1、ICS 25.040 N 10 道B中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z 26157.2-2010 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNet和EtherNetjIP规范第2部分:物理层和介质Digital data communication for measurement and control一Fieldbus for use in industrial control systems-Type 2: ControlNet and EtherNet/IP specification Part 2 : Physical layer and media
2、 (IEC 61158:2003 TYPE2 ,MOD) 2011-01-14发布2011-06-01实施数询防伪中华人民共和国国家质量监督检验检菇总局中国国家标准化管理委员会发布GB/Z 26157.2-2010 目次前言.v 引言.回1 范围12 PLS子层22. 1 时钟精度(Clockaccuracy) . 2 2. 2 数据恢复(Datarecovery) 2 2.3 数据编码规则(Dataencoding rules) 2 2.4 MAC到PLS之间的接口(MACto PLS interface) 3 3 PMA子层 5 3. 1 介质至PLS/PMA之间的接口的延时53.2 物理
3、层类型引起的变化53.3 PLS至PMA之间的接口54 介质54. 1 物理层类型引起的变化54.2 PMA至介质之间的接口 5 5 同轴介质及其物理层类型55. 1 概述55. 2 同轴电缆PMA子层(CoaxPMA sublayer) 6 5. 3 同轴电缆收发器75.4 环境规范145. 5 变压器155.6 连接器165. 7 拓扑165. 8 分接头175. 9 主干线206 光纤介质及其物理层类型216. 1 概述.216.2 光纤PMA子层226. 3 拓扑246.4 主干线光纤.246. 5 主干线连接器246. 6 光纤规范247 NAP介质及其物理层类型.257.1 概述2
4、57.2 PLS至PMA接口267.3 NAP PMA要求 26 8 RM子层和冗余物理层308. 1 概述.30 GB/Z 26157.2-2010 8.2 中继(RM)子层308.3 冗余物理层329 环型拓扑和物理层339.1 概述339.2 环型中继(RRM)子层n参考文献. . . . . 40 图1ISO/OSI模型的关系图2曼彻斯特编码比特率.图3同轴电缆物理层类型的部件6图4同轴电缆PMA块图.图5同轴电缆发送器8图6同轴电缆接收器的操作9图7发送限制框. . . . . . . . . . ., . . . . . . . . . . . . 10 图8接收限制框图9数据检测
5、器图10RxCarrier检测图11同轴电缆冗余收发器11图12单信道同轴电缆收发器.图13变压器符号.图14拓扑实例图15同轴电缆介质拓扑限制17图16分接头电气特性四图17同轴电缆介质分接头m图阻光纤PMA块图图19瞬时和永久节点的实例25图20NAP参考模型. . . . . . . . . . . . . ., . . . . . . . . . . 26 图21NAP收发器 27 图22非-隔离的NAP收发器. . . . . . . . . . . . 28 图23隔离的NAP收发器. . . . . . . . 28 图24NAP电缆. . . . . . 29 图25物理层中继
6、器设备参考模型30图26冗余的参考模型.图27同轴电缆冗余和NAP的显示块图33图28环型中继器简单示意图图29分隔询问.图30分隔响应M图31交换状态机图32端口1首先审视网络活动.图33端口2首先审视网络活动图34端口3首先审视网络活动39表1PLS定时特征E GB/Z 26157.2-2010 表2数据编码规则2表3pls_status_indication真值表4表4J abber indications 4 表5PLS至PMA接口的定义7表6传送控制线定义8表7接收器数据输出定义8表8接收器载波信号输出定义.8表9同轴电缆接口-一一传送规范.9表10同轴电缆接口一一接收.10表11同
7、轴电缆接口一一概述.表12接收器输出定义u表13环境规范(资料性). . 表14变压器电气规格表15分支电缆规范表16分接头规范表17主干电缆规范20表18LS至PMA之间的接口. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 表19传输控制线定义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 表20光纤接口. . . . . . . . . . . . . ., ., 23 表21环境规范n表22光纤信号规范M表23NAP要求. . . . . . . . . . . . . . .
