工业以太网协议之网络7层协议
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。
西门子通信协议
四、PROFINET 4.1 PROFINET PROFINET 定义
PROFINET 代表 PROcess FIeld NET，是基于工业以 太网的工业自动化开放式创新标准。 使用 PROFINET，可 在生产自动化和运动控制中实施解决方案。
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四、PROFINET 4.1 PROFINET PROFINET 定义
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三、以太网工业通信 3.3 ISO/OSI 参考模型中的以太网
工业以太网以参考模型的各个层为基础，其提供若干用 户接口，通过这些接口可使用各种协议的通信服务。
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三、以太网工业通信 3.3 ISO/OSI 参考模型中的以太网 图 2-6 ISO/OSI 参考模型中的以太网
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三、以太网工业通信 3.3 ISO/OSI 参考模型中的以太网 图 2-6 ISO/OSI 参考模型中的以太网
在单元级，采集的过程数据会分发给操作员监控的各种 自动化系统或 PC。 此处，通信网络工业以太网和 PROFIBUS 在 SIMATIC NET 中使用。
更高级的管理功能在管理级处理。 在此，将对过程数据 进5行保存、进一步处理或将其用于分析。 对于此类任务，工
一、SIMATIC NET 及协议 1.1 SIMATIC NET 中定义了哪些协议？
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三、以太网工业通信 3.1 工业以太网
工业以太网主要特征如下： （1）为不同的的应用领域（例如管理和工厂）联网。 （2）设计可靠且抗电磁干扰。 （3） 高传输性能（100 Mbps 和 1 Gbps）。 （4） 支持各种传输介质，例如双绞线或光纤电缆。 （5） 交换型以太网技术使性能可扩展。
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三、以太网工业通信 3.2 交换型以太网
交换型以太网定义：交换型以太网将网络分割成由交换机 链接的各个段。
ModbusTcp协议详解
ModbusTcp协议详解Modbus TCP协议详解一、概述Modbus TCP是一种基于TCP/IP网络的通信协议，用于在工业自动化系统中实现设备之间的通信。
它是Modbus协议的一种变体，具有简单、高效、可靠的特点，被广泛应用于工业控制领域。
二、协议结构1. 物理层Modbus TCP协议使用以太网作为物理层传输媒介，支持10Mbps和100Mbps的传输速率。
数据通过以太网的数据链路层进行传输。
2. 传输层Modbus TCP协议使用TCP作为传输层协议，确保数据的可靠传输。
TCP提供了可靠的连接、流量控制和拥塞控制机制，保证了数据的完整性和准确性。
3. 应用层Modbus TCP协议的应用层采用了Modbus协议的数据格式和功能码。
数据格式包括消息头和消息体两部分。
消息头包括以下字段：- 事务标识符（Transaction Identifier）：用于标识请求和响应之间的对应关系。
- 协议标识符（Protocol Identifier）：用于标识Modbus协议。
- 长度字段（Length）：表示消息体的长度。
- 单元标识符（Unit Identifier）：用于标识设备。
消息体包括以下字段：- 功能码（Function Code）：用于指定请求或响应的功能。
- 数据字段（Data）：包含具体的请求或响应数据。
三、功能码Modbus TCP协议定义了一系列功能码，用于实现不同的功能。
常用的功能码包括：1. 读取线圈状态（Read Coils）：用于读取线圈的状态（开关量）。
2. 读取离散输入状态（Read Discrete Inputs）：用于读取离散输入的状态（开关量）。
3. 读取保持寄存器（Read Holding Registers）：用于读取保持寄存器的值（16位整数）。
4. 读取输入寄存器（Read Input Registers）：用于读取输入寄存器的值（16位整数）。
5. 写单个线圈（Write Single Coil）：用于写入单个线圈的状态。
Modbus_TCP协议的分析与应用
摘要M odbus 是目前应用最广泛的现场总线协议之一，1999年又推出了在以太网上运行的M odbus/TC P 工业以太网协议。
本文对M odbus 协议进行了分析，给出了协议的帧格式和通信过程，并介绍了该协议良好的应用前景。
关键词M odbusM odbus/TC P 现场总线工业以太网1引言随着企业信息化进程的深入发展，实现企业上层管理网络与现场控制网络的无缝连接显得越来越重要。
在企业管理信息系统中由于以太网技术应用广泛，线缆和接口设备价格相对较低等特点在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到广泛应用，同时已呈现出向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。
