工业以太网介质访问控制协议CSMA-CD和传输介质
现场总线和工业以太网
一、什么是现场总线二、现场总线的技术特点与优点三、现场总线的产生与发展趋势四、以太网与工业控制网络五、工业以太网什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络现场总线是通信网络位于生产控制现场和网络结构的底层 现场总线是低带宽的控制网络它与上层的Internet、企业内部网Intranet相连构成企业综合自动化的通信网络平台现场总线对控制系统带来的革命 基地式仪表控制系统单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散控制系统DCS、PLC基于现场总线的分散控制系统各阶段测控仪表能力指数现场总线开放标准数字DCS电动单元气动、模拟模拟按回路运行按过程运行过程优化管控一体化五十年代1960 1980 1998数字/模拟混合测控能力指数与一般通信技术的区别一般通信技术只是能实现信息的传输现场总线是一种控制系统框架一种全新的控制系统结构，即：现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成现场总控制系统FCS采用开放式数字通信网络突破传统DCS中的专用通信网络结构网络集成的测量控制系统单个分散的测量控制设备变成网络节点现场总线为纽带构成共同完成任务的网络系统与控制系统实现现场测量控制设备之间的信息共享返回本章首页2.1 FCS的结构特点Multi-Controllers AOPIDAIPIDAOAI DCS FCS2.2 现场总线系统的技术特点 全数字通信多分支结构系统的开放性互可操作性和互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的高度适应性全数字通信抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈 现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。
以太网与工业以太网的区别
以太⽹与⼯业以太⽹的区别 以太⽹产⽣延迟的主要原因是冲突，其原因是它利⽤了CSMA/CD技术。
在传统的共享⽹络中，由于以太⽹中所以的站点，采⽤相同的物理介质相连，这就意味着2台设备同时发出信号时，就会出现信号见的互相冲突。
为了解决这个问题，以太⽹规定，在⼀个站点访问介质前，必须先监听⽹络上有没有其他站点在同时使⽤该介质。
如果有则必须等待，此时就发⽣了冲突。
为了减少冲突发⽣的⼏率，以太⽹常采⽤1-持续CSMA，⾮持续CSMA，P-持续CSMA的算法2。
由于以太⽹是以办公为⽬标设计的，并不完全符合⼯业环境和标准的要求，将传统的以太⽹⽤于⼯业领域还存在着明显的缺陷。
但其成本⽐⼯业⽹络低，技术透明度⾼，特别是它遵循IEEE802.3协议为各⼚商⼤开了⽅便之门。
以太⽹的缺陷 1、确定性 由于以太⽹的MAC层协议是CSMA/CD，该协议是的⽹络上存在冲突。
对于⼀个⼯业⽹络，如果存在着⼤量的冲突，就必须多次重发数据，使得⽹络间通信的不确定性⼤⼤增加，带来系统控制性能的降低。
2、实时性 在中，在⼀个事件发⽣之后，系统必须在⼀个可以准确预见的时间范围内作出反应。
⽽⼯业上对数据传输的实时性要求⾮常⾼，数据的更新是在数⼗毫秒完成。
⽽以太⽹的CSMA/CD机制，当发⽣冲突时重发数据，可以尝试16次，这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。
⽽设备的掉线，可能会造成重⼤的设备或者⼈⾝安全事故。
3、可靠性 以太⽹是为商业设计的，但应⽤到⼯业现场，⾯对恶劣的⼯况、严重的线间⼲扰，必然降低其可靠性。
所以⼯业⽹络要求具有⾼的可靠性，可恢复性以及可维护性。
的解决机制 1、交换技术 将共享的局域⽹进⾏有效的冲突域划分机制。
各个领域之间⽤交换机连接，减少冲突问题和错误传输。
这样可以尽量避免冲突的发⽣，提⾼系统的确定性。
2、⾼速以太⽹ 冲突的发⽣与负载有关，负载越⼤，发⽣冲突的概率越⼤。
提⾼以太⽹的通讯速度，可以有想降低⽹络的负荷。
工业控制网络现场总线复习资料
CIMS:计算机集成制造系统。
离散行业。
CIPS：计算机集成生产系统。
应用于流程行业，与工厂综合自动化系统、管控一体是同一概念。
三层：ERP（企业资源规划层或BPS）,MES（制造执行层）,PCS（现场控制层）PCS级:以产品质量和工艺要求为目标的先进控制技术MES级:以生产综合指标为目标的生产过程优化控制、优化操作与优化管理技术BPS级:以财务分析决策为核心的整体资源优化技术关键技术：系统集成，信息集成，先进控制。
系统集成：连接各层的网络（硬件），以及数据库技术（软件）信息集成：信息采集、数据校正、数据挖掘、对象模型先进控制：改进常规控制的性能工业通讯方式：（1）现场总线（2）工业以太网（3）无线网络现场总线：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的开放型控制网络技术。
现场总线是自动化领域的通信、网络技术, 也被称之为工厂的底层网络（Infranet）总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。
现场总线的产生：（1）综合自动化的要求，改善TQCS，解决自动化孤岛；（2）控制系统网络化发展趋势，计算机集中控制系统-DCS-FCS（3）智能仪表的发展（通信技术、信号处理技术）技术支撑：计算机技术、网络技术自动化孤岛：设备之间采用传统一对一连线，或自成体系的封闭式集散系统，很难实现设备之间及系统和外界的信息交换。
本质含义：连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
（智能现场设备：具有数字计算、数字通信能力的测量控制设备）现场总线系统既是开放的数据通信系统、网络系统，又是由现场设备实现完整控制功能的全分布式控制系统。
既是通信网络，又是控制网络。
本质表现：（1）现场设备互连：传感器、变送器等设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。
