工业控制网络
数据通信与工业控制网络知识点总结
数据通信与工业控制网络知识点总结关键信息项：1、数据通信的基本概念和原理定义：＿___________________________特点：＿___________________________重要性：＿___________________________2、工业控制网络的类型和特点类型：＿___________________________各自特点：＿___________________________3、数据传输方式串行传输：＿___________________________并行传输：＿___________________________优缺点比较：＿___________________________4、通信协议常见协议：＿___________________________协议的作用和功能：＿___________________________5、网络拓扑结构总线型：＿___________________________星型：＿___________________________环型：＿___________________________优缺点分析：＿___________________________ 6、工业控制网络中的数据交换技术电路交换：＿___________________________分组交换：＿___________________________报文交换：＿___________________________ 7、差错控制技术纠错编码：＿___________________________检错编码：＿___________________________重传机制：＿___________________________ 8、网络安全与防护威胁类型：＿___________________________防护措施：＿___________________________ 9、工业控制网络的应用案例案例介绍：＿___________________________效果评估：＿___________________________11 数据通信的基本概念和原理数据通信是指在不同设备之间通过传输介质进行数据的传递和交换。
工业控制网络知识点总结
工业控制网络知识点总结一、工业控制网络的概念工业控制网络是指用于工业自动化领域的数据通信系统，其目的是实现对生产设备、工艺过程和生产信息的监控和控制。
工控网络主要包括传感器、执行器、PLC、DCS、SCADA系统等组成部分。
工控网络的设计目标是提高生产效率、降低生产成本和提高生产安全性。
二、工业控制网络的特点1. 实时性：工控网络需要能够实时响应生产过程的变化，及时更新数据和控制设备。
2. 可靠性：工控网络对通信的可靠性要求非常高，因为生产过程中可能会遇到各种干扰和故障，需要能够确保数据传输的准确性和完整性。
3. 安全性：工业控制网络需要能够防范各种网络攻击和恶意操作，保证生产过程的安全性和稳定性。
4. 实时性：工控网络需要能够实时响应生产过程的变化，及时更新数据和控制设备。
5. 可扩展性：工控网络需要能够根据生产需求进行扩展和升级，灵活适应不同的生产环境和设备组合。
三、工业控制网络的组成部分1. 传感器和执行器：传感器用于采集环境参数，例如温度、压力、流量等；执行器用于对生产设备进行控制，例如电动阀门、马达、启动器等。
2. PLC（可编程逻辑控制器）：PLC是工控网络的核心设备，用于实现对生产过程的自动控制。
PLC能够根据预先编制的程序对输入信号进行处理，并输出控制指令，实现对执行器的控制。
3. DCS（分布式控制系统）：DCS是用于对生产过程进行集中监控和控制的系统，通常包括多个控制节点和界面站，能够实现对整个生产线的远程控制。
4. SCADA系统：SCADA系统是用于对生产现场进行实时监控和数据采集的系统，能够通过图形界面对生产现场进行动态显示和实时数据查询。
四、工业控制网络的通信协议工业控制网络使用的通信协议通常包括有线和无线两种类型，其中有线协议主要用于固定式设备的数据通信，无线协议主要用于移动设备和无线传感器网络的数据通信。
1. 有线通信协议（1）Profibus：Profibus是一种用于工业自动化领域的现场总线通信协议，适用于实时数据传输和设备控制。
工业控制网络技术基础
工业控制网络技术的发展历程
早期的工业控制网络技术主要基于模 拟信号传输，随着技术的发展，逐渐 演变为数字信号传输。
近年来，随着物联网、云计算和大数 据等技术的快速发展，工业控制网络 技术也得到了不断升级和完善。
工业控制网络技术的应用场景
工业控制网络技术广泛应用于能源、化工、制造、交通等领域的自动化生产过程中。 在智能制造、智能物流、智能监控等领域，工业控制网络技术也发挥着重要作用。
工业控制网络技术基础
• 引言 • 工业控制网络技术基础知识 • 工业控制网络技术实现方式 • 工业控制网络安全防护 • 工业控制网络技术的发展趋势
01
引言
工业控制网络技术的定义
01
工业控制网络技术是指用于连接 和控制工业生产过程中的各种设 备、传感器和执行器的网络技术 。
02
它通过实时、可靠的数据传输和 控制系统，实现了对工业过程的 精确监测和控制，提高了生产效 率和安全性。
