Modbus_TCP工业以太网的现状与发展
工业自动化中的网络通信协议
工业自动化中的网络通信协议工业自动化是指利用各种技术手段对工厂或生产线上的各种生产过程进行自动控制和管理的技术体系。
在现代工业生产中，网络通信协议在实现工业自动化过程中起着至关重要的作用。
本文将介绍几种常见的工业自动化中使用的网络通信协议。
一、Modbus协议Modbus是一种经典的串行通信协议，被广泛应用于工业自动化领域。
它采用主从结构，通过串口传输数据，将上位机（主站）与下位机（从站）进行连接。
Modbus协议简单易用，适用于控制器之间的通信，如PLC、仪器设备等，具有广泛的兼容性和可扩展性。
二、Profibus协议Profibus是一种常用的工业现场总线通信协议，用于实现自动化系统中各种设备的通信。
它支持多种传输介质，包括RS485、光纤等，适用于不同的工业环境。
Profibus协议具有高速传输、实时性能好等特点，广泛应用于工厂自动化和过程自动化领域。
三、Ethernet/IP协议Ethernet/IP是一种工业以太网通信协议，基于标准的以太网技术，使得工业设备可以通过以太网进行连接和通信。
它支持TCP/IP协议，能够实现工业设备与企业内部网络的集成，为工业自动化提供了更高的灵活性和通用性。
四、CAN协议CAN（Controller Area Network）是一种广泛应用于汽车电子和工业自动化领域的通信协议。
CAN协议采用差分信号传输，具有抗干扰性强、可靠性高等特点。
它适用于多节点分布式控制系统，可以实现设备之间的快速、可靠的通信。
五、Profinet协议Profinet是一种以太网通信协议，是Profibus的以太网扩展。
Profinet协议利用以太网实现工业自动化设备的通信和集成，支持实时通信和无线通信，适用于复杂的工业自动化系统。
六、DeviceNet协议DeviceNet是一种CIP（Common Industrial Protocol）上的一种现场总线通信协议，常用于工业自动化设备的通信。
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。
全球及中国市场现场总线及工业以太网市场现状及展望
66
概要
▪ IMS Research 简介 ▪ 全球经济展望 ▪ 现场总线 ▪ 工业以太网 ▪ 无线网络 ▪ 工业以太网元件市场
© Copyright 2010 IMS Research
Copyright IMS Research 2010
全球经济展望 – 发达国家
市场份额（百万美金）
18,000
16%
16,000
14,000
12%
12,000
10,000 8%
8,000
6,000
4,000
4%
2,000
0
0%
2009
2010
2011
2012
2013
2014
市场份额 增长率
Source: IMS Research
表3b
全球PLC市场份额及增长率
市场份额（百万美金）
Copyright IMS Research 2010
18 18
工业以太网协议
© Copyright 2010 IMS Research
Copyright IMS Research 2010
19 19
全球工业以太网新增节点数
相对于现场总线，除TCP/IP，其他工业以太网协议的增速非常快
表4
全球工业以太网 - 新增节点数
14.0%
12.0%
10.0%
8.0%
6.0%
4.0%
2.0%
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
0.0% -2.0%
88
工业以太网与Modbus TCP
工业以太网与Modbus TCP/IP一以太网的标准以太网是一种局域网。
早期标准为IEEE 802.3，数据链路层使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理层有：(1)10 Base 5粗同轴电缆，RG-8，一段最长为500m；(2)10 Base 2细同轴电缆，RG-58，一段最长为185m；(3)10 Base T双绞线，UTP或STP，一段最长为100m。
