1、工業控制網絡工業以太網和PROFInet（課程期末結課匯報）C目錄ONTENTS01工業以太網02PROFInet03PROFInet的通信技術04應用案例第 一 章工業以太網，是當前工業控制領域的研究熱點。重點在于利用交換式以太網技術為控制器和操作站，各種工作站之間的相互協調合作提供一種交互機制并和上層信息網絡無縫集成。雖然脫胎于Intranet、Internet等類型的信息網絡，但是工業以太網是面向生產過程，對實時性、可靠性、安全性和數據完整性有很高的要求。工業以太網Part one工業以太網，是當前工業控制領域的研究熱點。重點在于利用交換式以太網技術為控制器和操作站，各種工作站之間的相互

2、協調合作提供一種交互機制并和上層信息網絡無縫集成。雖然脫胎于Intranet、Internet等類型的信息網絡，但是工業以太網是面向生產過程，對實時性、可靠性、安全性和數據完成性有很高的要求。工業以太網提供了針對制造業控制網絡的數據傳輸的以太網標準。該技術基于工業標準，利用了交換以太網結構，有很高的網絡安全性、可操作性和實效性，最大限度地滿足了用戶和生產廠商的需求。工業以太網以其特有的第成本、高實效、高擴展性及高智能的魅力，吸引著越來越多的制造業廠商。工業以太網隨著信息技術的不斷發展，信息交換技術覆蓋了各行各業。在自動化領域，越來越多的企業需要建立包含從工廠現場設備層到控制層、管理層等各個層次

3、的綜合自動化網絡管控平臺，建立以工業控制網絡技術為基礎的企業信息化系統。HSE(High Speed Ethernet，高速以太網)。FF現場總線HSE是現場總線基金會在摒棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現場總線基金會明確將HSE定位成實現控制網絡與互聯網Internet的集成。由HSE鏈接設備將H1網段信息傳送到以太網的主干上并進一步送到企業的ERP和管理系統。操作員在主控室可以直接使用網絡瀏覽器查看現場運行情況。現場設備同樣也可以從網絡獲得控制信息。HSEPROFInetEPAPROFInet包含3方面的技術： 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統； 規定了Profibus和標

4、準以太網之間的開放、透明通信； 提供了一個包括設備層和系統層、獨立于制造商的系統模型。EPA是EthernetforProcessAutomation的縮寫，它是順應廣大儀器儀表開發企業與最終用戶的要求，將Ethernet、TCP/IP等商用計算機通信領域的主流技術直接向下延伸，應用于工業控制現場設備（如變送器、執行機構、現場I/O等）間的通信，并在此基礎上，建立的應用于工業現場設備間通信的開放網絡通信平臺，從而用以太網統一企業信息化系統中從底層的現場設備層到上層的控制層、管理層的通信網絡，即所謂的“E（Ethernet）網到底”。Ethernet/IP幾種常見的工業以太網工業以太網技術通信確

5、定性與實時性快速以太網交換式以太網技術 全雙工通信又使得端口間兩 對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發送報文幀，也不會發生沖突穩定性與可靠性專門開發和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。 特別設計用于連接工業應用中具有以太網絡接口的工業設備 兼容性好，適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作等問題。 01020304技術特點數據傳輸速率高、傳輸距離遠，具有10100M/bits的自適應傳輸速率，傳輸距離最大可達150km。可以通過Internet對企業生產進行遠程監控。實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接，實現

6、企業管控一體化。抗干擾能力強，適應嚴酷的工業生產環境。04快速的網絡故障定位與診斷。0103050204以太網用于工業領域的關鍵問題Ethernet實時通信服務質量支持策略滿足通信一致性和互可操作性的應用層、用戶層協議規范網絡可用性網絡安全性本質安全與安全防爆技術Ethernet實時通信服務質量支持策略通信實時性問題總線供電對環境的適應性與可靠性的問題傳統以太網由于采用載波監聽多路訪問/沖突檢測的通信方式，在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸會產生傳輸延滯。以太網若采用UDP，它提供不可靠的無連接數據報傳輸服務，不提供報文到達確認、排序以及流量控制等功能，因此報文可能會丟失、重復以及亂序等

