1、列車總線控制基礎列車總線控制基礎大連交通大學大連交通大學課程的基本內容課程的基本內容第第1 1章章 緒論緒論第第2 2章章 網絡與通信基礎網絡與通信基礎 第第3 3章章 微機控制基礎微機控制基礎第第4 4章章 列車通信網絡列車通信網絡 第第5 5章章 CRHCRH系列動車組網絡控制系統系列動車組網絡控制系統第第6 6章章 列車自動運行控制系統列車自動運行控制系統大連交通大學大連交通大學列車通信網絡的定義列車通信網絡的定義列車通信網絡是一個安裝在列車上的列車通信網絡是一個安裝在列車上的計算機局域網絡系統計算機局域網絡系統，負，負責對整列車各部分信息的采集與傳遞，對整列車進行控制、監責對整列車各部

2、分信息的采集與傳遞，對整列車進行控制、監測、故障診斷以及為旅客提供信息服務測、故障診斷以及為旅客提供信息服務。大連交通大學大連交通大學編輯編輯ppt列車總線通信任務列車總線通信任務列車總線上不同類型的通信主要用于列車總線上不同類型的通信主要用于:控制控制牽引控制牽引控制: 車輛控制車輛控制:故障診斷故障診斷旅客信息旅客信息預定座位等預定座位等1) 2) 4) 燈燈, 門門, 加熱加熱, 傾擺傾擺, .遠程遠程, 重聯牽引重聯牽引,.預報下一站預報下一站, 故障故障, 線路線路.客車客車客車客車機車機車具有司機室的客車具有司機室的客車司機室司機室列車服務員列車服務員診斷計算機診斷計算機設備故障設

3、備故障,維修信息維修信息狀態信息查詢狀態信息查詢3) 設備運行及狀態設備運行及狀態大連交通大學大連交通大學列車控制網絡的特點列車控制網絡的特點列車網絡特點列車網絡特點工作環境惡劣，可靠性要求高；工作環境惡劣，可靠性要求高；實時性（時間確定性）要求高；實時性（時間確定性）要求高；列車組成的動態性（自動組網）。列車組成的動態性（自動組網）。大連交通大學大連交通大學編輯編輯ppt列車網絡的層次結構列車網絡的層次結構 大連交通大學大連交通大學編輯編輯ppt常見的列車通信網絡常見的列車通信網絡1、現場總線、現場總線2、TCN3、工業以太網、工業以太網大連交通大學大連交通大學編輯編輯ppt現場總線現場總線

4、1、定義、定義2、組成、組成3、特點、特點l1）全數字通信l2）系統的開放性l3）互可操作性l4）通信的實時性與確定性l5）功能自治性l6）現場環境的適應性4、優缺點、優缺點5、與計算機通信的區別、與計算機通信的區別大連交通大學大連交通大學網網絡絡節節點點包括包括PLCPLC以及各種智能化的現場控制設備以及各種智能化的現場控制設備 基于統一、規范的通信協議基于統一、規范的通信協議 通過同一總線實現相互間的數據傳輸與信息共享通過同一總線實現相互間的數據傳輸與信息共享 網網絡絡體體系系通信總線在現場設備中的延伸通信總線在現場設備中的延伸 生產控制生產控制網絡結構網絡結構 位于位于的底層的底層 現場

5、總線概述現場總線概述1. 現場總線的概念現場總線的概念是應用在是應用在生產現場生產現場、連接智能現場設備和自動化測量控制、連接智能現場設備和自動化測量控制系統的系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。的通信網絡。大連交通大學大連交通大學u全數字通信全數字通信抗干擾能力和傳輸精度得到顯著提高抗干擾能力和傳輸精度得到顯著提高信號的檢錯、糾錯機制得以實現可進行多參數傳輸，消除了模擬信號的傳輸瓶頸可進行多參數傳輸，消除了模擬信號的傳輸瓶頸現場設備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設備類型、型號、廠商信息、量程、設備運行狀態等都可以通過一對導線傳輸到現場總線網絡上的任

