工业以太网和工业实时以太网的安装，调试和诊断技术（一）
日期：2009-8-23 22:16:15 点击：
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1 前言
自从20世纪70年代中期，美国XEROX公司提出了以太网这个新概念，首次提出采用一种传输媒介将Xerox打印机与数个计算机相连进行通讯的构思，即带有冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD）的方法以后，短短的三十多年以来，随着科技的不断发展，这一设想在实践中得到了不断的改进，从而形成一致而又强大的局域网技术。IT的工程师们从实际应用出发采取了各种措施改进以太网的技术，今天，作为物理层基础的以太网与最广泛的，标准化的通信协议的TCP/IP的有机结合，成为了现代通信技术最成熟的使用方法。
图1 Robert M. Metcalfe博士著名的草图
以太网技术在办公领域的广泛应用使得从事自动控制技术研究的人们自然而然想到是否也能将日益发展、日益标准化的以太网技术应用到工业的领域之中来。 因此，近几年来，在国内的自动控制领域中产生了一个非常热门的话题， 即现场总线技术与以太网技术之争，尽管现场总线技术近十多年来在工业控制领域得到了迅速发展，并且在工业自动化系统中得到了广泛的应用。然而随着IT技术的不断革新，通讯网络技术的不断完善，使得当前从事自动化技术的专业人员面临着一个问题：是否刚刚进入中国的现场总线将被以太网技术所代替？是否Ethernet就是现场总线的未来呢？目前为止，我们对于这个问题还不能给予一个简单的回答，但是专家们公认：自动化技术中通信方式一直在发展变化，并逐渐趋向开放和透明的系统解决方案。信息的连续性正在变得越来越重要。这时候引入以太网和互联网技术将会使目前所谓集中型自动化系统真正成为带有分散型智能化的网络控制。以太网虽然不是一种现场总线，是属于局域网技术，主要用于办公管理系统的通讯。但是由于这种通讯方法的广泛应用和技术的完整性，很多研究人员一直在探索如何将以太网技术应用于工业控制系统领域中去，以满足工业控制系统对通讯提出的要求。但是现场工程师们对以太网的了解大多来自他们对传统商业以太网的认识。许多控制系统工程的网络通信的实施往往由IT部门的技术人员来实施。但是，IT工程师们对于以太网的了解，仅仅局限于办公自动化商业以太网的实施经验，不能发挥以太网在工业控制系统中应用的真正的优势，不懂得工业控制数据传输对以太网的要求， 也不理解如何将以太网内在的特殊功能用于工业的领域，如拓扑网络结构的改变，冗余方案，可靠性，及时性等等，从而产生许多不清楚的概念和想法。从根本上来讲包括：
(1)对以太网，工业以太网和工业实时以太网的区别不明确；
(2)对以太网在办公领域应用与在工业领域应用的必要条件不明确；
(3)对工业以太网与工业实时以太网应用的领域不明确；
(4)对工业以太网的组态、安装、调试的方法不了解。
正由于这些不确定的因素大大地限制了以太网技术在工业现场的应用。正由于对于对这些概念的认识不够，往往在工程的实施中为了节省初期工程实施的成本，工程设计人员将简单的以太网的模块应用于工业环境的现象，这给整个控制系统留下不稳定因素，对今后的生产的可靠性带来来不可估量的隐患。 因此，今天尽管以太网已在OFFICE世界得到广泛应用，但是在越来越多的自动化系统工程开发应用基于以太网的通信网络结构的时候，必须考虑工业应用中对于通讯系统提出了许多近乎苛刻的特殊要求，如要求数据采集的确定性，实时性、在恶劣的工况下运行的可靠性，现场安装调试的方便性等。总之 在最恶劣和苛刻的条件和环境中也能操作可靠并显示被控对象的行为，是对每个希望在工业领域应用以太网技术的设计人员和工程师的最大的挑战。
目前，在国内正在大力地推广应用工业以太网，各种各样的工业以太网的研讨会、产品介绍会、各种类型的培训班层出不穷，对普及工业以太网技术起了重要的作用， 使人们了解了国际工业以太网的发展的趋向、工业以太网在工业领域应用的重要性，人们也在讨论选择工业以太网应该考虑的因素，但是就工业以太网技术在自动控制领域应用的基本问题，如工业以太网系统的安装、调试和诊断等方面的讨论却较少。本连载将对在工业以太网应用中遇到的安装，调试和诊断的问题作一介绍，并希望通过与读者的互相沟通，将我们的使各行业工业以太网的应用水平得到提高。连载将分以下几大部分：
(1)以太网技术的简介
(2)工业以太网和工业实时技术的特点
(3)无线以太网技术的特点
(4)工业以太网的安装连接和抗干扰技术
(5)工业以太网的组态和调试技术
(6)工业以太网的安全和诊断技术
(7)工业以太网网络的管理功能软件-Factory Manager
(8)工业以太网今后的发展方向
(9) 总结
2 以太网技术简介
2.1 以太网的发展历史
以太网（Ethernet）这个名字来自于无线电技术。19世纪时，很多科学家认为电磁波的传输需要一种媒介，这种媒介被称为擡ther敗Ｔ?0世纪70年代中期，美国XEROX公司提出了以太网这个新概念，采用了CSMA/CD（载波侦听多路存取/冲突检测）的访问方法。第一个以太网系统，能够通过1000多米的同轴电缆，连接超过100个站点，实现3Mbps的数据传输速率。
表1 以太网的发展历史
70年代后期，由DEC、Intel和XEROX公司组成的DIX工作组将以太网的传输速率提高到了10MB/s。1995年，IEEE正式通过802.3u快速以太网标准。快速以太网仍然采用CSMA/CD协议，但物理层则提供100M/s传输速率。随后以太网技术进一步发展到1000MB/s（千兆网）和10000MB/s（万兆网）。在这些网络中，不仅仅使用同轴电缆，也可采用双绞线电缆、光纤以及无线传输。传输速度高达100GB/s及以上的以太网网络也正在规划中。
2.2 以太网的标准
总部设在纽约的IEEE（国际电气电子工程师协会）负责以太网技术的标准化和发布。1983年，IEEE在DIX工作组的研究基础上，发布了第一个以太网标准IEEE802.3。从此，以太网的标准被IEEE不断地扩展。相关的标准通过子集的方式得到持续不断地发展和加强。表2中列出了最重要的以太网和无线技术的标准。
表2 以太网标准