7、。網絡傳輸介質在用于傳輸數字信號的同時，還為網絡節點設備提供工作電源，成為總線供電。工業以太網的總線供電問題還沒有完美的解決方案。主要是本質安全和網絡安全。工業以太網由于工作在工業環境之中，因此必須考慮本質安全問題；另外，由于使用了TCP/IP，因此可能會向商業網絡一樣，被病毒、黑客等非法入侵與非法操作而產生安全威脅。以太網用于工業領域的關鍵問題本質安全第 二 章PROFInetPart twoPROFIBUS國際組織于1999年開始研發新一代總線系統PROFINET。因全球知名的自動化設備制造商的支持，2000年底，PROFINET正式成為了IEC61158標準的第10種現場總線。概述PRO

8、FIBUS國際組織于1999年開始研發新一代總線系統PROFINET。因全球知名的自動化設備制造商的支持，2000年底，PROFINET正式成為了IEC61158標準的第10種現場總線。 PROFINET是一種基于工業以太網和IT標準的現場 總線通信系統，具有比PROFIBUS更多的優點，因而在自動化控制領域中得到越來越廣泛地應用。 常見網絡結構常見網絡結構要求使用帶有交換功能的設備！1ms10ms100msInternet 工廠自動化運動控制PROFINET TCP/IPReal-Time過程數據在一根電纜上的無約束的IT服務和實時數據傳輸IT-服務非實時實時 (RT)同步實時 (IRT)相

9、應時間大約 100 ms性能類似于當前的現場總線 輪詢周期 1ms，抖動精度1sPROFInet時事通訊REAL-TIME協議遵循 IEEE 802.3 標準化的報文格式 符合 IEEE 的PROFINET 實時信息幀0 x0800: IP 信息幀0 x8892: PROFINET 實時信息幀根據接收數據幀的ID來分配輪詢傳輸 (過程值)事件觸發傳輸 ( 報警 和 事件)狀態信息設備和數據狀態 (e.g. 運行, 停止, 錯誤)Pre-amble7 bytesSourceMAC6 bytesDest.MAC6 bytesPriorityTagging*4 bytesFrameID2 bytes

10、FCS4 bytesProcess dataup to 1440 bytesSync1 byteEther-type2 bytes以太網信息幀 (max. 1526 Bytes)StatusInformation4 bytes以太網標準數據PROFINET 使用交換技術 使用端對端交換技術的原因世界通訊技術發展的最高水平有著進一步發展的前景 防止碰撞全雙工傳輸,平行數據交換QoS ( 優先實時數據信息) 交換集成在設備里 簡化設備安裝 減少網絡布線 設備設備設備設備設備設備設備控制器控制器用 Enhanced Real-Time Ethernet Controller (ERTEC)芯片實現實

11、時性ERTEC 200ERTEC 400功能性PROFINET 實時IEEE 1588ARM 946 處理器2-口交換機PHY 集成PROFINET 實時IEEE 1588ARM 946 處理器4-口交換機PCI-接口應用單設備 兼容現場設備更強,更高的性能 MC 控制器Real-time 交換機ASIC技術0.15 m 技術外殼封裝 19x190.15 m 技術外殼封裝 19x19交貨開始 2005年末系列供貨2005年中系列供貨0433K20020433K2002200ERTEC-交換機的功能標準功能；IEEE 802.1 D 橋, IEEE 802.1 Q VLAN支持 IEEE 158

12、8實施功能；精確周期同步 通訊系統日志最小交換延時 捆綁直通和存貯轉發功能自由中斷冗余實時預處理傳輸介質目前PROFINET支持百兆以太網100BASE-TX，采用兩對雙絞屏蔽線(GP22系列)作為短距離信號傳輸。IE FC電纜GP22型系列名稱特點適用范圍 GP22 A型單股導體固定設備GP22 B型較軟電纜偶爾移動的設備GP22 C型軟電纜經常移動的設備GP22 船用耐腐蝕船用設備傳輸介質GP22 A型黃色/橙色用于發送信號，白色/藍色用于接收信號。連接器RJ45連接器M12連接器混合連接器RJ45連接器IP20防護FC型(工業中常用)IP20防護普通型IP67防護型M12連接器(4芯)A