基于这种发展现状，越来越多的人希望以太网技术能介入过程控制层，广泛取代目前种类繁多、标准不一的现场总线技术，这不仅可以使企业的管理信息系统实现垂直方向的集成，而且能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。
工业以太网是以太网技术向工业控制领域渗透催生的产物，一般是指技术上与商用以太网(即IEEE802.13或IEEE802.11系列标准)兼容，但在产品设计、材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。
工业以太网基于成熟的以太网技术和TCP/IP 技术，具有较高实时性和传输能力。
2现场总线协议Modbus 与工业以太网协议Modbus/TCPM odbus 现场总线协议是Modicon 公司于1978年发明的一种工业控制器的网络协议。
通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以进行通信。
因为Modbus 协议是属于应用层的通信协议，位于OSI 模型的第7层[1]。
它与物理层的设备和电气接口无关，既支持传统的RS232/RS485通信标准也支持以太网通信标准，所以根据物理层层网络的不同Modbus 协议被分成串行链路版本和运行在以太网的Modbus/TCP 版本。
工业自动化中的工业以太网通信考核试卷
B. HTTP
C. FTP
D. Modbus TCP
18.以下哪些技术可以用于提高工业以太网的安全性：（）
A.端口安全
B. VLAN隔离
C.防病毒软件
D.物理隔离
19.工业以太网通信系统中，以下哪些设备可以用于网络管理：（）
A.网络分析仪
B. SNMP管理软件
C.串行通信接口
D.网络交换机
工业自动化中的工业以太网通信考核试卷
考生姓名：__________答题日期：_______年__月__日得分：_________判卷人：_________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
1.工业以太网在工业自动化中主要用于：（）
A. Modbus TCP
B. EtherCAT
C. Profinet
D. OPC UA
18.以下哪个因素不会影响工业以太网的通信质量：（）
A.网络带宽
B.网络延迟
C.温度
D.湿度
19.在工业以太网通信系统中，以下哪种设备主要用于实现时钟同步：（）
A.交换机
B. PLC
C.网络时钟服务器
D.路由器
20.以下哪个选项不属于工业以太网的安全措施：（）
9. AB
10. ABCD
11. ABC
12. AB
13. ABCD
14. ABCD
15. ABCD
16. ABD
17. BD
18. ABCD
19. AB
20. D
三、填空题
1. 1冗余
4.硬件时间戳
5.交换机
6.网络时钟服务器
Profinet工业以太网实时通信协议分析
通用低压电器篇孙凡金(1977 ),男,副教授,博士,研究方向为网络控制系统。
Profi net 工业以太网实时通信协议分析孙凡金,!刘彦呈,!潘新祥(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连!116026)摘!要:在分析P ro fi net 关键技术组成的基础上,对其实时性优化技术进行了综述,并通过分析通信连接的建立及维护,实时协议的组成及通信策略,以及RT 与I RT 的通信技术与实现方法,从整体上研究了P rofi net 实时性优化的协议组成及基本特性,对设计与优化基于Profi net 工业以太网的自动化系统具有一定借鉴。
关键词:Prof i ne t ;实时性;通信连接;同步中图分类号:T P 393.04!文献标识码:A !文章编号:1001 5531(2008)21 0030 04The Anal ysis of the Real T i m e Co mmun icati onProtocol i n Profinet !!!SU N Fanji n ,!LIU Yancheng,!PAN X i n x iang(Schoo l ofM arine Eng i n eeri n g ,Da lian M ariti m e Un iversity ,Da lian 116026,Ch i n a)!!Abstract :Based on the analysis o f P ro fi net ∀s key techno l ogy ∀s constituti on ,its rea l ti m e opti m iza tion tech no l ogy w as survey ed .By ana l yz i ng t he buil d and m ai n tenance of co mmun ica ti on connect ,rea l ti m e protoco l ∀s con stituti on and communicati on stra tegy ,RT and I RT ∀s communicati on techno logy and rea liza ti onm e t hod ,t he protoco l constit ution and basi c character i stics for P ro fine t rea l ti m e opti m i zati on w ere st udied ,wh ich can be re ference f o r de si gn i ng and opti m izi ng autom ati c system based on Profi net .K ey words :Profi n et ;real ti m e ;co mmun icati on connect ;synch ronous刘彦呈(1963 ),男,教授,博士生导师,研究方向为工业监控网络。
