工业以太网讲义

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1、工业以太网周纯杰教授华中科技大学控制系内容介绍：为什么工业领域需要以太网以太网技术的基本原理工业以太网与商业以太网的区别几种主流的工业以太网标准嵌入式工业以太网协议栈的设计总结为什么工业领域需要以太网原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性1999年现场总线技术标准IEC61158终于尘埃落定,有8种总线成为国际电工委员会(IEC)现行的现场总线技术标准。它们分别是:①基金会现场总线FF(fundationfieldbus);②ControlNet;③Profibus;④P-Net;⑤FF(fi

2、eldbusfundation)高速以太网HSE;⑥SwiftNet;⑦WorldFIP;⑧Inter-bus.从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致在一个具体应用中可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表,需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。原因二：信息集成有新的要求带宽问题：一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议比较简单,通信速率比较低。如基金会总线FF的H1和PROFIBUS-PA的传输速率只有31.25Kbps。但随着仪器仪表智能化

3、的提高,传输的数据也必将趋于复杂,未来传输的数据可能已不满足于几个字节,甚至是WEB网页,所以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。与商业网集成问题：在制造加工工业中，能够走出办公室,在任何地方对企业生产进行实时监控,无疑是各个企业提高生产效率、增强竞争力的有效方法。如此一来，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接,将底层信息集成到车间、公司级的数据库中,通过WEB方式浏览和交互控制。现有现场总线标准大都无法直接与互联网连接，需要额外的网络设备才能完成通信。原因三：工业以太网的技术优势(1

4、)解决协议的开放性和兼容性问题。工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为PLC厂家和DCS厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)的传统以太网标准的基础上发展起来的，但它的传输速度从10Mbps提升到了100Mbps。在大多数场合，它还可以使用已有的布线。此外，以太网还允许逐渐采用新技术。也就是说，没必要一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。(2)解决带宽需求问题。以太网最初的数据传输速度只

5、有10Mbit/s，随着1996年快速以太网标准的发布。以太网的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太网需要1.2毫秒才能传送一个1518字节大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到120秒；如果采用千兆以太网，这一时间只需12微秒。(3)解决与商用以太网集成问题。以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,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

6、。(4)以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。什么是以太网?1980年DEC(digitalequipmentcorporation)、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EthernetⅡ。与DIX同步的是IEEE成立的至今闻名的802.3委员会。1985年，IEEE802.3委员会发布了CSMA/CD访问方法和物理层规范。

7、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。以太网标准包括：physicallayer:media,configurationdatalinklayer:MACprotocol,CSMA/CDPASFDDASATypeDataPacketFCSEthernetHeaderDataField7166246-1500bytes4AnEthernetIIframe以太网帧结构EverydevicehasuniqueaddressMulticasting,broadcasting

8、supportedPASFDDASALength802.3HeaderandDataPacketFCS7166246-1500bytes4An802.3frameSOF1CSMA/CDCarrierSense(CS)—“侦听”在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲，等待一个IFG(46bit时间)后便立刻发送信息帧MultipleAccess(MA)—“多点接入”如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突CollisionDetect(CD)—“冲突检测”