以太网与现场总线技术

阅览次数：3582 作者：唐济扬单位：北京鼎实创新科技有限公司

前言:

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： I

IEEE 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internet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体系结构。

?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。

<现代制造自动化模>

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

<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.

<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> (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；1989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 IEC 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PROFIBUS-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 （TS）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，IEC61158放弃了原有设想，通过妥协方案，即：以IEC 61158 （TS）+ Add.Protocols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IT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。管理层信息网络：即支撑工厂管理层MIS系统的计算机网络。主要完成如ERP的信息系统。SCADA系统：特别是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信技术的SCADA系统，如城市供水或污水管网的SCADA系统、水利水文信息监测SCADA系统等。个别的控制系统网络：个别要求高可靠性和一定实时性的分布式控制系统也有采用以太网+TCP/IP技术，并获得很好的效果；如水电厂的计算机监控系统。

既然以太网已成功的应用于工业自动化诸多方面，既然IEC61158没有给出一个统一的现场总线技术标准，为什么不能将以太网技术引入工业过程控制底层，即设备层，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？这就回到了本文开篇的话题。在这个问题上，除去各公司利益代言人从公司市场利益出发的商业宣传不算，就是自动化行业专家们也是智者见智，仁者见仁，看法不尽相同。笔者从事现场总技术研发工作，习惯从技术方面将以太网与现场总线技术进行比较，从而得出几点看法。

4. 以太网与现场总线技术的比较

(1) 物理层

现场总线

A. 传输介质：多数采用屏蔽双绞电缆（RS-485）、光纤、同轴电缆，以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不同场合需要。

B. 插件：各种防护等级工业级的接插件。

C．线供电及本质安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的场合。

D. 编码：异步 NRZ、位同步曼彻斯特编码等。

E. 传输速率：9.6k~12M

以太网

A. 传输介质：UTP3类线、UTP5类线、屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆, 无线传输的解决方案。

B. 插件：RJ45、AUI、BNC

C. 总线供电及本质安全：无。

D. 编码：同步、曼彻斯特编码。

E. 传输速率：10M、100M

(2) 介质访问控制方式

现场总线：

现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的；实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。

目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有：令牌、主从、生产者/客户（producer/consumer）

以太网

CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)是以太网（或IEEE802.3）采用的介质访问控制方式，如果不是这样就不是以太网（或IEEE802.3）；比如采用令牌调度方式，应是基于IEEE 802.4令牌总线网。

根据CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机理，它不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。由于以太网与CSMA/CD具有对等的技术内涵，可以说以太网不是传统工业网络要求的实时性和确定性网

络。

（3）传输效率：不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中，除了有效传输数据之外，还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映的网络有效数据传输的效率，或者说反映一次有效数据传输的代价。通常报文格式如下:

<报文格式>

传输效率=有效数据长/[全部附加字段长+有效数据长]

以太网全部附加字段长=26字节最大有效数据长=1500字节最小有效数据长=1字节（小于46时填0）最大传输效率=1500/（1500+26）=98.3%最小传输效率=1/（1+26+45）=1.39% 现场总线PROFIBUS全部附加字段长=11字节最大有效数据长=244字节最小有效数据长=1字节最大传输效率

=244/（244+11）=95.69%最小传输效率=1/（1+11）=8.33%

工业网典型传输数据量（字节）传输效率工业网典型传输数据量（字节）传输效率

8 11.11% 8 42.11%

16 22.22% 16 59.26%

24 33.33% 24 68.57%

32 44.44% 32 74.42%

40 55.55/5 40 78.43%

48 64.86% 48 81.36%

56 68.29% 56 83.58%

64 71.11% 64 85.33%

128 83.11% 128 92.09%

<以太网与PROFIBUS参数比较>

(3) 现场设备信息规范及功能规范　

现场设备信息格式及功能描述规范称为”行规”(Profile), 行规可有效实现各种现场设备应用层互联。

例：PROFIBUS行规：

▼NC/RC行规 (机器人、数控行规)

▼各种速度驱动器的行规

▼操作员控制和过程监视 (HMI) 行规

▼对编码器的行规

▼控制器间通信的行规

▼楼宇自动化的行规

▼低压开关装置的行规

▼温度、压力、液位、流量变送器和定位器等行规

3. 以太网在自动化领域能走多远

以太网在工厂自动化管理层和车间监控层已得到广泛应用和用户认可，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用；如果以太网希望走的更远，能够全面进入工厂底层成为设备连接的主要网络技术，那么，以太网必须作出技术改进。

