以太网和现场总线基础知识
现场总线与工业以太网CAN总线
CAN 总线通过CAN 控制器接口芯片两个输出端的电平状 态，可以保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，
出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从 而损坏某些节点的现象。而且CAN 节点在错误严重的情况下 具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响， 从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总 线处于“死锁”状态。
由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到 人们的重视。随着应用领域的增多，CAN的规范从CAN 1.2 规范(标准格式)发展为兼容CAN 1.2 规范的CAN2.0规范 (CAN2.0A为标准格式，CAN2.0B为扩展格式)，目前应用的 CAN器件大多符合CAN2.0规范。
4.1.1 CAN的工作原理、特点
1992年5月，CiA“CAN in Automation”用户集团正式成立。 CiA推荐仅使用遵循ISO11898的CAN收发器。现在，在当时的 CAN网络中使用非常普遍但并不兼容的RS-485收发器已基本消 失。
从1990年中期起，Infineon公司和Motorola公司等生产 CAN模块集成器件的15家半导体厂商已向欧洲的汽车厂商
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后座 单元
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后门 单元
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精选现场总线CANopen与工业以太网总线知识概述
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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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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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现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT
CiA Draft Standard Proposal 402
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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
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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
现场总线知识点汇总
现场总线知识点汇总现场总线知识点汇总1. 现场总线定义：（1）国际电⼯委员会IEC61158标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的⾃动控制装置之间数字式、串⾏、多点通信的数据总线。
（2）应⽤在⽣产现场，在测量控制设备之间实现双向串⾏多节点数字通信技术。
2. 现场总线技术是在20世纪80年代中期发展起来的，是计算机技术、通信技术、控制技术（即3C技术）发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化、智能化⽹络发展到现场的结果。
2. 现场总线亦称为⼯业控制⽹络，已经成为控制⽹络技术的代名词。
3. 现场总线以测量控制设备作为⽹络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于⽣产现场、具备了数字计算和数字通信能⼒的测量控制设备连接成⽹络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间、以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应⽤需求的⾃动控制系统。
（三要素：⽹络节点、传输介质、通信协议）4. 与⼀般的电信⽹和⼀般的计算机⽹络相⽐，现场总线控制系统特别强调可靠性和实时性，现场总线的数据通信是以引发物质或能量的运动为最终⽬的。
5. 现场总线产⽣的背景和时代需求：处于企业⽣产过程底层的测量⾃动化系统，由于设备之间采⽤传统的⼀对⼀连线，⽤电压、电流的模拟信号进⾏测量控制，或采⽤⾃成体系的封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使⾃动化系统成为“信息孤岛”。
要实现整个企业的信息集成，要实施综合⾃动化，就要构建运⾏在⽣产现场、性能可靠、造价低廉的⼯⼚底层⽹络，完成现场⾃动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间、以及⽣产现场与外界的信息交换。
