列车总线控制基础(列车通信网络概述)教材课件.ppt

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1、大连交通大学大连交通大学列车总线控制基础列车总线控制基础王悦东王悦东大连交通大学大连交通大学课程的基本内容课程的基本内容第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 网络与通信基础网络与通信基础 第第3 3章章 微机控制基础微机控制基础第第4 4章章 列车通信网络列车通信网络 第第5 5章章 CRHCRH系列动车组网络控制系统系列动车组网络控制系统第第6 6章章 列车自动运行控制系统列车自动运行控制系统大连交通大学大连交通大学列车通信网络的定义列车通信网络的定义列车通信网络是一个安装在列车上的列车通信网络是一个安装在列车上的计算机局域网络系统计算机局域网络系统，负，负责对整列车各部分信息的采集与传递

2、，对整列车进行控制、监责对整列车各部分信息的采集与传递，对整列车进行控制、监测、故障诊断以及为旅客提供信息服务测、故障诊断以及为旅客提供信息服务。大连交通大学大连交通大学列车总线通信任务列车总线通信任务列车总线上不同类型的通信主要用于列车总线上不同类型的通信主要用于:控制控制牵引控制牵引控制:车辆控制车辆控制:故障诊断故障诊断旅客信息旅客信息预定座位等预定座位等1)2)4)灯灯,门门,加热加热,倾摆倾摆,.远程远程,重联牵引重联牵引,.预报下一站预报下一站,故障故障,线路线路.客车客车客车客车机车机车具有司机室的客车具有司机室的客车司机室司机室列车服务员列车服务员诊断计算机诊断计算机设备故障设

3、备故障,维修信息维修信息状态信息查询状态信息查询3)设备运行及状态设备运行及状态大连交通大学大连交通大学5 5列车控制网络的特点列车控制网络的特点列车网络特点列车网络特点工作环境恶劣，可靠性要求高；工作环境恶劣，可靠性要求高；实时性（时间确定性）要求高；实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性（自动组网）。列车组成的动态性（自动组网）。大连交通大学大连交通大学列车网络的层次结构列车网络的层次结构 大连交通大学大连交通大学常见的列车通信网络常见的列车通信网络1、现场总线、现场总线2、TCN3、工业以太网、工业以太网大连交通大学大连交通大学现场总线现场总线1、定义、定义2、组成、组成3、特点、

4、特点l1）全数字通信l2）系统的开放性l3）互可操作性l4）通信的实时性与确定性l5）功能自治性l6）现场环境的适应性4、优缺点优缺点5、与计算机通信的区别、与计算机通信的区别大连交通大学大连交通大学网网络络节节点点包括包括PLCPLC以及各种智能化的现场控制设备以及各种智能化的现场控制设备 基于统一、规范的通信协议基于统一、规范的通信协议 通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享 网网络络体体系系通信总线在现场设备中的延伸通信总线在现场设备中的延伸 生产控制生产控制网络结构网络结构 位于位于的底层的底层 现场总线概述现场总线概述1.现场总线的概念现

5、场总线的概念是应用在是应用在生产现场生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的系统的数字式、双向传输、多分支结构数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。的通信网络。大连交通大学大连交通大学u全数字通信全数字通信抗干扰能力和传输精度得到显著提高抗干扰能力和传输精度得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。2.2.现场总

6、线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u开放式系统开放式系统通信协议一致公开，任何人、任何单位均可采用通信协议一致公开，任何人、任何单位均可采用不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备可实现信息互访不同厂家的设备可实现信息互访用户可按需要，任意选用现场总线设备用户可按需要，任意选用现场总线设备不同设备之间可实现资源共享不同设备之间可实现资源共享与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共享享现场总线概述现场总线概述2.2.现场总线的特点现场总线的特点大连交通大学大连交通大学

7、u互可操作互可操作不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作义，并能根据信息要求进行操作即某厂家生产的设备能够对另一个厂家的设备进行控制和即某厂家生产的设备能够对另一个厂家的设备进行控制和操作操作不同厂家的相同类型的设备可以互相替换不同厂家的相同类型的设备可以互相替换可统一组态，无需专用的驱动程序可统一组态，无需专用的驱动程序解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性为系统集成的自主性提供了产品保障为系统集成的自主性提供了产品保障2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总

8、线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u分散控制分散控制u现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。诊断设备的运行状态。u由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构全分布式控制系统的体系结构。2.2.现

