工业以太网简介
工业以太网
工业以太网工业以太网，所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。
以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准，但它是为办公自动化的应用而设计的，并没有考虑到工业现场环境的需求，比如高温、低温、防尘等，所以以太网不能直接应用于环境恶劣的工业现场。
所以工业以太网就随之产生了。
现代以太网技术与智能建筑以太网发展至今已有20余年历程，作为局域网组网的主要技术，一直长久不衰。
在这期间，令牌环、令牌总线、FDDI、ATM等技术分别在不同的阶段冲击着以太网在局域网领域的盟主地位。
但是以太网以其简单、价廉、高带宽、维护方便以及不断发展的特点牢牢地占领着局域网领域，并向着接入网和城域网领域发展。
自从以太网技术由共享发展到交换后，星型结构、交换与高带宽三大因素形成了与传统以太网大不相同的现代以太网技术。
进入21世纪以来，IT界已经不再寻找替代以太网的技术，转而寻找增强以太网的功能和将它扩展到新领域的途径。
现代以太网组网功能已经大大地超越了基本的以太网功能。
TCP／IP与以太网是开放性的强强组合，逐步渗透到建筑智能化领域的各个方面，给予智能建筑强大的生命力。
在智能建筑领域，TCP／IP以太网不仅作为信息服务／管理／监控的网络平台，而且越来越成为视频／语音等应用的支撑平台。
可以认为，随着安防数字化进程的加速，目前市场上直接采用标准双绞线和专用以太网来构成某些安防子系统的产品已经出现。
这样一来，出现基于以太网的多个子系统融合的、结构优化的、可靠的、—体化的安防系统已经不是一种方向性的讨论了。
在某些智能建筑的机电设备监控系统中，现场控制网络采用工业控制以太网已不是个别的案例了。
传统以太网（DIX）的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式丁作，网络的站点在同一时刻要么发送数据，要么接收数据，而不能同时发送和接收。
导致十双工传输模式工作的主要原因在于公共传输媒体上站点发送帧的碰撞。
这种帧碰撞效应不仪限制了站点的传输带宽；而且还构成了束缚传输范围的碰撞域，大大影响了传输媒体（特别是光纤）的传输距离。
工业以太网简介
工业以太网简介:工业以太网就是基于IEEE 802、3 (Ethernet)得强大得区域与单元网络。
利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新得多媒体世界得途径。
企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供得广泛应用不但已经进入今天得办公室领域,而且还可以应用于生产与过程自动化。
继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工与自适应得100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802、3u 得标准)也已成功运行多年。
采用何种性能得以太网取决于用户得需要。
通用得兼容性允许用户无缝升级到新技术。
为用户带来得利益 :市场占有率高达80%,以太网毫无疑问就是当今LAN(局域网)领域中首屈一指得网络。
以太网优越得性能,为您得应用带来巨大得利益:通过简单得连接方式快速装配。
通过不断得开发提供了持续得兼容性,因而保证了投资得安全。
通过交换技术提供实际上没有限制得通讯性能。
各种各样联网应用,例如办公室环境与生产应用环境得联网。
通过接入WAN(广域网)可实现公司之间得通讯,例如,ISDN 或Internet 得接入。
SIMATIC NET基于经过现场应用验证得技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点,遍布世界各地,用于严酷得工业环境,包括有高强度电磁干扰得区域。
工业以太网络得构成 :一个典型得工业以太网络环境,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,工业屏蔽双绞线与光纤◆ SIMATIC PLC控制器上得工业以太网通讯外理器。
用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。
◆ PG/PC 上得工业以太网通讯外理器。
工业以太网
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工业以太网的国际组织 工业以太网协会 (industrial ethernet association，lEA) 工业自动化开放网络联盟(industrial automation network alliance,IAONA) 推进工业以太网技术的发展、教育和标准 化管理、工业应用领域运用 美国电气电子工程师协会 (IEEE)也正着 手制定现场装置与以太网通信的标准。
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IP技术 IP技术 IP 技 术 是 Internet 的 基 础 ： IEEE1394， ATM(asynchronous transfer mode)， TCP,UDP(user datagram protocol)等等， 它还可以适用于其它的通信标准，如 FTP(file transfer protocol) 和 SMTP(Simple mail transfer protocol)等。 以太网已成为事实上的工业标准：
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三、 工业以太网互连模型
物理层与数据链路层采用IEEE802.3 规范 网络层与传输层采用TCP/IP协议组 应用层的一部分可以沿用上面提到 的那些互联网应用协议。
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四、 工业以太网技术应解决的 问题