13、型B型D型混合連接器可同時進行通信和24V供電。 電纜與連接器的連接方法名稱功能導線顏色RJ45M12 TD+發送數據黃11TD-發送數據橙23RD+接收數據白32RD-接收數據藍64ProfiNet主要包括三方面技術(1) 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統；(2) 規定了Profibus和標準以太網之間的開放、透明通信；(3)提供了一個包括設備層和系統層、獨立于制造商的系統模型。PROFINET與PROFIBUS的比較名稱PROFINETPROFIBUS 最大傳輸速率100Mbit/s12Mbit/s數據傳輸方式全雙工半雙工網絡拓撲結構星型、線型、樹型線型一致性數據范圍254字節

14、32字節網段長度100m100m主站個數無限制多主站會影響速率診斷功能強弱運動控制響應速度快響應速度慢設備的網絡定位能不能使用成本高低采用標準TCP/IP與以太網作為連接介質，采用標準TCP/IP協議加上應用層的PCM/DCOM來完成節點之間的通信和網絡尋址。可以同時掛接傳統Profibus系統和新型的智能現場設備。現有的Profibus網段可以通過一個代理設備(Proxy)連接到ProfiNet網絡當中，使整套Profibus設備和協議能夠原封不動地在ProfiNet中應用。TPS-1 PROFINET IO器件芯片的主要規格概述：集成PROFINET IO協議棧、CPU、RAM和PHY集成

15、具有8個優先級的IRT交換機（2個外部端口）并行和串行主機接口采用PROFINET 2.3版本，支持RT和IRT，符合性等級CBGA封裝：15 mmx15mm/ 1 mm間距功耗：800 mW （平均值）特點：集成PROFINET CPU2個嵌入式快速以太網PHY主機CPU接口：SPI從接口，8或16位并行SPI主接口：與SPI從接口直接連接GPIO：48個GPIO引腳與數字外設信號直接連接IRT橋接延遲小于3 s時間戳分辨率：2.5 ns共享內存接口配置：基于Windows的軟件工具。西門子S7-400PLC1、電源模板 2、電源狀態指示燈3、CPU1 4、存儲卡5、I/O模板 6、I/O模

16、板7、CPU2 8、CPU狀態指示燈9、I/O模板 10、通訊模板 功能強大的 PLC，適用于中高性能控制領域 解決方案滿足最復雜的任務要求 功能分級的 CPU 以及種類齊全的模板，總能為其自動化任務找到最佳的解決方案 實現分布式系統和擴展通訊能力都很簡便，組成系統靈活自如 用戶友好性強，操作簡單，免風扇設計 隨著應用的擴大，系統擴展無任何問題 使用STEP7編程軟件，STEP7 V5.5或者STEP7 V11及以上，編程語言支持：LAD、 FBD、 STL、 SCL、 CFC、 S7-GRAPH 支持用戶程序保護功能S7-400 在編程、啟動和服務方面有眾多特點： 高速指令處理 用戶友好的參

17、數設置 用戶友好的操作員控制和監視功能（HMI）已集成在SIMATIC 的操作系統中 CPU 的診斷功能和自測試智能診斷系統連續地監視系統功能并記錄錯誤和系統的特殊事件 口令保護 模式選擇開關 系統功能第 三 章PROFInet的通信技術Part three通信協議模型ISO/OSIPROFINET7bPROFINET IO 服務(IEC61784)PROFINET IO 協議(IEC61158)PROFINET CBA(IEC 61158)7a無連接RPC面向連接RPC(DCOM)654UDP(RFC768)TCP(RFC793)3IP(RFC791)2IEEE 802.3全雙工 IEEE8

18、02.1優先標識1IEEE 802.3 100BASE-TX，100BASE-FX通信等級 IT服務，TCP/IP SRT IRT 通信等級TCP/IP用于對通訊速率要求不高的數據傳輸。如設備組態、設置參數和下載上傳程序、低精度過程控制、低精度運動控制等。軟實時(SRT)技術用于對通訊速率要求較高的數據傳輸。如高精度過程控制、中精度的運動控制等。等時同步實時(IRT)技術用于對通訊速率要求高的數據傳輸。如高精度的運動控制等。通信通道模型IT應用 HTTP SNMP DHCPPROFINET應用標準數據實時數據TCP/IPRTC1/RTC2/RTC3Ethernet SRTIRTIT的應用協議用