工业控制网络的设备
01
02
03
网络交换机
用于连接各个设备和系统， 实现数据传输和通信。
网关
用于实现不同协议之间的 转换，以实现设备和系统 之间的互操作性。
服务器和客户端
用于存储、处理和监控数 据，实现远程管理和控制。
03
工业控制网络技术实现方式
现场总线技术
现场总线技术是工业控制网络 中的重要组成部分，它是一种 用于连接现场设备与控制系统
工业控制网络的通信协议
Modbus协议
一种串行通信协议，用于连接工业电子设备。
EtherNet/IP协议
一种工业以太网协议，支持实时数据传输和设备 管理。
ABCD
Profinet协议
工业控制网络
工控机用CP通讯器
CP5613和CP5611的区别： 1、前者有处理器，后者没有。 2、前者可以带更多的负载。
光纤的分类
按照制造光纤所用的材料分类，有石英系光纤， 多组分玻璃光纤，塑料包层石英芯光纤，全塑 料光纤和氟化物光纤等。 按照光在光纤中的传输模式不同，可分为单模 光纤和多模光纤。 多模光纤：中心玻璃芯较粗，可以传输多种模 式的光，但因为其模间色散较大，所以传输距 离比较短，只有几千米。 单模光纤：中心玻璃芯较细，只能传输一种模 式的光，因为其模间色散较小，所以传输距离 比较长，适用于远程通讯。
PROFINET – 获得权威用户的 高度认可
优 势
获得认可
通过使用久经考验的 技术实现安全性
在生产线中应用PROFINET技术的生 在生产线中应用PROFINET技术的生 PROFINET 产企业中的一部分
Profinet
Profinet支持三种通信模 式： 1、TCP/IP标准通信：响 应时间大概在100ms量级， 对于工厂控制级来说已经 足够了。 2、实时通信（RT） ：响 应时间大概在5~10ms左 右。 3、等时同步实时通信 （IRT）：主要用于运动 控制，在100个节点下， 响应时间小于1ms，抖动 误差小于1µs，保证响应 的及时性和确定性。
Profinet
PROFINET 由PROFIBUS国际组织 （PROFIBUS International— PI）推出 新一代基于工业以太网技术的自动化总 线标准。 PROFINET为自动化通信领域提供了一 个完整的解决方案，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。 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。 过程 自动化
工业控制网络
1、工业控制网络技术的特点：（1）具有实时性和时间确定性（2）、信息多为短帧结构且交换频繁 3可靠性和安全性较高 4网络协议简单实用 5网络结构具有分散性 6易于实现与信息网络的集成1、工业控制网络技术包括：1.现场总线技术：一种应用于生产现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实行双向串行多节点数字通信的技术 2.工业以太网技术：采用与商用以太网兼容的技术，选择适应工业现场环境的产品构建的工业网络2、自动控制系统的发展主要经历了那几个阶段：1 气动信号控制阶段 2 模拟信号控制阶段3 集中式数字控制 4 集散式数字控制 5网络控制3、网络控制系统的优点；1结构简单、安装维护方便 2 信息集成度高3 现场设备测控功能强 4 易于实现远程控制4、控制网络与信息网络的区别：1 控制网络具有较高的数据传输实时性和系统响应实时性2控制网络具有较强的环境适应性和较高的可靠性 3 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的相互兼容问题5、控制网络和信息网络集成的实现方式：1 采用硬件实现 2采用DDE实现 3采用统一的协议标准实现 4采用数据库访问技术实现 5采用OPC实现第二章CAN （控制器局域网）1、CAN总线特点：1.AN为多主方式工作 2.AN网络上的节点信息分成不同的优先级3.CAN 采用非破坏性总线仲裁技术 4.采用报文滤波 5.直接通信距离可达10km 6结点取决于总线驱动电路 7.采用短帧结构传输时间段抗干扰能力强，有较好的检错结果 8.每次信息都有CRC检验及其他检错措施 9.通信介质可为双绞线，同轴电缆或光线选择灵活 10.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能2、CAN通信模型：遵循ISO/OSI标准模型，分为数据链路层和物理层。
数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层3、报文传送类型：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧4、报文结构：1.帧的组成：由7个不同位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束5、错误类型：位错误、填充类型、CRC错误、格式错误、应答错误6、正常位时间组成：分为几个互不重叠的时间段，包括：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段27、显性隐性类：显性“0”状态以大于最小阀值的差分电压表示隐形“1”8、CAN通信控制器：（1）sja1000通信控制器实现了can总线物理层和数据链路成的所有功能。
