工业以太网标准和环境要求
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。
智能变电站中工业以太网交换机要求
智能变电站中工业以太网交换机要求在智能变电站普遍采用合并单元进行过程层数字化采样值数据传输、依靠GOOSE报文传输一次设备状态和控制命令的背景下，工业以太网交换机除承载传统的站级通信服务外，开始逐渐替代传统电缆，成为维系一、二次设备关联的中枢设备。
这样对工业以太网交换机的功能、性能和可靠性都提出了非常高的要求。
在IEC 61850标准中，IEC 61850-3《变电站通信网络和系统》第3部分：总体要求，提出了针对工业以太网交换机的环境和电磁兼容要求，具体涉及环境及安全要求（温度、湿度、大气压力、机械和振动、污染和腐蚀），电磁兼容要求（振荡波、辐射电磁场骚扰、快速瞬变、浪涌、工频磁场）和供电要求（电压范围、电压容差、电压中断、电压质量）。
而对于工业以太网交换机的功能要求，IEC 61850并未对其给出相关的标准，因此，其功能测试通常以国内通信行业标准要求和IEEE相关标准为准。
1 工业以太网交换机的功能要求根据国家电网《智能变电站技术导则》的定义，智能变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化等基本要求，而这些要求则对承载通信网络的工业以太网交换机提出了以下基本需求：①高性能的信息传输，保证高优先级的用户数据优先传送；②网络流量控制；③冗余网络；④网络工况监视和故障诊断；⑤高精度网络对时协议。
通过IEC61850-3及IEEE 1613《变电站通信网络装置的环境和测试要求》的MOXA交换机（功能特点见附录1）均具有以下功能满足变电站自动化系统的需求：(1)支持IEEE802．3x全双工以太网协议。
全双工数据传输模式能同时支持两个方向的数据发送和接收，在交换机端口上不会发生信息“碰撞”，因此舍弃了半双工以太网的CSMA／CD机制，从而大大降低了数据传输时延。
(2)根据IEEE 802．1P标准，可通过以太网报文头部增加优先级序号进行QOS服务质量标识，由交换机按照流量分配原则或权重设置进行优先转发。
(3)虚拟局域网(VLAN)技术和多播过滤技术可进行通信区域的划分，有效防止广播风暴并实现安全隔离。
(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。
真实世界的联网——现场总线、开放标准和办公网络——工业以太网的使用环境
协议应 用层的标准化也是开放 解决方 案 的先 决条件 ，许 多制造厂家通过提供 各 种设备 、控 制器和软件 方案来满足这种 需 要 。在应 用层使 用通 用标准将为各层 问无
缝集成所有部件提供参 照标 准 。
专 用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ网络 和总 线 要 求包 括高 可 用性 、实 时 、故 障 后 的快 速 自愈 数 据 传 输 的
可 靠 性 和 安 全 性 、 冗 余 和 更 加 严 格 的 Ｅ ＭＣ．温 度和 抗振 要 求 。应 用于此 的 工
总结
如 上 所述 ．工 业 以太 网正 处 于 现场
总 线 层和 受 到 广泛 支持 的开放 标 准 以及
办 公 网络 的 交 汇 口上 。工 业 以太 网 的快
业 以 太 网 同样 也必 须 满足 这 些要 求 。在
也 具 有举 足 轻 重的 地位 。在 故 障发 生后
的３ ０ ｍｓ ，具有 闭环拓 扑和 冗余 管理 ０ 内 的 网络 能 够 自动 愈 合 网络 。 然而 ，在办
标准化是降低成本的关键
数 字 网络 允 许 工程 师 在逻 辑 段 内组
司可 以提 高 生产 率 、加 快 工作 流 程 、获
向迈 出的一步 。基于标准化 部件说 明的第 三方 工具将促进 开发更佳 的解决方案 。因 此标 准化在降低 成本方 面扮 演至关重要 的
角色 。
个 关 键 优势 。这便 是 多 数私 有方 案 在协
议 层选 用Ｔ ／ ＣＰ Ｉ Ｐ方案的原 因 。
网络要求
自动化 系 统 可 大致 分 为现 场 设 备 控 制 设 备 和 网 络 ．其 中 网 络 堪 称 自动 化 系统 的 骨干 网络 要 求来 自于 需要 自 动化 的 过 程和 生 产设 备 。对 于 现 场层 的
工业以太网络需求分析
工业以太网络需求分析工业的发展不单是工业自动化的发展还包括工业网络化的发展。
虽然我们都有这种对网络化发展的意识但能真正了解这个问题就不那么容易了。
尤其是从实际情况进行需求分析时会感到有些棘手,是其特殊性还是一般性引起这个问题的哪?本文在介绍工业以太网需求分析的更注重现场的实际情况,希望对大家的所帮助。