现场总线作为现场设备之间互联的控制⽹络，沟通了⽣产过程现场控制设备之间及其与更⾼控制管理层⽹络之间的联系，为彻底打破⾃动化系统的信息孤岛僵局创造了条件。
6. ⼯业⾃动控制系统历史（1）20世纪50年代，模拟仪表控制系统（ACS）；（2）20世纪60年代，直接数字控制系统（DDC）；（3）20世纪70年代，集散控制系统（DCS）；（4）20世纪90年代，现场总线控制系统（FCS）。
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。
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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。
现场总线_10种现场总线标准与工业以太网
节点（ Node）：节点是指连结到总线上的设备。 P-NET协议的节点包括三种类型：主站、从站 和网关。 主站（ Master）：在 P-NET协议中是惟一可以拥有令牌，并发出请求信息的节点，主站对总线 的访问是主动的。在主站获得总线令牌后允许在一定的时间内访问总线，拥有一次令牌只能发 送一次请求，主站在使用完令牌后即将令牌传给下一个主站。 从站（Slave）：在收到主站的请求后，在一定的时间内返回相应的响应，从站不能拥有令牌， 对总线的访问是被动的，只有在被某个主站访问时才能占用总线返回响应。 网关（ Gateway） :是连接两个或更多段总线的设备。 P-NET是多段多网络总线，段与段之间以 网关相连。网关即起到隔离总线段的作用，又在段与段之间进行信息的传递，实现不同总线段 之间的通信。 虚拟令牌： P-NET通信协议遵循虚拟令牌制传递方式。所谓虚拟令牌就是在各主站访问总线时， 并没有实际的令牌在各个主站之间传递，传输的一帧信息中并不包含令牌字节。各主站对总线 的访问遵循一定的时间机制，这是通过空闲总线位周期计数器和总线访问计数器来实现的。 空闲总线位周期计数器（Idle Bus Bit Period Counter）：空闲总线位周期计数器是用来计算总线 上没有主站访问的周期数的，它总是从 40开始增加，遇到一个空闲位周期，则“空闲总线位周 期计数器”增加10，遇到主站访问总线，“空闲总线位周期计数器” 重新从40开始计。 总线访问计数器（Bus Access Counter）：总线访问计数器是用来纪录访问总线的主站的站号， 并且利用该站号来实现总线的同步。每次令牌从一个主站传给另一个主站时“总线访问计数器” 都要加1，访问总线的主站的站号要与总线访问计数器的值相等，否则会出现总线不同步错误。
Type10 PROFInet 现场总线体系结构
现场总线与工业以太网ProfiBus通讯技术
图3-10 PROFIBUS-DP旳“Network Setting” 参数设置设置
插入CPU时会同步弹出PROFIBUS组态界面，如图3-9所示。 点击“New”按钮新建PROFIBUS（1），组态PROFIBUS站地址， 本例中为4。点击“Properties”按钮组态网络属性，选择 “Network Settings”进行网络参数设置，在本例中设置 PROFIBUS旳传播速率为“1．5Mbit／s”，行规为“DP”。如图 3-10所示。双击CPU 313C-2DP项下旳“DP”项，会弹出 PROFIBUS-DP旳属性菜单，如图3-11所示。
图3-12 313C-2DP旳PROFIBUS网络参数 配置
在多从站系统中，为了预防某一点掉电而影响其他
CPU旳运营，能够分别调用调用OB82、OB86、OB122（S7-
第3章 ProfiBus通讯技术
3.1 ProfiBus通讯简介 3.2 掌握S7-00之间旳ProfiBUS通信实现
第3章 ProfiBus通讯技术
3．1 ProfiBus通讯简介
作为众多现场总线家族旳组员之一，ProfiBus是在欧洲工 业界得到最广泛应用旳一种现场总线原则，也是目前国际上通 用旳现场总线原则之一。ProfiBus是属于单元级、现场级旳 SIMITAC网络，合用于传播中、小量旳数据。其开放性能够允 许众多旳厂商开发各自旳符合ProfiBus协议旳产品，这些产 品能够连接在同一种ProfiBus网络上。ProfiBus是一种电气 网络，物理传播介质能够是屏蔽双绞线、光纤、无线传播。
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以太网和现场总线基础知识以太网及tcp/ip通信技术在it行业获得了很大的成功, 成为it行业应用中首选的网络通信技术。
近年来，由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果，以太网及tcp/ip技术逐步在自动化行业中得到应用，并发展成为一种技术潮流。
以太网在自动化行业中的应用应该区分为两个方面问题，或者说两个层次的问题。
一是工厂自动化技术与it技术结合，与互连网internet技术结合，成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。
大多数专家们对自动化技术这种发展趋势给予肯定的评价。
