西门子工业通信网络.docx

1、西门子工业通信网络毕业设计报告（论文）报告（论文）题目：西门子工业通信网络研究 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电气自动化 作者所在班级： 09242 作 者 姓 名 ： 崔光亮 作 者 学 号 ： 229 指导教师姓名： 叶昊 完 成 时 间 ： 2012年6月10日 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院电子工程系毕业设计（论文）任务书姓 名：崔光亮专 业：电气自动化班 级：09242学号：229指导教师：叶昊职 称：副教授完成时间：2012年6月10日毕业设计（论文）题目：西门子工业通讯网络研究设计目标：利用工业以太网通信技术，基于工业以太网标准，简单的建立以工业控制网络技

2、术为基础的信息化系统。技术要求：1很高的网络安全性。2可操作性好。3实用性强。4以太网协议的标准性。所需仪器设备：计算机一台 成果验收形式：论文参考文献：模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电子系统设计时间安排15周-6周立题论证39周-13周撰写论文27周-8周方案设计414周-16周成果验收指导教师： 教研室主任： 系主任：摘 要随着信息技术的不断发展，信息互换技术覆盖了各行各业。在自动化领域，愈来愈多的企业需要成立包括从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，成立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。

3、该技术基于工业标准，利用了互换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地知足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第本钱、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着愈来愈多的制造业厂商。关键词 现场总线 独立控制 自由组态西门子工业网络通信研究第1章 以太网简介 以太网的诞生以太网技术的思想渊源最先可以追溯到1968年。以太网的核心思想是利用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威夷大学。上个世纪60年代末，夏威夷大学的Norman Abramson及其同事研制了一个名为 ALOHA系统的无线电网络。Metcalfe是活着界著名的研究机构Xerox 的帕洛阿尔托研究中心（PAR

4、C）的计算机科学实验室工作的网络专家。1972年末，Metcalfe和David Boggs设计了一套网络，用于将不同的ALTO计算机连接起来，同时又把nova计算机连接到EARSA激光打印机。在研制进程中，Metcalfe将其命名为ALTO ALOHA网络，因为该网络以ALOHA为基础，同时连接了众多的ALTO计算机。这个世界上第一个个人计算机局域网络ALTO ALOHA网络第一次在1973年5月22日开始运转。Metcalfe将该网络更名为以太网（Ethernet），其灵感来自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的这一想法”。最初的实验行PARC以太网以s速度运行。1976年，PARC的

5、实验型以太网已经发展到100个节点，在长1000米的粗同轴电缆上运行。1976年6月，Metcalfe和David Boggs发表了题为以太网：局域网的散布型信息互换的著名论文。1977年末，多点传输系统被称为CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Acccess with Collision Detection network,带碰撞检测的载波侦听多址访问）。从此，以太网诞生了。1979年，DEC（Digital Equipment Corp，数字设备公司）、Intel和Xerox一路将此网络标准化，正式定名为以太网。工业以太网是西门子公司提出的一种基于以太网通信的一种

6、工业用的通信模式。它与其他的西门子通信方式，比如MPI、DP总线等相较，显著的优越性是：速度快，稳定性高，抗干扰能力强，互联性和兼容性好，缺点可能就是它不菲的价钱了，一块大体的CP343-1的以太网通信模块价钱就是近万元，所以此刻的某些工业环境下，推行的力度并非是很大。现今时期，网络就是控制的理念已经愈来愈被用户所接受，传统的基于RS485，CAN等总线的各类集散控制系统，由于其固有的缺点，正在被基于TCP/IP协议的工业太网所取代，工业以太网总线和咱们此刻利用的局域网是一致的，它采用统一的TCP/IP协议，避免的不同协议间通信不了的困扰，它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，它