6、何智能設備，如中央控制器等。2.2.現場總線的特點現場總線的特點現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學u開放式系統開放式系統通信協議一致公開，任何人、任何單位均可采用通信協議一致公開，任何人、任何單位均可采用不同廠家的設備遵守相同的技術規范不同廠家的設備遵守相同的技術規范不同廠家的設備可實現信息互訪不同廠家的設備可實現信息互訪用戶可按需要，任意選用現場總線設備用戶可按需要，任意選用現場總線設備不同設備之間可實現資源共享不同設備之間可實現資源共享與其他網絡（如互聯網）相聯，可實現網絡與數據庫共與其他網絡（如互聯網）相聯，可實現網絡與數據庫共享享現場總線概述現場總線概述2.2.現場總線的

7、特點現場總線的特點大連交通大學大連交通大學u互可操作互可操作不同設備間，除了能實現信息互訪外，還能理解信息的含不同設備間，除了能實現信息互訪外，還能理解信息的含義，并能根據信息要求進行操作義，并能根據信息要求進行操作即某廠家生產的設備能夠對另一個廠家的設備進行控制和即某廠家生產的設備能夠對另一個廠家的設備進行控制和操作操作不同廠家的相同類型的設備可以互相替換不同廠家的相同類型的設備可以互相替換可統一組態，無需專用的驅動程序可統一組態，無需專用的驅動程序解決了設備的壟斷性和產品故障處理的時效性解決了設備的壟斷性和產品故障處理的時效性為系統集成的自主性提供了產品保障為系統集成的自主性提供了產品保障

8、2.2.現場總線的特點現場總線的特點現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學u分散控制分散控制u現場設備的智能化與功能自治性現場設備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。時診斷設備的運行狀態。u由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系

9、結構全分布式控制系統的體系結構 。2.2.現場總線的特點現場總線的特點現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學u對環境的高度適應對環境的高度適應專為現場環境設計專為現場環境設計可支持多種傳輸介質可支持多種傳輸介質雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等可兩線制供電可兩線制供電支持本質安全與防爆支持本質安全與防爆2.2.現場總線的特點現場總線的特點現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學u一對多的總線型結構一對多的總線型結構現場總線是多分支結構，其網絡拓撲可為總線型、星型現場總線是多分支結構，其網絡拓撲可為總線型、星型、樹形等多種形式，以總線型為主。、樹形等多種形式，以總線

10、型為主。 傳統控制系統中設備的連接都是一對一的布線簡單，工程安裝周期縮短、維護也很方便布線簡單，工程安裝周期縮短、維護也很方便很強的系統擴展性很強的系統擴展性 主機能自動識別設備的增加或刪減 無需架設新的線纜 無需系統停機2.2.現場總線的特點現場總線的特點現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學2.2.現場總線的特點現場總線的特點現場總線控制系統結構現場總線控制系統結構現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學3.3.現場總線的特殊功能現場總線的特殊功能(1)(1)經濟、安全、可靠地傳輸信息經濟、安全、可靠地傳輸信息經濟性經濟性 信息、電源同時傳輸信息、電源同時傳輸 介質廉價介

11、質廉價安全性安全性 解決防爆問題解決防爆問題可靠性可靠性 電磁、氣候、機械環境適應性電磁、氣候、機械環境適應性現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學(2)正確使用所傳信息正確使用所傳信息可互操作性：不同廠家的設備相互理解所傳信息可互操作性：不同廠家的設備相互理解所傳信息(3)及時處理所傳信息及時處理所傳信息信息處理現場化，避免信息在網絡上過多傳輸信息處理現場化，避免信息在網絡上過多傳輸3.3.現場總線的特殊功能現場總線的特殊功能現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學線狀（總線、菊花鏈型）、星型、樹型線狀（總線、菊花鏈型）、星型、樹型以線狀結構為多以線狀結構為多4.4.現場總