以太网的基本原理为CSMA/CD（载波侦听多路存取/冲突检测）的访问方法。按照OSI参考模型，以太网只定义了物理层和数据链路层。作为一个完整的通信系统，以太网需要高层协议的支持。而70年代中期由美国国防部为其ARPA网开发的TCP/IP协议与以太网技术紧密捆绑在一起。由于后来国际互联网采用了以太网和TCP/IP协议，人们甚至把如超文本链接HTTP等TCP/IP协议组放在一起，称为以太网技术。
下面将介绍以太网技术、以太网所使用的协议以及在OSI参考模型层结构中的分类。
2.2.1 OSI参考模型
图2 OSI参考模型的数据交换
以太网是基于通信系统的OSI（Open System Interconnection）开放系统互联参考模型。OSI参考模型是在1984年由国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization）发布的，现在已被公认为计算机互联通信的基本体系结构模型。OSI参考模型对一个开放的网络结构中系统之间的通信进行了系统地描述和标准化。
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1 前言
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自从20世纪70年代中期，美国XEROX公司提出了以太网这个新概念，首次提出采用一种传输媒介将Xerox打印机与数个计算机相连进行通讯的构思，即带有冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD）的方法以后，短短的三十多年以来，随着科技的不断发展，这一设想在实践中得到了不断的改进，从而形成一致而又强大的局域网技术。IT的工程师们从实际应用出发采取了各种措施改进以太网的技术，今天，作为物理层基础的以太网与最广泛的，标准化的通信协议的TCP/IP的有机结合，成为了现代通信技术最成熟的使用方法。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
图1 Robert M. Metcalfe博士著名的草图
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以太网技术在办公领域的广泛应用使得从事自动控制技术研究的人们自然而然想到是否也能将日益发展、日益标准化的以太网技术应用到工业的领域之中来。 因此，近几年来，在国内的自动控制领域中产生了一个非常热门的话题， 即现场总线技术与以太网技术之争，尽管现场总线技术近十多年来在工业控制领域得到了迅速发展，并且在工业自动化系统中得到了广泛的应用。然而随着IT技术的不断革新，通讯网络技术的不断完善，使得当前从事自动化技术的专业人员面临着一个问题：是否刚刚进入中国的现场总线将被以太网技术所代替？是否Ethernet就是现场总线的未来呢？目前为止，我们对于这个问题还不能给予一个简单的回答，但是专家们公认：自动化技术中通信方式一直在发展变化，并逐渐趋向开放和透明的系统解决方案。信息的连续性正在变得越来越重要。这时候引入以太网和互联网技术将会使目前所谓集中型自动化系统真正成为带有分散型智能化的网络控制。以太网虽然不是一种现场总线，是属于局域网技术，主要用于办公管理系统的通讯。但是由于这种通讯方法的广泛应用和技术的完整性，很多研究人员一直在探索如何将以太网技术应用于工业控制系统领域中去，以满足工业控制系统对通讯提出的要求。但是现场工程师们对以太网的了解大多来自他们对传统商业以太网的认识。许多控制系统工程的网络通信的实施往往由IT部门的技术人员来实施。但是，IT工程师们对于以太网的了解，仅仅局限于办公自动化商业以太网的实施经验，不能发挥以太网在工业控制系统中应用的真正的优势，不懂得工业控制数据传输对以太网的要求， 也不理解如何将以太网内在的特殊功能用于工业的领域，如拓扑网络结构的改变，冗余方案，可靠性，及时性等等，从而产生许多不清楚的概念和想法。从根本上来讲包括：
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(1)对以太网，工业以太网和工业实时以太网的区别不明确；
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(2)对以太网在办公领域应用与在工业领域应用的必要条件不明确；
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(3)对工业以太网与工业实时以太网应用的领域不明确；
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(4)对工业以太网的组态、安装、调试的方法不了解。
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正由于这些不确定的因素大大地限制了以太网技术在工业现场的应用。正由于对于对这些概念的认识不够，往往在工程的实施中为了节省初期工程实施的成本，工程设计人员将简单的以太网的模块应用于工业环境的现象，这给整个控制系统留下不稳定因素，对今后的生产的可靠性带来来不可估量的隐患。 因此，今天尽管以太网已在OFFICE世界得到广泛应用，但是在越来越多的自动化系统工程开发应用基于以太网的通信网络结构的时候，必须考虑工业应用中对于通讯系统提出了许多近乎苛刻的特殊要求，如要求数据采集的确定性，实时性、在恶劣的工况下运行的可靠性，现场安装调试的方便性等。总之 在最恶劣和苛刻的条件和环境中也能操作可靠并显示被控对象的行为，是对每个希望在工业领域应用以太网技术的设计人员和工程师的最大的挑战。
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目前，在国内正在大力地推广应用工业以太网，各种各样的工业以太网的研讨会、产品介绍会、各种类型的培训班层出不穷，对普及工业以太网技术起了重要的作用， 使人们了解了国际工业以太网的发展的趋向、工业以太网在工业领域应用的重要性，人们也在讨论选择工业以太网应该考虑的因素，但是就工业以太网技术在自动控制领域应用的基本问题，如工业以太网系统的安装、调试和诊断等方面的讨论却较少。本连载将对在工业以太网应用中遇到的安装，调试和诊断的问题作一介绍，并希望通过与读者的互相沟通，将我们的使各行业工业以太网的应用水平得到提高。连载将分以下几大部分：