7、方便数据在局域网的共享，它可以用IE阅读器访问终端数据，而不要专门的软件，它可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，它特别适合远程控制，配合电话互换网和GSM，GPRS无线电话网实现远程数据收集，它采用统一的网线，减少了布线本钱和难度，避免多种总线并存。工业以太网总线正因为有诸多的长处，在国内外慢慢取得了迅速的普及，此刻已经有大量的配套产品在利用中。如工业以太网HUB，工业以太网防火墙产，工业以太网关，以太网转RS232/RS485设备，以太网A/D模块，以太网D/A模块，以太网AI模块，以太网AO模块，以太网DI模块，以太网DO模块及复合功能模块。 以太网的发展历史1Xer

8、ox PARC创建首个以太网（19721977）2DEC、Intel和Xerox将以太网标准化（19791983）31989年ISO以标准号ISO8023采用以太网标准，至此，IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电工与电子工程师学会）标准正式取得国际上的认可4互换式和全双工制以太网出现（19901994）5快速型以太网出现（19921995）6工业趋势（1995）7千兆位以太网出现（1999） 以太网技术在局域网家族中，以太网是指遵循IEEE 标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（LA

9、NLocal Area Network，局域网）类型。目前的以太网依照传输速度大致分为以下四种： 110Base-T 以太网传输介质是铜轴电缆，传输速度为10Mbit/s； 2 快速以太网传输速度为100Mbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，兼容10Base-T 以太网； 3 Gigabit 以太网扩展的以太网协议，传输速度为1Gbit/s,采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网的互换机和路由器设备； 4 10 Gigabit 以太网2002年6月发布，是一种速度更快的以太网技术。支持智能以太网服务，是未来广域网（WANW

10、ide Area Network）和城域网（MANMetropolitan Area Network）的宽带解决方案。1. OBI参考模型通信网络的核心是OSI（开放系统互联）参考模型。该模型自下而上别离为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图1-1所示。7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层图1-1 OSI参考模型OSI参考模型的上三层通常称为应用层，用来处置用户接、数据格式和应用程序的访问；下四层负责概念数据的物理传输介质和网络设备。OSI参考模型提供了大多数协议栈共有的大体框架，如图1-2所示。图1-2 数据传输进程物理层概念了传输介质、

11、连接器和信号发生器的类型，规定了物理连接的电气、机械功能特性如电压、传输速度，传输距离等特性。数据链路层肯定传愉站点物理地址和将消息传送到协议栈，提供顺序控制和数据流控制。该层可以继续分为两个子层：介质访问控制层（MAC）和逻辑链路层（LLC）。其中IEEE （Ethernet，CSMA/CD）就是MAC层常常利用的通信标准。网络层概念设备间通过逻辑地址（IP）传输数据，连接位于不同广播域的设备，常常利用来组织路由。传输层成立会话连接。分派服务访问点（SAP），允许数据进行靠得住（TCP）或不靠得住（UDP）的传输。可以提供通信质量检测服务（QoS）。会话层负责成立、管理和终止表示层的实体间通

12、信会话，处置不同设备应用程序间的服务请求和响应。表示层提供多种编码用于应用层的数据转化服务。应用层概念用户及应用程序接口与协议对网络访问的切人点。目前各类应用版本比较多，很难很难成立统一的标准。在工控领城常常利用的标准是多媒体信息服务（MMS），用来描述制造业应用的服务和协议。数据通过封装后通过物理介质传输到网络上，接收设备除去附加下信息后，将数据上传到上层堆栈层。2. CSMA/CD技术在传统的共享网络中由于以太网中的所有站点采用相同的物理介次相连，这就意味着两台设备同时发送信号时就会出现信号间的彼此冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问介质前，它首光必需监听网络上有无其他的站点

13、在同时利用该介质。若是介质被利用，则该站点在发送前必需等待。这就是CSMA/CD技术。为了减少冲突发生的儿率，出现一些算法，常常利用的有：1-持续CSMA、非持续CSMA和p-持续CSMA。3. 以太网的互换技术以太网互换机，也称为互换器、互换式集线器，是为了改善以太网负裁较重时的网络拥塞问题而出现的。它采用将共享的局城网进行有效的冲突域划分技术，各个冲突域之用互换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题错误传输，使每一个端口独享整个介质带宽，使局域网可以高度扩展。在一个完全的互换网络中，整个网络只有互换机和通信节点，没有集线器，互换机将首先接收节点发来的数据，再将数据转发到另一个冲突域