12、線的網絡結構現場總線的網絡結構現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學現場總線技術產生于二十世紀八十年代現場總線技術產生于二十世紀八十年代是為滿足日益急迫的企業綜合自動化的需求是為滿足日益急迫的企業綜合自動化的需求開放性開放性通用性通用性可靠性可靠性智能儀表為現場總線的出現奠定了基礎智能儀表為現場總線的出現奠定了基礎5.5.現場總線的產生與發展現狀現場總線的產生與發展現狀現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學現場總線近年來成為控制領域的研究熱點現場總線近年來成為控制領域的研究熱點各國投入巨額資金與人力在開發這一技術，形成了企業、各國投入巨額資金與人力在開發這一技術，形成了企業

13、、國家、國際標準（歐洲、北美、亞洲、中國），呈現百花國家、國際標準（歐洲、北美、亞洲、中國），呈現百花齊放的現狀。最后，通過妥協，現場總線技術出現了協調齊放的現狀。最后，通過妥協，現場總線技術出現了協調共存、共同發展的局面共存、共同發展的局面現場總線國際標準現場總線國際標準IEC61158包含了八種類型，據說可能還包含了八種類型，據說可能還要增加到十二種類型要增加到十二種類型5.5.現場總線的產生與發展現狀現場總線的產生與發展現狀現場總線概述現場總線概述大連交通大學大連交通大學現場總線技術與計算機通信技術現場總線技術與計算機通信技術大連交通大學大連交通大學現場總線技術與計算機通信技術現場總線技

14、術與計算機通信技術大連交通大學大連交通大學現場總線技術與計算機通信技術現場總線技術與計算機通信技術大連交通大學大連交通大學現場總線技術與計算機通信技術現場總線技術與計算機通信技術大連交通大學大連交通大學現場總線技術與計算機通信技術現場總線技術與計算機通信技術大連交通大學大連交通大學3.網絡結構網絡結構 容易實現對現場儀表的總線供電。容易實現對現場儀表的總線供電。 一條線狀結構現場總線支路上的電源負載是確定的，沿總線電源電壓的變化也是可一條線狀結構現場總線支路上的電源負載是確定的，沿總線電源電壓的變化也是可以預料的。以預料的。 容易實現本安防爆規范。容易實現本安防爆規范。 目前的本安防爆主導理論

15、還是認為，電纜的分布電感、電容以及由于電磁感應產生目前的本安防爆主導理論還是認為，電纜的分布電感、電容以及由于電磁感應產生的火花能量，都是隨著電纜的長度而增加?，F場總線由于限制電纜的長度和總線的火花能量，都是隨著電纜的長度而增加?，F場總線由于限制電纜的長度和總線上負載的數量，可以較好的解決本安防爆問題，同時這也對現場總線的應用產生上負載的數量，可以較好的解決本安防爆問題，同時這也對現場總線的應用產生了一定的限制了一定的限制。 現場總線技術與計算機通信技術現場總線技術與計算機通信技術大連交通大學大連交通大學4.系統結構系統結構 現場設備現場設備 + 傳輸介質傳輸介質現場總線接口現場總線接口微處理

16、器微處理器傳感器傳感器A/D現場節點現場節點工作站工作站現場總線現場總線現場總線技術與計算機通信技術現場總線技術與計算機通信技術大連交通大學大連交通大學2.2.現場總線比較現場總線比較現場總線標準現場總線標準大連交通大學大連交通大學現場總線現場總線德國西門子公司：德國西門子公司：1979年德國西門子公司第一次開發車載微機控制裝置1992年在SIBAS16基礎上推出以80386為CPU的SIBAS32系統。已具備網絡控制功能（符合已具備網絡控制功能（符合TCN標準）標準）法國ALSTOM公司：將WorldFIP作為標準通信協議應用于其開發的AGATE列車控制系統，并成功應用于TGV高速列車美國美