快速以太网为100Mb/s，标准为802.3a，介质为100 Base Tx双绞线、100 Base Fx光纤。
目前10/100M以太网使用最为普遍，很多企事业用户已实现100M到以太网桌面，确实体验到高速“冲浪”的快感，另外从距离而言，非屏蔽双绞线(UTP)为100m，多模光纤可达2～3km，单模光纤可大于100km。
千兆以太网1000Mb/s为802.3z/802.3ab，万兆以太网10Gb/s为802.3ae，将为新一轮以太网的发展带来新的机遇与冲击。
二工业以太网与商用以太网的区别什么是工业以太网？技术上，它与IEEE802.3兼容，故从逻辑上可把商用网和工业网看成是一个以太网，而用户可根据现场情况，灵活装配自己的网络部件，但从工业环境的恶劣和抗干扰的要求，设计者希望采用市场上可找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑下述工业现场的特殊要求：首先要考虑高温、潮湿、振动；二是对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求，如满足EN50081-2、EN50082-2标准，而办公室级别的产品未经这些工业标准测试，表1列出了一些常用工业标准。
为改善抗干扰性和降低辐射，工业以太网产品多使用多层线路板或双面电路板，且外壳采用金属如铸铝屏蔽干扰；三是电源要求，因集线器、交换机、收发器多为有源部件，而现场电源的品质又较差，故常采用双路直流电或交流电为其供电，另外考虑方便安装，工业以太网产品多数使用DIN导轨或面板安装；四是通信介质选择，在办公室环境下多数配线使用UTP，而在工业环境下推荐用户使用STP(带屏蔽双绞线)和光纤。
2023年我国工业以太网交换机市场发展现状分析
我国工业以太网交换机市场发展现状分析国内工业以太网交换机市场中，电力和轨道交通是工业交换机的重点应用领域，占到市场的70%。
中国工业以太网交换机市场活跃着大约50家厂商。
中国工业以太网交换机市场的外资厂商在15家左右，台资厂商3-4家，本土厂商30家左右。
本土厂商中以地方品牌居多。
目前参加国内工业以太网交换机市场竞争的企业可分为两类：第一类是专业的工业以太网交换机生产厂商。
以赫思曼、摩莎、东土科技、罗杰康、卓越信通等为代表的专业厂商是国内工业以太网交换机市场的主要企业。
这类企业由于抢占了市场先机，进展速度较快，涉及行业较广，市场份额较高。
赫思曼由于在电力等行业拥有优势资源，其国内市场占有率排名第一的地位短时期内不会消失变化。
但是赫思曼产品价格偏高，将来将面临摩莎、东土科技、罗杰康等企业的挑战。
其次类是以西门子、施耐德为代表的大型系统集成商。
西门子、施耐德等系统集成商既是工业以太网交换机生产企业，又是工业以太网交换机使用企业。
然目前该类企业没有对交换机产品做重点推广，但依旧在国内工业以太网交换机市场上有较大影响。
随着国内工业以太网交换机市场的快速成长，今后几年进入该领域的企业将逐步增多，市场竞争日趋激烈。
将来一段时间内，新进企业仍会以欧美、台湾企业为主，国内企业由于技术、资金等因素限制，进入该领域仍旧存在较大困难。
而市场对工业以太网交换机的性能方面有哪些基本需求呢?市场对工业交换机产品的要求自动化是目前全球工业制造业进展的主流趋势，一系列自动化设备产业市场快速扩大。
一个完整的自动化生产线都包括PLC、系统掌握软件、工业机器人等，而这些组成部份都需要工业以太网相联，构成统一整体。
工业以太网即一种高效的局域网络，它是现代工业自动化生产体系中的重要组成部份，不管是传感器数据传输、还是生产设备掌握等等，这些都需以太网来构成基本的掌握网络。
这也是为什么工业以太网在自动化生产中的应用越来越广泛的重要缘由之一。
中国工业以太网市场现状及未来发展趋势分析
中国工业以太网市场现状及未来发展趋势分析工业以太网是用于工业控制系统的以太网。