(1) 改进物理层　

A. 传输介质应能提供多种工业级护套和铠装电缆、光纤等.

B. 各种防护等级工业级的接插件。

C. 应该具有总线供电及本质安全的解决方案, 用于流程控制及要求防爆功能的场合。

(2) 如何满足实时性和确定性要求? 提高带宽、减少碰撞是最直接的办法，有一定效果；但“尽量的快”和“一定快”是不同的。近年来，以太网

在CSMA/CD技术基础上也有一些改进，如应用智能集线器、交换机技术等，但没有从机理上保证通信的实时性和确定性。

如何进一步解决这个问题？无非有软件为主和硬件为主的两种思路；硬件方案是设计新型智能网络交换设备，希望不要一味走增加带宽的老路；软件解决方案是在一定带宽资源基础上，由软件调度实现实时、确定性通信功能。

需要指出的是，以太网技术存在上述缺憾，不意味着以太网就不能在现场层应用，事实上以太网在很多对时间要求不是非常苛刻的现场层，已有很多成功应用范例。

(3) 成本：以太网进入现场层，单站点成本是必需考虑的因素；与目前现场总线（PROFIBUS、DeviceNet、ControlNet）产品竞争。　

4. 以太网能否取代现场总线技术成为统一的工业网络标准

（1）预测未来是最艰难的事；现场总线是专为工业现场层设备通信设计，是为自动化量体裁衣的技术。以太网设计初衷是办公网，用于数据处理。从技术比较出发似乎很容易得出结论。但技术发展受社会政治、经济影响，市场因素很大程度左右技术走向，回顾计算机发展历史，这种先例不胜枚举。因此，以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主要应用技术，特别是采用TCP/IP协议可与互连网Internet连接, 是未来eManufactory的技术基础。在设备层，在没有严格的时间要求条件下，以太网也可以有部分市场。在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之前，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。

（2）一体化与多元化并存

面对这样一个多种工业总线技术并存的现状，我们应该有一个豁达的心态。哲学家告诉我们，一体化与多元化是一对互为依存的矛盾，将长时间共存与竞争；以太网反映了人们要求技术标准化、一体化的愿望，而现实是不能用一种技术覆盖各行业所有不同需求。IEC61158的发展历程就给了我们一个深刻的启示，我们必须学会面对一个多种工业总线技术竞争和共存的现实世界。

4. 可能的解决方案

在面对具体问题时如何作出选择呢？我认为，就事论事是明智之举。简单地说，你的项目最适合使用什么技术就采用什么技术。

（1）车间级生产信息集成更适合使用以太网

理由如下：

A. 多数加工设备具有RS-232接口:如条码机, 专用工设备;

B. 实时性, 确定性, 可靠性要求不高;

C. 与上层网络的信息规范和软件接口兼容

(2) 设备级控制优先选用现场总线技术

理由如下：

A. 实时性, 确定性, 可靠性要求；

B. 专用性: 如需要严格同步的运动控制采用Sercos、PROFIBUS-DPV2；

C. 可靠性：工业级的传输层增强系统可靠性；

D. 现场总线技术种类、产品繁多，能够提供各种成本的解决方案。

（3）其它：根据技术要求，就事论事的选择你的解决方案。

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工业以太网与现场总线的优缺点整理

工业以太网控制系统论文

工业以太网控制系统论文一、工业以太网技术的特点以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显：（一）Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。（二）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。（三）软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。（四）通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。（五）可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。二、工业以太网在控制领域应用现状工业以太网与现场总线相比，它能提供一个开放的标准，是企业从现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成，解决了由于协议上的不同导致的`“自动化孤岛”问题，但从目前的发展看，工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几种形式。（一）混合Ethernet/Fieldbus的网络结构这种结构实际上就是信息网络和控制网络的一种典型的集成形式。以太网正在逐步向现场设备级深入发展，并尽可能的和其他网络形式走向融合，但以太网和TCP/IP原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、实验环境等诸多方面并不成熟，而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统。因此，在企业信息层采用以太网，而在底层设备级采用现场总线，通过通信控制器实现两者的信息交换。

工业以太网与现场总线的优缺点(精)