8、 . . . . 26 表24NAP连接器的针脚定义. . . . . . . . . . . 29 mm G/Z 26157.2-2010 目IJ1=1 IEC 61158:2003(测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线包括了10种现场总线类型:一一类型l:IEC技术报告;类型2:ControlNet和Ethernet/IP;一一一类型3: PROFIBUS; 类型4:P-Net;类型5:FFHSE; 类型6: SwiftN et ; 类型7:WorldFIP; 一一类型8:Interbus; 一一类型9:FFAL; 类型10:PROFINETo 本指导性技术文件修改采用IEC611
9、58:2003(测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNet和EthcrNct/IP规范第2部分:物理层和介质。由于IEC61158系列标准将10种现场总线技术混合在一起进行编写，不便于国内的工程技术及相关人员对各种总线技术的阅读和理解，因此全国工业过程测量和控制标准化技术委员会在采用国际标准时，只采用了其中在国内有广泛应用的类型2:ControlNet和EthcrNct/IP规范的相关技术内容，并根据技术开发人员的习惯将其分为10个部分进行编写。在技术内容上与国际标准没有差异，为方便我国用户使用，在文本结构编排上进行了适当调整，并按GB/T1. 1的要求进行编写。
10、GB/Z 26157(测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNct和EtherNct/IP规范分为如下10个部分:GB/Z 26157. 1 一般描述;GB/Z 26157.2 物理层和介质;GB/Z 26157.3 数据链路层;GB/Z 26157.4 网络层及传输层;GB/Z 26157. 5 数据管理;GB/Z 26157. 6 对象模型;GB/Z 26157.7 设备行规;GB/Z 26157.8 电子数据表5GB/Z 26157.9 站管理;GB/Z 26157. 10 对象库。本指导性技术文件为第2部分。本指导性技术文件由中国机械工业联合会提出。本指导性
11、技术文件由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会(SAC/TC124)归口。本指导性技术文件起草单位:机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、清华大学、西南大学、北京钢铁设计研究总院、中国仪器仪表协会、中国机电一体化技术应用协会、上海自动化仪表股份有限公司、上V GB/Z 26157.2-2010 海工业自动化仪表研究所、上海电器科学研究所(集团)有限公司、罗克韦尔自动化研究(上海)有限公司。本指导性技术文件主要起草人:梅恪、郑旭、董景辰、阮于东、陈开泰、王锦标、彭瑜、刘枫、包伟华、夏德海、李百煌、王春喜、王玉敏。VI GB/Z 26157.2-2010 引物理层及介质部分中规定了标准的要求，并为
12、同轴铜介质和光纤介质提供了资料性参考设计实例。第5第8章中描述了各种不同的物理层类型。同轴铜电缆介质为首选类型。还规定了基于光纤的类型。物理层支持可以简单、方便地连接到网络上访问端口的连接器，这被称为网络访问端口(NA凹，并提供方便的点对点临时附件接入方式，以用于编程、配置、诊断或其他目的。物理层信号收发子层(PLS)执行与比特表示法和定时有关的功能，并允许与MAC子层和物理层介质附属(PMA)子层互相交换信息。PMA子层由总线上发送和接收信号所必须的电路组成。介质由设备电子部件以外的部件组成，它从一个节点向其他节点传送信号。本指导性技术文件定义了三种接口的信号和规范，即PLS至MAC之间的接
13、口、PLS至PMA之间的接口和PMA至介质之间的接口。一个节点可以包括任一种(或多于一种)物理层类型，但其为每个被使用的物理层类型提供了PMA至介质之间造当的接口。该接口规定了每种介质和PMA之间电气的和机械的要求。在节点的任意物理层装置中，该接口是可接触和可访问的。11 1 范围测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNet和EtherNetjIP规范第2部分:物理层和介质GB/Z 26157.2-2010 本指导性技术文件规定了确定性控制网络上节点物理层以及传送介质的要求。本指导性技术文件适用于确定性控制网络物理层和介质的定义对应于GB/T9387的7层OSI模型