另一个方面，即以太网能否在工业过程控制底层，也就是设备层或称为现场层广泛应用？能否成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准？这些问题实为目前自动化行业专家们争论的热点。
本文将只就这一问题,从以太网与现场总线的技术比较出发,谈谈个人看法。
1．以太网指的是什么什么是“以太网”？以及相关的ieee 802.3及tcp/ip技术? 这对计算机网络工程师可能是基本常识，但我们自动化技术工程师未必清楚。
在讨论以太网与自动化技术及现场总线技术之前,有必要先澄清一下这几个基本术语的含义。
笔者查阅了有关资料，现将有关“以太网”、ieee 802.3及tcp/ip相关的技术背景摘要如下:(1) 以太网:►1975年: 美国施乐(xerox)公司的palo alto研究中心研制成功[metc76]，该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的“以太(ether)”命名。
►1981年：美国施乐(xerox)公司+数字装备公司(digital)+英特尔(intel)公司联合推出以太网(ethernet)规约[ethe80]►1982年：修改为第二版，dix ethernet v2因此：“以太网”应该是特指“dix ethernet v2”所描述的技术。
(2) ieee802.3►80年代初期: 美国电气和电子工程师学会ieee 802委员会制定出局域网体系结构, 即ieee 802参考模型.ieee 802参考模型相当于osi模型的最低两层:►1983年：ieee 802 委员会以美国施乐(xerox)公司+数字装备公司(digital)+英特尔(intel)公司提交的dix ethernet v2为基础，推出了ieee802.3►ieee802.3又叫做具有csma/cd(载波监听多路访问/冲突检测)的网络。
csma/cd 是ieee802.3采用的媒体接入控制技术，或称介质访问控制技术。
因此: ieee802.3 以“以太网”为技术原形，本质特点是采用csma/cd 的介质访问控制技术。
“以太网”与ieee802.3略有区别。
但在忽略网络协议细节时, 人们习惯将ieee802.3称为”以太网”。
与ieee 802 有关的其它网络协议：iieee 802.1—概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。
ieee 802.2—逻辑链路控制llc。
最高层协议与任何一种局域网mac子层的接口。
ieee 802.3—csma/cd网络，定义csma/cd总线网的mac子层和物理层的规范。
ieee 802.4—令牌总线网。
定义令牌传递总线网的mac子层和物理层的规范。
ieee 802.5—令牌环形网。
定义令牌传递环形网的mac子层和物理层的规范。
ieee 802.6—城域网。
ieee 802.7—宽带技术。
ieee 802.8—光纤技术。
ieee 802.9—综合话音数据局域网。
ieee 802.10—可互操作的局域网的安全。
ieee 802.11—无线局域网。
ieee 802.12—优先高速局域网(100mb/s)。
ieee 802.13—有线电视(cable-tv)(3) tcp/ip协议►tcp/ip是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议。
tcp/ip协议组的准确名称应该是internet协议族，tcp和ip是其中两个协议。
而intern et协议族tcp/ip还包含了与这两个协议有关的其它协议及网络应用，如用户数据报协议（udp）、地址转化协议（arp）和互连网控制报文协议（icmp）。
由于tcp/ip是internet采用的协议组，所以将tcp/ip体系结构称作internet体系►以太网是tcp/ip使用最普遍的物理网络，实际上tcp/ip技术支持各种局域网络协议，包括：令牌总线、令牌环、fddi（光纤分布式数据接口）、slip（串行线路ip）、ppp（点到点协议）、x2.5数据网等。
见图1：tcp/ip技术支持的各种局域网络协议由于tcp/ip是世界上最大的internet采用的协议组，而tcp/ip底层物理网络多数使用以太网协议，因此，以太网+tcp/ip成为it行业中应用最普遍的技术。
本文主题中所提到的“以太网”，按习惯主要指ieee 802.3协议，如果进一步采用tcp/ip协议族，则采用“以太网+tcp/ip”来表示。
2．以太网为什么会进入自动化行业以太网+tcp/ip作为办公网、商务网在it行业中独霸天下，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统。
但为什么近年来会逐步向自动化行业发展，形成与现场总线技术竞争的局面？回顾近年来自动化技术的发展, 可以了解到其中的原委。
（1）自动化技术从单机控制发展到工厂自动化fa，发展到系统自动化近年来，自动化技术发展使人们认识到，单纯提高生产设备单机自动化水平，并不一定能给整个企业带来好的效益；因此，企业给自动化技术提出的进一步要求是：将整个工厂作为一个系统实现其自动化，目标是实现企业的最佳经济效益。
因此，有了现代制造自动化模型，见图2。
所以说自动化技术由单机自动化发展到系统自动化。
自动化技术从单机控制向工厂自动化fa、系统自动化方向发展。
制造业对自动化技术提出了数字化通信及信息集成的技术的要求;即要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。
