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，Intranet/Internet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；
工业以太网的特色技术及其应用选择 发布时间：2007-05-15 浏览次数：105 | 我要说几句 | ?? 用户解决方案2012优秀论文合订本 ?? NIDays2012产品演示资料套件 ?? 《提高测量精度的七大技巧》资源包 ?? LabVIEW 2012评估版软件 关键词：工业以太网实时特色技术 编者按：工业以太网成为自动化领域业界的技术热点已有时日，其技术本身尚在发展之中，还没有走向成熟，还存在许多有待解决的问题。究竟什么是工业以太网，它有哪些特色技术，如何应用与选择适合自己需求的工业以太网技术与产品，依然是今天人们所关心的问题。 一什么是工业以太网 工业以太网技术，是以太网或者说是互联网系列技术延伸到工业应用环境的产物。前者源于后者又不同于后者。以太网技术原本不是为工业应用环境准备的。经过对工业应用环境适应性的改造，通信实时性改进，并添加了一些控制应用功能后，形成了工业以太网的技术主体。因此，工业以太网是一系列技术的综称。 二工业以太网涉及企业网络的各个层次
企业网络系统按其功能划分，一般称为以下三个层次：企业资源规划层(Enterprise Resource Plan NI ng, ERP)、制造执行层(Manufacturing Excurtion System, MES)和现场控制层(Field Control System，FCS)。通过各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业信息系统。( 见图1) 图中的ERP与MES功能层属于采用以太网技术构成信息网络。这个层次的工业以太网，其核心技术依然是信息网络中原本的以太网以及互联网系列技术。工业以太网在该层次的特色技术是对其实行的工业环境适应性改造。而现场控制层FCS中，基于普通以太网技术的控制网络、实时以太网则属于该层次中工业以太网的特色技术范畴。可以把工业以太网在该层的特色技术看作是一种现场总线技术。除了工业环境适应性改造的内容之外，通信实时性、时间发布与同步、控制应用的功能与规范，则成为工业以太网在该层次的技术核心。
工业以太网专业术语 一、拓扑结构 拓扑是网络中电缆的布置。众所周知，EIA-485或CAN 采用总线型拓扑。但在工业以太网中，由于普遍使用集线器或交换机，拓扑结构为星型或分散星型。 二、接线 工业以太网专题">工业以太网使用的电缆有屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）、多模或单模光缆。10Mbps 的速率对双绞线没有过高的要求，而在100Mbps 速率下，推荐使用五类或超五类线。 光纤链接时需要一对，常用的多模光纤波长为62.5/125μm 或50/125μm。与多模光纤的内芯相比，单模光纤的内芯很细，只有10μm 左右。通常，10Mbps 使用多模光纤，100Mbps下，单模、多模光纤都适用。 三、接头和连接 双绞线接头中RJ-45 较常见，共两对线，一对用于发送，另一对用于接收。在媒介相关接口（MDI）的定义中，这四个信号分别标识为RD+，RD-，TD+，TD-。 一条通信链路由DTE（数据终端设备，如工作站）和DCE（数据通讯设备，如中继器或交换机）组成。集线器端口标识为MDI-X 端口表明DTE 和DCE 可以使用直通电缆相连。假如是两个DTE或两个DCE相连？可以采用电缆交叉的方法或直接利用集线器提供的上连端口（电缆不要交叉）。 光纤接头有两种，ST 接头用于10Mbps 或100Mbps；SC接头专用于100Mbps。单模纤通常使用SC接头。DTE 与DCE 之间的连接只需依照端口的TX、RX 标识即可。 四、工业以太网与普通商用以太网产品 什么是工业以太网？技术上，它与IEEE802.3 兼容，但设计和包装兼顾工业和商业应用的要求。工业现场的设计者希望采用市场上可以找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑工业现场的特殊要求。首先考虑的是高温、潮湿、震动。第二看是否能方便地安装在工业现场控制柜内。第三是电源要求。许多控制柜内提供的电源都是低压交流或直流。墙装式电源装置有时不能适应。电磁兼容性（EMC）的要求随工业环境对EMI（工业抗干扰）和ESD （工业抗震）要求的不同而变化。现场的安全标准与办公室的完全不同。有时需要的是恶劣环境的额定值。工厂里采用的可能是工业控制柜标准而楼宇系统采用的往往是烟雾标准。显然低价的商用以太网集线器和交换机无法达到这些要求。 五、速度和距离 讨论共享型以太网的距离，不能忽略碰撞域（Collision Domain）的概念。 共享型以太网或半双工以太网的媒体访问是由载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）确定的。在半双工的通讯方式下，发送和接收不能同时进行，否则数据会发生碰撞。站点发送前，首先要看是否有空闲的信道。发送时，站点还会在一段时间内收听，确保在这一时间内没有其它站点在进行同步传送，最终本站发送成功。反之，发生碰撞，
以太网技术在工业控制领域的应用及意义 随着计算机和网络技术的飞速发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求。现场总线技术适应了工业网络的发展趋势，用数字通信代替传统的模拟信号传输，大量地减少了仪表之间的连接电缆、接线端口等，降低了系统的硬件成本，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，以及总线通信协议的多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作等，无法达到全开放的要求，因此现场总线在工业网络中的进一步发展受到了限制。 随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP 的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备取代工业网络中相对昂贵的专用总线设备。 Ethernet通信机制 Ethernet是IEEE802. 3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或是更高，传输介质可采用双绞线、光纤、同轴电缆等，网络机制从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，工作方式从单工发展到全双工。 在OSI/ISO 7层协议中，Ethernet本身只定义了物理层和数据链路层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。自从APARNET将TCP/IP和Ethernet捆绑在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作为其高层协议，TCP用来保证传输的可靠性，IP则用来确定信息传递路线。 Ethernet的介质访问控制层协议采用CSMA/CD，其工作原理如下：某节点要