14、中第1层的定义。图1显示了OSI模型中物理层和介质的位置。该图适用于所有物理层类型。注:物理层和介质的大部分术语和模型均采用自ISO/IEC8802-4: 1995或GB/T15629.3-1995的相应部分。OSI参考模型的分层ControlNet网络的分层第6、7、8部分1应用层对象和对象模型|第10部分:对象库第5部分表示层数据管理空会话层空传输层根支往输部好理由第4部分l网络层层3一一一一一一一一一一一一一/ / 层2 / J LLC 第3部分l数据链路层|第9部分:站管理、 MAC 、 层1/ / PLS 第2部分l物理层、 PMA 介质图1ISO/OSI模型的关系1 GB/Z 26
15、157.2-2010 2 PLS子层2. 1 时钟精度CClock accuracy) 物理层信号收发的定时规范如表1所示。表1PLS定时特征规范极限值/特征注解数据速率5 Mbit/s士CA也称做MAC_Symbol速率，数据0或1比特时间200 ns士CA也称做MAC_Symbol时间，数据0或1物理层符号时间100 ns士CA也称做Phy_Symbol时间，见数据编码规则时钟精度(CA)士150ppm最大包括温度、长期和短期稳定性2.2 数据恢复CDatarecovery) PLS至MAC之间接口的信号应与表l所示的本地数据速率同步。每一物理层CPLS层)的实现都应提供数据恢复机制，以便
16、恢复或重建从适当介质接收到的数据，从而满足表1所示定时的要求。当通过PLS达到数据同步时，pls_lock_indication应为真。在达到数据同步的过程中，一部分接收到的数据帧可能丢失或被丢弃。在起始分隔符(见GB/Z 26157.3-2010，起始分隔符的定义)开始之前应实现表1中对数据定时的要求。2.3 数据编码规则CDataencoding rules) MAC至PLS之间接口处的MAC_Symbol应被适当地编码为表2和图2所示的Phy_ Sym bolo MAC_O与MAC_l应被编码为Phy_Symbol以描述表2所示的曼彻斯特双向L数据编码规则。MAC_ND符号应被用来描述违
17、反曼彻斯特编码规则的数据模式，它允许创建特定的用于起始分隔符和结束分隔符的数据模式。表2数据编码规则数据比特(通用名称MAC_Symbol表示Phy_Symbol编码曼彻斯特编码数据0MAC_O或OPhy_L、Phy_H或L，H。数据1MAC_l或1 Phy_H、Phy_L或H，L1 non_data十MAC_ND十或+Phy_H、Phy_H或H，H编码违规6 non data一MAC_ND一或一Phy_L、Phy_L或L，L编码违规信号电压波形(来自同轴电缆PMA子层)的理想状态图如图2所示，并提供了表2中数据编码规则的实例。2 v : | 1比特时间l : 200 ns - ! MAC_S
18、ymbols i 曼彻斯特双相Lt (数据)编码Phy _ Symbols Phy H iPhy_Li Phy_:_L 图2曼彻斯特编码比特率2.4 MAC到PLS之间的接口(MACto PLS interface) 2.4. 1 概述GB/Z 26157.2-2010 时间在任何物理层类型的实现中，MAC至PLS的接口不必是外露的。此接口可以处于节点内部，也可以在半导体设备的内部。但是，如果MAC至PLS之间接口的一致性已被声明，接口应满足本条的要求。2. 4. 2 pls_lock一indicationp1s_10ck_indication应提供一种指示，用以表明数据被PLS子层锁定或Ph
19、y_Symbol被PLS子层同步化。p1s_10ck_indication有效的状态应为真或假。当Phy_Symb01s出现于PMA至PLS之间的接口，并且MAC_Symb01s所表示的PLS至MAC之间接口的定时符合表1的要求时，pls_lock_ indication应为真。当在帧之间(Phy_Symb01s没有出现在介质中)或当数据同步丢失时，或定时不能符合表1的要求时，p1s_10ck_indication应为假。在起始分隔符开始之前pls_lock_indication应为真。2. 4. 3 pls_frame_indication p1s_frame_ indication应提供一