9、场总线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u对环境的高度适应对环境的高度适应专为现场环境设计专为现场环境设计可支持多种传输介质可支持多种传输介质双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等可两线制供电可两线制供电支持本质安全与防爆支持本质安全与防爆2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学u一对多的总线型结构一对多的总线型结构现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。树形等多种形式，以总线型为主。传统控制系统中设备的连接都是一对一的

10、布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便很强的系统扩展性很强的系统扩展性 主机能自动识别设备的增加或删减 无需架设新的线缆 无需系统停机2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学2.2.现场总线的特点现场总线的特点现场总线控制系统结构现场总线控制系统结构现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学3.3.现场总线的特殊功能现场总线的特殊功能(1)(1)经济、安全、可靠地传输信息经济、安全、可靠地传输信息经济性经济性信息、电源同时传输信息、电源同时传输介质廉价介质廉价安全性安全性解决防爆问题解决防爆问题可靠性可

11、靠性电磁、气候、机械环境适应性电磁、气候、机械环境适应性现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学(2)正确使用所传信息正确使用所传信息可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息(3)及时处理所传信息及时处理所传信息信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输3.3.现场总线的特殊功能现场总线的特殊功能现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学线状（总线、菊花链型）、星型、树型线状（总线、菊花链型）、星型、树型以线状结构为多以线状结构为多4.4.现场总线的网络结构现场总线的网络结构现场总线概述现场总线概述

12、大连交通大学大连交通大学现场总线技术产生于二十世纪八十年代现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性开放性通用性通用性可靠性可靠性智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能仪表为现场总线的出现奠定了基础5.5.现场总线的产生与发展现状现场总线的产生与发展现状现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学现场总线近年来成为控制领域的研究热点现场总线近年来成为控制领域的研究热点各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准（欧洲、北美、亚洲、中国），呈现百花国

13、家、国际标准（欧洲、北美、亚洲、中国），呈现百花齐放的现状。最后，通过妥协，现场总线技术出现了协调齐放的现状。最后，通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面共存、共同发展的局面现场总线国际标准现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，据说可能还包含了八种类型，据说可能还要增加到十二种类型要增加到十二种类型5.5.现场总线的产生与发展现状现场总线的产生与发展现状现场总线概述现场总线概述大连交通大学大连交通大学现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术计算机通信技术的发展会从各个方面影响现场总计算机通信技术的发展会从各个方面影响现场总线的发展。线的发展。但是，二者在

14、但是，二者在基本功能基本功能、信号传输要求信号传输要求和和网络结网络结构构上均有所不同。上均有所不同。大连交通大学大连交通大学1.基本功能基本功能计算机通信的基本功能：可靠地传递信息。计算机通信的基本功能：可靠地传递信息。计算机通信的基本功能：可靠地传递信息。计算机通信的基本功能：可靠地传递信息。现场总线的功能则是包括了更多的内容：现场总线的功能则是包括了更多的内容：现场总线的功能则是包括了更多的内容：现场总线的功能则是包括了更多的内容：高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，高效、低

15、成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，以体现其以体现其以体现其以体现其经济性；经济性；经济性；经济性；解决现场装置的总线供电问题，实现性现场总线的本质安解决现场装置的总线供电问题，实现性现场总线的本质安解决现场装置的总线供电问题，实现性现场总线的本质安解决现场装置的总线供电问题，实现性现场总线的本质安全规范，以体现其全规范，以体现其全规范，以体现其全规范，以体现其安全性安全性安全性安全性；解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温度、解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温度、解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温度、解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温

16、度、适度、振动等因素，以体现其适度、振动等因素，以体现其适度、振动等因素，以体现其适度、振动等因素，以体现其可靠性可靠性可靠性可靠性；现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发展趋势展趋势展趋势展趋势信息处理现场化信息处理现场化信息处理现场化

17、信息处理现场化。现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学2.信号传输要求信号传输要求l l二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，还要求响应快，即需要满足控制系统的还要求响应快，即需要满足控制系统的还要求响应快，即需要满足控制系统的还要求响应快，即需要满足控制系统的实时性实时性实时性实时性要求。要求。要求。要求。l l一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种一般通信系统也

18、会有实时性的要求，但这是一种一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种“软软软软”的要求，的要求，的要求，的要求，即只要大部分时间满足要求就行了。过程控制对实时性的要求即只要大部分时间满足要求就行了。过程控制对实时性的要求即只要大部分时间满足要求就行了。过程控制对实时性的要求即只要大部分时间满足要求就行了。过程控制对实时性的要求是是是是“硬硬硬硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。应