17、國Echelon公司：公司：20世紀90年代初，發明了Lonworks控制網絡技術德國德國Bosch公司公司:CAN總線總線美國：美國：ARCNET大連交通大學大連交通大學TCN （列車通信網絡）概述（列車通信網絡）概述l功能功能l體系結構體系結構lWTB和和MVB的特點的特點多功能車輛總線多功能車輛總線 MVBlMVB物理層物理層lMVB幀幀 絞式列車總線絞式列車總線WTBlWTB特性摘要特性摘要lWTB網絡拓撲網絡拓撲lWTB幀、報文幀、報文lWTB介質訪問控制方式介質訪問控制方式l列車初運行列車初運行 【主要內容主要內容】 大連交通大學大連交通大學 TCN（列車通信網絡）概述（列車通信網

18、絡）概述 TCN（列車通信網絡）于（列車通信網絡）于1999年年6 月正式成為月正式成為國際標準國際標準，即，即IEC61735。該標準對列車通信網。該標準對列車通信網絡的總體結構、連接各車輛的列車總線、連接絡的總體結構、連接各車輛的列車總線、連接車輛內部各智能設備的車輛總線及過程數據等車輛內部各智能設備的車輛總線及過程數據等內容進行了詳細的規定。內容進行了詳細的規定。大連交通大學大連交通大學 功能功能TCN（列車通信網絡）將列車上的智能設備連接（列車通信網絡）將列車上的智能設備連接起來，完成下述功能：起來，完成下述功能：l列車牽引及車輛控制（如車門、車燈等的遠程控列車牽引及車輛控制（如車門、

19、車燈等的遠程控制）；制）；l遠程診斷及維護；遠程診斷及維護；l旅客信息及舒適性；旅客信息及舒適性；大連交通大學大連交通大學TCNTCN三層結構三層結構：列車級控制、車廂級控制、設備級控制：列車級控制、車廂級控制、設備級控制TCNTCN的體系結構的體系結構大連交通大學大連交通大學1.1.連接各車輛的絞線式列車總線（連接各車輛的絞線式列車總線（Wire Train Bus,WTBWire Train Bus,WTB）, ,列車新編組時可自動配置（組態），通信介質為雙絞線，列車新編組時可自動配置（組態），通信介質為雙絞線，通信速率為通信速率為1Mbit/s1Mbit/s； 2.2.連接一節車輛內或車

20、輛組各設備的多功能車輛總線（連接一節車輛內或車輛組各設備的多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus , MVB)Multifunction Vehicle Bus , MVB)，具有快響應性，通，具有快響應性，通信介質為雙絞線或光纖，通信速率為信介質為雙絞線或光纖，通信速率為1.5Mbit/s1.5Mbit/s。3.3.這些總線在鏈路層提供了兩種相同的服務：這些總線在鏈路層提供了兩種相同的服務：u過程數據：周期性的，源尋址廣播數據；過程數據：周期性的，源尋址廣播數據；u消息數據：按需傳送的，目標尋址的數據報文。消息數據：按需傳送的，目標尋址的數據報文。4.4.實時協議

21、提供兩種與總線無關獨立的應用服務實時協議提供兩種與總線無關獨立的應用服務5.5.網絡管理支持組態、維護及操作。網絡管理支持組態、維護及操作。TCN的體系結構的體系結構大連交通大學大連交通大學商業以太網辦公自動化商業以太網辦公自動化工業以太網工業自動化工業以太網工業自動化工業以太網工業以太網大連交通大學大連交通大學為什么工業領域需要以太網為什么工業領域需要以太網原因一：現場總線標準難以統一，帶來系統復雜性原因一：現場總線標準難以統一，帶來系統復雜性1999 1999 年現場總線技術標準年現場總線技術標準IEC 61158 IEC 61158 終于塵埃落定終于塵埃落定, ,有有8 8種總線成為種總

22、線成為國際電工委員會國際電工委員會(IEC) (IEC) 現行的現場總線技術標準。它們分別是現行的現場總線技術標準。它們分別是: : 基金會現場總線基金會現場總線FF(fundation fieldbus); FF(fundation fieldbus); ControlNet; ControlNet; Profibus; Profibus; P-Net; P-Net; FF(fieldbus fundation)FF(fieldbus fundation)高速以太網高速以太網HSE; HSE; SwiftNet; SwiftNet; WorldFIP; WorldFIP; Inter-bus