20、种指示，用以表明来自PMA子层的有效数据帧。pls_frame_indication正确的状态应为真或假。如果p1s_10ck_indication的值为真，并且与接收到的第一个起始分隔符相等，那么pls_frame_indication应为真;当接收下一个MAC_ND符号时(在起始分隔符之后)或pls_lock_indication为假时，pls_frame_indication应为假。注:此信号提供了与数据链路层的字节同步。2.4.4 pls_carrier_indication pls_carrier _indication应被用来描述介质中存在的信号载波。如果在PLS至PMA之间接口的
21、RxCarrier (RxCarrier =真)在最后4个MAC符号时钟内为真时，那么p1s_carrier _ indication应为真;否则，pls_carrier_indication为假(见PMA子层RxCarrier的相关定义)。2. 4.5 pls_data_indication pls_data_indica tion应被用来描述在PMA子层被解码的MAC_Symb01soPhy_Symbols如表2所示。正确的符号应为MAC_O，MAC_l , MAC_ND十或MAC_ND一(或MAC_Symbols)0 pls_data_ indication应用来描述，当p1s_10ck
22、_indication为真时，被PMA子层解码的MAC_Symb01s 0 3 GB/Z 26157.2-2010 2.4.6 pls_status_indication pls_status_indication应被用来描述从PMA子层接收到的帧的状态，如表3所示。正确的符号应为:正常、异常、无效。在接收到一个由起始分隔符、有效的曼彻斯特编码数据以及第二个起始分隔符组成的I随后(pls_framc_indication=真)，pls_status_indication应指示为正常。在接收到一个由起始分隔符以及对任意MAC_ND符号的检测组成的帧后，MAC_ND符号不属于起始分隔符或结束分隔符
23、一部分，pls_status_indication应指示为无效。表3pls_status_indication真值表pls_status_indication pls_frame_indication 独帧中的起始结束分隔符任何非分隔符的曼分隔符检测彻斯特编码违规正常真1 真假异常真2 元关假无效真1 元关假2.4. 7 pls_data_requ四tpls_ data_ requcs应被用来描述MAC_Symbols已被传送。有效的符号应为MAC_O，MAC_l , MAC二ND十orMAC_ND一，如表2所示。当没有数据被传送的时候，pls_data_request应指示为MAC_Oo2.
24、 4. 8 pls_frame_request 当pls_data_request表示MAC_Symbols被编码为适当的Phy_Symbols并被传送到PMA子层时，pls_framc_requcst应为真。当没有有效的MAC_Symbols被传送到PMA子层时，pls_framc_ request应为假。2. 4. 9 jabber_indication 当PLS至PMA之间的接口检测到一个单独的等于或大于1021字节(8192MAC_Symbols)的帧(pls_frame_indication =真)，并且jabbcr_type_request为真时，ja b ber _indica
25、tion应为真。当PLS至PMA之间的接口检测到一个单独的等于或大于2048字节(16381MAC_Symbols)的帧(pls_frame_indication=真)，并且jabber_ type_ rcquest为假时，jabber _ indication应为真。否则jabber_ indication为假。如果jnbbcr_indica tion变为真，它T)l1被PLS子1二锁定在此状态，直到jabbcr_clear_request为真或节点的电源被移动以及被还原，或节点被初始化。2.4.10 jabber_cIear_requ臼tjabbcr_clear _request (可选的
26、)在正常运行条件下应为假，当被锁定在真状态的jabber_indication复位时，ja b ber_clcar_request应为真。2.4. 11 jabber_type_request 如果节点是传送数据(节点)的源节点，jabber_type_rcquest应为真。如果节点再次传送从其他节点接收到的数据，jabber_type_requcst应为假(例如，作为一个来自于其他节点的数据的中继器，见8.2)。jabber_indication与jabber_type_request的组合如表4所示。表4Jabber indications jab ber_indication jabbe