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。用于将PG/PC连接到工业以太网。 工业以太网重要性能:为了应用于严酷得工业环境,确保工业应用得安全可靠,SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要得性能: ?工业以太网技术上与IEEE802、3/802、3u兼容,使用ISO与TCP/IP 通讯协议?10/100M 自适应传输速率 ?冗余24VDC 供电 ?简单得机柜导轨安装 ?方便得构成星型、线型与环型拓扑结构 ?高速冗余得安全网络,最大网络重构时间为0、3 秒 ?用于严酷环境得网络元件,通过EMC 测试 ?通过带有RJ45 技术、工业级得Sub-D 连接技术与安装专用屏蔽电缆得Fast Connect连接技术,确保现场电缆安装工作得快速进行 ?简单高效得信号装置不断地监视网络元件 ?符合SNMP(简单得网络管理协议) ?可使用基于web 得网络管理 ?使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络。 工业以太网冗余原理
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。 公司之间的通讯
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处理器。用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。 PG/PC 上的工业以太网通讯处理器。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 NET 为以太网技术补充了不少重要的性能： 工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通讯协议 10/100M 自适应传输速率 冗余24VDC 供电 简单的机柜导轨安装 方便的构成星型、线型和环型拓扑结构 高速冗余的安全网络，最大网络重构时间为0.3 秒 用于严酷环境的网络元件，通过EMC 测试 通过带有RJ45 技术、工业级的Sub-D 连接技术和安装专用屏蔽电缆的Fast Connect连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行 简单高效的信号装置不断地监视网络元件 符合SNMP（简单的网络管理协议) 可使用基于web 的网络管理 使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络 工业以太网的技术特点 工业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：
工业以太网的研究现状及展望1 陈积明 王智 孙优贤 (浙江大学工业控制研究所,杭州 310027) 摘要简单介绍了以太网的发展现状并针对以太网在工业应用中的不足综合了现阶段国内外的研究 提出了一些解决方案同时分析了工业以太网的发展前景 关键词QoS 交换式以太网 VLAN 虚拟冲突 环冗余 OPC 1 前言 在现代工业控制中由于被控对象测控装置等物理设备的地域分散性以及控制与监控等任务对实时性的要求工业控制内在地需要一种分布实时控制系统来实现控制任务[1] 在分布式实时控制系统中不同的计算设备之间的任务交互是通过通信网络以信息传递的方式实现的为了满足任务的实时要求要求任务之间的信息传递必须在一定的通信延迟时间内从信息传送到信息接收之间的全部通信延迟称作端对端的通信延迟它主要包括产生延迟排队延迟传输延迟和发送延迟四方面的因素其中排队延迟由通信网络的 MAC层决定工业通信网络的采用不仅为实现过程分布控制提供了现实可行的条件而且对系统的实时性提出了强烈的要求为了满足工业控制中对时间限制的要求通常采用具有确定的有限排队延迟的专用实时通信网络典型的实时通信网络就是现场总线它是应用在生产现场在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通讯系统又称为开放式数字化多点通讯的低层控制网络被誉为自动化领域的计算机局域网[2]它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点以现场总线为纽带连接成为可以互相通信沟通信息共同完成自控任务的网络化控制系统 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化网络化和智能化发展的方向并且促使目前的自动化仪表DCS和可编程控制器(PLC)等产品面所临体系结构和功能结构的重大变革导致工业自动化产品的又一次更新换代现行的现场总线有FF PROFIBUS WorldFIP P-NET CAN和LONWORK等[3] 尽管现场总线获得了巨大的成功然而现场总线这类专用实时通信网络具有成本高速度低和支持的应用有限等缺陷如何利用COTS Commercial off-the shelf技术来满足工业控制需要是目前迫切需要解决的问题[4]其中如何把Ethernet应用到工业已经成为工业控制和实时通信研究的热点 Ethernet作为一种成功的网络技术进入市场已经将近二十年了在办公自动化和工业界获得了广泛的应用因为Ethernet具有成本低稳定和可靠等诸多优点Ethernet已经成为最受欢迎的通信网络之一然而由于Ethernet 的MAC层协议是CSMA/CD各个节点采用1坚持BEB Binary Exponential Back-off算法处理冲突具有排队延迟不确定的缺陷无法保证确定的排队延迟使之无法在工业控制中得到有效的使用随着IT技术的发展Ethernet的发展也取得了本质性的飞跃先后产生高速Ethernet和千兆Ethernet 产品和国际标准以及即将出现的十千兆Ethernet产品和国际标准针对Ethernet的排队延迟不确定性Ethernet又增加了双工通信技术交换技术信息优先级等来提高提高实时性同时Ethernet又改进了容错技术Ethernet的新变化已经引起工业通信系统供应商和用户的高度重视他们迫切需要知道Ethernet是否满足工业控制的要求采用 Ethernet能够带来哪些好处和需要解决哪些问题现在在美国成立了工业自动化通信网络联盟Industrial Automation Network Alliance, IANOA其主要目的在于建立Ethernet 为工业控制中的通讯标准[5]在欧洲成立了IANOA的联盟其主要目的推广Ethernet在工 1基金项目国家自然科学基金资助项目编号6008401