23、.Inter-bus.從用戶應用的角度來看從用戶應用的角度來看, ,多種現場總線標準并立導致多種現場總線標準并立導致在一個具體應用中可能會涉及多種不同標準的現場總線在一個具體應用中可能會涉及多種不同標準的現場總線儀表儀表, ,需要解決不同標準系統之間的互連接和互操作的問需要解決不同標準系統之間的互連接和互操作的問題題, ,這必然會增加用戶的投資和使用維護的復雜性。這必然會增加用戶的投資和使用維護的復雜性。大連交通大學大連交通大學原因二：信息集成有新的要求原因二：信息集成有新的要求帶寬問題：帶寬問題：一般地來說一般地來說, ,現場總線標準的特點是通信協議現場總線標準的特點是通信協議比較簡單比較簡

24、單, ,通信速率比較低。如基金會總線通信速率比較低。如基金會總線FFFF的的H1H1和和PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA 的傳輸速率只有的傳輸速率只有31.25Kbps31.25Kbps。但隨著儀器。但隨著儀器儀表智能化的提高儀表智能化的提高, ,傳輸的數據也必將趨于復雜傳輸的數據也必將趨于復雜, ,未來傳未來傳輸的數據可能已不滿足于幾個字節輸的數據可能已不滿足于幾個字節, ,甚至是甚至是WEBWEB網頁網頁, ,所所以網絡傳輸的高速性在工業控制中越來越重要。以網絡傳輸的高速性在工業控制中越來越重要。與商業網集成問題：與商業網集成問題：在制造加工工業中，能夠走出辦公在制造加工工業

25、中，能夠走出辦公室室, ,在任何地方對企業生產進行實時監控在任何地方對企業生產進行實時監控, ,無疑是各個企無疑是各個企業提高生產效率、增強競爭力的有效方法。如此一來，業提高生產效率、增強競爭力的有效方法。如此一來，現場總線的底層信息必然要和上層的通用局域網連接現場總線的底層信息必然要和上層的通用局域網連接, ,將將底層信息集成到車間、公司級的數據庫中底層信息集成到車間、公司級的數據庫中, , 通過通過WEBWEB方方式瀏覽和交互控制。現有現場總線標準大都無法直接與式瀏覽和交互控制?，F有現場總線標準大都無法直接與互聯網連接，需要額外的網絡設備才能完成通信。互聯網連接，需要額外的網絡設備才能完成

26、通信。大連交通大學大連交通大學原因三：工業以太網的技術優勢原因三：工業以太網的技術優勢(1) 解決協議的開放性和兼容性問題。解決協議的開放性和兼容性問題。工業以太網因為采用由工業以太網因為采用由IEEE802.3IEEE802.3所定義的數據傳輸協議，它所定義的數據傳輸協議，它是一個開放的標準，從而為是一個開放的標準，從而為PLCPLC廠家和廠家和DCSDCS廠家廣泛接受。與現場總廠家廣泛接受。與現場總線相比，以太網還具有向下兼容性。快速以太網是在雙絞線連接線相比，以太網還具有向下兼容性?？焖僖蕴W是在雙絞線連接(10BaseT)(10BaseT)的傳統以太網標準的基礎上發展起來的，但它的傳輸

27、速度的傳統以太網標準的基礎上發展起來的，但它的傳輸速度從從10Mbps10Mbps提升到了提升到了100Mbps100Mbps。在大多數場合，它還可以使用已有的布。在大多數場合，它還可以使用已有的布線。此外，以太網還允許逐漸采用新技術。也就是說，沒必要一下線。此外，以太網還允許逐漸采用新技術。也就是說，沒必要一下子改變整個網絡，可以一步步將整個網絡升級。子改變整個網絡，可以一步步將整個網絡升級。(2) 解決帶寬需求問題。解決帶寬需求問題。以太網最初的數據傳輸速度只有以太網最初的數據傳輸速度只有10Mbit/s10Mbit/s，隨著，隨著19961996年快速以年快速以太網標準的發布。以太網的速