工业以太网与现场总线的优缺点1引言用于办公室和商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，主要由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intran et/l nternet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线尚不能满足这些要求。现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟，导致自动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。同时现场总线的传输速率也远远不如工业以太网传输速率快。2以太网与工业以太网2.1什么是以太网与工业以太网以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10?100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆型号为10 Base T。以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps 的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。 2.2以太网具有的优点（1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽；（2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT （信息技术）世界；（3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；（4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；（5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；（6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。2.3工业以太网的优点（1）基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放、完善不同厂商设备，容易互连具有互操作性；（2）可实现远程访问，远程诊断；（3）不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等；（4）网络速度快，可达千兆甚至更快；（5）支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地；（6 ）系统容易几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系；（7）可降低投资成本。3主流应用层协议-工业以太网协议由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。目前已经制定的工业以太网协议有MODBUS/TCP,HSE, EtherNet/IP, ProfiNet等。MODBUS/TCP协议是法国施耐德公司1999年公布的协议，以一种非常简单的方

各类工业总线对比

各类工业总线对比 EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EterCAT名称中的CAT为ControlAutomation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。 EtherCAT EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时处理以太网帧：嵌入在每个从站中的FMMU（现场总线存储管理单元）在帧经过该节点时读取相应的编址数据，并同时将报文传输到下一个设备。同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。主站方面也非常经济，商用的标准网卡（NIC）或任何主板集成的以太网控制器可以用作硬件接口。这些接口的共性就是数据通过DMA（直接内存读取）传输至PC，即网络读取时无需占用CPU资源。协议EtherCAT协议在以太网帧内采用官方指定的以太类型。采用这种以太类型即可允许在以太网帧内直接传输控制数据，而无需重新定义标准以太网帧。该以太网帧可由多种子报文组成，每个子报文服务于逻辑过程映像区的特定内存区，该区域最大可达4GB。数据序列是独立于物理顺序的，所以以太网端子模块的编址可以随意排序。从站之间的广播，多播和通讯也可得以实现。当EtherCAT组件与主站控制器运行在同一个子网，或者在控制软件直接读取以太网控制器时，可以使用以太网帧直接传输数据。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。在这种情况下，系统性能显然取决于控制器及其以太网协议的实时性能。EtherCAT 网络本身的响应时间几乎不受影响：UDP数据帧只需要在第一个站点解包。性能EtherCAT使网络性能达到了一个新高度。借助于从站节点中的FMMU和网络控制器主站的直接内存存取，协议的处理过程完全在硬件中完成。整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU性能或软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30 s。单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300 s. 100个伺服轴的通讯也仅为100s。在此期间，系统更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在保证这种性能的情况下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。例如，以太网系统现在不仅可以处理速度控制，也可用于分布式驱动的电流控制。巨大的带宽可以实现每个数据信息与其状态信息同时传输。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT取代PCI由于主板集成了以太网卡，用于接口卡的插槽不再是必要条件。随着PC组件急剧向小型化经济化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性：IPC中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子。除了可以对分布式I/O进行编址，还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其他无协议限制的以太网设备变体，也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯要求，因此，这不仅极大地精简了IPC 主机的体积，而且也降低了IPC主机的成本。拓扑结构EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。最有效的系统连线方法是线型、分支或树叉结构的组合拓扑。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。当然，仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。还

RS和CAN总线与以太网比较

R S和C A N总线与以太网比较集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#

以太网、CAN总线、RS485总线都属于现场总线范畴，用户根据不同的场合和应用需求而采用不同的现场总线方式，每种总线有不同的标准特性，通过下列描述了解各种总线的特性以及各种总线优缺点。一、RS485接口标准 ?RS-485的电气特性：逻辑"1"以两线间的电压差为+（2-6）V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-（2-6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 ?RS-485的数据最高传输速率为10Mbps ?RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 ?RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS- 232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。但RS-485总线上任何时候只能有一发送器发送。 ?因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。 ?因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。二、CAN总线接口标准 ?国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高；

?传输距离远（最远10Km），传输速率快（最高1MHz bps）； ?单条总线最多可接110个节点，并可方便的扩充节点数； ?多主结构，各节点的地位平等，方便区域组网，总线利用率高； ?实时性高，非破坏总线仲裁技术，优先级高的节点无延时； ?出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯； ?报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低； ?自动检测报文发送成功与否，可硬件自动重发，传输可靠性很高； ?硬件报文滤波功能，只接收必要信息，减轻cpu负担，简化软件编制； ?通讯介质可用普通的双绞线，同轴电缆或光纤等； ?CAN总线系统结构简单，有极高的性价比。三、工业以太网的优势及存在问题基于TCP/IP的以太网是一种标准开放式的网络，由其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享；数据的传输距离长、传输速率高；易与Internet连接，低成本、易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，受到了广泛的技术支持。以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)，无法保证数据传输的实时性要求,是一种非确定性的网络系统；安全可靠性问题,以太网采用超时重发机制,单点的故障容易扩散，造成整个网络系统的瘫痪；对工业环境的适应能力问题，目前工业以太网的鲁棒性和抗干扰能力等都是值得关注的问题，很难适应环境恶劣的工业现场；本质安全问题,在存在易燃、易爆、有毒等环境的工业现场必须要采用安全防爆技术；总线供电问题。在环境恶劣危险场合，总线供电具有十分重要的意义。