1.通信实时性问题 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方 式，其本质上是非实时的。平等竞争的 介质访问控制方式不能满足工业自动化 领域对通信的实时性要求。 以太网一直被认为不适合在底层工业网 络中使用。需要有针对这一间题的切实 可行的解决方案。
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2.对环境的适应性与可靠性问题 以太网是按办公环境设计的，将它用于工 业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等能 否自动化的要求。 在产品设计时要特别注重材质、元器件的 选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、 干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场 的要求。
工业以太网简介
工业以太网简介一、 PROFINET接口S7-1200 PLC CPU本体上集成了一个PROFINET接口，支持以太网和基于TCP/IP和UDP的通信标准。
PROFINET接口支持10～100Mbit/s的RJ45口，支持电缆交叉自适应，因此一个标准或交叉的以太网线都可以用于这个接口。
使用这个接口可以实现S7-1200 PLC CPU与编程设备的通信、与HMI触摸屏的通信以及与其他CPU之间的通信。
提示：根据现在的发展趋势PROFINET应该是以后的主流，它优势很明显，传输和响应速度快、数据不丢失、方便。
二、支持的协议和连接资源数S7-1200 PLC CPU的PROFINET通信口主要支持以下通信协议及服务：PROFINET IO（V2.0开始）、S7通信（V2.0开始支持客户端）、TCP通信、ISO on TCP通信、UDP通信（V2.0开始）、Modbus TCP 通信、HMI通信、Web通信（V2.0开始）。
在“设备视图”中选中CPU，在巡视窗口中选择“属性”→“常规”→“连接资源”，显示界面如图1所示。
图1 连接资源数从图1中可以看出，S7-1200 PLC一共有68个连接资源，包括预留62个资源和6个动态资源，6个动态资源由系统自动分配给HMI 通信、S7通信、开放式用户通信(Open User Communication, OUC)，不能分配给PG通信、Web通信。
注意：开放式用户通信包含TCP通信、ISO-on-TCP通信、UDP 通信、Modbus TCP通信。
PG通信：代表和PC进行通信所占用的资源，如在线监控、下载程序。
HMI通信：代表和HMI通信所占用的资源。
S7通信：代表和通信伙伴建立S7通信连接所占用的资源。
开放式用户通信：代表和通信伙伴建立开放式用户通信连接所占用的资源。
Web通信：代表和Web浏览器通信所占用的资源。
动态资源：由系统自动分配的连接资源。
依据上面的解释，构成表1，其中最大连接资源=预留连接资源+动态资源。
工业以太网介绍
图像处理器 视频解码器
视频服 务器
磁盘阵列
接入交换机
主井井口 房变电所
通风机房 配电室
副井提 升机房
生活及办公 区变电站 主井
井下主 变电所
盘区胶带 机变电所
井上 井下
主厂房
副井
准备车间
主排水泵 房变电所
南北翼大巷胶 带机 变电所
集控室
压滤车间
普通装车站
专门针对工业自动化实时可靠性而从传统以太网变异 出的厂家私有环路冗余协议。
1、STP及RSTP
STP(Spanning Tree Protocol)，是作为一个链路层协 议(IEEE 802.1D)存在的，提供路径冗余和阻止网络循环 发生。它做法是强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。 如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径 重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。 RSTP(快速生成树算法，IEEE 802.1w)作为STP的升级， 将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。STP网络结构灵活， 但存在恢复速度慢的缺点。在很多的工业环境中并不适 用。
1、安装和连接 商用以太网
工业以太网
• 专用网络机柜内
• 连接标准的台式机\ 工作站\打印机等
•RJ45接口
• 现场安装（控制柜内或直 接安装于自动化设备上，环 境恶劣，某些场合甚至要求 满足IP67防护等级）
• DB9，航空插座等
2、使用寿命
商用以太网
• 几年或十几年（没 有相应标准可遵循） • 风扇散热 • 备件更换：3年 • 电源(220VAC)
5、冗余要求
商用以太网
•一般没有冗余或 仅仅有核心冗余
工业以太网 •多种冗余方式的结合
《工业以太网》课件
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CATALOGUE
工业以太网的实际应用案例
智能制造领域的应用
自动化生产线监控
工业以太网用于实时监控生产线的运行状态，确保生产过程的稳 定性和效率。
设备远程控制
通过工业以太网，实现对生产设备的远程控制，提高生产管理的 灵活性和便捷性。
数据采集与分析
工业以太网连接各种传感器和数据采集设备，实时采集生产数据 并进行深度分析，优化生产流程。
工业以太网用于构建智能城市的基础设施，如智能照明、智能安 防等。
物流管理
工业以太网用于实时追踪物流信息，提高物流管理的效率和准确性 。
矿业安全监控
工业以太网用于实时监测矿山的生产设备和环境状况，保障矿业生 产的安全。
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CATALOGUE
工业以太网的发展趋势与未来展望
工业以太网的发展趋势
随着物联网、云计算等技术的发展，工业以太 网将与这些技术深度融合，实现更高效、智能
以太网技术不断发展，从最初 的10Mbps到现在的100Gbps ，具有很高的数据传输速率。
以太网协议与标准
以太网协议规定了数据帧的格 式、寻址方式、数据封装和解 封装等方面的规范。
以太网标准包括IEEE 802.3系 列标准，其中最常用的标准是 802.3u（快速以太网）、 802.3z（千兆以太网）和 802.3ae（万兆以太网）。