27、r_type_request 帧长度真真=节点二三1024字节真假中继器二2048字节假真节点510 mV(峰-峰)内，当Vio大于最小接收电平时应为真40ns 规范稿合在oHz时隔离输入阻抗(Txoff) 阻抗模型(Txoff) 串连电感并连电感并联电容并连电阻连接器物理层信号100 ns 图8接收限制框40ns 表11同轴电缆接口一一概述极限/特征注藕合变压器对地隔离最小500kn 0.2 dB分接头损耗(见图16)可供选择的阻抗模型可供选择的输入阻抗(1士20%)X 0.56H 上电(1)(1士20%)X425H 上电(1)最大50pF 上电(1)最大55pF 掉电(1)(1土20%)X
28、3.9kn 上电(1)(1土20%)X3.4kn 掉电(1)BNC或TNC见5.6获得更多信息GB/Z 26157.2-2010 ov 解注:所有阻抗规范都会遇到发送器中断和使用或移除电源的情况。所有阻抗规范都会遇到超越全部接收器动态范围的情况，该范围从最小接收电平到最大传送电平。5.3.2 参考设计(资料性)注:本条描述了一个执行实例，并没有标准化的要求。如图11和图12所示，同轴电缆发送器是由CMOS(互补金属氧化物半导体)预发送器对、晶体管发送器对和变压器构成。串联肖特基二极管和过压二极管将在本条的随后部分讨论。11 G/Z 26157.2-2010 预发送器型号为74AC08。此器件允
29、许数据与使能信号组合，并为驱动晶体管提供基础驱动。晶体管的驱动器采用一对MMBT2369晶体管。应按照下列重要性能选择这些高速开关=a) 集电极电流至少为150mA; b) 高速开关的典型特性优于10ns; c) 小体积SOT-23;d)低Vcesat Ic约0.5V; e) 低输出电容4.0pF nom.。串连基极电阻定义了基极驱动要求和旁路基极电阻以减少关断时间。基极电容提供了压摆率极限值可以轻微改进辐射型发射。变压器(1: 1 : 1)将发送信号祸合到介质。一对驱动器中的每一边控制中心抽头变压器的一边。这样驱动器就可以工作在推挽状态下。通常各个驱动器上的电压为4.20c=5 V时)，最大
30、4.7CVcc=5.5 V时)。分别对应于(在37.5n负载下)峰值驱动器输出电流，通常110mA，最大125mAo因此，包括基极驱动电流的总的峰值电流大约为140mA。接收器电路从概念上很简单，其复杂性在于对检测阔值的控制。图9为简化的示意图，其中包括Rx数据检测器的重要部件。同轴电缆连接器隔离变压器5V 图9数据检测器RxOata 差动比较器检测器实例使用的是为高输入阻抗选用的26LS32AC间接收器)。该系列的很多器件提供规格为6 kn的最小输入阻抗，但有厂商可提供规格为12kn最小的输入阻抗，而在参考设计阶段，该部分需要一个特殊的屏蔽，允许在较小的共模范围内改进灵敏度。该器件的重要规范
31、如下:高输入阻抗(这需要满足节点输入阻抗的需求):通常为15kn，最小为12kno a) 最坏情况下的低阔值电压:在共模范围为oV5.5 V时，为士100mV; b) 0 oC85 oC温度范围;c) 单一5V供电电压;d) 电源允差土10%;e) 应足够快以处理5Mbit/s比特速率的曼彻斯特编码。对于图9以及图11和图12示意图中所示的Rx检测器。表12显示了RxData和RxCarrier转变过程中输入电压的电平。12 GB/Z 26157.2-2010 表12接收器输出定义在介质上的输入电压RxData RxCarrier Vin反射1M Log Mag 10dBI Ref O.OOd
32、B dB 30 20 问:主10 气3o F叫10 20 30 2.5 MHz/div 25.00 MHz 图16分接头电气特性18 5.8.3 分支电缆分支电缆应符合表15中规定的限制和特性注:通常该电缆称为小型RG59/U飞表15分支电缆规范规范限制/特性屏蔽双层编织网屏蔽，每层屏蔽覆盖率为95%阻抗(75土3)!l延时(4.1士0.1)ns/m衰减(dB/100m) / 1 MHz 1. 25 5 MHz 3.01 10 MHz ，. 3注-一一-一25 MHz 6.89 50 MHz 一一丁10.1俨一-EJLm50MHZ叫最小结构化返回损起导体DC电阻|通常92n/km 屏蔽DC电阻
33、|剧10.5n/km 电容I 54叫/m5.8.4 参考设计(资料性)注:本条描述了个执行实例，并没有标准化要求3GB/Z 26157.2-2010 图17中显示了分接头的设计实例。l祸变压器(T1)缠绕在铁媒torr()idal芯.1l720B。绕组为双线18阻，单股，最小重叠为30AWG重的聚m股电磁绕组。测量的电气特性如表1所示。表16分接头规范会 数值泄漏电感75H 300 kHz 磁化电感890H 300 kHz 绕组咆容20 pF 25 MHz 绕组电阻损耗O. 1 n 300 kHz 磁芯电阻损耗16 kn 1. 3 MHz 19 GB/Z 26157.2-2010 i|L10|