（2）工厂底层设备状态及生产信息集成、车间底层数字通信网络是信息集成系统的基础为满足工厂上层管理对底层设备信息的要求, 工厂车间底层设备状态及生产信息集成是实现全厂fa/cims的基础。
见图3: 工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级(3) 现场总线技术的产生现场总线(fieldbus)是工厂底层设备之间的通信网络，是计算机数字通信技术在自动化领域的应用,为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台.图4是工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成的透明通信,即从管理层到自动化底层的数据存取.(4) 现场总线国际标准之一rofibus技术rofibus技术是1987年由siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1 989年批准为德国工业标准din 19245（profinus-fms/-dp）；1996年批准为欧洲标准en 50170 v.2 (profibus-fms/-dp)；1999年profibus成为国际标准 ie c 61158 的组成部分(type iii).profibus技术为设备层提供了profibus-dp和-pa技术，为车间层提供了profib us-fms技术,见图5。
►profibus-dp是设备层现场总线, 用于控制器(如plc、pc、nc)与现场控制设备（如驱动器、检测设备、hmi等）之间的通信总线；►设备层现场总线技术具有高速（12m）、实时、确定、可靠特点（如-dpv2可用于运动控制），传输的数据量相对较小。
►profibus-pa也是设备层总线，具有iec61158-2的物理层，可实现总线供电，并有本质安全技术。
►profibus-fms车间级现场总线，主要用于车间级设备监控。
主要完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。
车间级现场总线具有传输数据量大、应用层信息规范完整等特点，对网络实时性要求不高。
（5）国际现场总线技术标准iec61158根据现场总线技术概念，面对自动化行业千变万化的现场仪表设备，要实现不同厂家不同种类产品的互连，现场总线技术标准化工作至关重要。
为此，国际iec 委员会于1984年提出制定现场总线技术标准iec1158（即iec61158）。
a． iec 61158目标：iec1158的目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准。
为此，根据不同行业对自动化技术的需求不同，将自动化技术分为五个不同的行业；见图6：iec1158的目标。
iec61158是要制定出一部满足工业自动化五大行业不同应用需求的现场总线技术标准。
b．妥协的结果经过十几年的努力，1998年，对iec 61158 （ts）进行投票。
由于iec 61158 （t s）只包含了process control部分，因此，iec 61158 （ts）没有通过投票，自动化行业期待了十多年的统一的现场总线技术标准的努力失败。
1999年12月，i ec61158放弃了原有设想，通过妥协方案，即：以iec 61158 （ts）+ add.pro tocols作为iec61158技术标准的方案；其中add.protocols包含control net、profibus、p-net、ff hse、swift net、worldfip和interbus总线。
自动化行业将面临一个多种总线技术标准并存的现实世界。
c．iec 61158发展历程给我们的启示面对当今以太网在自动化领域的应用潮流，iec 61158发展历程至少给了我们两点启示，这对我们能够清醒面对现实颇有好处：i、工业自动化技术应用于各行各业，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。
ii、技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。
（6）以太网进入自动化领域iec61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败，使一部分人自然转向了在i t行业已经获得成功的以太网技术。
因此，现场总线标准之争，给了以太网进入自动化领域一个难得的机会。
积极推进这种技术概念的如法国施耐德公司，面向工厂自动化提出了基于以太网+tcp/ip的解决方案，称之为“透明工厂”。
望文生义可以理解为：“协议规范统一，信息透明存取”。
施耐德公司是将以太网技术引入工厂设备底层，广泛取代现有现场总线技术的积极倡导者和实践者，已有一批工业级产品问世和实际应用。
3．以太网在自动化领域应用现状目前，以太网工业在自动化领域已有不少成功应用实例，主要集中在以下几个方面：(1) 车间级生产信息集成：主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、pc机及以太网络设备组成；主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。