（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的应用.pdf

工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的应用 摘要 本文从工业以太网的关键技术入手，研究了传统以太网固有的传输不确 定性，互操作性不强，本质安全和远程传输等缺点。着重对如何提高通信响 应实时性和安全性以及如何实现远程传输等问题进行了深入的探讨、分析。 根据工业控制领域的未来需求，设计了一套基于p r o f i n e t 工业以太网的造 纸机传动系统。为国内自主知识产权的纸机电气传动控制系统设计与开发提 供理论和原创性的技术依据，使之达到技术含量高、整体控制精度高、运行 稳定和投资成本低的目的。也为我国国产高速造纸机配套高速高精度的现场 总线控制系统提供了较好的设计蓝本和参考应用案例。本文主要贡献是： 1 ) p r o f n i e t 关键技术研究 p r o f i n e t 是p r o f i b u s 国际组织( p i ) 提出的用于自动化的开放的工业以 太网标准，为自动化技术提供广泛和完整的解决方案。开发p r o f i n e t 的动 力源自用户的需求、制造商投资规模的缩减以及整个工厂范围内的工程要 求。它代表了一个重要的方面，即满足公司管理层到现场层通信的连续性。 论文对p r o f n i e t 系统模型和通信调度机制进行了全面的分析，论证了 p r o f i n e ti o 和p r o f i n e tc b a 的模型构建以及通信调度方式的实施。对工 业以太网p r o f i n e t 关键技术进行了较深入研究，分析了其系统模型和通信 调度机制，并阐述了实现方案。 2 )传动系统的实现 系统采用p r o f i n e t 总线，每台传动装置均配有一块p r o f i n e t 适配器模 块；p l c 作为控制核心，由p l c 对操作台上每一个传动点的操作进行处理， 并把由脉冲编码器测得的相应速度信号以总线通信方式传送给逆变单元；使 用全双工交换式以太网技术解决传输中通信的实时性和确定性问题；使用工 业以太网交换机扩大网络带宽；通过用连接电缆中的空闲线缆为现场设备提 供工作电源，以实现现场总线供电。最后给出了系统现场运行参数和运行效 果。 关键词：工业以太网，现场总线，p r o f i n e t 技术，纸机传动系统设计 i i s t u d yo ni n d u s t r i a le t h e r n e ta n d a p p l i c a t i o nt op a p e rm a c h i n ed i u v i n g s y s t e m a b s t r a c t t h i st h e s i si ss t a r t e df r o mt h ek e yt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a le t h e r n e t n e t w o r k ，r e s e a r c h e dt h ef o l l o w i n gi s s u e s ：t h ep r o p e rt r a n s p o r t a t i o nu n c e r t a i n t yo f t r a d i t i o n a le t h e m e tn e t w o r k ：d e v i c e so ft r a d i t i o n a le t h e r n e tn e t w o r k sp o o r m u t u a lm a n e u v e r a b i l i t y ；i n t r i n s i cs a f e t ya n dr e m o t ec o n t r o l ，e t c a n dd e v o t e d s p e c i a l l yt ot h ed i s c u s s i o na n da n a l y s i so fi s s u e sa sh o wt oi m p r o v e r e a l - t i m ea n d s a f e t yp r o p e r t i e so fc o m m u n i c a t i o nr e s p o n s e a s w e l la sh o wt o 仃a n s m i t r e m o t e l y ，e t c a c c o r d i n gt ot h ef u t u r ed e m a n di ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d ，d e s i g n e d as e to fp a p e rm a c h i n ed r i v eb a s e do np r o f i n e ti n d u s t r i a le t h e m e t p r o v i d e i n g t h e t h e o r y a n dt h e o r i g i n a l t e c h n i c a lb a s i sf o rt h ed o m e s t i cp r o p r i e t a r y i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sp a p e rm a c h i n ee l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m d e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n t ，e n a b l e si tt oa c h i e v et h et e c h n i c a lc o n t e n th i g h , t h e w h o l ec o n t r o lp r e c i s i o nh i g h , t h em o v e m e n ts t a b l ea n dt h ei n v e s t m e n tc o s tl o w g o a l i th a sp r o v i d e dt h eg o o dd e s i g nm a i ns o u r c ea n dt h er e f e r e n c ea p p l i c a t i o n c