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。
工业以太网技术全面解析 高性能、工厂设备和IT系统集成，以及工业物联网的需求驱动促进了工业以太网的增长。在实时工业以太网中，EPA、EtherCAT、RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的竞争者。下面对它们进行简单比较。Ethernet/IP Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODV A( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。 实现实时性的方法 Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。 Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术，在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。UDP是一种非面向连接的协议，它能够工作在单播和多播的方式，只提供设备间发送数据报的能力。对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据，使用UDP/IP协议来发送。而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。这样数据源只需一次性地把数据传到网上，其它节点有选择地接收数据，这样提高了通信的效率。 Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议，且独立于物理层及数据链路层，这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。另外，为了获得更好的时钟同步性能，2003年ODV A将 IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。 EPA EPA是在“863”计划的支持下，由浙江大学、清华大学、浙江中控技术公司、大连理工大学、中科院自动化所等单位联合制定，是用于工业测量和控制系统的实时以太网标准。
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
六种工业以太网比较 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
六种工业以太网比较 摘要：当前，工业以太网技术是控制领域中的研究热点。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、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。随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前，几种典型的工业以太网有HSE、PROFInet、Modbus/TCP、EtherNet/IP、Powerlink、EPA六种。本文通过对这六种工业以太网比较，以便更好的应用于系统集成。 关键词：工业以太网、HSE、PROFInet、Modbus、EtherNet、Powerlink、EPA 与传统控制网络相比，工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所持、软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。由于这些优点，特别是与信息传输技术的无缝集成以及传统技术无法比拟的传输宽带，以太网得到了工业界的认可。 1．HSE(高速以太网) HSE(High Speed Ethernet Fieldbus)由现场总线基金会组织(FF)制定，是对FF-H1的高速网段的解决方案，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构。 FF HSE的1-4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当
各种工业以太网的区别其实就是协议的区别，其中最主要的还是应用层协议的区别。 都是以太网通讯，只是每个公司的叫法不一样，西门子用PROFINET、AB用Ethernet IP、施耐德的MODBUS TCP/IP。 取个例子，以太网就像高速公路，Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP/IP分别像高速公路上的宝马、奔驰、奥迪车，都可以从一个城市把物品运送到另一城市。但是每个车上安装的零件无法和另一车上的零件进行更换。 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)。 Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP 协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议西蒙公司开发 Ethernt/IP属于ODVA组织，Rockwell只是其中一个推广力度比较大的公司而已。施耐德也是ODVA组织的成员，施耐德所有PLC都可以支持Ethernt/IP协议。Ethernt/IP协议是十大总线之一，和Controlnet、Devicenet一起称为CIP总线。可以实现协议间路由，但是需要Rslinx 软件进行配置。通讯时需要设置RPI参数，没有任何客户端的反馈信息，因此不管现场客户端是否收到数据，数据一致由服务器不断的发，缺少相应的检测。 PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。 PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。 MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O 模块的网关服务的。 MODBUS/TCP协议是作为一种（实际的）自动化标准发行的。既然MODBUS已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而，本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是MODBUS作为可编程的协议交替用于PLC’s的“多余部分”。 它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用的和可选的，特别是那些适用于特殊设备如PLC’s的报文。 Modbus TCP/IP由Modbus IDA组织提出，有施耐德旗下的Modicon公司主推，在目前施耐德所有PLC产品中都支持，同时也支持Ethernet/IP协议，Modbus TCP/IP是免费的、全开放协议，可以用VB等高级编程语言调用winsock控件即可实现与PLC的数据通讯，因此，很
