherCAT Technology Group)组织支持。用于现场级的超高速I/O网络）
➢Modbus-IDA实时以太网：(Modbus组织和IDA集团合并、联手开发，致力 于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互联网技术的分布式智能自动化系统）
➢ProfiNet实时以太网：(由Profibus International组织提出的基于以太网的自 动化标准。它构成从I/O级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的 体系结构方案）
加密技术
鉴别交换技术
访问控制技术 HT2012功能框图
(4) 关于Ethernet“e”网到底
与目前的现场总线相比，以太网具有以 下优点：
（1）应用广泛 （2）成本低廉
（3）通信速率高
（4）可持续发展潜力大
2.4.4 几种实时以太网简介
（1）工业控制网络的实时性要求 ➢允许对事件进行实时相应的事件驱动通信 ➢很高的可用性 ➢很高的数据完整性 ➢在有电磁干扰和电位差的情况下能正常工作 ➢使用工厂内专用的传输线 ➢网络通信的高实时性：数据处理就像发生在数据产生的时 刻，其响应没有大的延时。
现场总线与工业以太网总线知识概述
现场总线与工业以太网总线知识概述1. 简介现场总线和工业以太网总线是现代工业自动化中常用的通信协议，用于实现工业设备之间的数据交换和联网。
本文将对现场总线和工业以太网总线的基本概念、特点、应用、优缺点等进行概述。
2. 现场总线概述2.1 定义现场总线是一种用于工业现场设备之间数据交换和通信的网络协议，它通过将控制和信号传输集成到一根通信线上，实现设备的多对多通信。
2.2 特点•高可靠性：现场总线具有高抗干扰性和冗余技术，能够保证数据的可靠传输。
•简化布线：现场总线使用单根通信线连接多个设备，减少布线工作量。
•实时性强：现场总线能够实现实时数据交换和控制，满足工业自动化的要求。
•易于扩展：现场总线支持设备的插拔，方便系统的扩展和维护。
2.3 应用现场总线广泛应用于工业自动化领域，用于实现工业控制系统中各个设备之间的通信和数据交换。
常见的现场总线协议有Profibus、DeviceNet、Modbus等。
3. 工业以太网总线概述3.1 定义工业以太网总线是基于以太网技术的通信协议，用于实现工业现场设备之间的高速数据交换和通信。
3.2 特点•高带宽：工业以太网总线支持高速数据传输，满足对数据通信速度要求较高的应用场景。
•灵活可靠：工业以太网总线支持灵活的拓扑结构和冗余技术，能够满足复杂工业环境中的通信需求。
•开放性强：工业以太网总线基于标准以太网协议，具备良好的兼容性和互操作性。
•易于集成：工业以太网总线可以与现有的以太网设备和IT系统进行无缝集成。
3.3 应用工业以太网总线在工业自动化领域得到广泛应用，特别是在大规模工业控制系统中。
常见的工业以太网总线协议有Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT等。
4. 现场总线与工业以太网总线的比较4.1 网络结构现场总线采用集线器或总线控制器连接多个设备，形成总线型拓扑结构；而工业以太网总线通常采用交换机连接设备，形成星型或树型拓扑结构。
4.2 通信速度工业以太网总线的通信速度较快，可达到千兆位级别，适用于对通信速度要求较高的场景；而现场总线的通信速度较慢，一般在10M或100M的范围内。
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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
式将MODBUS帧嵌入到TCP帧中。
这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。
这种呼叫/应答的机制与MODBUS的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。
利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，并且利用网络浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。
施耐德公
司已经为MODBUS注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌人Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。
已是中国国家标准，《基于Modbus协议的工业自动化网络规范第3部分:Modbus协议在TCP/IP上的实现指南》标准号为：GB/Z 19582.3 - 2004 HSE是基金会现场总线FF
于2000年发布的工业Ethernet规范，是以太网协议IEEE802.3,TCP/IP协议族和FF H1的结合体。
FF现场总线基金会将HSE定位于实现控制网络与In ternet的集成。
由HSE
连接设备将H1网段信息传送到以太网的主干网上，这些信息可以通过互
连网送到主控室，并进一步送到企业的EPP和管理系统。
操作员可以在主控室直
接使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以通过网络获得控制信息。
EtherNet/IP是美国罗克韦尔公司于2000年发布的工业Ethernet规范，它很好地采用了当前应用广泛的以太网通信芯片以及物理媒体。
IP代表In dustrial Protoco I,以
此来与普通的以太网进行区分。
它是将传统的以太网应用于工业现场层的一种有效的方法，允许工业现场设备交换实时性强的数据。
EtherNet/IP模型由IEEE802. 3标准的物理层和数据链路层、以太网TCP/IP协议和控制与信息协议CIP三部分组成。
CIP是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高级设备之间的连接的协议，CIP有两个主要目的，一是传输同1/O设备相联系的面向控制的数据，二是传输其它同被控系统相关的信息，如组态、参数设置和诊断等。
CIP协议规范主
要由对象模型、通用对象库、设备行
规、电子数据表、信息管理等组成。
ProfiNet是德国西门子公司于2001年发布的工业Ethernet的规范。
该规范主要包括三方面的内容：1）基于组件对象模型（COM）的分布式自动化系统；2）规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间开放透明通信；3）提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。
ProfiNet的基础是组件技术，在ProfiNet中，每一个设备都被看成一个具有COM 接口
的自动化设备，同类设备都有相同的COM接口。
在系统中可以通过调用
COM接口来调用设备功能。
组件对象模型使不同制造商遵循同一个原则创建的组
件之间可以混合使用，简化了编程。
每一个智能设备都有一个标准组件，智能设备的功能通过对组件进行特定的编程来实现。
同类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM接口。
为不同厂家的设备之间提供了良好的互换性和互操作性。
已是中国国家标准指导性标准，标准号：《国家标准化指导性技术文件GB/Z 20541 - 2006 PROFINET规范》我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准EPA在国际标准化工作中取得了重大突破，已通过IEC/SC65C会员国家的投票被IEC发布为IEC/PAS 62409标准化文件作为第10类型列入实时以太网国际标准
IEC 61784 - 2并将收录为现场总线国际标准IEC 61158第四版，成为中国第一个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准。
4工业以太网的前景以太网随
着技术的成熟，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。
随着集成电路的发展，高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP协议，以太网络更易于接近现场。
工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。
过程控制工业和自动化工业，从嵌入式系统到现场总线控制系统，都认识到了以太网和TCP/IP的重要性，以太网和TCP/ IP作为世界上最为广泛应用的网络协议, 它将成为过程级和控制级的主要传输技术。
带TCP/ IP协议的标准的以太网接口
现在已经在智能设备和I/ O模块中使用。
它能够与工厂信息管理系统进行直接
地、无缝地连接，而无需任何专用设备。
因此可以说，工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。
以太网作为21世纪未来工业网络的首选，它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景。
工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。