（2）现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网路。
3-5计算机网络CSMACD协议
计算机网络与通信技术知识点：CSMA/CD协议局域网的媒体共享技术•静态划分信道–频分复用–时分复用–波分复用–码分复用•动态媒体接入控制–随机接入–受控接入，如令牌或轮询。
计算机网络数据的突发性CSMA/CD字面含义•CSMA/CD 表示Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。
•“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
•“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。
CSMA/CD字面含义•“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
•当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
•当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
•所谓“碰撞”就是发生了冲突。
因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
检测到碰撞后•在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
•每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
问题1每一站在发送数据之前已经监听到信道为“空闲”，为什么还会出现碰撞？电磁波在总线上总是以有限的速率传播问题1电磁波在总线上总是以有限的速率传播•当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。
• A 向B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。
• B 若在A 发送的信息到达B 之前发送自己的帧(因为这时B 的载波监听检测不到A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和A 发送的帧发生碰撞。
•所以需要在发送期间进行碰撞检测，以检测冲突。
问题11 kmABt碰撞t = 2τ-δA 检测到发生碰撞t = τ-δB 发送数据B 检测到发生碰撞t = τt = 0单程端到端传播时延记为τCSMA 并不能完全解决碰撞问题1 kmABt碰撞t = τ-δB 检测到信道空闲发送数据t = τ-δ/ 2发生碰撞t = 2τ-δA 检测到发生碰撞t = τ-δB 发送数据B 检测到发生碰撞t = τA B ABA B t = 0A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = τB 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2τ-δA 检测到发生碰撞STOP AB 单程端到端传播时延记为τCSMA/CD重要特性•使用CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
二层基本知识_转发_协议
二层交换基本过程
通过识别MAC进行
A
Switch
B
C
D
二层交换机工作模型
工作在链路层
应应应 表表应 会会应 传传应 网网应 链链应 物物应 链链应 物物应 链链应 物物应 应应应 表表应 会会应
S witch
传传应 网网应 链链应 物物应
二层交换引擎
ASIC--Application Specific Integrated Circuit L2FDB—Layer 2 forwarding database
. .
出口集合 {1} {2} {3}
. .
交换机工作过程—转发
MAC 1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ADCB.0005
. .
出口集合 {1} {2} {3}
. .
交换机接收到数据帧后，根据目的 地址查询CAM，找到出口后，把 数据包从该出口集合发送出去。 在单播的情况下，出口列表集合只 有一个元素，但在多播情况下，出 口列表集合就可能不只一个元素。 CAUTION： 多播情况下，CAM表项的建立不是 通过学习得到的，而是通过IGMP 窥探，CGMP等协议获得的。
MACD MACA
端口2
......
MACD
MACA
端口1
......
MAC地地
所所所所
MACA MACB MACC MACD
1 1 2 2
二层交换机的局限性
二层交换机将网段上的冲突域限制到了端口级、但是无法限制广播域的大小 端口间已经不存在冲突 但是广播域仍然为整个LAN
LAN LAN
广广广
冲冲广
Frame Load：有效载荷 FCS： 帧检测序列
2022年秋季学期《工业控制网络》课程综合练习题及答案
《工业控制网络》课程综合练习题及答案一、判断题1.工业控制网络是计算机网络技术、通信技术与控制技术相结合的产物。
（√）2.工业控制网络从上向下依次为现场设备网、过程控制网、管理信息网等几个层次。
（×）3.在整个工业通信网络模型中，现场设备层是整个网络模型的基础和核心。
（√）4.模拟信号传输的优点是精度高，但易受干扰。
（×）5.实时性表现在对外部事件能及时地响应并做出相应的处理，不丢失信息、不延误操作。
（×）6.现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。
（√）7.在涉及系统实际数据传送能力时，使用比特率。
（√）8.曼彻斯特码属于不归零码。
（×）9.基带网的线路工作方式一般只能为双工方式。
（×）10.网络层负责将逻辑地址和名字转化为物理地址，交给数据链路层处理。
（√）11.在异步TDM中，时间片是预先分配好的。
（×）12.共享式局域网是各站点共享传输媒介的带宽。
（√）13.以太网的介质访问控制方式采用CSMA/CD，所以没有冲突。
（×）14.100BASE-T快速以太网的MAC帧结构与10BASE-T的MAC帧结构不同。
