（控制理论与控制工程专业论文）基于以太网的工业网络系统研究.pdf

摘要 。工业网络经过近3 0 年的发展，从基于模拟信号传输的d c s 系统发展到数字 化、智能化、全分散的现场总线系统，给工业自动化带来一场深层次的革命。但 现场总线的国际标准推出缓慢，通信协议的多样性使得不同总线产品间不能直接 互连、互用和互可操作，没有真正体现现场总线的开放性。随着i n t r a n e t i n t e m e t 等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息 集成，并提供一个开放的基础构架，传统上用于办公室和商业的以太网逐渐进入 了控制领域。本文根据工业控制系统的要求，结合商用以太网成熟的设计方法， 给出了工业以太网设计的原则和方法：研究并讨论将传统以太网移植到工业控制 领域所必须解决的实时性、快速故障探测与自恢复、网络安全等关键技术问题。 本文的主要内容包括： 1 夏统介绍了工业网络发展的主要历程比较了工业以太网与传统工业网络， 并指出了以太网应用于工业控制领域的所具有的优势极其发展的趋势。 2 根据工业控制领域对网络支撑系统的要求，借鉴商业以太网的设计原则和方 法，设计了基于分层的结构化工业以太网结构，为工业控制系统提供了一个 i 全分布的、对等的通信平台：同时，详细说明了设计思路和原则。针对工业 、 环境的防护要求给出了通信设备和电缆所应遵循的参考标准。1 3 针对商用以太网本身的局限性，结合现有技术，详细讨论了采用交换、全双 工通讯模式、虚拟局域网、质量服务( q o s ) 等技术实现工业以太网实时性 的方法和途径。 4 研究了i e e e8 0 2 1 d 算法收敛慢的缺陷，讨论了采用改进的基于传播顺序生 成树算法实现快速故障探测与自恢复的方法，并给出了该算法的性能评估 ，7 结果表明，该算法比传统的i e e e8 0 2 1 d 算法具有更快的收敛速度，可极大 、 ； 地提高工业以太网的可靠性和可用性。 j 5 根据工业以太网的开放性特点，讨论了实现网络安全的常用技术，包括数据 加密、数字签名、鉴别技术、访问控制技术等。 f 相信，工业以太网以其开放的特性和结构化的设计，在工业控制领域必然有 很好的应用前景；而目前仍有很多关键技术有待解决，积极的研究工作将有助于 工业以太网的迅速应用，并产生良好的经济效益。、 i l l 塑垩查兰堡主兰堡堡苎 a b s t r a c t i nt h e p a s t 3 0 y e a r s i n d u s t r i a l n e t w o r kh a sb e e n d e v e l o p e d f r o m a n a l o g - s i g n a l - b a s e d d c s s y s t e m t of i e i d b u s s y s t e m w h i c hi s d i g i t a l a n d i n t e l l i g e n t i z e d w i t h t o t a l l y d i s t r i b u t e ds t r u c t u r e f l b u si n d e e dh a d b r o u g h t a r e v o 】i t i o ni ni n d u s 圩i a la u t o m a t i o n b u tt h ei n t e r n a f i o n a ls t a n d a r d so ff i e l d b u sc o u l d n o tb ec a r l i c do u tq u i c k l y t h ed i v e r s i t yo fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so ff i e l d b u s m a k e si t i m p o s s i b l et or e a l i z ei n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r o p e r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t k i n do ff i e l d b u sp r o d u c t s s ot h eo p e n n e s so ff i e l d b u sc a nn o tb ea c h i e v e d w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ys u c ha si n t r a n e t i n t e m e t t h ea b i l i t yo f s e a m l e s si n t e g r a t i o nb e t w e e n m a n a g e m e r i tl a y e ra n d f i e l dc o n t r o ll a y e ri sr e q u i r e da s w e l la sa n o p c ni n f r a s t r u c t u r e t r a d i t i o n a le m e m e t w h i c hi s u s e di no m c ca n d c o m m e r c i