工业以太网是目前全球工业自动化控制网络通信技术最先进的解决方案。
工业以太网技术通过IEEE802.3标准为技术基础，应用在工业测量和控制现场，工业以太网具有可靠性、实用性、安全性等特点，是连接智能传感器、智能测量控制装置形成物联网的基础。
工业以太网交换机是以IEEE802.3标准为技术基础，具有环网冗余、零丢包、电磁兼容等技术特点，主要为工业现场的设备组建局域网，能广泛应用于工业现场的交换机产品。
工业以太网交换机产品主要应用于轨道交通、风力发电、工业自动化、配电自动化等领域。
工业以太网行业上游行业为电子元器件行业，天线、集成电路以及传感器等供行业，上游行业为工业以太网行业提供设备生产所需的原材料。
工业以太网行业下游应用广泛，包括智能电力、智能零售、智慧城市以及智能制造领域，下游市场的规模发展为工业以太网提供了良好的市场增量空间。
工业以太网的技术基础及应用方式多是基于商用以太网发展而来的，在全球主导的有线网络将数据传输技术的基础上，根据工业领域的特点要求，采用以太网通信协议作为基本技术发展而生。
工业以太网市场需求十分广泛，无论是新建一条现代化的制造生产线，还是对旧有设备的改造，都会大量使用工业以太网。
工业以太网交换机是构成工业通信网络的核心设备，以工业以太网为架构的工业控制通信系统包含工业以太网交换机、工业集线器、工业传输转换模块和工业连接器、光缆和电缆等。
近些年，国内工业以太网相关企业研发投入力度加大，部分龙头企业相关硬件材料陆续投入市场，包括网络交换芯片、天线等核心产品均出现国产替代，有效降低了工业以太网交换机的生产成本，加速了国内工业以太网交换机的产量规模。
2018年全国工业以太网交换机产量约174.5万台，同比增长31.99%。
东土科技、映翰通以及卓越信通是国内工业以太网交换机主要生产厂商，其中东土科技进入工业以太网市场较早，市场占有率相对更高。
modbus tcp和modbusrtu 实例
Modbus TCP和Modbus RTU是工业控制领域中常用的通信协议，它们在工业自动化控制系统中扮演着重要的角色。
本文将介绍Modbus TCP和Modbus RTU的基本概念、工作原理以及实例应用。
一、Modbus TCP和Modbus RTU的概念1.1 Modbus TCPModbus TCP是一种基于以太网的Modbus通信协议，它使用TCP/IP协议作为传输媒介，可以实现在局域网或广域网中的设备之间进行实时数据通信。
Modbus TCP采用标准的Modbus协议格式，具有数据传输快速、稳定可靠等特点，广泛应用于工业自动化控制系统中。
1.2 Modbus RTUModbus RTU是一种基于串行通信的Modbus通信协议，它采用二进制编码的方式进行数据传输，具有传输速度快、占用系统资源少等特点。
Modbus RTU通常应用于工业现场设备之间的通信，如PLC、传感器等设备之间的数据交换和控制。
二、Modbus TCP和Modbus RTU的工作原理2.1 Modbus TCP的工作原理Modbus TCP采用客户端-服务器模式进行通信，客户端发起数据请求，服务器端响应请求并返回数据。
通信过程中，客户端通过TCP/IP协议向服务器端发送数据请求，服务器端接收请求并根据请求进行响应，完成数据的读写操作。
Modbus TCP通信的数据包格式包括事务标识、协议标识、长度字段、单元标识、功能码、数据域等字段，通过这些字段完成数据的传输和交换。
2.2 Modbus RTU的工作原理Modbus RTU采用主从站方式进行通信，主站负责发起数据请求，从站响应主站的请求并返回数据。
通信过程中，主站通过串行通信方式向从站发送数据请求，从站接收请求并根据请求进行响应，完成数据的读写操作。
Modbus RTU通信的数据包格式包括位置区域码、功能码、数据等字段，通过这些字段完成数据的传输和交换。
三、Modbus TCP和Modbus RTU的实例应用3.1 Modbus TCP的实例应用以太网通信的Modbus TCP协议在工业控制中有着广泛的应用。
以太网技术的发展与应用