19、，不允许有不确定性。应，不允许有不确定性。应，不允许有不确定性。现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学2.信号传输要求信号传输要求现场总线的实时性主要体现在现场总线的实时性主要体现在现场总线的实时性主要体现在现场总线的实时性主要体现在响应时间响应时间响应时间响应时间和和和和循环周期循环周期循环周期循环周期二个方面：二个方面：二个方面：二个方面：l l响应时间响应时间响应时间响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表将信息

20、传输到主控设备或其它现场仪表所需的时间。这往将信息传输到主控设备或其它现场仪表所需的时间。这往将信息传输到主控设备或其它现场仪表所需的时间。这往将信息传输到主控设备或其它现场仪表所需的时间。这往往需要涉及：现场设备的中断和处理能力，传输时间，优往需要涉及：现场设备的中断和处理能力，传输时间，优往需要涉及：现场设备的中断和处理能力，传输时间，优往需要涉及：现场设备的中断和处理能力，传输时间，优先级控制等多种因素。过程控制系统通常并不要求这个时先级控制等多种因素。过程控制系统通常并不要求这个时先级控制等多种因素。过程控制系统通常并不要求这个时先级控制等多种因素。过程控制系统通常并不要求这个时间达到

21、最短，但它要求最大值是间达到最短，但它要求最大值是间达到最短，但它要求最大值是间达到最短，但它要求最大值是预先可知预先可知预先可知预先可知的。的。的。的。l l过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息交流，交流，交流，交流，循环周期循环周期循环周期循环周期是指系统与所有现场控制设备都至少完成是指系统与所有现场控制设备都至少完成是指系统与所有现场控制设备都至少完成是指系统与所有现场控制设备都至少完成一次通信所需的时间。这个时间往往具有一定

22、的随机性，一次通信所需的时间。这个时间往往具有一定的随机性，一次通信所需的时间。这个时间往往具有一定的随机性，一次通信所需的时间。这个时间往往具有一定的随机性，过程控制系统同样希望其最大值是过程控制系统同样希望其最大值是过程控制系统同样希望其最大值是过程控制系统同样希望其最大值是可预知可预知可预知可预知的。的。的。的。现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学2.信号传输要求信号传输要求现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时

23、性：简化技术简化技术简化技术简化技术：极大地提高通信传递速度：极大地提高通信传递速度：极大地提高通信传递速度：极大地提高通信传递速度l l简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；l l简化通信模型，一般只利用了简化通信模型，一般只利用了简化通信模型，一般只利用了简化通信模型，一般只利用了OSI/RMOSI/RM中的中的中的中的2 23 3层；层；层；层；l l简化节点信息，通常简化到只有几字节。简化节点信息，通常简化到只有几字节。简化节点信息，通常简化到只有几字节。简化节点信

24、息，通常简化到只有几字节。采用网络管理技术采用网络管理技术采用网络管理技术采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。来实现实时性，并保证其可预知性。来实现实时性，并保证其可预知性。来实现实时性，并保证其可预知性。l l例如例如例如例如:采用主采用主采用主采用主-从访问方式，只要限制网络的规模，就可以从访问方式，只要限制网络的规模，就可以从访问方式，只要限制网络的规模，就可以从访问方式，只要限制网络的规模，就可以将响应时间控制在指定的时间内。将响应时间控制在指定的时间内。将响应时间控制在指定的时间内。将响应时间控制在指定的时间内。总之，实时性要求是现场总线总之，实时性要求是现场总线总之，实

25、时性要求是现场总线总之，实时性要求是现场总线区别于区别于区别于区别于一般计算机通信的一般计算机通信的一般计算机通信的一般计算机通信的主要主要主要主要因素因素因素因素。改善现场总线的实时性，。改善现场总线的实时性，。改善现场总线的实时性，。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性减少响应时间的不确定性减少响应时间的不确定性减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。是现场总线的重要发展趋势。是现场总线的重要发展趋势。是现场总线的重要发展趋势。现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学3.网络结构网络结构计算机通信系统的结构是计算机通信系统的结构是计算

26、机通信系统的结构是计算机通信系统的结构是网络状网络状网络状网络状的，节点间的通信路径是不固定的，节点间的通信路径是不固定的，节点间的通信路径是不固定的，节点间的通信路径是不固定的；的；的；的；大部分现场总线的结构是大部分现场总线的结构是大部分现场总线的结构是大部分现场总线的结构是线状线状线状线状的，节点间的通信路径是比较固定的，节点间的通信路径是比较固定的，节点间的通信路径是比较固定的，节点间的通信路径是比较固定的。的。的。的。FBFBFBFB采用线状结构的原因在于：采用线状结构的原因在于：采用线状结构的原因在于：采用线状结构的原因在于：容易实现对现场仪表的总线供电。容易实现对现场仪表的总线供