a le n v i r o n m e n t ，h a sg r a d u a u ye n t e r e dt h ei n d u s t n a lc o n t r o lf i e l d a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e ma n dt h eg r e a t l ys u c c e s s f u ld e s i g n m e t h o du s e di nc o m m e r c i a le t h e m e t ，w ep r o v i d et h ed e s i g np o l i c ya n dm e t h o do f i n d u s t r i a le t h e m e t t h er e a l t i m e a t t r i b u t i o n ，f a u l td e t e c t i o na n df a u l t r e c o v e r y ， n e t w o r k s e c u 6 t yo fi n d u s u i a le t i l e r n e tw e r e a l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o i l t e u to ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 f i r s f l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a ln e t w o r k t h ea d v a n t a g eo fa p p l i c a t i o no fe t h e m e ti ni n d u s t r i a le o n t r o lf i e l di sp r o v i d e dw i t h c o m p a r i s o nt ot h e t r a d i t i o n a li n d u s t r i a ln e t w o r k 2 、c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n to f i n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e m a n dt h e g r e a t l y s u c c e s s f u ld e s i g nm e t h o du s e di nc o m m e r c i a le t h e m e t w ed e s i g nah i e r a r c h i c a l i n d u s t r i a le t h e m e ts t r u c t u r ew h i c h p r o v i d e s t h ec o n t r o l s y s t e m w i t ha t o t a l l y d i s t r i b u t e da n de q u i v a l e n tc o m m u n i c a t i o np l a f f o r m t h ed e s i g np o l i c ya n dm e t h o do f i n d u s t r i a ie t h e r e c ti sa l s od e s c r i b e di n d e t a i t s a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n to f p r o t e c t i o na g a i n s ti n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，w ep u tf o r w a r dar e f e r e n c es t a n d a r da b o u t c o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n dc a b l e 3 a c c o r d i n gt ot h e1 i m i t a t i o no fe t h e m e t w es t u d i e dt h et e c h n o l c l g i e ss u c h a s s w i t c h i n g ，f u l l 一d u p l e xc o m r n u n i c a t i o nm o d e ，v i _ a na n d0 0 s ，w h i c ha r eu s e dt o m a k et h ei n d u s t n a le t h e m e tr e a l t i m e 4 w es t u d i e dt h ed e f e c to fm e e8 0 2 1 da l g o r i t h mw h i c hh a ss l o wc o n v e r g e n c y s p e e d t h ep r i n c i p l eo fi m p r o v e dp r o p a g a t i o no r d e rs p a r m i n g 。