以太网技术的发展与应用以太网技术是一种通用局域网技术，它以一种高效、安全的方式传输数据。
它的发展和应用对于我们的生活和工作都产生了深远的影响。
在未来，以太网技术的重要性将会越来越突出。
本文将会探讨以太网技术从诞生到发展及其应用，以及一些未来的趋势和发展方向。
1. 以太网的诞生和发展以太网技术最早是由Xerox公司的研究人员研制出来的，该技术最初是为了在局域网内传输数据而设计的。
在20世纪80年代初，以太网技术经过不断的发展，逐渐得到了广泛的应用。
之后，该技术开始支持多种协议，包括TCP/IP等协议，进一步提高了其适用性。
当然，与传统的以太网相比，以太网技术在过去几年中也经历了一些变化。
在过去几年中，以太网技术已经迅速发展成为了高速以太网，以支持更高的传输速度。
在2000年左右，10G以太网技术已经成为了一种行业标准，这需要更高的性能和更高的带宽。
2. 以太网技术的应用在当前的互联网环境下，以太网技术被广泛应用于各种场合。
现在, 以太网技术已经广泛应用于办公网、校园内部网、工业生产网络、交通运输网络等各种领域。
它已经成为了数百万个网络的标准，支持着各种应用。
可以说，以太网技术的广泛应用对于我们的生活和工作都产生了深远的影响。
它可以支持我们的办公、娱乐、交流等各种活动，并且还可以在数据中心、云计算等领域发挥极大的作用。
3. 未来的趋势和发展将来，以太网技术将会继续取得重大突破。
其中一个趋势是由于数据传输量的不断增长，以太网技术需要提供更高的带宽。
因此，研究团队正在不断研究一些更高速的以太网技术，这些技术可能会支持更高的传输速度，并能够更好地应对未来的数据传输需求。
另一个趋势是以太网技术的智能化。
近年来，人工智能技术的快速发展已经深刻影响着各个行业和领域。
在未来，以太网技术将会和人工智能技术相结合，以提高其自动化和智能化水平，以满足不同场合的需求。
此外，以太网技术还将与其他技术相结合，以进一步提高其适应性和运营效率，例如与5G技术的结合，以实现实时数据的更快传输和更低时延等。
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传送来保证的 $
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并且一个单一的连接可携带多个独立的事务 " 此外 !;)E 允许相 当大数量的并发连接 ! 所以在大多数情况下 ! 开发人员选择是根 据需要重新连接 ! 还是重新选择长期存在的连接 "
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制器能识别的消息结构 ! 描述了控制器如何请求访问其它设备 ! 如何回应来自其它设备的请求 ! 以及怎样侦测错误并记录 " 它是 一种应用层报文传输协议 ! 与底层的物理接口及电气规范无关 ! 这是其目前生命力仍很强的原因 " 它可用于总线或网络的互连 ! 为客户机 : 服务器方式 ! 易用廉价 "
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生 错 误 # 关 闭 连 接 并 将 状 态 机 状 态 置 为 , 空 闲 *# 如 果 报 文 头 正 确 # 读完所有报文 # 如果请求报文完整收到 # 将状态机置为 , 等待 应答 *# 如果 ,=C=;>?B 返回的信息为连接不再使用 # 关闭连接并将 状态机状态置为 , 空闲 *& 如果状态为 , 等待应答 *# 检查客户端的 信息 - 服务是否存在 # 如果存在 # 增大应答分组 # 使用 ,=<)?B 返回 正常应答报文或例外应答 # 将状态机从 , 空闲 * 设置到 , 新请求 *$ 在每个周期中通过将 ,=C=;>?B 调用连接成单个调用是可能的 # 而 且并不影响应用的功能结构 $
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邓欣茹 + 丁建兴 , 杨 翼邢建春 .