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(1)以太网技术的简介
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
(2)工业以太网和工业实时技术的特点
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(3)无线以太网技术的特点
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(4)工业以太网的安装连接和抗干扰技术
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(5)工业以太网的组态和调试技术
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(6)工业以太网的安全和诊断技术
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(7)工业以太网网络的管理功能软件-Factory Manager
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(8)工业以太网今后的发展方向
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(9) 总结
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2 以太网技术简介
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2.1 以太网的发展历史
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以太网（Ethernet）这个名字来自于无线电技术。19世纪时，很多科学家认为电磁波的传输需要一种媒介，这种媒介被称为擡ther敗Ｔ?0世纪70年代中期，美国XEROX公司提出了以太网这个新概念，采用了CSMA/CD（载波侦听多路存取/冲突检测）的访问方法。第一个以太网系统，能够通过1000多米的同轴电缆，连接超过100个站点，实现3Mbps的数据传输速率。
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表1 以太网的发展历史
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70年代后期，由DEC、Intel和XEROX公司组成的DIX工作组将以太网的传输速率提高到了10MB/s。1995年，IEEE正式通过802.3u快速以太网标准。快速以太网仍然采用CSMA/CD协议，但物理层则提供100M/s传输速率。随后以太网技术进一步发展到1000MB/s（千兆网）和10000MB/s（万兆网）。在这些网络中，不仅仅使用同轴电缆，也可采用双绞线电缆、光纤以及无线传输。传输速度高达100GB/s及以上的以太网网络也正在规划中。
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2.2 以太网的标准
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总部设在纽约的IEEE（国际电气电子工程师协会）负责以太网技术的标准化和发布。1983年，IEEE在DIX工作组的研究基础上，发布了第一个以太网标准IEEE802.3。从此，以太网的标准被IEEE不断地扩展。相关的标准通过子集的方式得到持续不断地发展和加强。表2中列出了最重要的以太网和无线技术的标准。
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表2 以太网标准
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P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
以太网的基本原理为CSMA/CD（载波侦听多路存取/冲突检测）的访问方法。按照OSI参考模型，以太网只定义了物理层和数据链路层。作为一个完整的通信系统，以太网需要高层协议的支持。而70年代中期由美国国防部为其ARPA网开发的TCP/IP协议与以太网技术紧密捆绑在一起。由于后来国际互联网采用了以太网和TCP/IP协议，人们甚至把如超文本链接HTTP等TCP/IP协议组放在一起，称为以太网技术。
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下面将介绍以太网技术、以太网所使用的协议以及在OSI参考模型层结构中的分类。
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2.2.1 OSI参考模型
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图2 OSI参考模型的数据交换
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以太网是基于通信系统的OSI（Open System Interconnection）开放系统互联参考模型。OSI参考模型是在1984年由国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization）发布的，现在已被公认为计算机互联通信的基本体系结构模型。OSI参考模型对一个开放的网络结构中系统之间的通信进行了系统地描述和标准化。
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