t r e ea l g o r i t h ma n d t h e m e c h a n i s i no fq u i c kf a u l td e t e c t i o na n df a u l tr e c o v e r yw e r ed i s c u s s e da sw e l la st h e e v a l u a t i o no ft h i sa l g o r i t h m 1 1 1 er e s u l ts h o wt h a tp o s ta l g o r i t h mh a sm o r eq u i c k c o n v e r g e n c ys p e e dt h a n e e8 0 2 1 d w h i c hc o u l di m p r o v et h ea v a i l a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t yo f i n d u s t f i a le t h e m e t 5 a c c o r d i n gt o t h eo p e n n e s sa t t r i b u t e ，w ed i s c u s st h et e c h n o l c l g i e ss u c ha sd a t a e n c r 3 ，n t i o n ，d i 百t a ls i g n a t u r e ，a u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g y , a c c e s sc o n t r o l ，w h i c h a r e u s e dt or e a l i z en e t w o r ks e c u r i t y w eb e l i e v et h a ti n d u s t r i a le t h a m e tw i t lh a v eab r i g h tf u t u r eo fa p p l i c a t i o ni n i n d u s t r i a lc o n t r o if i e l d t h e r ea r es t i l ls o m ek e yp r o b l e m st i e e dt or e s o l v e p o s i t i v e s t u d y w o u l db e h e l p f u l t op u s hi n d u s t r i a le t h c r u e tf o r w a r di na p p l i c a t i o n i v 第一章综述 1 1 引言 今天，随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企 业到世界各地的市场。信息技术的飞速发展，导致了自动化系统结构的变革，而 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统 “。在追求控制系统的整 体性能提升的同时，对其重要的支撑系统工业网络系统的研究和改进从来没 有停止过。 ：【业网络的作用是满足企业不同层次信息交换的需求，它是生产及制造过程 的关键支撑系统，但非开放性和不兼容性是工业网络发展过程中一直面临的问题 1 2 】1 3 】。在工业自动化领域，为了满足对特定工业过程的实时控制和安全的要求， 不能将商用网络的技术和设备直接应用于工业环境；同时，由于缺乏统一的国际 性标准，世界诸多生产商为了抢占市场都相对独立开发产品。所以，无论是 d c s 还是现场总线都出现各踞一方的局面，而来自不同生产商的产品之问无 法兼容，系统费用踞高不下，这无疑对工业自动化的发展和许多新技术的应用产 生极大的阻碍。 目前的工业网络自上至下分多层，即使是来自同一厂商的产品，由于每层完 成的功能不同，所使用的技术和通信协议也不同，造成了层与层之间的相对独立， 故无法自上而下实现真正的自由通信，更不用说在不同厂商产品之间无缝集成和 互操j 乍了。当前，在企业网络不同层次间传送的数据信息已变得越来越复杂，许 多技术。例如e r p ( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep l a n n i n g ，企业资源管理) 、s c m ( s u p p l y c h a i nm a n a g e m e n t ，供应链管理) 等在工业领域的充分实现都对工业网络的开放 性、互连性、实时性、安全性、带宽等方面的提出了更高的要求1 4 i 。 1 2 集散控制系统( d c s ) 上个世纪7 0 年代中期，工业控制领域出现的崭新工业控制系统d c s ， 可以看作是工业计算机网络的雏形嘲。2 0 多年来d c s 已由以分散控制为主的 早期产品发展到了以全面信息管理为重点的新型综合控制系统这大致经历了3 浙江大学硕士学位论文 个阶段【6 】。第一代d c s 实现了以微处理器为核心的过程控制单元( p c u ) 的分 散化，将c r t 操作站与p c u 相分离，采用主从式通信系统，它是计算机、过程 控制、通信和c r t 技术相互融合的产物。计算机局域网技术的突破性发展直接 促使产生第二代d c s 。