27、电。一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。以预料的。容易实现本安防爆规范。容易实现本安防爆规范。目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产生目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总线的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产生上负载的数量，可以较好的解决本安防

28、爆问题，同时这也对现场总线的应用产生了一定的限制了一定的限制。现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学4.系统结构系统结构 现场设备现场设备+传输介质传输介质现场总线接口现场总线接口微处理器微处理器传感器传感器A/D现现场场节节点点工作站工作站现场总线现场总线现场总线技术与计算机通信技术现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学大连交通大学2.2.现场总线比较现场总线比较现场总线标准现场总线标准大连交通大学大连交通大学3030现场总线现场总线德国西门子公司：德国西门子公司：1979年德国西门子公司第一次开发车载微机控制装置1992年在SIBAS16基础上推

29、出以80386为CPU的SIBAS32系统。已具备网络控制功能（符合已具备网络控制功能（符合TCN标准）标准）法国ALSTOM公司：将WorldFIP作为标准通信协议应用于其开发的AGATE列车控制系统，并成功应用于TGV高速列车美国美国Echelon公司：公司：20世纪90年代初，发明了Lonworks控制网络技术德国德国Bosch公司公司:CAN总线总线美国：美国：ARCNET大连交通大学大连交通大学TCN（列车通信网络）概述（列车通信网络）概述l功能功能l体系结构体系结构lWTB和和MVB的特点的特点多功能车辆总线多功能车辆总线 MVBlMVB物理层物理层lMVB帧帧 绞式列车总线绞式列

30、车总线WTBlWTB特性摘要特性摘要lWTB网络拓扑网络拓扑lWTB帧、报文帧、报文lWTB介质访问控制方式介质访问控制方式l列车初运行列车初运行 【主要内容主要内容】大连交通大学大连交通大学 TCN（列车通信网络）概述（列车通信网络）概述 TCN（列车通信网络）于（列车通信网络）于1999年年6 月正式成为月正式成为国际标准国际标准，即，即IEC61735。该标准对列车通信网。该标准对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详细的规定。内容进行了详细的规

31、定。大连交通大学大连交通大学 功能功能TCN（列车通信网络）将列车上的智能设备连接（列车通信网络）将列车上的智能设备连接起来，完成下述功能：起来，完成下述功能：l列车牵引及车辆控制（如车门、车灯等的远程控列车牵引及车辆控制（如车门、车灯等的远程控制）；制）；l远程诊断及维护；远程诊断及维护；l旅客信息及舒适性；旅客信息及舒适性；大连交通大学大连交通大学TCNTCN三层结构三层结构：列车级控制、车厢级控制、设备级控制：列车级控制、车厢级控制、设备级控制TCNTCN的体系结构的体系结构大连交通大学大连交通大学1.1.连接各车辆的绞线式列车总线（连接各车辆的绞线式列车总线（Wire Train Bu

32、s,WTBWire Train Bus,WTB）,列车新编组时可自动配置（组态），通信介质为双绞线，列车新编组时可自动配置（组态），通信介质为双绞线，通信速率为通信速率为1Mbit/s1Mbit/s；2.2.连接一节车辆内或车辆组各设备的多功能车辆总线连接一节车辆内或车辆组各设备的多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus,MVB)Multifunction Vehicle Bus,MVB)，具有快响应性，具有快响应性，通信介质为双绞线或光纤，通信速率为通信介质为双绞线或光纤，通信速率为1.5Mbit/s1.5Mbit/s。3.3.这些总线在链路层提供了两种相同的服务：

33、这些总线在链路层提供了两种相同的服务：u过程数据：周期性的，源寻址广播数据；过程数据：周期性的，源寻址广播数据；u消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。4.4.实时协议提供两种与总线无关独立的应用服务实时协议提供两种与总线无关独立的应用服务5.5.网络管理支持组态、维护及操作。网络管理支持组态、维护及操作。TCN的体系结构的体系结构大连交通大学大连交通大学商业以太网办公自动化商业以太网办公自动化工业以太网工业自动化工业以太网工业自动化工业以太网工业以太网大连交通大学大连交通大学为什么工业领域需要以太网为什么工业领域需要以太网原因一：现场总线标准难以

