《工业通信与网络技术》第7章以太网-工业以太网与实时以太网-李中伟

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1、哈工大网络与电气智能化研究所 工业工业通信与通信与网络网络技术技术主讲教师：李中伟主讲教师：李中伟 佟为明佟为明联系电话：联系电话：13159802121，E-mail：课程邮箱：课程邮箱：，密码：，密码：fieldbus201514 工业以太网工业以太网与实时以太网与实时以太网现场总线现场总线长期长期的标准之的标准之争带来之问题：争带来之问题： 干扰了用户选择干扰了用户选择 影响影响了互操作性了互操作性和互换性和互换性 延缓了发展速度延缓了发展速度，影响了发展前景影响了发展前景用户不断增长的用户不断增长的实时实时性性、同步精度同步精度、通信通信周期时间周期时间等高要等高要求也超出了现场总线能

2、力范围。求也超出了现场总线能力范围。工业工业以太网以太网的诞生：的诞生： 是是以太网以太网在在工控中的延伸工控中的延伸，是是现场总线的现场总线的子集。子集。 高通信速率、高性价比、易于实现管控高通信速率、高性价比、易于实现管控一体化。一体化。 高速高速以太网、以太网、交换式交换式以太网及以太网及全双工全双工通信，通信，提高了以太提高了以太网通信的可靠性和实时网通信的可靠性和实时性。性。 方便连接企业管理、过程监控及现场设备方便连接企业管理、过程监控及现场设备三三层层。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网常见工业以太网及其管理组织列表

3、常见工业以太网及其管理组织列表LOGO哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网2013年，年，IMS Research公司发布了工业以太网市场公司发布了工业以太网市场研究报告。国际市场上各类技术研究报告。国际市场上各类技术市场占有率市场占有率如下：如下：哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网4.1工业以太网技术的三种类型（按软工业以太网技术的三种类型（按软/硬件实现方式）硬件实现方式）（1）采用通用以太网控制器和采用通用以

4、太网控制器和TCP/IP协议协议如：如：Ethernet/IPModbus/TCPPROFInet/CbA哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网（2）采用通用以太网控制器和专有过程数据传输协议采用通用以太网控制器和专有过程数据传输协议如：如：Ethernet PowerlinkPROFInet/RT哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网（3）采用专用以太网控制器和专有过程数据传输协议采用专用以太网控制器和专有过程数据传输协议如：如：EtherCAT

5、SERCOS-PROFInet/IRT哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网不同工业自动化不同工业自动化场合对控制场合对控制网络网络实时实时性性要求要求不同：不同： 对对信息集成信息集成场合场合和和低要求过程自动化低要求过程自动化应用场合，实时响应应用场合，实时响应时间可为时间可为100ms或更或更长；长； 对对大多数工厂大多数工厂自动化自动化应用场合和应用场合和分布式分布式I/O设备，实时响应设备，实时响应时间要求通常为时间要求通常为510ms； 对于高性能的对于高性能的同步运动控制同步运动控制应用，特别

6、是伺服运动控制系应用，特别是伺服运动控制系统，实时响应时间要求小于统，实时响应时间要求小于1ms，抖动精度小于，抖动精度小于1s。 通用工业以太网技术足以满足前两者要求，对后者却无能通用工业以太网技术足以满足前两者要求，对后者却无能为力。为力。 实时以太网实时以太网的诞生：的诞生： IEC 61784 含含l1种实时以太网，后大部分进入种实时以太网，后大部分进入IEC 61158 Ed.4哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网实时以太网实时以太网是建立在是建立在IEEE802.3 标准的标准的基础上，通过对其和相关标准的实时基础上，通

7、过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以扩展提高实时性，并且做到与标准以太网完全无缝连接的工业以太网。太网完全无缝连接的工业以太网。IEC/sc65的定义的定义IEC 61784哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网4.2典型实时以太网介绍典型实时以太网介绍 EtherCATEthernet PowerlinkPROFInet/IRTEthernet/IPSERCOS-始创公司始创公司倍福倍福(Beckhoff)贝加莱贝加莱(B&R)西门子西门子(Siemens)罗克韦尔罗克韦尔(Rockwe

8、ll)力士乐力士乐(Rexroth)管理组织管理组织ETGEPSGPNOODVAIGS原始技术原始技术CANopen/SERCOSCANopenProfibusDeviceNet/ControlNetSERCOS传输距离传输距离100m100m100m100m40m拓扑结构拓扑结构任意任意任意任意任意任意任意任意受限（环形）受限（环形）同步方式同步方式分布时钟分布时钟/ IEEE 1588IEEE 1588IEEE 1588IEEE 1588未知未知抖动抖动1s1s1s1s1s硬件实现硬件实现ASIC/FPGAFPGAASICASICASIC开发难度开发难度简单简单简单简单复杂复杂复杂复杂复杂

9、复杂开放性开放性是是是是需授权需授权需授权需授权需授权需授权哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网4.2典型实时以太网介绍典型实时以太网介绍（1）EtherCAT CAT即即Control Automation Technology首字母缩写首字母缩写 采用实时的采用实时的高速动态帧处理高速动态帧处理（Frame Processing on the Fly）机制）机制 每个从站嵌入每个从站嵌入FMMU（现场总线存储管理单元）（现场总线存储管理单元） 2100 Mbps（全双工）（全双工） 几乎支持所有拓扑类

10、型几乎支持所有拓扑类型 每个周期时间每个周期时间 230s，一般更快。，一般更快。 仅需仅需一个一个或或两个帧两个帧即可完成所有节点全部通信即可完成所有节点全部通信 局部网内部使用精准的、小于局部网内部使用精准的、小于1微秒的、确定性微秒的、确定性同步同步误差时间基误差时间基，外部同步对时采用，外部同步对时采用IEEE1588。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网EtherCAT符合符合IEEE802.3的标准帧的标准帧运行原理：运行原理：EtherCAT从站中的从站中的FMMU在报文经过其节点时读取相应在报文经过其节点时读取相应的

11、编址数据，同时把输入数据插入至报文中，并将报文传至的编址数据，同时把输入数据插入至报文中，并将报文传至下一设备。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。由主下一设备。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。由主站发出的帧经过所有从站，最后返回。通常，每周期仅需要站发出的帧经过所有从站，最后返回。通常，每周期仅需要一两个帧即可完成所有通信。一两个帧即可完成所有通信。哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太网过程数据在报文中的插入过程数据在报文中的插入哈工大网络与电气智能化研究所 第第7章以太网章以太网-工业以太网与实时以太网工业以太网与实时以太