工业控制网络课程设计
工业控制网络课程设计一、教学目标本课程旨在通过学习工业控制网络的基本概念、原理和技术，使学生掌握工业控制网络的基本知识，提高学生分析和解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.了解工业控制网络的基本概念和分类；2.掌握工业控制网络的体系结构和工作原理；3.熟悉工业控制网络的主要技术和应用。
4.能够分析工业控制网络系统的组成和功能；5.能够设计和实现简单的工业控制网络系统；6.能够运用所学知识分析和解决工业控制网络实际问题。
情感态度价值观目标：1.培养学生对工业控制网络技术的兴趣和好奇心；2.培养学生团队合作精神和自主学习能力；3.培养学生关注工业控制网络技术的发展和应用，提高学生的社会责任感和创新意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.工业控制网络的基本概念和分类：工业控制网络的定义、分类和特点；2.工业控制网络的体系结构和工作原理：工业控制网络的体系结构、数据传输方式和通信协议；3.工业控制网络的主要技术和应用：工业控制网络的关键技术、常见应用场景和案例分析。
教学内容将按照教材的章节进行安排，每个章节都有相应的教学目标和教学内容，确保学生的学习具有连贯性和系统性。
三、教学方法为了提高教学效果和学生的学习兴趣，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
1.讲授法：通过教师的讲解，使学生了解和掌握工业控制网络的基本概念、原理和技术；2.讨论法：通过小组讨论，培养学生的思考能力和团队合作精神；3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生更好地理解和应用所学知识；4.实验法：通过动手实验，培养学生的实践能力和创新能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的学习材料；2.参考书：提供相关的参考书籍，丰富学生的知识体系；3.多媒体资料：制作课件、教案等多媒体资料，提高教学效果；4.实验设备：准备实验设备，为学生提供实践操作的机会。
工业控制网络(现场总线)
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.1 总线经典电平
3.3.2 LLC子层和MAC子层
LLC子层旳主要功能： 接受过滤是指LLC子层经过对报文整个标识符 或部分标识符旳屏蔽/筛选来决定是否接受报文； 超载告知是指在发生超载条件时，LLC子层发 送超载帧以示通告，从而延迟下一种数据帧或远 程帧； 恢复管理是指在发送期间，对于丢失仲裁旳或 已损旳报文，LLC子层具有自动重发旳功能。
3.2.2.1 CAN节点旳分层构造
3.2.2.2 帧格式和帧类型
1．数据帧 数据帧由7个不同旳位场构成：帧起始、
仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答 场、帧结束
3.2.2.2 帧格式和帧类型
3.2.2.2 帧格式和帧类型
3.2.2.2 帧格式和帧类型
2．远程帧 3．错误帧 4．超载帧 5．帧间空间
3.2.1.4 错误类型和界定
➢填充错误(Stuff Error) 在应使用位填充措施进行编码旳报文中，
出现了第6个连续相同旳位电平时，将检出一 种填充错误。
3.2.1.4 错误类型和界定
➢CRC错误(CRC Error) CRC序列是由发送器完毕旳CRC计算成果
构成旳。接受器以与发送器相同旳措施计算 CRC。假如计算成果与接受到旳CRC序列不 相同，则检出一种CRC错误。
变沿（和在低位速率旳情况下，选择旳“显性”至“隐 性”旳跳变沿）都将被用于重同步。
3.2.1.6 CAN振荡器容差旳提升
为使振荡器容差最大值由目前旳0.5%提升到 1.5%，并与目前CAN指标向前兼容，CAN2.0进 行了下列修正：
1.若一种CAN节点在间歇场旳第3位采样到一种 显性位，则它将此位了解为帧起始位；
工业控制网络
工业控制网络(简称控制网络)是近年来发展形成的自动控制领域的网络技术，随着自动控制、网络、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断涌现，工业控制网络系统已经成为自动控制系统发展的主流方向，工业控制网络技术在自动控制领域中的作用与日俱增。
它已经成为当今自动控制领域研究的热点，被誉为跨世纪的自控新技术。
工业控制网络能将具有数字通信能力的测控仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，把控制设备连接成相互沟通信息，共同完成自动控制任务的网络系统。
其特点：
●可靠性和安全性高；
●网络协议简单实用；
●网络结构分散性；
●易于实现与信息网络的集成。
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ERTEC 400
0433K2002
功能性
PROFINET 实时 IEEE 1588 ARM 946 处理器 4-口交换机 PCI-接口