./ 解放军理工大学工程兵工程学院国防工程自动化研究所 !,.0001" ,/北京海军工程设计研究局 !.00010" -/ 兰州军区空军航空中心修理厂 !1.002, "
,/+/+ 面向连接特性 8"9$%& 中 ! 设计工作一般采用面向连接的方法 ! 即 连 网 时
要经过 ’ 建立连接 # 通信和释放连接 ( 三个步骤 " 在简单的变量中 可 以 通 过 唯 一 的 ’ 注 册 ( 令 牌 获 得 ) 在 8"9$%& 变 量 中 可 以 通 过 明确的 ’ 编程路径 ( 性能获得 ! 这种性能主张双方按照协议通信 ! 直到连接终止 "
8"9$%& 的数据模型基于一系列表 ! 这一系列 表 具 有 区 别
的特征 " 主要的四个表是 $
输入开关量 输出开关量 输入寄存器 输出寄存器 单个位 ! 由 3 : \ 系统提供 ! 只读 单个位 ! 通过应用程序可变 ! 读写
+N 位量 ! 由 3 : \ 系统提供 ! 只读 +N 位量 ! 通过应用程序可变 ! 读写
或传送二进制数据的格式中最高位字节 % 比特 & 在最前面 "
+HHN 年 施 耐 德 公 司 推 出 了 基 于 ;)E : 3E 的 8"9$%& 协 议 !
成本低廉 ! 适用于各种应用的解决方案 ! 已成为自动化设备最广 泛支持的协议 " KOOK 年 M 月又发表了 8"9B%& : G)E 规范 ! 将其 提 交 国 际 因 特 网 工 程 特 别 工 作 组 %34567465 <4P@4667@4P ;?&Q >"7R6 !3<;>&! 希望这个规范能成为工业以太网协议 %349%&57@?A 34567465 E7"5"R"A& 标准 " KOOL 年 + 月 ! 法国召开的 S)NM) 工作 组会议建议对包括其在内的六个新的实时以太网协议提案将以
器的资源处于空闲状态可以被其它设备使用 $ 在客户端使连接 打开的最大间隔是 F 秒 $ 如果使用定时的方法等待应答 # 从一侧关闭连接 # 打开一个 新的连接并重新提交请求报文 $ 该技术允许客户机重新定时 # 这 一点优于默认的由 ./0 提供的方式 $ 同时它也考虑了备用的方 法 # 例如提交请求到备用的 50 地址 # 使用完全独立的通信网络 # 用来防止因网络下部结构而造成连接失败 $
$ 可在任何地方任何时间进行网页服务 # 使用普通的浏览器和 电脑就可以 &% 整个全透明 && 成本降低 # 是给用户最好的回报 +
这也是它获得广泛应用的原因 + 对于已经存在的现场总线设备# 我们可以通过使用专用
’()*+, - ./0 网关将 其 连 入 工 业 以 太 网 # 实 现 透 明 传 输 和 高 速 通信 # 控制网络结构如图 F 所示 +
7G! 服务器端的实现
服务器端可以设计成单线程或多线程 $
7G!GF 多线程服务器
多线程服务器的处理过程如下 % 使 用 CH,>=<?B 监 听 ./0 A"! 端 口 的 连 接 请 求 & 如 果 收 到 连 接请求 # 用 I;;=J>?B 接收并产生一个新的线程处理连接 & 在新线 程 中 # 用 D=;E?3B 建 立 一 个 接 收 3 个 字 节 ’()*+, - ./0 报 头 的 请求 # 等待直到请求成功或关闭连接 $ 分析报头 # 如果看上去已经破坏 ’ 如协议字段非零或报文长 度不到 !A3 (# 从一侧关闭连接 $ 该应答说明 ./0 译码不正确 $ 用 D=;E?B 接 收 剩 下 的 报 文 # 此 时 报 文 长 度 已 知 & 特 别 注 意 # 带有报文长度限制的 D=;E?B 可以承受客户用 ) 管 道 技 术 * 持 续 发 送的通信请求 & 在当前请求具有完整服务时 # 任何管道技术的通 信请求会留在服务器端或客户端的 ./0 缓冲区中 + 处理 ’()K