a s ef o ro u rc o u n t r yd o m e s t i cp r o d u c tm i d d l ea n dh i g hs p e e dp a p e rm a c h i n e n e c e s s a r yd o m e s t i cp r o d u c th i 曲s p e e dh i g ha c c u r a c ym u l t i t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) p r o f n i e tk e yt e c h n o l o g i e s p r o f i n e ti so p e ni n d u s t r i a le t h e m e ts t a n d a r du s e df o r t h ea u t o m a t i c w h o mp r o f i b u si n t e m a t i o n a lo r g a n i z a t i o np u tf o r w a r d ，o f f e rt h ee x t e n s i v e a n di n t a c t s o l u t i o nf o ra u t o m a t i c t e c h n o l o g y d e m a n d ，r e d u c t i o n o f m a n u f a c t u r e r ss c a l eo fi n v e s t m e n ta n df a c t o r y w i d ep r o je c tt h a tt h em o t i v e f o r c eo fd e v e l o p i n gp r o f i n e ts t e m sf r o mu s e r sr e q u i r e ，r e d u c t i o no f m a n u f a c t u r e r ss c a l eo fi n v e s t m e n ta n dp r o je c tr e q u i r e m e n to ff a c t o r y - w i d e i t h a sr e p r e s e n t e da ni m p o r t a n tr e s p e c t ，s a t i s f yt h em a n a g e m e n tt e a m st oo n el a y e r i i i o fc o n t i n u i t yo fc o m m u n i c a t i o no fs c e n e t h et h e s i sh a sc a r r i e do no v e r a l l a n a l y s i s t op r o f n i e ts y s t e m a t i cm o d e la n dc o m m u n i c a t i o nd e p l o y m e n t m e c h a n i s m ，h a v ep r o v e dm o d e lc o n s t r u c t i n ga n di m p l e m e n t a t i o no ft h e c o m m u n i c a t i o nd e p l o y m e n tw a yo fp r o f i n e ti oa n dp r o f i n e tc b a h a v e r e l a t i v e l yf u r t h e ri n v e s t i g a t e di n d u s t r i a le t h e r n e tp r o f i n e tk e yt e c h n o l o g y ， h a v e a n a l y z e d t h e i r s y s t e m a t i c m o d e l sa n dc o m m u n i c a t i o nd e p l o y m e n t m e c h a n i s m s ，h a v ee x p l a i n e dt h es c h e m eo fr e a l i z i n g 2 ) t m p l e m e n t a t i o no ft h ed r i v i n gs y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e t t h es y s t e ma d o p t sp r o f n i e t ，a n de v e r yi n v e r t e ri s e q u i p p e do n e p r o f i n e ta d a p t e r ；a d o p t sp l ca sc o n t r o lc o r e w h i c hw i l lt r e a tw i t ht h e o p e r a t i o no fe v e r yd r i v ep o i n ta n dt r a n s m i ts p e e ds i g n a lt h a tm e a s u r e db yp u l s e c o d e rt oi n v e r t e r s i tp r o p o s e dt oa p p l yt h ee x c h a n g e df u l l d u p l e xe t h e r n e t n e t w o r kt e c h n o l o g yt od e a lw i t ht h er e a l t i m ep r o b l e ma n du n c e r t a i n t yi n c o m m u n i c a t i o n ，a n de x p a n dt h eb a n d w i d t ho ft h ee x c h a n g eo fi n d u s t r i a le t h e m e t n e t w o r k ；p o w e rt h ef i e l d b u sb yc o n n e c t i n gt h ei d l ec a b l e sa n ds u p p l y i n gf i e l d d e v i c e sw i t h w o r k i n gp o w e r ；u s e l