第二代d c s 变为无主站的n ：n 通信，各p c u 、上位机、 c r t 操作站等处于“平等”地位，传输方式为点一点、点一多点和广播式，媒 体访问控制以令牌传送为主。第三代d c s 的网络通讯协议趋于标准化，如采用 m a p ( m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 和t o p ( t e c h n i c a la n do f f i c ep r o t o c 0 1 ) ， 力图解决全企业的综合管理问题。 1 3 现场总线 进入8 0 年代，由于微处理器的出现，促使工业仪表进入了数字化和智能化 的时代，4 2 0 m a 模拟信号传输逐步被数字化通信代替，加之分布式控制以及 网络，支术的迅速发展，促进了控制、调动、优化、决策等功能一体化的发展p l 。 然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接，其传输方式是一对一 结构这使得接线复杂，工程费用高，维护困难，而信号传输精度低，易受干扰， 仪表互换性差，这都阻碍了上层系统的功能发挥【8 1 。另一方面，由于智能仪表的 功能远远超过了现场模拟仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪表工作状态实 现自诊断，能进行多参数测量和对环境的补偿等。由此可见，智能仪表和控制系 统的发展，都要求上层系统和现场仪表实现数字通信1 9 1 。 为了解决上层系统与现场仪表之间数字通信问题1 9 8 0 年代初现场总线技术 问世。1 9 8 4 年美国仪表学会i s a 开始制定i s a s p 5 0 现场总线标准【l o 】。 9 8 6 年 完成了p r o f i b u s 的制定，1 9 9 4 年又推出了用于过程自动化的现场总线p r o 劢u s p a 1 ”。1 9 8 6 年由r o s e m o t m t 提出h a r t 通信协谢12 1 ，它是在4 - - 2 0 m a d c 模拟 信号| 二叠加f s k 数字信号，即可以用作4 2 0 m a 模拟仪表，也可用作数字通信 仪表：显然，这是现场总线的过渡性协议。1 9 9 2 年由s i e m e n s 、f o x b o r o 、y o k o g a w a 、 a b b 等公司成立i s p ( 互可操作规划组织) ，以p r o f i b u s 为基础制定现场总线标 准，1 9 9 3 年成立了i s p 基金会i s p f i ”】。1 9 9 3 年由h o n e y w e l l 、b a i l e y 等公司牵 头成立了w o f l d f i p “】约1 2 0 多个公司加盟，以法国n p 为基础制定现场总线 标准。由于标准众多，又代表各大公司利益，致使现场总线标准化工作进展缓慢。 1 9 9 4 年，世界两大现场总线组织i s p f 和w o r l d f i p 合并，成立了现场总线基金 2 浙江大学硕士学位论文 会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 【1 5 1 ，总部设在美国t e x a s3 + 1 t j 勺a u s t i n 。与此同时，在不 同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐 形成，并得到其他公司、厂商、用户以及国际组织的支持。如德国b o s c h 公_ j 推出c a n 、美国e c h e l o n 公司推出的l o n w o r k s 等。 现场总线的技术特点包括【t 6 , t 7 j 8 1 ： ( 1 ) 实现自动化仪表技术从模拟数字混合向全数字的转变，自动化系统从封 闭式向丌故式的转变。 ( 2 ) 控制、报警、趋势分析等功能分散到现场级仪表和装置重，简化了f ：层 系统。 ( 3 ) 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，导致现场总线构成种 全分布式控制系统体系结构。从根本上改变了d c s 集中与分散相结合的 集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的实时性和可靠性。 ( 4 ) 完全替代了4 2 0 m a d c 联络信号，实现传输聪络信号数字化，从莉易 于现场柿线，降低了电缆安装和保养费用，增加了可靠性。 r ) 支持取绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的 抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要 求等，对现场环境具有较强的适应性。 但与此同时现场总线通信协议的多样性使得不同总线产品间不能直接。 j ： 连、互用和互可操作，没有真正体现现场总线的开方性。这不但使现场总线控制 系统f c s 的优点难以体现，而且给用户的使用带来很大的不便，不利于现场总 线技术的大面积推广和应用 1 4 工业以太网 9 0 年代中期，当现场总线大战正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网丌 始逐渐进入工业控制领域。