工业以太网简介
6. 电子商务级（L5）：使用各种电子工具从事商务或活动。
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企业级（管理级）
1 工业以太网概述
控制级（单元级） 现场级
PROCESS FIELD BUS
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1 工业以太网概述
1.2 工业以太网的特点及应用安全的要求
1、通信实时性 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时
的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实 时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要 有针对这一问题的切实的解决方案。
3. 过程控制级（L2）：二级，是围绕机组的工艺控制模型为主的部分，就是计 算机控制，有一定的控制模型和画面，但是这个计算机控制是单个工序的控 制，比如转炉、精炼、连铸的操作室里的计算机控制；核心是配套的生产过 程控制数学模型，既为过程控制级。
4. 生产控制级（L3）：三级，就整个厂的综合管理，主要完成整个厂各机组的 生产计划的管理，生产合同的跟踪，中间库和成品库管理等。
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1 工业以太网概述
以太网的由来 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网
的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威 夷大学。
1980 年DEC( digital equipment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度 为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet Ⅱ。与DIX同 步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会。1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范。尽 管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它 就是以太网。
工业控制网络与人机界面组态课件 工业以太网技术与应用
（4）安装方便 适应工业环境的安装要求，如 采用DIN导轨安装。
3.2 工业以太网原理与体系结构
6.2.1 通信模型
工业以太网协议有多种，如HSE、PROFINET、 Ethernet/IP、MODBUS/TCP等，它们在本质上仍基于以太 网技术（IEEE802.3标准)，对应于ISO/ISO通信参考模型， 工业以太网在物理层和数据链路层均采用了IEEE802.3标 准，在网络层和传输层则采用被称为以太网“事实上”标 准TCP/IP协议族（包括UDP、TCP、IP、ARP、ICMP、IGMP 等协议），它们构成了工业以太网的低四层。在高层协议 上，工业以太网协议通常都省略了会话层、表示层，而定 义了应用层。有的工业以太网协议还定义了用户层（如 HSE），由于资料有限，这里仅以Ethernet/IP为主进行介 绍。
EtherNet/IP用TCP协议发送显式报文，用UDP发送隐 式报文。 3）基于连接的数据通信方式 4）数据触发方式的多样性（轮询、状态改变、循环和选通）
CIP的主要特点
◆轮询方式：主节点以点对点方式依次向各个从节点发送 轮询命令报文，轮询命令报文包含轮询命令和输出数据。
◆循环方式：循环方式是每隔一段时间发送一次I/O数据。 ◆选通方式： 位选通方式下主节点发出一个若干字节的广
第三章 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；
工业上的几种通讯协议
每个仪表都有自己独特的通讯协议，常见的有modbus通讯协议、RS-232通讯协议、RS-485通讯协议、HART通讯协议等等，那么这些通讯协议究竟是怎么工作的，有哪些优缺点呢？本文将重点介绍目前常见的几种通讯协议！帮助仪表人学习。
通讯协议：又称通信规程，是指通讯双方对数据传送控制的一种约定。
约定中包括对数据格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。