（×）15.划分VLAN后，交换机的所有端口一定在一个广播域内。
（×）16.IP协议提供的是可靠、面向连接的IP数据报传送服务。
（×）17.划分子网可以解决IP地址面临枯竭的问题。
（×）18.地址转换协议ARP的作用是将物理地址转换为IP地址。
（×）19.拥塞控制与流量控制不是一回事。
（√）20.安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行双向、多点的数据通信总线称为现场总线。
（√）21.现场总线通信的关键特征主要有点对点分布、全数字化、双向传输。
（×）22.现场总线的基本结构有星型、总线型。
（√）23.现场总线的核心与基础是总线协议。
《工业控制网络与人机界面组态技术》电子教案 第八章+工业以太网技术与应用
首选，并且有逐渐向下延伸直接应用于工业现场设备间的 通信的趋势。
工业以太网应具有的特性：
工业以太网与商业以太网在技术上兼容，但在 产品设计时，在材质的选用、产品强度和适用性方 面应能满足工业现场的需要。工业以太网产品需具 有一下特性：
因此，以太网成为“确定性”网络，为它应 用于自动化控制领域消除了主要障碍。
与其他现场总线或工业通信网络相比，以太 网具有一下优点：
以太网技术的优点：
（1）应用广泛。
（2）成本低廉
（3）通信速率高 （4）软硬件资源丰富 （5）可持续发展，潜力大 （6）易与Internet连接，能实现办公自动化网络与工业控
第六章 工业以太网技术与应用
近几年来，随着互联网技术的普及与推广，以太网得 到了飞速的发展，特别是以太网通信速率的提高、以太网 交换技术的发展，给以太网的非确定性问题的解决带来了 新的契机。
首先，以太网通信速率的一再提高，从10M到100M到 1000M甚至10Gbps，在相同通信量的条件下，通信速率的 提高意味着网络负荷的减轻和碰撞的减少，也就意味着确 定性的提高；
控制与信息协议（CIP）
CIP的主要特点 （1）基于生产者/消费者的网络模型
目前市场上的总线通信模型有较大的区别，根据所基于的模 型不同，可以把工业网络分为两类： 1） 基于源/目的地模型 2） 基于生产者/消费者模型（生产者是发送报文的节 点，而消费者是接受报文的节点。 基于生产者消费者模型的网络除了CIP网络外，还有 基金会现场总线（FF）。而PROFIBUS等是基于源/目的地 模型的。
（1）环境适应性。具体包括机械环境适应性 （如耐振动、耐冲击）、气候环境适应性（工业温 度要求为－40～85℃，并要耐腐蚀、防尘、防水）、 电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC应符合 EN50081-2、 EN50082-2 ）。
工业以太网的特点有哪些
工业以太网的特点有哪些工业以太网的特点1、实时性和确定性随着快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的锲机，使这一应用成为可能。
首先，以太网的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐景相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降。
其次。
采用星型网络拓扑结构代替总线型结构，交换机将网络划分为若干个网段。
以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可以对网络上传输的数据进行过滤，使各个网段内节点问数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。
第三，全双工通信使端口之间的两根双绞线(或两根光纤)同时接收和发送报文帧，不会发生冲突。
所以采用交换集线器和全双工通信，同时网络上的冲突域不再存在(全双工通信)，或者碰撞概率大大降低(半双工通信)。
因此，以太网通信的确定性和真实性大大提高。
2、稳定性和可靠性以太网进入过程控制领域的另一大问题是，其连接器、集线器、交换机和电缆都是为商用领域设计的，商用网络产品无法用于可靠性要求高的恶劣工业现场环境。
因此，有必要针对恶劣的工业现场环境(如冗余DC电源输入、高温、低温、防尘等)设计工业以太网。
).随着网络技术的发展。
上述问题正在迅速得到解决。
为了解决在不间断的工业领域应用，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、JetterAG等公司专门开发和生产了机架导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并由冗余电源供电，接插件采用牢固的DB29结构。
现在已经出现了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（如plc、hmi、dcs系统等）。
此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备可采用屏蔽双绞线连接，重要网段可采用冗余网络技术，提高网络的抗干扰能力和可靠性。
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工业以太网介质访问控制协议 CSMA/CD 和传输介质
摘要: 以太网最初是为办公自动化而发展起来的，除了通信的吞吐量要
求较高以外，对其他性能没有特殊的要求；而工业控制现场由于其环境的特
殊性，对网络通信的实时性、可靠性、网络生存性、安全性等均有较高的要
求，因此，人 ...
以太网最初是为办公自动化而发展起来的，除了通信的吞吐量要求较高以
外，对其他性能没有特殊的要求；而工业控制现场由于其环境的特殊性，对
网络通信的实时性、可靠性、网络生存性、安全性等均有较高的要求，因
此，人们通常将应用于工业控制系统中的以太网技术称为工业以太网
（Industrial Ethernet）。
将以太网用于工业领域主要有以下几个方面的优势：①具有低成本、高速
度、易于组网应用等优点，且软硬件资源包括人的作用极其丰富；②易于和
Internet 连接。③以太网融入工业自动化计算机网络，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。
1．介质访问控制协议 CSMA/CD