近来以太网更是走向的台，发展迅速，究其原洲，足 山予工业自动化系统不断向分散化、智能化的实时控制方面发展，其中，通信已 成为天键，用户对统一的通信协议和网络的要求f = 1 益迫切【l q 】：另一方向， i n t r a n e t i n t e r n e t 等信息技术的飞速发展，要求企业扶现场控制层到管理层能实现 全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满 足这些要求。应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命， 塑坚查兰堡圭竺竺堡兰 但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据 传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛，等，促使人们开始寻 求新的出路，并关注到以太网。 国外公司对工业以太网的研究始于1 9 9 5 前后，而国内对其研究则刚刚起步 2 0 1 。目前，国外很多自动化控制系统和设备制造公司在控制系统中将以太网技 术用于监控层的数据交换，尽管这些系统在底层互相间还不能实现互操作，但通 过以赶网，控制系统监控层之间、各种控制系统之间、以及控制系统与企业经营 决策管理信息系统之间的数据交换与共享已经变得非常方便、快速。因此，以太 网存控制系统监控层的应用，不仅消除了控制系统数据传输的瓶颈，而且消除r 企业内部各种自动化系统之间的“信息化孤岛”基本体现出了这些控制系统的 开放性。此外，虽然存在费用高的问题，以太网仍有进一步向设备层一级渗透的 趋抖2 ”。 世界上已有一些国际组织从事推动以太网进入控制领域的工作，如i e e e ( 美 国电气和电子工程师协会) 正在着手制订现场总线和以太网通信的新标准【2 2 l 。该 标准将使网络能看到“对象”。认o n o ( 工业自动化开放网络联盟1 最近与o d v a 和i d a 集团就共同推进e t h e m e t 和t c p a p 达成共识。工业以太网协会 ( 1 n d u s t r i a l e t h e m e ta s s o c i a t i o n ) 与美国的a r c 、a d v i s o r yg r o u p 等单位合作， 开展f 业以太网关键技术的研究。 与此同时，各现场总线的支持组织和公司也意识到众多现场总线所面临的问 题；因此，在加强与其他现场总线竞争的同时，也纷纷将以太网技术纳入其今后 的规划。如现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 就已改变了它原来的计划， 在e t h e m e t 和t c p i p 协议的基础上，于2 0 0 0 年3 月就公布了其h s e i h i g hs p e e d e t h e m e t ，高速以太网) 的最终技术规范( f s l l 0 ) ，以替代原来计划的f fh 2 协议， 形成了基于f fh 1 和h s e 的网络结构【纠。推出d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t 现场总 线的r o c k w e l l 公司以及c 1 ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 与o d v a ( d e v i c e n e t 供应 商协会) 也将以太网作为其上层通信网络，推出d e v i o e n e t ( 设备网) 、c o n t r o l n e t ( 控制网) 、e t h e m e t ( 信息网) 的三层通信结构，为了实现互可操作，d e v i c e n e t 、 c o n t r o l n e t 采用相同的应用层技术规范，并开始将这些技术应用于以太网，构成 应用于工业过程的以太网络e t h e m e , t i p ( e t h e m e t i n d u s t r i a lp r o c e s s ) ，从而实现从 4 一塑垩查竺堡主兰些堡奎 设备层、控制层到信息层的互可操作【堋。以德国s i e i n e n s 为主的p r o f i b u s i n t e r n a t i o n a l 也于2 0 0 0 年开始推出结合以太网的p r o f i b u s 总线p r o 丘n e t ，其 他如p - n e t 、i n t e r b u s 等也纷纷宣布将支持以太网在信息层的高速通信【2 5 l 此外，在工业丝太网的应用方面，国外一些公司也积极开发适用于工业环境 的网络设备和连接器件。例如德国h i r s c h m a n n 公司已开发出一系列加固的、适 合用于工业环境的密封和抗振动的以太网器件。如导轨式收发器、集线器、切换 器、连接件等：w o o d h e a dc o n n e c t i v i t y 公司推出保护等级为i p 6 7 的r j - 4 5 连接 器件【2 。凡此种种，给以太网进入实时控制领域刨造了条件。正因为如此， a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 预测今后e t h e m e t 和t c p i p 将成为器件总线 和现场总线的基础协议 卸。