28、度提高到了太網標準的發布。以太網的速度提高到了100Mbit/s100Mbit/s。19981998年，千兆年，千兆以太網標準的發布將其速度提高到最初速度的以太網標準的發布將其速度提高到最初速度的100100倍。最初的以太網倍。最初的以太網需要需要1.21.2毫秒才能傳送一個毫秒才能傳送一個15181518字節大小數據；現在，快速以太網已字節大小數據；現在，快速以太網已經將這一時間減少到經將這一時間減少到120120秒；如果采用千兆以太網，這一時間只需秒；如果采用千兆以太網，這一時間只需1212微秒。微秒。大連交通大學大連交通大學(3) (3) 解決與商用以太網集成問題。解決與商用以太網集成問

29、題。以太網作為現場總線以太網作為現場總線, ,尤其是高速現場總線結構的尤其是高速現場總線結構的主體主體, ,可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術的可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術的發展之外發展之外, ,使現場總線技術與計算機網絡技術很好地融使現場總線技術與計算機網絡技術很好地融合而形成相互促進的局面。合而形成相互促進的局面。(4) (4) 以太網適配器的價格大幅度下跌以及各產品和標以太網適配器的價格大幅度下跌以及各產品和標準對以太網的支持是其成功的重要因素。準對以太網的支持是其成功的重要因素。大連交通大學大連交通大學什么是以太網什么是以太網?1980 年年DEC( digital

30、equipment corporation) 、Intel 和和Xerox 三大公司發布了三大公司發布了DIX版以太網版以太網1.0 規范規范,其其傳輸速度為傳輸速度為10Mb/S ,所支持的唯一物理介質為粗同軸電所支持的唯一物理介質為粗同軸電纜。纜。1982 年年, 發布了發布了DIX2.0 版版, 這就是通常所說的這就是通常所說的Ethernet 。與。與DIX同步的是同步的是IEEE 成立的至今聞名的成立的至今聞名的802.3 委員會。委員會。1985 年，年，IEEE 802.3 委員會發布了委員會發布了CSMA/ CD 訪問方法和物理層規范。盡管其幀的定義與訪問方法和物理層規范。盡管

31、其幀的定義與DIX2.0不盡相同，但是現在更多的人認為它就是以太網不盡相同，但是現在更多的人認為它就是以太網。以太網標準包括：。以太網標準包括：lphysical layer: media, configurationldata link layer: MAC protocol, CSMA/CD大連交通大學大連交通大學CSMA/CDCarrier Sense (CS)“偵聽偵聽”在發送信息幀之前是否有網絡傳輸。一旦偵聽到信道空閑，等待在發送信息幀之前是否有網絡傳輸。一旦偵聽到信道空閑，等待一個一個IFG (46bitIFG (46bit時間時間) )后便立刻發送信息幀后便立刻發送信息幀Mult

32、iple Access (MA)“多點接入多點接入”如果多個節點同時發送信息，此時就會發生沖突如果多個節點同時發送信息，此時就會發生沖突Collision Detect (CD)“沖突檢測沖突檢測”CSMA/CD協議中采用重傳機制重新執行信息幀的發送操作，直協議中采用重傳機制重新執行信息幀的發送操作，直到該信息幀成功發送或重傳次數到該信息幀成功發送或重傳次數n達到上限達到上限(attempLimit)而而 終止終止發送發送Intel Demo 2Intel Demo 2大連交通大學大連交通大學CSMA/CDExponential Back-off Algorithm “二進制指二進制指數回避算

33、法，數回避算法，BEB”每次檢測到沖突，每次檢測到沖突，CSMA/CDCSMA/CD采用采用BEBBEB算法隨機地計算法隨機地計算出下一次重傳需要等待的時間，即幀重傳時延。幀算出下一次重傳需要等待的時間，即幀重傳時延。幀重傳時延的大小為時隙時間重傳時延的大小為時隙時間(slot Time,512bit(slot Time,512bit的傳輸的傳輸時間時間) )的整數倍的整數倍r r。r r為隨機整數，其取值為為隨機整數，其取值為:0r2:0r2r r，k=min(n,10), k=min(n,10), 其中，其中，n n為重傳次數，最大值為為重傳次數，最大值為16.16.對于對于 10M bi