34、统一，带来系统复杂性原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性1999 1999 年现场总线技术标准年现场总线技术标准IEC 61158 IEC 61158 终于尘埃落定终于尘埃落定,有有8 8种总线成为种总线成为国际电工委员会国际电工委员会(IEC)(IEC)现行的现场总线技术标准。它们分别是现行的现场总线技术标准。它们分别是:基金会现场总线基金会现场总线FF(fundation fieldbus);ControlNet;FF(fundation fieldbus);ControlNet;Profibus;P-Net;FF(fieldbus fundation)Profibus;P-Net

35、;FF(fieldbus fundation)高速以太网高速以太网HSE;HSE;SwiftNet;WorldFIP;Inter-bus.SwiftNet;WorldFIP;Inter-bus.从用户应用的角度来看从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致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仪表,需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。大连交通大学大连交通大学原因二：

36、信息集成有新的要求原因二：信息集成有新的要求带宽问题：带宽问题：一般地来说一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议现场总线标准的特点是通信协议比较简单比较简单,通信速率比较低。如基金会总线通信速率比较低。如基金会总线FFFF的的H1H1和和PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA 的传输速率只有的传输速率只有31.25Kbps31.25Kbps。但随着仪器仪。但随着仪器仪表智能化的提高表智能化的提高,传输的数据也必将趋于复杂传输的数据也必将趋于复杂,未来传输未来传输的数据可能已不满足于几个字节的数据可能已不满足于几个字节,甚至是甚至是WEBWEB网页网页,所以网所以网络传输的高速性在工业

37、控制中越来越重要。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：与商业网集成问题：在制造加工工业中，能够走出办公在制造加工工业中，能够走出办公室室,在任何地方对企业生产进行实时监控在任何地方对企业生产进行实时监控,无疑是各个企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，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现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接,将将底层信息集成到车间、公司级的数据库中底层信息集成到车间、公司级的数据库中,通过通过WEBWEB方式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浏览和交

38、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。联网连接，需要额外的网络设备才能完成通信。大连交通大学大连交通大学原因三：工业以太网的技术优势原因三：工业以太网的技术优势(1)解决协议的开放性和兼容性问题。解决协议的开放性和兼容性问题。工业以太网因为采用由工业以太网因为采用由IEEE802.3IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为一个开放的标准，从而为PLCPLC厂家和厂家和DCSDCS厂家广泛接受。与现场总线厂家广泛接受。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相比，以太网还具有向

39、下兼容性。快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)(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，但它的传输速度从从10Mbps10Mbps提升到了提升到了100Mbps100Mbps。在大多数场合，它还可以使用已有的布。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。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。解决带宽需求问题。以太网最初的数据传输速度只有以太网最初的数据

40、传输速度只有10Mbit/s10Mbit/s，随着，随着19961996年快速以年快速以太网标准的发布。以太网的速度提高到了太网标准的发布。以太网的速度提高到了100Mbit/s100Mbit/s。19981998年，千兆年，千兆以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的100100倍。最初的以太网倍。最初的以太网需要需要1.21.2毫秒才能传送一个毫秒才能传送一个15181518字节大小数据；现在，快速以太网已字节大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到经将这一时间减少到120120秒；如果采用千兆以太网，这一时间只需秒；如果采用千兆以太网，这一时

41、间只需1212微秒。微秒。大连交通大学大连交通大学(3)(3)解决与商用以太网集成问题。解决与商用以太网集成问题。以太网作为现场总线以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的尤其是高速现场总线结构的主体主体,可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的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发展之外,使现场总线技术与计算机网络技术很好地融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。合而形成相互促进的局面。(4)(4)以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标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。准对以太网的支持是其成功的重要因

42、素。大连交通大学大连交通大学什么是以太网什么是以太网?1980 年年DEC(digital equipment corporation)、Intel 和和Xerox 三大公司发布了三大公司发布了DIX版以太网版以太网1.0 规范规范,其传其传输速度为输速度为10Mb/S,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年年,发布了发布了DIX2.0 版版,这就是通常所说的这就是通常所说的Ethernet。与。与DIX同步的是同步的是IEEE 成立的至今闻名的成立的至今闻名的802.3 委员会。委员会。1985 年，年，IEEE 802.3 委员会发布了委员会发布了

43、CSMA/CD 访问方访问方法和物理层规范。尽管其帧的定义与法和物理层规范。尽管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，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：但是现在更多的人认为它就是以太网。以太网标准包括：lphysical layer:media,configurationldata link layer:MAC protocol,CSMA/CD大连交通大学大连交通大学CSMA/CDCarrier Sense(CS)“侦听侦听”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，等待一个一个IFG(46bitIFG(4