v d c ( v e n t u r ed e v e l o p m e n tc o r p 、在1 9 9 9 年3 月1 9 日发布的调查报告中预测，在工业控制应用领域，以太网的世界市场份额将由 1 9 9 8 年的8 4 跃升为2 0 0 3 年的2 2 ，是各种总线中升幅最大的。此外，由于 预计到了工业以太网的巨大商机( 到2 0 0 3 年可望达到3 6 亿美元的市场) 1 2 8 】， 世界上最大的电气制造商g e 和最大的网络设各制造商c i s c o 共同出资成立了 g e - c i s c o 公司，面向工业网络的设计、安装和服务。由以上分析可知以太网 进入工业控制领域是一个不可忽视的发展趋势。表1 1 对以太网与传统现场总线 作了性能比较。 表1 4 以太网与传统现场总线的性能比较【冽 丽j 堡 以太网 传统现场总线 确定性否( 但趋向于确定) 是 实时性 响应时间小于等于4 m s小于等于5 m s 报文大小所有规格有限 向上兼容性高低 开放性高低 互操作性高低 可移植性 标准 i e e 聊2 3e n 5 0 1 7 ( i ，f i e i d b u sf o u n d 网络安全性高( 但面临更多的问题)高 上层协议 t c p ，i p 专有协议 管理信息层适用不适用 5 浙江大学硕士学位论文 控制层适用适用 控制层次 设备层适用适刖 二进制传感器网荚连接迂 传输介质光纤、同轴电缆、双绞线、铜线、光纤 无线 物理连接 连接设备控制器、现场设备、远程l o控制器、现场设备、远程1 o 最多肯点数 6 4 0 0 1 0 较少 接点间距离最大4 0 k m最人2 0 k m 远距离中维器支持支持 即插即硐支持不支持 拓扑结构总线、星型总线、昂犁、环形 网络管理 不支持 r 丌p m ，支持 s n m p 支持 不支持 速率1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s0 - 1 2 m b p s 性能 升级能力 d 与众多现场总线相比，以太网有以下优点旧2 0 1 3 0 1 ”j ： ( 1 ) 开放性好 以太网遵循国际标准觇范1 e c i s 0 8 8 0 2 3 ，是目前应用最为广泛的计算机网 络，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语占都支持以太网的应用开发，如 j a v a 、s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种丌 发工具和平台供选择。市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实j ： 的统一标准 ( 2 ) 数据传输率高，实时性好。 以太网从扁平的共享模式发展到结构化的交换模式后，任意站点之问的通信 通过交换机实现透明的转发，由于每个端口都是独立的冲突域( c o l l i s i o n d o m a i n ) ，不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加；支持的 数据传输速率包括1 0 m b p s ，t o o m b p s 和l g b p s ，比目前任何一种现场总线都快。 交换机是基于硬件( a s i c ，特定用途集成电路芯片) 实现数据包处理的，性 能高，可以方便的实现优先排队机制，使紧急事件得到优先服务；同时，还可以 6 浙江大学硕士学位论文 使用虚拟局域网( v l a n ) 划分“工作组”，有效避免了无关数据的广播，从而 大大提高了数据通讯的实时性。 ( 3 ) 支持多种的物理介质和拓扑结构 以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户 可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型拓扑结构， 可扩展性将，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。 ( 4 ) 用利于资源共享 近年来i n t e m e t 发展迅速，作为主流局域网技术，e t h e m e t 已经渗透到世界各 个角落。由于使用相同的通信协议，网络上的用户无论处于什么地方，也无论资 源的物理位置在哪里，都能使用网络中的共享数据、设备及其他服务。极大地解 除了“地理位置上地束缚”，这种强大地资源共享能力得益于以太网巨大地用户 群，是目前其他任何种现场总线都无法比拟的。将能在同一总线上运行不同的 传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架； ( 5 1 成本低廉 r q 于以太网的应用最为广泛，受到了硬件开发商和生产厂商的高度重视与广 泛的支持，因此可以有多种硬件产品供用户选择；与目前众多的现场总线相比 价格也低廉得多。 在工程和应用方面，由于以太网己得到多年应用，技术人员对以太网的设计、 开发和应用等方面有很多的经验。现有的大量资源可以极大的降低以太网系统的 开发、培训和维护费用，从而可有效降低系统的整体成本，加快系统的开发和推 广速度。 尽管具备诸多优点，但作为传统上面向商业用途的局域网络，以太网仍受到 来自自动化控制领域的多方质疑，其理由主要集中在以太网的不确定性和实时性 能欠佳等问题。而根据国外研究表明，通过结构化的网络设计，可极大地提高整 体网络的运行性能和扩展性；另外通过使用智能集线器、实施主动切换、对数 据传输引入优先权、采用全双工技术等基本上可解决上述问题。 