34、t/s10M bit/s網網絡，一個時隙時間為絡，一個時隙時間為51.2us51.2us。因此沖突所導致的等待。因此沖突所導致的等待時間最長可以達到時間最長可以達到51ms51ms。重傳時延的不確定性，不能滿足工業系統的實時性重傳時延的不確定性，不能滿足工業系統的實時性大連交通大學大連交通大學工業以太網與商業以太網的區別工業以太網與商業以太網的區別1、工業以太網的基本體系結構、工業以太網的基本體系結構2、改進的實時工業以太網體系結構、改進的實時工業以太網體系結構3、工業以太網的實時通信技術、工業以太網的實時通信技術4、工業以太網的設備環境適應性和、工業以太網的設備環境適應性和可靠性要求可靠性要

35、求大連交通大學大連交通大學1、工業以太網基本體系結構、工業以太網基本體系結構 工業以太網在商用以太工業以太網在商用以太網基礎上發展而來，它的網基礎上發展而來，它的體系結構基本上采用了以體系結構基本上采用了以太網的標準結構。對應于太網的標準結構。對應于ISO/OSIISO/OSI通信參考模型，工通信參考模型，工業以太網協議在物理層和業以太網協議在物理層和數據鏈路層均采用了數據鏈路層均采用了802.3802.3標準，在網絡層和傳輸層標準，在網絡層和傳輸層則采用被稱為以太網則采用被稱為以太網“事事實上標準實上標準”的的TCP/IPTCP/IP協議協議簇，在高層協議上，工業簇，在高層協議上，工業以太網

36、通常省略了會話層以太網通常省略了會話層、表示層，而定義了應用、表示層，而定義了應用層，有的工業以太網還定層，有的工業以太網還定義了用戶層。義了用戶層。大連交通大學大連交通大學 根據實時以太網實時擴展的不同技術方案，可將實時以太網通根據實時以太網實時擴展的不同技術方案，可將實時以太網通信協議模型分為信協議模型分為5 5類，是經過常規最大努力提高實時性，一般工類，是經過常規最大努力提高實時性，一般工業以太網的通信協議模型業以太網的通信協議模型; ;采用在采用在TCP/IPTCP/IP之上進行實時數據交換之上進行實時數據交換方案方案; ;采用經優化處理和提供旁路實時通道的通信協議模型采用經優化處理和

37、提供旁路實時通道的通信協議模型; ;采采用集中調度提高實時性的解決方案用集中調度提高實時性的解決方案; ;采用類似采用類似InterbusInterbus現場總線現場總線“集總幀集總幀”通信方式和在物理層使用總線拓撲結構提升以太網實時通信方式和在物理層使用總線拓撲結構提升以太網實時性能。性能。2、改進的實時工業以太網體系結構、改進的實時工業以太網體系結構大連交通大學大連交通大學3、工業以太網的實時通信技術、工業以太網的實時通信技術n采用以太網與采用以太網與TCP/IPTCP/IP相結合的方法相結合的方法n直接修改傳統以太網直接修改傳統以太網MACMAC協議協議(CSMA/CD)(CSMA/CD

38、)方式方式n數據鏈路層增加實時調度層的方式數據鏈路層增加實時調度層的方式n網絡節點間的時間同步機制也是實現確定性網絡節點間的時間同步機制也是實現確定性實時調度的必要手段之一實時調度的必要手段之一大連交通大學大連交通大學采用以太網與采用以太網與TCP/IPTCP/IP相結合的方法相結合的方法n標準：標準：HSEHSE、EtherNET/IPEtherNET/IP和和Modbus/TCP Modbus/TCP 說明：它們是建立在以太網和說明：它們是建立在以太網和TCP/IPTCP/IP協議基礎上的數據協議基礎上的數據傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速率傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速