现场总线与工业以太网技术A卷

《》试题A 第 1 页共 1页考号姓名班级密封线答案写在答题线右边答题线山铝职院2011~2012学年第二学期 10级工业网络专业《现场总线与工业以太网技术》期末考试试题A 卷（卷面满分为100分，请将全部答案均按题号顺序写在答题纸上）一. 判断题：（每题2分共20分） 1. 现场总线之所以具有较高的测控性能，一是得益于仪表的智能化，二是得益于设备的通信化。（） 2. CSMA/CD 在发送之前要先侦听线路有无数据在发送，以后在数据发送过程中就不需要判断有无冲突存在了。（） 3. CP343-1可以同时作为主站和从站。（） 4. PROFIBUS 主站具有总线存取控制权，从站没有总线存取控制权。（） 5. 在对本质安全设备和安全栅进行认证时，不需要对电压、电流、功率这些实体参数做出说明。（） 6. PROFIBUS 总线每个段上最多可接126个站。（） 7. 基金会现场总线FF-H1数据传输速率为31.25KB/s ，通信距离可达1900m 。（） 8. CAN 总线采用非破坏性总线仲裁技术，本质上属于以事件触发的通信方式，具有某种程度的非确定性。（） 9. 在CAN 总线中，发出报文的节点称为报文发送器，如果总线不处于空闲状态，一个不是报文发送器的接点称为接收器。（） 10. Powerlink 工作模式分为开放模式、局部模式和基本以太网模式。（）二选择题：（每题2分共10分） 1. 在常用的传输介质中，（）的带宽最宽，信号传输衰减最小，抗干扰能力最强。 A ．双绞线 B ．同轴电缆 C ．光纤 D ．微波 2. 工业控制自动化主要包括三个层次，下列哪个不是（） A ．基础自动化 B.应用自动化 C ．管理自动化 D.过程自动化 3. 西门子公司的提供了众多的网络服务，下列那种不是（） A ．标准通信 B.PP/OG 通信 C ．S7通信 D.S5兼容通信 4. 现场总线PROFIBUS 决定数据通信的是（）。 A ．智能从站 B ．DP 从站 C ．主站 D ．中继器 5. 以下几种通讯协议不属于以太网范畴的是（） A. PROFINET B. Modbus/TCP C. EhterNet/IP D. ProFibus 三.填空题：（每题1分共20分） 1. 自动控制从非智能、低智能到高智能的发展阶段经历了：、、和四个阶段。 2. FF 总线由和两部分组成。 3. 计算机网络按作用范围（距离）可分为________、________和________； 4. S7-300 PLC 的程序可采用三种语言编程，包括、、三种语言编程，系统功能块通常采用功能图编程。 5. 通信方式按照信息的传输方向分为、和等三种方式。 6. CAN 的报文帧有以下四种类型：、、和。 7. 光纤分为和多模两种类型，其传输原理都是基于光的。四.简答题：（每题6分共30分） 1. 现场总线定义及技术特点 2. 工业以太网定义 3. 什么是本质安全？ 4. Profibus 由那三个子集组成，其技术特点各有哪些？ 5. ISO/OSI 参考模型为哪7层？五.应用题：（共10分）某企业想要建设工业以太网，如果利用S7通信方式，请选择相应的软硬件为其进行硬件组态。选择的硬件包括：（1）CPU 两个、（2）CP 343-1两个、（3）PC （带网卡）；软件为STEP 7。请简述组态步骤。

工业以太网的构成及重要性能介绍

工业以太网的构成及重要性能介绍西门子就逐步地把以太网的概念引入到工业控制领域，到今天，西门子SCALANCE系列工业以太网交换机产品，已经在冶金、烟草、汽车、煤矿、造船、地铁、电力、风电、交通、石化、水处理等多个行业的多个项目中得到了成功的应用，产品线也日臻完善。工业以太网简介工业以太网是基于IEEE 802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet) 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。为用户带来的利益市场占有率高达80%，以太网毫无疑问是当今LAN(局域网)领域中首屈一指的网络。以太网优越的性能，为您的应用带来巨大的利益：通过简单的连接方式快速装配。通过不断的开发提供了持续的兼容性，因而保证了投资的安全。通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。