工业以太网的应用范围广泛，可以应用于各种工业设备和 系统中，如智能制造、智能物流、智能仓储等，对于工业 转型升级和智能化发展具有重要意义。
工业以太网的发展前景与挑战
工业以太网的发展前景广阔，随着工业自动化 技术的不断发展和进步，工业以太网的应用场 景和市场需求将会不断增加。
(完整版)工业以太网概述
工业以太网概述现场总线对于面向设备的自动化工业系统起到了极大的促进作用，但是由于现场总线工业网络存在一定的缺陷，导致其的发展受到极大的限制。
其缺陷包括有通信速率低，成本高，支持应用低，又由于现场总线通信协议多种多样，使得不同总线之间的互联互通比较繁琐，必须要通过一些通信协议转换器进行协议的转换，特别是有多个现场总线协议共存于一个系统中时，相互之间的协议转换更加繁琐。
以太网自从发明出来之后，由于以太网具有极强的兼容性、可扩展性、开放性，得到了飞速的发展，深入到了社会生活的各个层面，同样，以太网也进入了工业应用领域。
但是普通的以太网存在极大的缺陷导致其不能应用于工业领域：1.工业控制领域对于数据的实时性要求非常高，对于数据的延时一般都是必须要控制在几十个ms之内。
由于以太网采用的是载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），当以太网上发生冲突的时候，就会重发数据，很明显，一旦冲突发生，就必须牺牲时间为代价来解决冲突的问题，实时性就不能得到保证。
但是在工业领域，实时性不能得到保证的话，就有可能导致设备的停止运作，甚至造成安全事故。
2.由于以太网采用的是载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD 机制），使得以太网存在冲突，特别是在以太网网络负荷比较重的情况下，冲突出现的几率更大。
而一旦大量的冲突发生，导致数据不断的重发，使得工业网络之间的通信的不确定性大大增加，从而降低了系统控制性能。
3.以太网在最初设计时，没有考虑到工业现场的复杂电磁环境，在恶劣的外部环境中，必然导致以太网的可靠性的降低。
但是在生产环境中，工业网络必须有良好的可靠性，可维护性及可恢复性。
针对以太网存在的以上缺陷，采用了多种解决机制改善以太网的性能以使的其可以适用于工业网络，以形成工业以太网。
1.工业以太网交换技术。
为改善以太网在网络负荷较重的时候出现的拥塞问题，采用工业以太网交换机减少由于载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制）而产生的冲突问题和错误传输，从而提高系统的稳定性。
工业以太网
由于以太网有“一网到底”的美誉， 即它可以一直延伸到企业现场设备控制层， 所以被人们普遍认为是未来控制网络的最 佳解决方案，工业以太网已成为现场总线 中的主流技术。
具体体现在以下几个方面
• 工业以太网与现场总线相结合 • 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
与现场总线相结合பைடு நூலகம்
原因三：工业以太网的技术优势
解决协议的开放性和兼容性问题： 工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义 的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而 为PLC厂家和DCS厂家广泛接受。与现场总线相 比，以太网还具有向下兼容性。快速以太网是 在双绞线连接(10BaseT)的传统以太网标准的 基础上发展起来的，但它的传输速度从10Mbps 提升到了100Mbps。在大多数场合，它还可以 使用已有的布线。此外，以太网还允许逐渐采 用新技术。也就是说，没必要一下子改变整个 网络，可以一步步将整个网络升级。
从长远来看，工业以太网交换机应用 上存在的一些技术问题，包括防护技术 （防水、防尘）、本安防爆、通讯实时性、 稳定性等，都将逐步得到解决；而无线网 络、蓝牙等网络技术的发展更是为工业以 太网交换机技术的发展注入了新的活力； 可以预见，未来的工业以太网交换机将会 是科技含量更高、适用范围更广的高科技 产品。
资源共享能力强
随着Internet/ Intranet的发展，以 太网已渗透到各个角落，网络上的用户已 解除了资源地理位置上的束缚，在联入互 联网的任何一台计算机上就能浏览工业控 制现场的数据，实现“控管一体化”，这 是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
可持续发展潜力大
以太网的引入将为控制系统的后续发 展提供可能性，用户在技术升级方面无需 独自的研究投入，对于这一点，任何现有 的现场总线技术都是无法比拟的。同时， 机器人技术、智能技术的发展都要求通信 网络具有更高的带宽和性能，通信协议有 更高的灵活性，这些要求以太网都能很好 地满足。
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6. 电子商务级（L5）：使用各种电子工具从事商务或活动。
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企业级（管理级）
1 工业以太网概述
控制级（单元级） 现场级
PROCESS FIELD BUS
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1 工业以太网概述
1.2 工业以太网的特点及应用安全的要求
1、通信实时性 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时
的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实 时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要 有针对这一问题的切实的解决方案。
3. 过程控制级（L2）：二级，是围绕机组的工艺控制模型为主的部分，就是计 算机控制，有一定的控制模型和画面，但是这个计算机控制是单个工序的控 制，比如转炉、精炼、连铸的操作室里的计算机控制；核心是配套的生产过 程控制数学模型，既为过程控制级。