39、率, ,控制控制網絡負荷以及采用全雙工交換技術。網絡負荷以及采用全雙工交換技術。然而然而, ,交交換式以太網并不是實時通信最終的解決方案換式以太網并不是實時通信最終的解決方案, , 當多個當多個數據流同時到達交換機時數據流同時到達交換機時, ,需要將其緩存后從目的端口需要將其緩存后從目的端口順序輸出順序輸出, ,此時多路轉換和緩存的時間取決于不同交換此時多路轉換和緩存的時間取決于不同交換機的具體實現方式和網絡的負載情況機的具體實現方式和網絡的負載情況, ,其值仍是一個不其值仍是一個不確定的數值。在許多工業應用環境中確定的數值。在許多工業應用環境中, ,需要一個設備同需要一個設備同時向多個設備發

40、送數據時向多個設備發送數據( (如廣播或發布如廣播或發布/ /預定關系預定關系) )。交。交換式以太網更適合于點對點的數據交換，當廣播或多換式以太網更適合于點對點的數據交換，當廣播或多播報文同時傳遞到一個端口時會造成數據傳遞的時延播報文同時傳遞到一個端口時會造成數據傳遞的時延。 大連交通大學大連交通大學采用以太網與采用以太網與TCP/IPTCP/IP相結合的方法相結合的方法n標準：標準：HSEHSE、EtherNET/IPEtherNET/IP和和Modbus/TCP Modbus/TCP 說明：它們是建立在以太網和說明：它們是建立在以太網和TCP/IPTCP/IP協議基礎上的數據協議基礎上的

41、數據傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速率傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速率, ,控制控制網絡負荷以及采用全雙工交換技術。網絡負荷以及采用全雙工交換技術。然而然而, ,交交換式以太網并不是實時通信最終的解決方案換式以太網并不是實時通信最終的解決方案, , 當多個當多個數據流同時到達交換機時數據流同時到達交換機時, ,需要將其緩存后從目的端口需要將其緩存后從目的端口順序輸出順序輸出, ,此時多路轉換和緩存的時間取決于不同交換此時多路轉換和緩存的時間取決于不同交換機的具體實現方式和網絡的負載情況機的具體實現方式和網絡的負載情況, ,其值仍是一個不其值仍是一個不確定的數值。在許多工業應用

42、環境中確定的數值。在許多工業應用環境中, ,需要一個設備同需要一個設備同時向多個設備發送數據時向多個設備發送數據( (如廣播或發布如廣播或發布/ /預定關系預定關系) )。交。交換式以太網更適合于點對點的數據交換，當廣播或多換式以太網更適合于點對點的數據交換，當廣播或多播報文同時傳遞到一個端口時會造成數據傳遞的時延播報文同時傳遞到一個端口時會造成數據傳遞的時延。 大連交通大學大連交通大學采用以太網與采用以太網與TCP/IPTCP/IP相結合的方法相結合的方法另外，另外，HSEHSE，Ethernet/IPEthernet/IP和和Modbus TCPModbus TCP都沒都沒有在實質上解決以

43、太網的通信不確定性問題，而有在實質上解決以太網的通信不確定性問題，而是采取了一種比較折衷的方案，即傳輸層、數據是采取了一種比較折衷的方案，即傳輸層、數據鏈路層和物理層沿用以太網的原有機制，在用戶鏈路層和物理層沿用以太網的原有機制，在用戶層或應用層對數據的傳輸進行控制。而對于應用層或應用層對數據的傳輸進行控制。而對于應用層以下的報文是不能控制的，如層以下的報文是不能控制的，如ARP (Address ARP (Address Resolution Protocol)Resolution Protocol)、ICMP (Internet ICMP (Internet Control Messages Protocol)Control Messages Protocol)等協議所產生的報等協議所產生的報文。這種折衷的方案不能滿足實時性要求很高的文。這種折衷的方案不能滿足實時性要求很高的場合。場合。 大連交通大學大連交通大學直接修改直接修改CSMA/CDCSMA/CD方式方式由于導致不確定性通信的由于導致不確定性通信的CSMA/CDCSMA/CD機制位于以