各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。通过接入WAN(广域网)可实现公司之间的通讯，例如，ISDN 或Internet 的接入。 SIMATIC NET基于经过现场应用验证的技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区域。工业以太网络的构成一个典型的工业以太网络环境，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，工业屏蔽双绞线和光纤 SIMATIC PLC控制器上的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上的工业以太网通讯外理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。工业以太网重要性能为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，SIMATIC

基于工业以太网和现场总线的火电厂电气自动化系统

技术纵横 Application 应用 42 自动化博览　2006年12月刊文献标识码：B 文章编号：1003－0492(2006)06－0042－02 中图分类号：TP393.11 基于工业以太网和现场总线的火电厂电气自动化系统 ECS for Electric Power Plant Based on Industry Ethernet and Field Bus （北京四方继保自动化股份有限公司，北京　100085）刘炬，李高俊（浙江省衢州电力局，浙江　衢州　324000）毛以军收稿日期：2006－09－28 摘要：介绍了一种基于工业以太网和现场总线的火电厂电气自动化系统，描述了系统的网络结构以及ECS 系统与DCS 的接口方式。关键词：电厂电气自动化系统；分布式控制系统 Abstract: ECS(electric control system) for electric power plant based on industry ethernet and field bus is introduced, and the architecture of the system and the interface mode between ECS and DCS(distribute control system) are also described.Key words: ECS; DCS 刘炬（1970－）男，河北乐亭人，工学硕士，从事变电站自动化系统、电网故障信息系统、电厂电气自动化系统研究工作。电厂电气自动化系统，简称ECS ，是电厂自动化领域近年来兴起的一个新的热点。与DCS 侧重于热工系统的监控相对应，ECS 侧重于电气系统的监控；与NCS 侧重于电厂接入电网部分的电气监控相对比，ECS 侧重于发电厂内部，实现厂用电中低压电气系统的保护、测量、计量、控制、分析等综合功能。本文介绍了一种基于工业以太网和现场总线的电厂电气自动化系统。图1　传统的电厂电气监控方案 1 传统的电厂电气监控方案传统的电厂电气监控的实现方式是由DCS 系统经I/O 板实现对电气部分的数据采集和远方控制。电气部分特殊控制功能如继电保护、故障录波等都由独立的装置来实现，与DCS 系统无关。图1为传统电厂电气监控方案，在这个方案中，DC S 的I/O 板只能处理标准信号，模拟量需要经过变送器转换成标准的4～20mA 电流。DCS 可以实现对电气中的关键少量的信号的监视和控制，但需要大量的电缆和变送器，实施的成本比较高。 2 电厂电气自动化系统方案随着微机在继电保护和自动装置中的广泛应用，电气综合保护测控装置可以实现基于交流采样的保护、测量、录波、控制和通信，这些新型的微机保护测控装置可以非常方便地采用现场总线、工业以太网等技术组成网络，电厂电气监控也发展为以交流采样、数字通信为主要特点的综合自动化系统。 2.1 现场总线简介现场总线（Field Bus ）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，为底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信平台。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。现场总线的介质访问控制方式可满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性，但是现场总线的通信速率相对比较低，不适合大量的数据传输。2.2 工业以太网简介以太网和TCP/IP 协议在IT 行业得到了广泛应用，随着IEC 61158统一现场总线标准的失败，使得工业控制领域的专家将目标转向在IT 行业获得成功的以太网技术，以太网具有兼容性好、成本低廉、通信速率高等优点，但是也有实时性差、不确定性等问题。以太网适合应用于大数据量，实时性要求不是特别高的场合。2.3 电厂电气监控的特点电厂电气监控系统的范围包括厂用电系统、网控系统、机组系统等，其中网控系统可采用目前非常成熟的变电站自动化系统的技术，电厂电气监控系统具有以下特点： ? 系统的设备数量和种类多，信息量大，物理位置分