常用的仪表通讯协议有：•modbus通讯协议•RS-232通讯协议•RS-485通讯协议•HART通讯协议。
•MPI通信•串口通信•PROFIBUS通信•工业以太网•ASI通信•PPI通信•远程无线通信•TCP•UDP•S7•profibus•pofinet•MPI•PPI•Profibus-DP•Devicenet•EthernetModbus通讯协议1Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。
此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。
由于modbus协议是完全公开透明的，所需的软硬件又非常简单，这就使它成为了一种通用的工业标准。
许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。
有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
特点Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。
通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。
它已经成为一通用工业标准。
此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。
modbus通讯协议是一种主从式异步半双工通信协议，采用主从式通讯结构，可以使一个主站对应多个从站进行双向通信。
它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。
几种典型工业以太网技术比较
4 Ethernet Powerlink
Ethernet POWERLINK（以下有时简称为 EPL）自 2001 年由贝加莱公司推出 以来，存在三个版本，如图 4-1 所示。
图 4-1 EPL 版本
4.1 技术特点（贝加莱宣称） （1）单个网段最多连接 240 个实时站点； （2）真正的确定性通信； 达到 IAONA 实时等级 4 级（最高等级）； 快速，100Mbit/s，最小循环周期 200us； 网络站点之间精确同步，抖动小于 1us。 （3）标准化； 底层技术采用 IEEE802.3u，快速以太网； 支持 IP 协议（TCP，UDP…）； 集成 CANopen 行规 EN50325-4，实现设备的互操作性； 基于标准的以太网芯片，不需要特别的 ASICs。 （4）直接点到点通信； （5）支持热插拔； （6）支持多 CPU 解决方案，优化负载，使之大体平衡。
几种典型工业以太网技术比较
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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。
序号 1 2 3 4 5 6
表 1-1 常见工业以太网及其管理组织列表
名称 Modbus/TCP Ethernet/IP Ethernet Powerlink PROFInet SERCOS-III EtherCAT
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（2）通信应用层：一个 Modbus 设备可以提供一个客户机和/或一个服务器 Modbus 接口，并提供 Modbus 客户接口，使用户应用可以生成各类 Modbus 服务 请求。
（3）TCP 管理层：负责全面管理报文传输 TCP 连接，并控制未知 IP 地址 的访问连接以保证数据安全。TCP 502 端口是为 Modbus/TCP 保留的，每个 Modbus 服务器必须在 502 端口提供监听服务，允许建立连接和交换数据，而 Modbus 客户机端口必须大于 1024。
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工业以太网协议之网络 7 层协议
摘要: 今天我将用大家都能理解的比喻形式把以太网的协议层的概念讲
解清楚。大家在上大学期间应该会接触网络基础这门课程，在那里边会提到
以太网的 7 层协议，工控的技术人员很少会对此深究，只是作为基础掌握一
些知道有哪几 ...
今天我将用大家都能理解的比喻形式把以太网的协议层的概念讲解清楚。
大家在上大学期间应该会接触网络基础这门课程，在那里边会提到以太网的
7 层协议，工控的技术人员很少会对此深究，只是作为基础掌握一些知道有
哪几层就可以了，至于是干什幺起什幺作用，就不是很清楚了。工控的今天
已经从单元控制晋升到网络控制，而这其中工业以太网正是网络控制的中坚
力量。以太网的协议层是建立在 OSI 模型的基础上的，在这里我就要讲一下
OSI 模型。OSI 模型，即开放式通信系统互联参考模型(Open System
Interconnection)，是国际标准化组织(ISO)提出的一个试图使各种计算机在世
界范围内互连为网络的标准框架，简称 OSI。
OSI 的层次划分：OSI 将计算机网络体系结构(architecture)划分为以下七
层：
1、物理层 Physical Layer
2、数据链路层 Data Link Layer
3、网络层 Network Layer