工业以太网的研究刚刚起步要解决的问题还很多；但它相对于传统工业网 络的巨大优势必将推动其在工业自动化领域的广泛应用，最终成为实现不同系 统、不同产品、不同应用无缝集成的基础平台和工业标准。 7 浙江大学硕1 ：学位论文 1 5 本文结构 本文从【业控制网络的特点出发，分析了以太网在工业控制领域的优势和存 在的问题，结合商业以太网的设计原则，提出了符合工业控制系统要求的工业以 太网系统设计原则和方法。讨论了工业以太网实时性、故障探测与自恢复、刚络 安全的实现方法。 f 文分六章，各部分内容安排如下： 第一章系统介绍了工业网络发展的主要历程，比较了工业以太网与传统3 2 , 1 k 网络，并指电了以太网应用于工业控制领域的所具有的优势极其发展的趋势。 第- 章根据工业控制领域对网络支撑系统的要求，借鉴商业以太网的设计j 糸 则和方法，设计了基于分层的结构化工业阻太网结构，为工业控制系统提供了。 个全分布的、对等的通信平台：同时，详细说明了设计思路和原则。针对【业： = 境的防护要求，给出了通信设备和电缆所应遵循的参考标准。 第三章针对商用以太网本身的局限性，结合现有技术，详细讨论了采用交换、 全双：通讯模式、虚拟局域网、质量服务( o o s ) 等技术实现：i 一业以太网实时1 r e 的方法和途径。 第四章研究了i e e e8 0 2 1 d 算法收敛慢的缺陷，讨论了采用改进的基于传播 顺序生成树算法实现快速故障探测与自恢复的方法，并给出了该算法的性能评估 结果表明，该算法比传统的i e e e8 0 2 1 d 算法具有更快的收敛速度，可极大地提 高一r ：业以太网的可靠性和可用性。 第血章根据1 2 , l k i ，2 太网的开放性特点，讨论了实现网络安全的常用技术他 括数据加密、数字签名、鉴别技术、访问控制技术等。 第六章为结束语，总结了本文所做的工作，并提出了工业以太网的研究方向。 第二章工业以太网系统结构 工业以太网与现场总线相比，其主要优势在于：它能提供一个开放的基础构 架，使企业从现场控制层到管理层实现全面的无缝信息集成：解决由于网络协议 上的鸿沟导致“自动化孤岛”的问题。 传统的专用工业网络如图2 1 所示。 服 务 器 智能设各 i o 传感器执行器 图21基于现场总线的工业网络 其网络结构根据功能和目的不同主要分为管理层、控制层、设备层三层1 6 , 7 3 2 】， 各层功能如下： - 管理层。主要是办公自动化系统，同时从监控层提取有关生产数据用于制 定综合管理决策。管理层一般使用通用以太网方便操作，并可连入外 部网络。 - 监控层。从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报 警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。监控层的功 能一般由上位计算机完成，一方面它通过扩展槽中网络接口板与现场 总线相连，协调网络节点之间的数据通信：另方面，通过专门的现场 浙江大学硕士学位论文 总线接口( 转换器) 实现现场总线网段与以太网段的连接。其关键技术是 以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网 协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。监控层除上述功能外，还 为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。 - 设备层。现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，依照现场 总线的协议标准，设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采 集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p l j ) 控制等各种功能：此外， 通过智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。 现场总线相对于传统模拟信号传输方式来说，是自动化控制领域的一大技术 进步，具有诸多优点；但作为专用工业网络，存在如下缺点： - 管理层与控制层及设备层采用不同的通讯协议，上下层之间通过上位机连 接，无法直接通信，管理层不能直接访问控制区域的设备。 由于国际标准推出缓慢，各类现场总线采用可；同的技术，相互之间缺乏互 连性和互可操作性，不能实现透明连接。 - 网络拓扑结构属于扁平式，缺乏扩展性。 传输速率不高，缺乏对对其他应用，如语音、图象数据的支持能力。 将以太网和t c p i p 协议应用于工业控制网络上下层之间使用统一的通信 协议，将有效地解决上述问题。 2 1 网络系统结构设计 针对工业控制系统的要求，结合商用网络成熟的设计方法，本文设计了一个 结构化的交换式工业以太网，其系统结构示意图如图22 所示。整个系统完全基 于e t h e r n e t t c p i p 的一体化设计。其特点如下： ( 1 ) 分布式对等功能单元 控制系统按功能分为管理层、控制层两层。管理层与传统工业网络的管理层 无重大区别。控制层合并了原有的监控层和设备层，取而代之的是根据功能和部 门划分的若干“单元”，各单元之间是对等关系，单元内部是相对独立的实时控 制区域。