背景工业化生产是始于16到19世纪英国的工业革命，至今也有500多年的发展历史。
在当时看来是机器吃人的社会，而今每个人都在享受着工业产品带来的快乐。
工业化的程度已经成为一个企业、一个国家成长发展的重要参考标准。
随着Internet技术的广泛应用，工业生产也在不断的发生变革――网络化。
网络化协调了生产过程中的控制机制，使生产率得到大幅度的提升。
以以太网为代表的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技术等得到了自动化设备厂商和广大用户的关注，随后以太网技术开始进入工业控制领域，也产生了一个新的名词——工业以太网络。
现在工业网络基本是有两种：现场总线网络和工业以太网络。
以现在的发展趋势来看，以太网发展潜力巨大很可能后来者居上超过现场总线，引领起工业以太网的新变革。
需求分析的基本问题工业网络的需求是有其特殊性的。
每一个行业每一个工作环境都决定着不同的需求，从专业的需求角度来看，需求分析就是以用户为中心对目标网络在功能、通信能力、性能、可靠性、稳定性、安全性、运行维护及管理方面的具体分析并结合网络应用的环境进行特殊化的理解和分析。
最终将用户的需求精确化、完整化，形成一份网络需求分析报告。
办公网络需求分析的基本任务和基本原则分别介绍一下。
基本任务：深入了解用户建网的目的和目标并加以分析，然后进行纵向的更加细致的需求分析和调研，在确定地理布局、设备类型、网络服务、通信类型和通信量、网络容量和性能、网络现状等几个主要方面的基础上形成分析报告。
基本原则：(1).必须充分理解并表达用户的实际需求和实际情况；(2).用自顶向下的分析方法了解用户的行业背景、项目背景。
工业以太网的七要素
在工厂生产层使用工业以太网之前，必须了解它的七个要素。
这里，我们以Profinet标准为例，为大家一一进行介绍。
1. 网络布局办公室的网络拓扑布局并不适用于工厂生产层，那里采用的是工厂/机器的以太网拓扑布局。
办公室以太网的基础架构通常是由商业级的产品构建，它们在恒温的环境和星型拓扑构建的交换网络中可以很好地发挥作用；而与此不同，工业以太网架构常常要面对多变的意外情况，因此需要具有一些额外的功能，例如高速冗余等。
工业以太网会采用多种不同的拓扑网络布局方式(星型、环型、树型、线型)，并使用屏蔽电缆、金属接头，具有更高的耐热耐震性能。
此外，工业以太网的交换机一般由相应的自控系统集成商负责配置和维护。
2. 通信协议对控制系统集成商来说，最要紧的是要认识到以太网只是一个网络架构，要使它能够在自控设备间实现通信，所以你需要一个工业级的通信协议。
IEEE 802.3以太网标准定义了接线方式、数据读写规则和以太网架构的结构。
虽然使用这个网络标准的不同设备可以在同一网段里实现通信，但前提条件是它们必须采用相同的网络协议，或者说“通信语言”。
Profinet是一个专为工业应用设计的通信协议，它为分布式I/O、机器与机器间的连通性、机器的安全性以及动作控制提供了相应的功能。
3. 处理能力这不是单纯地由网络速度的快慢决定的，而是如何快速精确地将数据传输到它该去的地方。
网络的处理能力毫无疑问是最关键的因素之一，它的衡量标准是单位时间内的网络数据传输量。
而唯一能改进这一性能的方法就是减少通信堆栈中循环周期的次数。
Profinet通信堆栈中的循环周期次数比一个标准的以太网TCP/UDP工具要少十几倍。
这是由于，Profinet为一些对时间有苛刻要求的重要工作专门设置了一个以太网实时通道，而与此同时，它的配置、诊断、路由以及“大容量数据传输”的通信都通过标准TCP/IP通道完成。
4. 网络配置网络的设置简单是一方面，但更重要的是，实现通信的编程工作绝对不能太复杂。
工业网络技术第9章工业以太网.ppt
以太网的数据链路层
媒体访问控制子层（MAC） 逻辑链路控制子层（LLC）
MAC子层
CSMA/CD 缺点： 1、半双工通信模式。 2、不提供优先级机制，网络上的节点地位
是平等的。
MAC帧结构
前导码 SFD 目的地址 源地址 长度 数据区 填充段 CRC校验
以太网的物理层
基带：采用曼彻斯特编码。 宽带：采用PSK相移键控编码。
以太网类型名称
名称最前是数字，表示的是通信波特率。 名称中间是BASE或BROAD，表示网络是宽
带还是基带。 名称最后如果是数字表示的是网段的最大长
度，如果是字母T表示传输介质是双绞线， 如果是字母F表示传输介质是光纤。 如10BASE5、10BASE-T。
TCP头 FTP头 客 户 数 据 TCP段
IP头 TCP头 FTP头 客 户 数 据 IP数 据 报
令 牌 网 头 IP头 TCP头 FTP头 客 户 数 据 令牌环网数据帧
TCP/IP网络层