19、于設備的參數化、診斷數據讀取。實時SRT用于高性能的數據通信。等時通信IRT用于抖動時間小于1us的等時模式。RTC1適合于周期性數據傳輸，可滿足大部分工廠自動化的應用要求。RTC2/RTC3需要特殊的硬件支持，分別用于實現高性能的控制任務和運動控制任務。等時同步實時通信(IRT) 高精度的運動控制要求循環刷新時間小于1ms,循環周期的抖動時間不大于1us。因此，PROFINET在通信協議中定義了基于時間間隔的傳輸方法IRT。IRT通訊方式可以使參與控制的網絡中各個節點的時鐘準確同步，以便使各節點上的控制功能可以按一定的時序協調動作。第 四 章應用案例Part four PROFInet在自動

20、化領域的應用PROFInet是一種優越的通信技術,并已成功地應用于分布式智能控制。PROFInet為分布式自動化系統結構的實現開辟了新的前景,可以實現全廠工程徹底模塊化,包括機械部件、電氣/電子部件和應用軟件。PROFInet支持各種形式的網絡結構,使接線費用最小化,并保證高度的可用性。此外,特別設計的工業電纜和耐用的連接器滿足EMC和溫度要求并形成標準,保證了不同制造設備之間的兼容性。PROFInet不僅可以應用于分布式智能控制,而且還逐漸進入到過程自動化領域。在過程自動化領域,PROFInet針對工業以太網總線供電以及以太網本質在安全領域應用的問題正在形成標準或解決方案,采用PROFIne

21、t集成的Profibus現場總線可以為過程自動化工業提供優越的解決方案（如圖5所示）:采用PROFInet通訊技術,不僅可以集成Profibus現場設備,還可以通過代理服務器（Proxy）實現其它種類的現場總線網絡的集成。采用這種統一的面對未來的設計概念,工廠內各部件都可以作為獨立模塊預先組裝測試,然后在整個系統中輕松組裝或在其他項目中重復使用。譬如對于一個汽車生產企業而言,PROFInet支持的實時解決方案完全可以滿足車體車間、噴漆車間和組裝部門等對響應時間的要求,在機械工程及發動機和變速箱生產環節中的車床同步等方面則可使用PROFInet的同步實時功能。 PROFInet在自動化領域的應用

22、 西門子PROFInet在煙草行業的應用設備與系統描述在某煙草企業的制絲工藝段中，PLC采用西門子S7-300系列PLC。S7-300系列PLC處理速度更快、系統資源裕量更大、通訊能力更強、性能更加穩定可靠，全面支持等時模式和運行中配置等功能，由此大幅降低了工程、培訓等費用，是各種自動化功能的最佳技術和經濟性解決方案。機架上增加一個CP 343-1以太網模塊，用于系統和上位調度計算機通訊。現場分布式I/O采用具有Profinet接口的西門子的ET200S系列，用于采集現場的傳感器信號（如光電開關、接近開關、限位開關等）和按鈕指示燈信號。電機驅動采用西門子ET200S的單相啟動器、雙相啟動器或軟

23、啟動器，每個ET200S從站帶有一個IM151-3PN接口模板（雙網口），可以支持Profinet總線的級聯方式，IM151-3PN接口模板的供電采用單獨供電方式，保證切斷控制電源時，Profinet網絡不受影響，通過它就可以和PLC之間建立網絡通信。 對于需要精確定位的設備或一些專機設備，系統采用變頻器對電機進行驅動。在該方案中，采用丹佛斯帶Profinet總線通訊接口的現場安裝的變頻器FC302 IP55系列產品。采用Profinet總線的級聯方式。配置輸入輸出電抗器、RFI濾波器。變頻器的動力輸出線纜采用屏蔽電纜，動力輸出線纜和通訊電纜的屏蔽層可靠接地。Profinet總線模板的供電采用單獨供電方式，保證切斷動力電源時，Profinet