控制功能下放到各现场控制单元的现场智能仪表和设备中，做到彻底的 分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性。 现场控制单元。现场设备采用嵌入式e t h e r n e t t c p i p 通信芯片和通用以 l o 浙江大学硕士学位论文 太网通信接口，通过交换机与现场控制设备通信，本地控制在单元内完成。 交换机与现场设备采用点点t 全双工连接。传统仪表和设备通过智能转换 器完成协议封装，对于网络透明接入。 - 监控单元。实现对各个现场控制单元的生产控制、运行参数的监测、报警 和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。 - 管理单元。管理层根据部门功能不同，分为若干单元，如服务器单元、综 合管理单元、办公室单元等等，组成企业的管理体系。管理单元与现场控 制单元及监控单元都属于对等单元，本质上可自由通讯，但通过访问控制 机制可保护敏感部门和现场控制单元的安全。 现场控制单元 图2 2工业以太网结构示意图 ( 2 ) 分层式网络结构。 整个网络采用结构化设计，分为核心层、分布层二层，如图2 3 所示 渐江大学硕士学位论文 瀣 c d = 核心层设备t 3 d ：分布层设备 图2 3 网络结构分层 核心层 分布层 核心层：为数据交换中心，分布层设备之间的通信，其数据都通过该层进 行高速交换。核心交换设备( c d ) 为三层高速交换机：创建和维护网络 路由表，实现不同功能单元或虚拟局域网子网之间的路由；实施访问控 制机制。 - 分布层：采用二层交换机实现各功能单元内部的数据交换，交换机与现场 设备或下游交换机采用点一点全双工方式连接，使单元内部主要设备都能 独享带宽，从而保i i e 系统通信实时性。 与扁平式网络相比，分层式网络结构具有很大优势：( a ) 能有救分割网络， 成为较小的广播域和冲突域，为终端设备提供更大的带宽。( b ) 分层式结构提高 了网络的扩展性，当加入新的功能单元时，不会降低网络的性能。( c ) 有利于故 障排除，并限制故障影响。( d ) 使各功能单元成为对等关系，组成分布式通信系 统。 ( 3 )更高的开放性 基于e t h e r n e t t c p i p 的工业以太网，管理层和控制层使用相同的通信协议。 本质上，管理单元与现场控制单元及监控单元可自由通讯，使上下层之间实现“无 缝”集成：如果必要，管理层的决策单元可以直接获得现场控制单元的数据，有 利于提高综合自动化决策速度i 与此同时，管理层与控制层之间建立必要的访问 控制机制，保护现场控制单元和敏感部门的安全和通信的实时性。 由于采用得到广泛应用的开放标准( 协议) ，各厂家的设各只要采用相同的 协议，或通过智能转换器，就能方便的集成在同一个系统中，提高了互连性和互 可操作性，从而消除了不同自动化系统之间的“信息孤岛”。 ( 4 ) 高传输速率 一般来说，骨干链路采用1 0 0 m b p s 传输率，设备及终端接入链路使用 l o l o o m b p s 传输率；另外，分层式网络结构可将功能单元的通信数据尽量限制 1 2 浙江大学硕士学位论文 在本地，节约了骨干链路带宽，也减少了单元之间的广播，提高了终端的带宽。 2 2 拓扑结构 工业以太网系统采用分层式结构，分布层可以进一步采用灵活的拓扑结构。 ( 1 ) 星形结构。交换机的一个端口只连接一台现场设备，采用全双工通讯模式， 每台设备独占全部带宽，避免了与其他节点发生冲突。有利于提高数据传 输的实时性。另外，星型结构具有较好的扩展性。 ( 2 ) 总线结构。节点接入方便，成本低。轻载时时延小但网络通信负荷较重 时时延加大，网络效率下降；此外传输时延不定。通过集线器( h u b ) 连 接，适用于通信量低、对实时性要求不高的单元，例如管理单元。， ( 3 ) 环形结构。交换机通过冗余链路构成环形( 见图2 4 ) ，故逻辑上为总线型。 环形链路需要透明的冗余管理器进行管理，当链路发生故障，则切换到冗 余链路。适合于对可靠性要求高的现场控制单元。 现场设备 图2 4 冗余环拓扑结构 2 3 冗余设计 在工业环境中，网络通信服务中断将导致严重后果，而网络可靠性的好坏依 赖于设计方案的质量、连接器的选用、安装方式、网络管理等多个方面；其中很 重要的一点是设计方案中的冗余设计，根据工业控制的需要，可采用包括链路和 硬件的多层冗余设计。 浙江大学顶士学位论文 2 3 1 核心层冗余设计 核心层设备是整个网络的通信枢纽，除选用高可靠性的交换设备外，必须配 有冗余设备和链路，这包括： ( 1 ) 双各三层交换机。 如图2 5 ( a ) 所示，核心层使用两台三层交换机，a ，b 之间互为热备，彼此监 视对方运行状况，如一台交换机发生故障另一台交换机则迅速激活冗余链路并 接管所有传输任务。分布层同时连接交换机a 、b ，其中虚线表示冗余链路，其 中一条链路激活。由于数据链路层使用生成树算法以避免回路，为合理选择链路， 可以设置端口优先级，从而平衡负载。 正常情况 分布层交换机 a 双机热备 故障情况 b 冗余环 图2 5 核心层冗余结构 ( 2 )冗余环 对于电力系统、污水处理系统等地域跨度较大行业，网络节点多，节点间距 可达数十公里，这时，需要多台核心交换机和光缆连接不同区域的系统。可采用 图2 5 ( b ) 所示的冗余环结构，其中一台交换机需充当冗余管理器实施主动快速 1 4 浙江丈学硕士学位论文 切换。 2 3 2 分布层冗余设计 ，布层负责连接各功能单元与核心层，向上可通过冗余钍路连接多台核心层 交换机；对于