更强,更高的性能 MC 控制器 Real-time 交换机
应用
ASIC 技术
交货 开始
0.15 µm 技术 外壳封装 19x19
以太网信息帧 (max. 1526 Bytes)
Preamble Sync Source MAC 6 bytes Dest. MAC 6 bytes Priority Tagging* 4 bytes Ethertype 2 bytes Frame ID 2 bytes Process data up to 1440 bytes Status Information 4 bytes FCS 4 bytes
通信确定性与实时性
快速以太网 交换式以太网技术 全双工通信又使得端口间两 对双绞线(或两根光纤)上分别 同时接收和发送报文帧，也不 会发生冲突
工业以太网技术
稳定性与可靠性
专门开发和生产了导轨式集线器、交换 机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗 余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。 特别设计用于连接工业应用中具有以太 网络接口的工业设备
访问/冲突检测的通信方式，在实时性要 求较高的场合下，重要数据的传输会产 生传输延滞。
网络传输介质在用于传输数字信号
的同时，还为网络节点设备提供工作电 源，成为总线供电。工业以太网的总线 供电问题还没有完美的解决方案。
通信实时性 问题
总线供电
对环境的适 应性与可靠 性的问题
以太网若采用UDP，它提供不
特点：
集成PROFINET CPU 2个嵌入式快速以太网PHY 主机CPU接口：SPI从接口，8或16位并行 SPI主接口：与SPI从接口直接连接 GPIO：48个GPIO引脚与数字外设信号直接连接 IRT桥接延迟小于3 µs 时间戳分辨率：2.5 ns 共享内存接口 配置：基于Windows的软件工具
抗干扰能力强，适应严酷的 工业生产环境。
04
快速的网络故障定位与诊断。
01
Ethernet 实 时 通 信 服 务 质 量 支持策略
02
满足通信一致性和互可操作 性的应用层、用户层协议规 范
03
网络可用性
04
网络安全性
05
本质安全与安全防爆 技术
以太网用于工业领域的关键问题
传统以太网由于采用载波监听多路
在一根电缆上的无约束的IT服务和实时数据传输
时 事 通 讯
PROFInet
Internet
工厂自动化
PROFINET
运动控制
100ms
10ms
<1ms
IT-服务
TCP/IP Real-Time
过程数据
非实时 相应时间大约 100 ms
实时 (RT)
同步实时 (IRT)
性能类似于当前的现场总线 轮询周期 < 1ms，抖动精度<1µs
工业控制网络
工业以太网和PROFInet
（课程期末结课汇报）
C
目 录 ONTENTS
0 1 0 2
工业以太网
0 3 0 4
PROFInet的通信技术
PROFInet
应用案例
Part one
工业以太网
第 一 章
工业以太网，是当前工业控制领域的研究热点。重点 在于利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站 之间的相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无
EPA
Ethernet/IP
EPA是Ethernet for Process Automation的缩写，它是顺应广大仪器 仪表开发企业与最终用户的要求，将 Ethernet、TCP/IP等商用计算机通信领 域的主流技术直接向下延伸，应用于工 业控制现场设备（如变送器、执行机构、 现场I/O等）间的通信，并在此基础上， 建立的应用于工业现场设备间通信的开 放网络通信平台，从而用以太网统一企 业信息化系统中从底层的现场设备层到 上层的控制层、管理层的通信网络，即 所谓的“E（Ethernet）网到底”。
设备
设备
设备
设备
设备
设备
设备
Enhanced Real-Time Ethernet Controller (ERTEC) 芯 片 实 现 实 时 性
用
ERTEC 200
PROFINET 实时 IEEE 1588 ARM 946 处理器 2-口交换机 PHY 集成
单设备 兼容现场设备
200
2005年末系列供货
0.15 µm 技术 外壳封装 19x19
2005年中系列供货
标准功能；
ERTEC交 换 机 的 功 能
IEEE 802.1 D 桥, IEEE 802.1 Q VLAN 支持 IEEE 1588
实施功能；
精确周期同步
通讯系统日志 最小交换延时 捆绑直通和存贮转发功能
D型
B型
可同时进行通信和24V供电。
电缆与连接器的连接方法 名称 TD+ TDRD+ 功能 发送数据 发送数据 接收数据 导线颜色 黄 橙 白 RJ45 1 2 3 M12 1 3 2
混合连接器
RD-
接收数据
蓝
6
4
ProfiNet主要包括三方面技术
(1) 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系 统； (2) 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、 透明通信； (3)提供了一个包括设备层和系统层、独立于制 造商的系统模型。