14、。且在互换网络中，通信节点只同互换机作数据互换而彼此之间不直接进行数据据通信。互换网络采用全双工的通信方式，故可以以为是无冲突的网络。互换机是利用MAC地址工作在OSI参考模划第二层（数据链路层）的设备，与集线器成或其他工作在第一层（物理层）的网络设备相较，互换机有许多长处：连接冲突域/子网；数据互换；错误帧限制；并行通信。动态端口互换的功能已在前面讲述过,每一端口联接到单一的工作站或服务器.因为每一端口可被按需给予一个独立的 10Mbps专用以太网链路,这样可以给予每一工作站或服务器更高的网络带宽.动态段交换与动态端口交换的功能相似,通过交换结构,按需提供专用的端口间10Mbps专用链路.每

15、一动态段交换端口可以连接一个网段(即传统的共享以太网),而不只是一个工作站或服务.动态段交换通过对大量MAC地址的识别来完成此功能。用端口连结整个网段,可以使动态段交换取代现今分段网络中的路由器及网桥.若是网段A的用户在网段内发送数据包, 互换识别数据为本网段数据包而不允许这些数据包进入其它网段.可是若是网络段A的用户发送数据包到网络段B,则互换机识别那些传送至网段B的数据包,分派一专用的10Mbps链路，发送数据包到网段B的目的用户.网络分段,即将一个大的拥堵的网络分成一系列的小型网络,每一网络具有小的用户和小的流量.以前网络分段一般是通过网桥和路由器来实现的, 而采用动态段交换对网络分段比

16、用网桥和路由器更优越,理由如下:(1)价低.(2)易管理,而路由器需要QSI协议中网络层的复杂网络管理.(3)更快速,因为交换只检测其数据包头中的源及目的地址, 而网桥及路由器则需检测整个包,这样交换所产生的时延比网桥及路由器小得多.静态端口交换允许网络管理员通过软件将用户工作站从一条共享以太网总线移到另一条，灵活地对网络进行增加,减少所需的交换模块订货量.例如,在网络上增加8个用户,他们工作于4个不同的部门,在4条不同的以太网总线上。所有这些用户可以采用一块单一的端口交换模块来实现.与此相比,以前则需购4 块新的模块并连到不同的总线,但每个新的模块的大部分端口是未用的,造成低效及浪费.静态模

17、块交换也是由软件来实现网络的增加,移动和改变.与静态端口交换不同的是,静态模块交换是将整个模块(包括模块上的所有端口) 从一条共享总线移至另一条共享总线.4. 以太网的拓展随着信息量的急剧增加，网络流量也以超乎想象的速度激增，这就要求网络不断地进行扩展和提高性能，目前千/万兆位以太网已经普遍利用，特别是在工作环境趋于彼此协作、通常需要共享大量数据和具有集中应用和多任务的场合更是如此。（1）无线以太网是以太网的逻辑扩展 无线局城网的主要标准是，该标准又延伸出，和。目前已被绝大多数无线设备厂商采用，数据速度可达11Mbit/s。802.11g标准概念速度高达54 Mbit/s，将为新一代无线局域网

18、提供更快的数据速度、更远的覆盖距离和更高的安全性。（2）存储区域网络和网络连接存储两种替代方案的兴起和流行快速增加的电子邮件和电子商务致使IP网络数据传输量的剧增。数据流量的增加促使数据存储离开传统直接连接存储模式，演变成网络的一种基础设施。（3）城城网中的以太网千兆位以太网向桌面的移植助长了服务器和企枚干线对10kM位以太网的需求。10kM以太网的出现能够知足高速网络的多种关健需求，包括比当前替代技术更低的拥有本钱、灵活性、和与现有以太网网络的互操作性。综合所有这些因素，使得10kM位以太网成为城域网的最佳选择。在城域网中实施以太网，将把以太网的速度和本钱优势与光网络的传输距离和靠得住性完美