包含网际互联协议IP、地址解析协议ARP、 反向地址解析协议RARP、网际控制报文 协议ICMP和网际组管理协议IGMP。
将数据包从源节点送到目的节点。
IP协议
主要功能是提供无连接的数据报传送和数据报的路 由选择。
IP协议以包的形式传输数据，称为IP数据报。 IP是一种不可靠，但是会尽力传送的协议。 不可靠体现在IP不追踪传输路径，也没有任何机制
来对报文重新排序。 尽力传送体现在IP不轻易放弃任何一个数据报，只
有在资源耗尽或网络出现故障的情况下才会放弃。
TCP/IP参考模型
应用层(Telnet、FTP、HTTP、DNS、SNMP和SMTP等) 传输层(TCP和UDP)
工业以太网
以太网以太网已经被广泛用于办公室和家庭网络的通信系统中。
它的高带宽可以软实时地发送大的数据包以及日益增加的办公室之间通信所需的信息，包括流视频、视频会议和展示，从而使得这种网络基础架构成为办公室环境的理想选择。
同时，万维网的指数式增长也增加了信息的稳定性和数量，使得更快的下载速度成为数据采集的必需。
以太网用来将电脑连接到局域网(LAN)，而通过局域网，电脑可以和互联网、打印机、主机或服务器以及其它电脑相连。
由于以太网在办公室环境里的流行，以及其在LAN里众所周知的速度优势，工厂也开始采用工业以太网，以期能够连接整个工厂里的所有操作。
但问题是办公室环境的需求和工厂车间的需求是截然不同的。
正如前文所述，办公室需要的是大量数据，而时间不是一个关键因素。
但是工厂里却需要在特定的时间能够发送很多数据包，从而用在控制系统中。
由于潜伏和抖动的原因，传统的以太网协议不能满足回路应用的确定性要求。
潜伏是指需要信息的时间和收到信息的时间之间的间隔，而抖动则是指数据包抵达时间之间的差异，是由两个数据源在同样的时间间隔内发送数据时的数据冲突而造成的。
此时，两个设备都要等待一段时间然后重新发送。
在办公室环境里这是无关紧要的，因为抖动仅持续一毫秒，而用户几乎感觉不到。
但是在工厂里，数据的发收在更快的操作速度下运行，因此要求实现抖动不到一微秒的同步状态。
目前的办公室所用的协议，例如HTML和http，都不能达到这个要求，因此人们一直在设计能够运用于工厂环境的协议。
以太网物理层通信系统的OSI(开放系统互联)参考模式将通信网络分成7个层(如图1所示)。
从第1到第4层是较低层，适用于网络，而第5到第7层则是较高的应用层。
图1 通信网络7层数据在发送设备的第7层开始发送，在发送过程中不断收集地址信息，直到到第1层成为一个标准数据框(如图2)。
由于以太网是一种逻辑总线，信息会通过网络被发送给所有设备，但是只有接收设备的地址和讯息中的地址相匹配时，或者当信息被发送给所有地址时，信息才能被接收(注：取地址这一环节是在以太网第3层进行的，而不是第1和第2层)。
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工业以太网标准和环境要求
工业中的通讯要求与办公环境有着天壤之别。
要考虑到通讯中的每一方面，比如网络中的主动和被动元件，终端设备，网络设计和拓扑结构，甚至环境要求等因素。
而且在制造和掌握自动化行业中还要使用TCP/IP协议。
从而能够优化工业通讯。
工业以太网的基本思想就是通过开发觉存的网络标准，使各装置和整个系统适应现场环境的需求。
所谓主动元件，主要指如OLM，ELM，OSM，ESM等元件，它们连接不同的终端设备，不仅传送数据，还具有更多的智能功能。
而被动元件是同轴电缆，双绞线和光纤这样的传输介质，它们只能对数据进行传送，不具有判定，分析的功能。
标准：工业以太网机遇相应的国际标准，比如IEEE802.3，ISO/IEC 11801，EN 50173，并结合了各标准中的优点。
通常状况下，在工业以太网和经典以太网间各元件不存在相互影响的状况。
但在如同生产和过程掌握环境下，不得不考虑设备兼容的问题，由于工业以太网与经典以太网还是有不同之处，比如工业双绞线的连接，冗余要求等。
除了标准有所不同外，工业以太网还在一些功能上有自己的特点，也是经典以太网不能供应的功能。
环境要求：环境要求在工业场合与办公环境有很大差异。
工业中必需符合EMC标准。
工业与办公环境的要求主要是以下方面：1）EMC（电磁干扰的敏感性；干扰信号的传输）；2）温度；3）振动；4）湿度；
5）环境污染。
工业以太网就要求有很高的传输效率和很强的抗干扰力量，甚至要满意恶劣条件下的各种要求。
机架：工业以太网肯定要使用全金属机架。
作为一条法则，要使用符合DIN标准的导轨，掌握箱等设备，而且还要满意空间尺寸的要求，以及设备所能承受的振动防护要求。
温度范围：传送的网络设备的温度范围在0到40摄氏度。
但在工业环境下，要保证设备能够承受低温柔高温，通常工作环境的温度会超过50摄氏度，所以工业以太网的设备温度范围在0到60摄氏度之间。