4. 生产控制级（L3）：三级，就整个厂的综合管理，主要完成整个厂各机组的 生产计划的管理，生产合同的跟踪，中间库和成品库管理等。
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1 工业以太网概述
以太网的由来 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网
的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威 夷大学。
1980 年DEC( digital equipment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度 为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet Ⅱ。与DIX同 步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会。1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范。尽 管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它 就是以太网。
在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，使控制 网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的 一员。在控制器、PLC、测量变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以太网通讯 接口，嵌入TCP/IP协议嵌入Web Server便可形成支持以太网、TCP/IP协议和 Web服务器的Internet现场节点。在应用层协议尚未统一的环境下，借助IE等通 用的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控，也是人们提 出且正在实现的一个有效的解决方案。
PROCESS FIELD BUS
Ethernet, TCP/IP, Internet
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1 工业以太网概述
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1 工业以太网概述
工业网络与传统办公室网络的比较
办公室网络
工业网络
应用场合 普通办公场合
拓扑结构
支持线形、环形、星形 等结构
可用性
一般的实用性需求，允 许网络故障时间以秒或 分钟计
Multicasting, broadcasting supported
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CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问技术
Carrier Sense (CS)—“侦听” 在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲，等待 一个IFG (46bit时间)后便立刻发送信息帧
Multiple Access (MA)—“多点接入” 如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突
从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致在一个具体应用中 可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表,需要解决不同标准系统之间的互 连接和互操作的问题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。
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1 工业以太网概述
原因二：信息集成有新的要求 带宽问题：
一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议比较简单,通信速率比 较低。如基金会总线FF的H1和PROFIBUS-PA 的传输速率只有 31.25Kbps。但随着仪器仪表智能化的提高,传输的数据也必将趋于复 杂,未来传输的数据可能已不满足于几个字节,甚至是WEB网页,所以网 络传输的高速性在工业控制中越来越重要。 与商业网集成问题：
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1 工业以太网概述
(3) 解决与商用以太网集成问题。 以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,可以避免
现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外,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。 (4) 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是 其成功的重要因素。
| 前序 | 帧起始定界符 | 目的地址 | 源地址 | 长度 | 数据
PA
SFD
S O
DA
SA
Length
F
802.3 Header and Data Packet
7 1 16 6
2
46-1500 bytes
| FCS | FCS
4
An 802.3 frame
Every device has unique address
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1 工业以太网概述
1.4 工业以太网的分类与发展
一、标准以太网