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
工业以太网网络规划原则 不管“工业 4.0”还是“工业互联网”其技术本质都是自动化与信息化的深度融合。在融合的过程中网络会不断地增长。不断增长的网络复杂度为工业控制网络的设计方法提出了新的挑战。 目前实际工业应用的网络一般由控制工程师成设计，网络性能主要由控制工程师经验决定。但是随着网络复杂度增加，这难以保持高效与可靠。在大规模网络中，如何确定网络性能的瓶颈变得非常的棘手。并且，小规模网络中获取的网络设计经验未必适用于大规模网络。控制工程师设计工业控制网络需要保障网络 QoS 性能，避免工业控制网络的性能成为工业自动化系统性能的瓶颈。 工业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。工业以太网制造现在信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实现真正意义上的“E网到底”奠定了良好的基础。工业以太网已经被业内认为是未来控制网络的最佳解决方案，
也是当前现场总线中的主流技术（如下图1是工业以太网在工业控制系统的各个层级的应用）。 图1、工业以太网在自动化系统各个层级的应用 在上图中虽然从网络的网络上在自动化系统的各个层级都可以是以太网，但在各个层级上的以太网上运行的协议并不相同，这是由于控制系统的应用决定的。在控制系统的各个层级对传输的数据量、响应时间、传输的频次等的要求如下图2所示。
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
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)。 Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP 协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议西蒙公司开发 PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。 PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。 MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O 模块的网关服务的。 MODBUS/TCP协议是作为一种（实际的）自动化标准发行的。既然MODBUS已经广为人知，该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而，本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值，哪些部分是MODBUS作为可编程的协议交替用于PLC’s的“多余部分”。 它通过将配套报文类型“一致性等级”，区别那些普遍适用的和可选的，特别是那些适用于特殊设备如PLC’s的报文。 POWERLINK=CANopen+Ethernet 鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础，EthernetPOWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO 和PDO 数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO和PDO 对象字典的结构 虽然这些工业以太网都是国际标准，但是指的是IEC 61784里的标准，但是这些工业以太网不都是标准的以太网。即这些工业以太网并不都是符合IEEE802.3U的标准，这当中只有Modbus-TCP和EtherNet/IP是符合IEEE802.3U的，只有符合IEEE802.3U标准的，才能与IT 和以太网将来的发展相兼容。而不符合IEEE802.3U标准的，基本上可以讲不是以太网，它们都对以太网进行了修改，或者是硬件或者是软件，已经不是以太网了。
目录 1．现场总线控制技术与工业以太网2.工业以太网实时性问题3．Ethernet／IP协议简介4．Ethernet／I P通信适配器硬件设计与实现 5．EtherNet/IP 工业以太网优缺点及发展前景
Ethernet／IP协议简介 1 现场总线控制技术与工业以太网 20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。 现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4--20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。 控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，P．Net，World FIP，Swift Net，FF之高速EtherNet即HSE。这8种现场总线互不兼容，这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31．25kbps，高速总线H2的传输速度为1 Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。又如广泛用于汽车行业的Can总线 系统，其最高的传输速率为1 Mbps／40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。 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。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA／CD)通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研