[工业互联-3]：工业有线互联总线之工业以太网总线

目录

​​第1章 工业以太网概述​​

​​1.1 概述​​

​​1.2 工业以太网与普通以太网的比较​​

​​1.3 以太网在工业控制领域中应用的优势​​

​​1.4 工业以太网与其他工业互联总线的比较​​

​​第2章 工业以太网网络部署​​

​​第3章 工业以太网网络协议栈​​

​​3.1 传统以太网网络协议栈​​

​​3.2 工业以太网增加的应用层协议​​

​​3.3 Modbus-IDA与Modbus-TCP/IP​​

​​3.4 HSE（工业高速以太网：High Speed Ethernet）​​

​​3.5 ProfINet​​

​​3.7 Ethernet/IP​​

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第1章 工业以太网概述

1.1 概述

工业以太网是应用于工业控制领域的​​以太网技术​​，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容。但是实际产品和应用却又完全不同。工业以太网也是基于​​IEEE 802.3​​ (Ethernet)协议。

工业以太网， 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。

备注说明：

工业以太网不仅仅包括物理层+MAC层的以太网与工业的融合，还包含了TCP/IP协议栈与工业的融合。

1.2 工业以太网与普通以太网的比较

（1）相同点

工业以太网是应用于工业控制领域的​​以太网技术​​，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容。物理层协议和MAC层协议是完全兼容的。

（2）不同点

由于工业环境比办公环境和机房的环境要恶劣很多，因此，工业以太网有更好的工艺要求，主要表现在如下几个方面：

• 在材质的选用
• 产品的强度
• 适用性
• 实时性（是时延敏感的以太网）
• 可靠性（对丢包率提出了更高的要求）
• 抗干扰性
• 安全性

1.3 以太网在工业控制领域中应用的优势

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，已成为最受欢迎的工业通信网络之一。

近些年来，随着网络技术的发展,以太网进入了工业控制领域，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）无缝链接性：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，当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，其速率比现场总线快很多。

（五）延展性：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。

1.4 工业以太网与其他工业互联总线的比较

工业以太网的优势在哪里呢？

一、软件的支持广泛

以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。

二、通信速率高

10、100 Mb/s的​​快速以太网​​​在工业领域已开始广泛应用，1G、10Gb/s​​以太网技术​​​也已经成熟，而传统的​​现场总线​​最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。

显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的​​带宽​​要求。

三、资源共享能力强

随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

四、可持续发展潜力大

以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的​​现场总线​​技术都是无法比拟的。

同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的​​带宽​​和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足

第2章 工业以太网网络部署

第3章 工业以太网网络协议栈

3.1 传统以太网网络协议栈

工业以太网与传统以太网在网络协议栈上一致的，详细信息可以参考：

​​[架构之路-41]：目标系统 - 系统软件 - Linux下的网络通信-1-计算机网络拓扑架构、ISO协议栈、以太网协

3.2 工业以太网增加的应用层协议

（1）当以太网用于信息技术时

应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议，这些协议同样适用与工业以太网。

（2）当工业以太网用于工业控制时

当工业以太网用于工业控制时有其自身的特点，对应用层的实时性提出了更高的要求，但由于工业应用过于繁杂，目前没有形成一个大一统的应用层协议的国际标准。但受到广泛支持并已经开发出相应产品的有4种主要工业应用层协议：Modbus-IDA、HSE、ProfINet、Ethernet/IP。

说明：工业应用层是运行在TCP/IP/MAC之上的工业应用协议，这些协议。

• 可以承载在TCP/IP协议栈之上
• 可以承载在以太网MAC层协议之上
• 也可以承载其他工业MAC层协议之上

备注：

工业应用层协议并非是工业以太网引入的，而是工业互联中原有的应用层协议。只不过是在进入工业以太网之后，这些应用程协议可以承载在TCP/IP/以太网网络协议栈上进行传输。

3.3 Modbus-IDA与Modbus-TCP/IP

（1）Modbus-IDA

Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的应用层总线协议。为更好地普及和推动Modbus在基于​​以太网​​​上的分布式应用，目前施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA（In​​te​​​rface for Distributed Automa​​TI​​​on，分布式自动化​​接口​​）组织，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后的发展奠定了基础。IDA是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范，将一种实时的基于WEB的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结合，目标是创立一个基于TCP/IP的分散自动化的解决方案。

Modbus的协议本身并没有TCP/IP协议栈。

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。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​​。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。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。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 

当在一Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

在我国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。

据不完全统计：截止到2007年，Modbus的节点安装数量已经超过了1000万个。

Modbus具有以下几个特点：

• 标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus的厂家超过400家，支持Modbus的产品超过600种。
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• Modbus可以支持多种电气接口，如​​RS​​​-232、​​RS-485​​​等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、​​光纤​​、无线等。 　　
• Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

（2）Modbus TCP/IP

该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的 确定性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。

利用网络浏览器便查看企业网内部设备运行情况。施耐德公司已经为Mod-bus注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。

3.4 HSE（工业高速以太网：High Speed Ethernet）

HSE是以太网协议IEEE802.3，TCP/IP协议族与FFIll协议族的结合体。

工业现场总线基金会明确将HSE定位于实现应用层控制网络与传输层TCP/IP/以太网的集成。

3.5 ProfINet

针对工业应用需求，德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，主要包括：

基于组件对象模型(COM)的分布式自动化系统DCOM;

规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间的开放、透明通信;

提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。

ProfiNet采用标准TCP/IP协议栈 + 以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。

它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。

现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到ProfiNet网络当中，使整Profibus设备和协议能够原封不动地在 Pet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与ProFiNET上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象间的 调用。

3.7 Ethernet/IP

Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。

它是由ODVA(Open Devicenet Vendors Asso-cation)和Control Net International两大工业组织推出的最新成员与Device Net和Control Net一样，它们都是基于CIP(Controland Information Proto-Col)协议的网络。

它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式信息(包括用于组态、参数设置、诊断等) 的有效传输。

Ethernet/IP采用和DeviceNet以及ControlNet相同的应用层协议CIP。因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。Ethernet/IP采用标准的Ethernet和TCP/IP技术传送CIP通信包，这样通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的Ethernet和TCP/IP协议，就构成Ethernet/IP协议的体系结构。