工业以太网与CAN总线的比较

工业以太网与CAN现场总线的比较方健摘要：工业以太网和现场总线是工业控制现场中的两大主要网络通信形式。本文分别简要介绍了工业以太网和CAN总线的内容，并对两者在优缺点、通信协议、在工业信息化网络的应用和通信方案进行了分析和比较。关键词：CAN现场总线；工业以太网；通信协议；工业控制；通信方案 A comparison between industrial Ethernet and CAN bus Fang Jian (Hubei Normal University school of mechanical electrical and control engineering Hubei, Huangshi,453002) Abstract:Both industrial ethernet and fieldbus are the two primary forms of network communication in the field of industrial control.In this paper ,the content of industrial ethernet and fieldbus are both briefly introduced.And It presents the analysis and comparison between the industrial Ethernet and the fieldbus on relative merits, communication protocol , Industrial information network and communication scheme. Key words:CAN bus;industrial ethernet; communication protocol;industrial control 1、引言现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。由于其表现出的强大的功能，现场总线已经成为工业生产中不可或缺的核心部分。发展比较成熟的现场总线有FF-Foundation Fieldbus，Lonworks，PROFIBUS，HART，CAN 等等。CAN（Controller Area Net）即控制器局部网依靠各自的优良特性和可靠性，被公认为最有前途的现场总线之一，应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。由于各个总线的采用的通信协议完全不同，实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的，应用受到了限制，主要应用于低速产品。而具有广泛性和技术先进性的以太网，可以作为现场总线的中高层通信网络，并开始逐步应用到工业控制现场。国内外的许多研究机构都致力于工业以太网的研究，使得工业以太网得到了快速的发展和很好的应用。 2、CAN总线和工业以太网 2.1、CAN总线的简介 CAN（Controller Area Network）－控制器局域网。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线最早是由德国Bosch公司在80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆、光导纤维，通信速率可达１Mbps[1]。 CAN 总线通信接口中集成了CAN 协议的物理层，数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充，数据块编码，循环冗余校验，优先级判别等项工作。CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

以太网和现场总线基础知识

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

几种典型工业以太网技术比较

1 工业以太网总览表1给出了常见的几种工业以太网及其管理组织。表1-1 常见工业以太网及其管理组织列表上述各种工业以太网管理组织的标识如图1所示。图1-1 工业以太网管理组织标识根据从站设备的实现方式，可将工业以太网分为三种类型：（1）类型A ——通用硬件、标准TCP/IP协议 Modbus/TCP、Ethernet/IP、PROFInet/CbA（版本1）采用这种方式。使用标准TCP /IP协议和通用以太网控制器，结构如图1-2所示。这种方式下，所有的实时数据（如过程数据）和非实时数据（如参数配置数据）均通过TCP/IP 协议传输。其优点是成本低廉，实现方便，完全兼容通用以太网。在具体实现中，某些产品可能更改/优化了TCP/IP协议以获得更好的性能，但其实时性始终受到底层结构的限制。

通用以太网控制器IP TCP/UDP IT 应用 HTTP SNMP FTP … 图1-2 工业以太网类型A 结构（2）类型B —— 通用硬件、自定义实时数据传输协议 Ethernet Powerlink 、PROFInet/RT （版本2）采用这种方式。采用通用以太网控制器，但不使用TCP/IP 协议来传输实时数据，而是定义了一种专用的包含实时层的实时数据传输协议，用来传输对实时性要求很高的数据，结构如图1-3所示。TCP/IP 协议栈可能依然存在，用来传输非实时数据，但是其对以太网的读取受到实时层（Timing-Layer ）的限制，以提高实时性能。这种结构的优点是实时性较强，硬件与通用以太网兼容。通用以太网控制器 IT 应用 HTTP SNMP FTP … 图1-3 工业以太网类型B 结构（3）类型C —— 专用硬件、自定义实时数据传输协议 EtherCAT 、SERCOS-III 、PROFInet/IRT （版本3）采用这种方式。这种方式在类型B 的基础上底层使用专有以太网控制器（至少在从站侧），以进一步