44、6bit时间时间)后便立刻发送信息帧后便立刻发送信息帧Multiple Access(MA)“多点接入多点接入”如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突Collision Detect(CD)“冲突检测冲突检测”CSMA/CD协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操作，直协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操作，直到该信息帧成功发送或重传次数到该信息帧成功发送或重传次数n达到上限达到上限(attempLimit)而而 终止终止发送发送Intel Demo 2Intel Demo 2大连交通大学大连交通大学CSMA/CDExponential Bac

45、k-off Algorithm “二进制指二进制指数回避算法，数回避算法，BEB”每次检测到冲突，每次检测到冲突，CSMA/CDCSMA/CD采用采用BEBBEB算法随机地计算法随机地计算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。帧算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。帧重传时延的大小为时隙时间重传时延的大小为时隙时间(slot Time,512bit(slot Time,512bit的传输的传输时间时间)的整数倍的整数倍r r。r r为随机整数，其取值为为随机整数，其取值为:0r2:0r2r r，k=min(n,10),k=min(n,10),其中，其中，n n为重传次数，最大值为为重

46、传次数，最大值为16.16.对于对于 10M bit/s10M bit/s网网络，一个时隙时间为络，一个时隙时间为51.2us51.2us。因此冲突所导致的等待。因此冲突所导致的等待时间最长可以达到时间最长可以达到51ms51ms。重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性大连交通大学大连交通大学工业以太网与商业以太网的区别工业以太网与商业以太网的区别1、工业以太网的基本体系结构、工业以太网的基本体系结构2、改进的实时工业以太网体系结构、改进的实时工业以太网体系结构3、工业以太网的实时通信技术、工业以太网的实时通信技术4、工业以太网的设备环境适应性

47、和、工业以太网的设备环境适应性和可靠性要求可靠性要求大连交通大学大连交通大学1、工业以太网基本体系结构、工业以太网基本体系结构 工业以太网在商用以太工业以太网在商用以太网基础上发展而来，它的网基础上发展而来，它的体系结构基本上采用了以体系结构基本上采用了以太网的标准结构。对应于太网的标准结构。对应于ISO/OSIISO/OSI通信参考模型，工通信参考模型，工业以太网协议在物理层和业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了数据链路层均采用了802.3802.3标准，在网络层和传输层标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网则采用被称为以太网“事事实上标准实上标准”的的TCP/IPTCP/IP协议协议

48、簇，在高层协议上，工业簇，在高层协议上，工业以太网通常省略了会话层、以太网通常省略了会话层、表示层，而定义了应用层，表示层，而定义了应用层，有的工业以太网还定义了有的工业以太网还定义了用户层。用户层。大连交通大学大连交通大学 根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通信协议模型分为信协议模型分为5 5类，类，是经过常规最大努力提高实时性，一般工是经过常规最大努力提高实时性，一般工业以太网的通信协议模型业以太网的通信协议模型;采用在采用在TCP/IPTCP/IP之上进行实时数据交换之上进行实时数据交换方案方案;采用经优化处理和提供

49、旁路实时通道的通信协议模型采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型;采采用集中调度提高实时性的解决方案用集中调度提高实时性的解决方案;采用类似采用类似InterbusInterbus现场总线现场总线“集总帧集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能。性能。2、改进的实时工业以太网体系结构、改进的实时工业以太网体系结构大连交通大学大连交通大学3、工业以太网的实时通信技术、工业以太网的实时通信技术n采用以太网与采用以太网与TCP/IPTCP/IP相结合的方法相结合的方法n直接修改传统以太网直接修改传统以太网MACMAC协议协议

50、(CSMA/CD)(CSMA/CD)方式方式n数据链路层增加实时调度层的方式数据链路层增加实时调度层的方式n网络节点间的时间同步机制也是实现确定性网络节点间的时间同步机制也是实现确定性实时调度的必要手段之一实时调度的必要手段之一大连交通大学大连交通大学采用以太网与采用以太网与TCP/IPTCP/IP相结合的方法相结合的方法n标准：标准：HSEHSE、EtherNET/IPEtherNET/IP和和Modbus/TCP Modbus/TCP 说明：它们是建立在以太网和说明：它们是建立在以太网和TCP/IPTCP/IP协议基础上的数据协议基础上的数据传递。提高实时性的主要手段包括提高通信速率传递。