开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是CSMA／CD（带有碰撞检测的载波侦听 多路访问）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网主要 有两种传输介质，那就是双绞线和同轴电缆。所有的以太网都遵循IEEE 802.3标准，下面 列出是IEEE 802.3的一些以太网络标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是 “Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带” 的意思，Broad代表“带宽”。
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1 工业以太网概述
原因三：工业以太网的技术优势
(1) 解决协议的开放性和兼容性问题。 工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标
准，从而为PLC厂家和DCS厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还具有向下 兼容性。快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)的传统以太网标准的基础上发展 起来的，但它的传输速度从10Mbps提升到了100Mbps。在大多数场合，它还 可以使用已有的布线。此外，以太网还允许逐渐采用新技术。也就是说，没必要 一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。 (2) 解决带宽需求问题。
网络监控和维 网络监控必须有专业人
护
员使用专用工具完成
工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求 较高 支持线形、环形、星形等结构，并便 于各种结构的组合和转换，简单的安 装，最大的灵活性和模块性，高扩展 能力
极高的实用性需求，允许网络故障时 间＜300ms以避免生产停顿
网络监控成为工厂监控的一部分，网 络模块可以被HMI软件如Win CC监 控，故障模块容易更换
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1 工业以太网概述
1.1 为什么工业领域需要以太网
原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性
1999 年现场总线技术标准IEC 61158 终于尘埃落定,有8种总线成为国际 电工委员会(IEC) 现行的现场总线技术标准。它们分别是: ①基金会现场总线FF(fundation fieldbus); ②ControlNet;③Profibus; ④ P-Net; ⑤FF(fieldbus fundation)高速以太网HSE; ⑥SwiftNet; ⑦WorldFIP; ⑧Inter-bus.
2、对环境的适应性与可靠性 以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其环境适应
能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产 品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿 度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑 到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类 的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使 设备具有更好抗振动、抗疲劳能力。
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1 工业以太网概述
| 前序 | 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS |
Ethernet Header PA SFD DA SA Type
Data Field Data Packet
FCS
71
66
2
46-1500 bytes
4
An Ethernet II frame
以太网帧结构
Pa 在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源
的要求。现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网 目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中 另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流10~36V低压供电 。
1 工业以太网概述
工业以太网在系统中的位置
1. 底层传动级（L0级）：0级，一般把传动（电机控制）和仪表作为０级，即 传动级；如电机传动控制系统，液气压传动控制系统。
2. 基础自动化级（L1级）：一级，是机组的设备控制级，一般指仪表控制一级 、可编程控制器（PLC）等，也就是逻辑控制，通过数据采集、远程控制站 （电控柜）来实现仪表，driver，PLC等控制设备运转既为基础自动化级。
工业以太网、Profibus现场总线网络调试与维护
工业以太网概述 2014/7
课程安排
时间安排：2014/7/7 - 2014/7/18 1 工业以太网 内容：概述、Simatic NET、常见问题分析及解决、课程实验 2 profibus现场总线 内容：概述、网络硬件、课程实验、安装规范、故障诊断 3 考试 7/18号
以太网最初的数据传输速度只有10Mbit/s，随着1996年快速以太网标准的发 布。以太网的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太网标准的发布将其速 度提高到最初速度的100倍。最初的以太网需要1.2毫秒才能传送一个1518字节 大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到120秒；如果采用千兆以太 网，这一时间只需12微秒。