34、叫|!飞飞俨飞| 主干线端口屏蔽圈| 、-一-一一一一一一一一-一-一-一一一一-一一一一_J同轴电缆分文电缆(1m)显示值额定值，实际值需要调整以满足分散参数的需要，详见图16图17同轴电缆介质分接头5.9 主干线5.9.1 电缆主干线电缆应满足表17中所给定的规范。注:通常此电缆被称为RG6飞表17主干电缆规范规范限制/特征屏蔽四重屏蔽阻抗(75土3)0.延时(4.1土O.l)ns/m衰减(dB/100m) 1 MHz 1. 15 2 MHz 1. 25 5 MHz 1. 48 10 MHz 1. 94 20 MHz 2.82 50 MHz 4.49 结构反射损耗从5MHz50 MHz，最
35、小23dB 导体DC电阻通常92o./km屏蔽DC电阻通常24o./km电容53.15 pF/m 20 主干线端口GB/Z 26157.2-2010 5.9.2 连接器5.9.2. 1 描述5. 9. 2. 1. 1 BNC类型最高密封到IP65 主干线连接应使用BNC插头。5. 9. 2. 1. 2 TNC类型最低密封lJIP 67 主干线的连接应使用TNC插头。5.9.2.2 要求用于主干线连接器的标准BNC和TNC插头的中心导体应满足5.6中的电镀要求。5.9.2.3 参考设计(资料性)注:本条描述了一个应用实例，并没有标准化的要求。下面的是满足要求的BNC连接器的实例:a) Amphe
36、no131-7100o-RFX; b) Global Components 09C-033o 下面的是满足要求的TNC连接器的实例:a) AMP; b) Huber Suhncr 11 TNC75-1-X7157-133 N日。6 光纤介质及其物理层类型6. 1 概述注:本条用于光纤介质及物理层类型的执行标准。可以在这里获取对物理层连接设计很重要的信息。光纤介质按人裴置应考虑全双工点对点拓扑或环型拓扑每对光纤末端使用发送器和接收器。光纤介质接入方法定义了三种光纤介质和物理层类型。第1类短距离(通常情况下最多300m)系统的光纤介质和物理层的要求。第2类咛I距离(通常情况下最多7km)的光纤介质
37、和物理层对的要求;最后一种类长范围拧(通常情况下最多20km)的光纤介质和物理层对的要求。对于所有类型，光纤接入方法定义为点对点链路或环型拓扑。点对点连接是在端节点之间、端节点和物理层中继器设备之间或物理层中继器和物理层ql继器之间连接。环i拓扑结构应连接任意两个或更多个执行环型中继(RRM)的节点或设备，详见第9章。在介质或拓扑之间的切换需要使用物理层中继器设备。这将按照下列方式之一实现:有源的集线器，有源的星型，有源的环型。注:可以使用光纤物理层类型，以允许对在爆炸气氛下进行操作的要求进行验证。这些要求可以在不牺牲距离和减少节点数量的情况下得到满足。欧洲电气标准化委员会CCENEL配)EN
38、50014: 1992 , Electrical Apparatus for Potentially Explosive Atrnspheres EN50020 : 1994 , Electrical App. for Potentially Explosive Atmospheres-1ntrinsic Safety i EN50039: ,Electrical App. for Potentially Explosive Atmospheres-1ntrinsically Safe Electrical Systems 勺Factory Mutual CFM) FM Cl. No. 360
39、0 , March 1989 ,Electrical Equipment for Use in Hazardous CClassified) Locations General Require-口lentsFM Cl. No. 3610 , October 1988 , 1ntrinsically Safe Apparatus and Associated Apparatus for Use in Class 1, II, II1 , Division 1 Hazardous CClassified) Locations FM Cl. No. 3611 ,April 1986 , Electrical