19、地结合起来。开始以太网只有10Mbps的，利用的是带有的多路访问（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的访问控制方式，这种初期的10Mbps以太网称之为。以太网可利用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，而且在IEEE 标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段长度（基准单位是100m），Base表示“基带”的意思，Broad代表“宽带”。 10Base5 利用直径为英寸、阻抗为50粗，也称粗

20、缆以太网，最大网段长度为500m，基带传输方式，为总线型；10Base5组网主要硬件设备有：粗同轴电缆、带有AUI插口的以太网卡、收发器、收发器电缆、等。 10Base2 利用直径为英寸、为50细同轴电缆，也称细缆以太网，最大网段长度为185m，基带传输方式，拓扑结构为总线型；10Base2组网主要硬件设备有：细同轴电缆、带有BNC插口的以太网卡、中继器、T型连接器、终结器等。 10BaseT 利用双绞线电缆，最大网段长度为100m，拓扑结构为星型；10BaseT组网主要硬件设备有：3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、等。 随着的发展，传统标准的以太网技术已难以知足日趋增加的

21、网络数据流量速度需求。在1993年10月以前，对于要求10Mbps以上数据流量的LAN应用，只有（FDDI）可供选择，但它是一种价钱超级昂贵的、基于100Mpbs光缆的LAN。10月，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10/100和FastNIC100，快速以太网技术正式得以应用。随后Intel、SynOptics、3COM、BayNetworks等公司亦接踵推出自己的快速以太网装置。与此同时，IEEE802工程组亦对100Mbps以太网的各类标准，如100BASETX、100BASET4、MII、中继器、全双工等标准进行了研究。1995年3月IEE

22、E宣布了 100BASET快速以太网标准（Fast Ethernet），就这样开始了快速以太网的时期。 快速以太网与原来在100Mbps带宽下工作的FDDI相较它具有许多的长处，最主要体此刻快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5类双绞线和光纤的连接，能有效的利用现有的设施。 快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足，那就是快速以太网仍是基于CSMA/CD技术，当网络负载较重时，会造成效率的降低，固然这可利用互换技术来弥补。 100Mbps快速以太网标准又分为：100BASETX 、100BASEFX、100BASET4三个子类。 100BASETX：是一种利用

23、5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它利用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中利用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT 1类布线标准。利用同10BASET相同的RJ45连接器。它的最大网段长度为100米。它支持全双工的数据传输。 100BASEFX：是一种利用光缆的快速以太网技术，可利用单模和（和125um）。多模光纤连接的最大距离为550米。连接的最大距离为3000米。在传输中利用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。它利用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器。它的最大网段长度为150m、4

24、12m、2000m或更长至10千米，这与所利用的光纤类型和工作模式有关，它支持全双工的数据传输。100BASEFX特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或高保密环境等情况下的适用。 100BASET4：是一种可利用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。100Base-T4利用4对双绞线，其中的三对用于在33MHz的频率上传输数据，每一对均工作于模式。第四对用于CSMA/CD冲突检测。在传输中利用8B/6T编码方式，信号频率为25MHz，符合EIA586结构化布线标准。它利用与10BASET相同的RJ45连接器，最大网段长度为100米。 技术作为最新的高速以太网技术，给用户带

25、来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大长处是继承了传统以太技术价钱廉价的长处。 千兆技术仍然是以太技术，它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、模式和布线系统。由于该技术不改变的桌面应用、操作系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网没必要改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护投资。另外，IEEE标准将支持最大距离为550米的多模光纤、最大距离为70千米的单模光纤和最大距离为100米的铜轴电缆。千兆以太网填补了以太网/快速以太网标准的不足。 为了能够侦测到64Bytes资料框的，千兆以太网（Giga