现场总线、以太网和两者合并的真相

现场总线、以太网和两者合并的真相继以太网和基于IP 的协议成功地取代了用于自动化的RS485 和专用同轴电缆解决方案之后，经常出现这种推测，即以太网将取代现场总线。同样，自从所有类型的以太网设备都能与同一个网络连接后，常常出现这样的建议，那就是以太网可能成为现场总线不能实现的单一协议问题的解决方案。使用现场总线和以太网的相互关联被极大地曲解了。本文进一步探讨了自动化系统集成的真实性、每种网络技术所扮演的角色以及用户处理许多运行在以太网上专用协议的方法。多年以来“现场总线”这个术语在许多方面经常使用，很难说出人们在使用这个词时它的真正含义。例如，HART 是现场总线吗？Profibus 和Modus 也是现场总线吗？使用这个词时仅仅是指定义在IEC61158 中的总线吗？它仅仅和用于过程自动化或机器自动化和运动控制的总线有关吗？一种总线必须提供本征安全的能力才称得上是现场总线吗？在过去的几年中，市场上有一种更加宽泛的定义解决了对现场总线的疑惑：现场总线可以指贯穿工厂层的在过程中将传感器/发送器和执行器/阀门连接起来的任何自动化总线。这还是很难理解当人们说传感器层的网络连接时他们的真正含义。这可以指它确实和传感器和发送器连接，但是它通常是指与按顺序连接到实际传感器的远程I/O 块相连接。大多数现场总线协议不是专用的。许多是基于IEC 或其他行业标准，例如用于以太网的IEEE 标准。然而，由于容量低于以太网，因此它们看起来相对特殊。什么是以太网和IP？以太网这个名字也被广泛地误解了。许多时候当问人们他们工厂中使用什么工业网络协议时，今天他们会回答是“以太网”或“TCP/IP”，正如过去他们回答“RS485”或“RS232”一样。这些实际上都是错误的，因为以太网和TCP/IP 不是完整的协议堆栈，正如RS232 和RS485 不是协议一样。然而，以太网和TCP/IP 为一些新的工业网络技术提供了基础。

EtherCAT - 以太网现场总线

EtherCAT - 以太网现场总线本文深入阐述了基于以太网现场总线系统的EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)技术。EtherCA T为现场总线技术领域树立了新的性能标准，具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，和现场总线系统一样操作直观简便。另外，由于EtherCAT实施的成本低廉，因此使系统得以在过去无法应用现场总线网络的场合中选用该现场总线。 1. 引言 1.1 以太网和实时能力 2. EtherCAT 运行原理 3. EtherCAT 技术特征 3.1 协议 3.2 拓扑 3.3 分布时钟 3.4 性能 3.5 诊断 3.6 高可靠性 3.7 安全性 3.8 EtherCAT 取代PCI 3.9 设备行规 3.9.1 EtherCAT实现CAN总线应用层协议(CoE) 3.9.2 EtherCAT实现伺服驱动设备行规IEC61491 (SoE) 3.10 EtherCAT实现以太网(EoE) 3.11 EtherCAT实现文件读取(FoE) 4. 基础设施成本 5. EtherCAT 实施 5.1 主站 5.1.1 主站实施服务 5.1.2 主站样本代码 5.2 从站 5.2.1 EtherCAT Slave Controller 5.2.2 从站评估工具包 6. 小结 7. 参考文献

1. 引言现场总线已成为自动化技术的集成组件，通过大量的实践试验和测试，如今已获得广泛应用。正是由于现场总线技术的普及，才使基于PC的控制系统得以广泛应用。然而，虽然控制器CPU的性能（尤其是IPC的性能）发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的―瓶颈‖。急需技术革新的另一个因素则是由于传统的解决方案并不十分理想。传统的方案是，按层划分的控制体系通常都由几个辅助系统所组成（周期系统）：即实际控制任务、现场总线系统、I/O系统中的本地扩展总线或外围设备的简单本地固件周期。正常情况下，系统响应时间是控制器周期时间的3-5倍。在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCA T可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术（参见图1）。图1:传统现场总线系统响应时间在现场总线系统之上的层面（即网络控制器）中，以太网往往在某种程度上代表着技术发展的水平。该方面目前较新的技术是驱动或I/O级的应用，即过去普遍采用现场总线系统的这些领域。这些应用类型要求系统具备良好的实时能力、适应小数据量通讯，并且价格经济。EtherCAT可以满足这些需求，并且还可以在I/O级实现因特网技术。 1.1 以太网和实时能力目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案；另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。如果将单个以太网帧用于每个设备，那么，理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网帧为84字节（包括内部的包间隔IPG）。如果一个驱动器周期性地发送4字节的实际值和状态信息，并相应地同时接收4字节的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%（即：无限小的驱动响应时间)时，其可用数据率也只能达到4/84= 4.8%。如果按照10 μs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。对所有发送以太网帧到每个设备(或期望帧来自每个设备)的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网帧内部所使用的协议则是例外。