HSE(High Speed Ethernet，高速 以太网)。FF现场总线HSE是现场总线 基金会在摒弃了原有高速总线H2之后 的新作。FF现场总线基金会明确将HSE 定位成实现控制网络与互联网 Internet的集成。由HSE链接设备将H1 网段信息传送到以太网的主干上并进 一步送到企业的ERP和管理系统。操作 员在主控室可以直接使用网络浏览器 查看现场运行情况。现场设备同样也 可以从网络获得控制信息。
7 bytes 1 byte
以太网标准数据
使用端对端交换技术的原因 世界通讯技术发展的最高水平
PROFINET 使 用 交 换 技 术
有着进一步发展的前景
防止碰撞
全双工传输,平行数据交换 QoS ( 优先实时数据信息)
交换集成在设备里
简化设备安装 减少网络布线
控制器 控制器
自由中断冗余
实时预处理
目前PROFINET支持百兆以太网100BASE-TX， 采用两对双绞屏蔽线(GP2×2系列)作为短距离 信号传输。
传 输 介 质
IE FC电缆GP2×2型系列
名称 GP2×2 A型 GP2×2 B型 GP2×2 C型 GP2×2 船用
特点 单股导体 较软电缆 软电缆 耐腐蚀
以 太 网 用 于 工 业 领 域 的 关 键 问 题
Part two
PROFInet
第 二 章
PROFIBUS国际组织于1999年开始研发新一 代总线系统—PROFINET。因全球知名的自动化 设备制造商的支持，2000年底，PROFINET正式 成为了IEC61158标准的第10种现场总线。
概述
缝集成。虽然脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，
但是工业以太网是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全 性和数据完整性有很高的要求。
工业以太网
工业以太网，是当前工业控制领域的研究热点。重点在于
利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站之间的 相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无缝集成。 虽然脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，但是工业 以太网是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完 成性有很高的要求。 随着信息技术的不断发展，信息交换技术覆盖了各 行各业。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含 从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合 工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以 太网标准。该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构， 有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满足 了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、 高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造
01
兼容性好，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。
02
技术特点
数据传输速率高、传输距离 远，具有10～100M/bits的自适 应传输速率，传输距离最大可达 150km。
03
04
可以通过Internet对企业生 产进行远程监控。实现办公自动 化网络与工业控制网络的无缝连 接，实现企业管控一体化。
BusSystems
Proxy
Ethernet
proxy
Profibus
Protocol 第三方现场装置
TCP/IP DCOM ACCO ProfiNet控制器
TCP/IP DCOM ACCO ProfiNet现场装置
DP ProfiNet现场装置
现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(Proxy)连接到ProfiNet网 络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在ProfiNet中应用。
自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础
的企业信息化系统。
业厂商。
几种常见的工业以太网
HSE
PROFInet
PROFInet包含3方面 的技术： ① 基于通用对象模 型(COM)的分布式自 动化系统； ② 规定了Profibus 和标准以太网之间 的开放、透明通信； ③ 提供了一个包括 设备层和系统层、 独立于制造商的系 统模型。