26、bit Ethernet）所支持的距离更短。Gigabit Ethernet 支持的网络类型，如下表所示： 传输介质 距离 1000BaseCX Copper STP 25m 1000BaseT Copper Cat 5 UTP 100m 1000BaseSX Multi-mode Fiber 500m 1000BaseLX Single-mode Fiber 3000m 千兆以太网技术有两个标准：和。制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。制定了上较长距离连接方案的标准。 1. 工作组负责制定光纤（单模或多模）和同轴电缆的全双工链路标准。概念了基于光纤和短距离铜缆的1000Base-X，采用8B

27、/10B编码技术，信道传输速度为s，去耦后实现1000Mbit/s传输速度。 具有下列千兆以太网标准： 2. 工作组负责制定基于UTP的半双工链路的千兆以太网标准，产生标准及协议。概念基于5类UTP的1000Base-T标准，其目的是在5类UTP上以1000Mbit/s速度传输100m。 标准的意义主要有两点： (1) 保护用户在5类UTP布线系统上的投资。 (2) 1000Base-T是100Base-T自然扩展，与10Base-T、100Base-T完全兼容。不过，在5类UTP上达到1000Mbit/s的传输速度需要解决5类UTP的串扰和衰减问题，因此，使工作组的开发任务要比复杂些。 规范

28、包括在 IEEE 标准的补充标准 IEEE 中，它扩展了 IEEE 协议和 MAC 规范，使其支持 10Gb/s 的传输速度。除此之外，通过 WAN 界体面层（WIS：WAN interface sublayer），10千兆位以太网也能被调整为较低的传输速度，如 Gb/s （OC-192），这就允许10千兆位以太网设备与同步光纤网络（SONET） STS -192c 传输格式相兼容。 10GBASE-SR 和 10GBASE-SW 主要支持短波（850 nm）多模光纤（MMF），光纤距离为 2m 到 300 m 。 10GBASE-SR 主要支持“暗光纤”（dark fiber），暗光纤是指没

29、有光传播而且不与任何设备连接的光纤。 10GBASE-SW 主要用于连接 SONET 设备，它应用于远程数据通信。 10GBASE-LX4 采用波分复用技术，在单对光缆上以四倍光波长发送信号。系统运行在 1310nm 的多模或单模暗光纤方式下。该系统的设计目标是针对于 2m 到 300 m 的多模光纤模式或 2m 到 10km 的单模光纤模式。作为历史悠长的网络技术之一，以太网利用其超卓的性价比、灵活性和互操作性提供新的被验证的优势，和不断涌现的新产I品和构建模块，将提供更卓越的性价比特性和优势，必将取得飞速的发展。第2章 工业以太网 与传统以太网络的比较工业网络与传统办公室网络相较，有一些不

30、同的地方，如表2-1所示。表2-1 工业网络与传统办公室网络的比较办公室网络工业网络应用场合普通办公场合工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高拓扑结构支持线形、环形、星形等结构支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力可用性一般的实用性需求，允许网络故障时间以秒或分钟计极高的实用性需求，允许网络故障时间300ms以避免生产停顿网络监控和维护网络监控必须有专人员使用专用工具完成 网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如Win CC监控，故障模块容易更换工业以太网产品的设计制造必需充分考虑并知足工业网络应用的需要。工业现场对工

31、业以太网产品的要求包括：1. 工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊和侵蚀性气体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐侵蚀、防尘和防水。2. 工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防爆办法保证安全生产。3. 工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必需具有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMCElectro Magnetic Compatibility）等。4. 工业网络器件的供电，一般是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。5. 采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要求。工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易改换。 以太网应用于工业自动化中的关键问题1. 以太网实时通信服务互换式以太网、全双上以太网和虚拟局域城网技术的出现，和自适应的100Mbit/s快速以太网的成功运行降低了以太网响应时阿太长，吞吐量低、冲突率高的不利影响，使得以太网也可以