现场总线和工业以太网

在工作中，很多新人问我究竟什么是现场总线，什么是工业以太网，对于刚入行的新人来说是比较难理解，我这里尽量采用通俗的讲法给大家解释一下现场总线和工业以太网。现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起俩的一种工业控制技术。通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同余计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。做过PLC的人都知道，如果现场有100个I/0点，我们就需从PLC柜引超过100根的电线到现场，如果是1000个呢？？所以有人就想，能不能把这些所有的点用一根电缆都连接起来呢？不错，现场总线就实现了这种功能。它及大方便了布线。还有一点，现场总线把原先PLC要实现的功能分散到了现场设备/仪表。还有一点很重要：现场总线采用的数字传输。数字化是各行各业普遍的趋势。我们的电视现在都数字化了。工业控制也要数字化！！数字传输比较模拟量传输就很大的优势！世界就是这么奇怪，当人类自以为聪明，把问题复杂话的时候惊奇的发现0和1才是世界的本质。哈哈~~ 现场总线技术实际上是次采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号和连接方式，它依次实现了控制层和现场总线设别之间的数据传输，同时保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点： 1、布线简单 2、开放性 3、实时性 4、可靠性对于上面几个概念应该都比较好理解，深入的了解，大家可以参考相关资料。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。还有一个问题，很多人常问：为什么有那么多的现场总线协议，那么多的工业以太网协议呢？工业网络的发展经历了20多年，由于对未来的自动化控制的战略意义重大，市场潜力巨大，国际上著名的自动化设备制造商都千方百计地研发有自己特色的工业网络，各种现场总线和工业以太网相继产生。为了统一这些标准，形成最终的唯一的世界标准，各方面都进行了长时间努力，但出于各自的利益，最终以失败告终，妥协形成了了多个标准: 现场总线的标准不断完善和更新，先后发表了3个版本，目前正在制定第4个版本。 IEC61158 ，1984年IEC提出现场总线国际标准草案，1993年才通过了物理层的标准，数据连路层的标准几经反复，修改的IEC61158国际标准才于1999年12月投票通过，形成2000年版本的IEC61158标准，共8中类型的现场总线：类型1：原IEC61158技术报告即FF H1 2：ControlNet

基于工业以太网的网络数控系统设计及实现

基于工业以太网的网络数控系统设计及实现3 梁志锋1,解翔2,唐小琦2 (1　广东省机械研究所,广州510000;2　华中科技大学国家数控中心,武汉430074) 摘要　在分析网络数控技术发展历史基础上,重点介绍工业以太网的网络数控系统硬件平台和软件平台的设计与实现,具有很强的实际应用性。关键词:网络数控　工业以太网　DNC 中图分类号:TP39119;TH16　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2006)01—0038—03 Design o f the netw orked num erical control system b ased on industrial E thernet Liang Zhifeng1,X ie X iang2,T ang X iaoqi2 (1　G uangdong Machinery Research Institute,uangzhou510000,CH N;2　National NC system Engineering Research Center,Huazhong University of Science&T echnogy,Wuhan430074,CH N) Abstract　The netw orked numerical control system based on industrial E thernet has already become the development trend of numerical control system.Has explained the design and implementation netw orked numerical control system based on industrial E thernet in the view of practical application.A fter analyzing the development history of the netw orked numerical control technology,explains the design and realization of hardware platform and s oftware platform of netw orked numerical control system based on industrial E thernet especially, with very strong actual using value. K ey w ords:Netw orked numerical control　Industrial E thernet　DNC 1　引言从企业实际需求来看,对于制造业,目前企业的MIS和ERP仅仅局限于通常的管理、设计开发等上层部分的信息化,是远远不够的,工厂、车间的最底层数控机床不能够连成网络,就必然成为制约制造业企业信息化的瓶颈,不能充分提高生产效率。对于面临全球化竞争的现代制造工厂,数控机床必须达到一定的数量或比例;其次就是把所拥有的数控机床组建成一个双向、高速的制造体系,彻底解决信息孤岛问题,构成数字化车间,以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 2　网络数控技术的发展 211　DNC系统及网络结构 DNC(Direct Numerical C ontrol,DNC)系统是指多台数控机床由一台计算机统一分配控制程序和进行管理。现在的DNC系统从内容和意义上已发展成为分布式数字控制(Distributed Numerical C ontrol,DNC)系统。从数控技术的发展分析,分布式数控系统是由直接数控系统发展而来的,是针对当时数控设备内存小、处理能力弱而产生的。以后出现的计算机数控广东经贸委项目(0612A2003040Π5) 开放式、网络化已成为当代数控系统发展的主要趋势。通过网络进行大系统的集成,便于实现车间自动化。参考文献: [1]　向华,陈吉红,周云飞.基于PC数控实时检测系统建模方法研究[J].中国机械工程,2003,14(20):1777-1779. 作者简介:向华,工学博士,主要从事精密测量、数控技术方面的研究。收稿日期:2005209228 83 　现代制造工程2006年第1期数控加工技术