o w - p o w e r t e c h n o l o g y a n de xi e x p l o s i o n - p r o o ft e c h n o l o g yt os o l v et h es a f e t yp r o b l e mo ff i e l dd e v i c e s ，a n d b r i n go u ta ni d e a ls o l u t i o no fi n d u s t r i a le t h e m e tn e t w o r k ；f i n a l l yh a sg i v e nt h e s y s t e mm o v e m e n tp a r a m e t e ra n dt h em o v e m e n te f f e c t k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e t ，f i l e d b u s ，p r o f i n e tt e c h n o l o g y ，p a p e r m a c h i n ed r i v i n gs y s t e md e s i g n i v 陕两科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：星兰! 垄 e l 期： 2 q q 旱生么旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：旌2 宣鱼导师签名：鱼鱼日期：2 q 鲤生左月 ，1广 工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的应用 1 绪论 1 1 课题意义及研究目的 ( 1 ) 课题的研究意义 五千年历史孕育了中国丰富的文化底蕴，从最早出现的象形文字到造纸及印刷术的 发明，勤劳勇敢的中国人拥有历史的辉煌，但是法国人罗伯特( r o b e r t ) 1 7 9 9 年发明长 网造纸机，1 8 0 4 年英国人弗多利尼亚( f o u r d r i n i e r ) 兄弟将其实用化。美国人约翰迪 全森1 8 0 8 发明了圆网造纸机，1 8 7 0 年美国人制成生产纸板的多圆网造纸机。随着时间 的推移，纸机制浆工艺、造纸机以及附属设备、电气传动控制系统的发展，中国落伍了， 与世界发达的造纸技术有了较大的差距。但中国已经在世界经济大潮中意识到问题的严 重性和发展的迫切性。我们要抓住技术更新的契机，迎头赶上。要创造造纸明天的辉煌。 中国人均纸与纸板的消费量仍不及美国人的1 5 ，中国纸业的发展前景是美好的潜力是 巨大的。深刻理解造纸机械相关理论，全面优化纸机控制系统，适应纸机向宽幅、高速 方向的快速发展。我们还有许多工作要做。 作为我国的原材料工业之一的造纸行业，近几年取得了飞速的发展。特别是加入了 w t o 后，中国的造纸行业在国家有关政策的扶持下，通过技术改造，嫁接和整体技术设 备的引进，在较短的时期内提升了我国造纸机机械、电气控制的装备水平，加速缩短与外 国造纸技术与造纸装备和控制技术的差距。部分新上纸机装备已经与世界最先进的纸机 同步【t 1 。如：福建南平纸业公司新上的5 号纸机，从芬兰维美德公司进口的高级彩色新 闻纸机，是世界上第一台全部运用“优化概念设计的纸机，1 9 9 9 年1 2 月建成投产， 幅面宽5 2 5 米生产车速1 7 0 0 米分。2 0 0 0 年亚洲浆纸公司( a p p ) 在中国的旗舰企业 镇江金东纸业( 江苏) 有限公司总投资1 5 1 ，4 6 亿人民币( 折合1 8 2 3 亿美元) ，一号纸 机是全套从德国v o i t hs u l z e r 公司引进的超大型文化纸机，幅宽9 7 7 米，设计车 速1 8 0 0 m m i n 。二号机抄宽为9 7 0 0 m m ，车速为1 8 0 0 m m i n 的涂布原纸生产线，年生产 能力7 0 万t 以上。2 0 0 3 年，我国造纸企业又有多条大型制浆生产线投入运行，其中主要 有：湖南岳阳林纸集团年产2 0 万t 轻涂纸，山东华泰集团年产2 0 万t 彩印新闻纸，山 东博汇纸业年产3 5 万t 高级涂布纸板，山东日照森博浆纸厂年产2 2 万t 木浆、1 7 万t 白卡纸，山东太阳纸业年产2 0 万t 白卡纸，广东玖龙纸业年产4 0 万t 箱纸板，东莞理 文纸业年产3 5 万t 箱纸板等生产线。 未来纸机采用整体o p t i u m ( 全优化) 概念进行设计，宽幅高速电气控制系统全自动化 是未来纸机的发展方向。对于高速大型纸机传动控制系统而言，车速越快要求控制系统 通讯速率越快，机型越大，要求传动电机数目和相应功率也越大。基于此，传统现场总 陕西科技大学硕士学位论文 线技术大大受限，而以太网现场总线技术恰好可以解决上述问题。 ( 2 ) 课题的研究目的 随着计算机技术、网络通信技术、测控技术、自动化技术、信息存储技术等的飞速 发展，信息交换沟通的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， 覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。工业控制网络系统的网络结构越 来越分散，系统越来越复杂，连接更加高速化、紧密化。系统被分成了许多孤立的信息 系统( 信息孤岛或控制孤岛) ，对驱动器和用户接口的需求急剧增多。信息技术的飞速发 展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业资源 计划( e r p ，e n t e r p r i s er e s o u r c e s p l a n n i n g ) 信息管理系统。当前工业控制网络的发展趋 势是从多种现场总线共存、多种系统的集成和多种技术的集成，最终趋向统一。以太网 具有这方面的潜质，它的低成本、开放性好、广泛的开发和应用软、硬件的支持等优势， 使之成为目前应用最广泛的网络技术。如果工业控制网络采用以太网，可以使工业控制 网络纳入计算机网络技术的发展主流，但同时也要一定的技术来提高网络的实时性和可 靠性以满足工业控制现场的要求【2 】。本课题基于这样的考虑，结合造纸机传动系统的工 程实例，在充分考虑了造纸机传动系统技术参数基础上，通过深入地研究工业控制系统 的现状，并结合现场总线和以太网的最新发展趋势，设计了一套基于工业以太网的监控 系统。 1 2 工业以太网的产生及发展 由于现代计算机和通信等技术的发展，促进了工业控制技术的变革。目前常见的工 业过程控制系统按照系统的结构特点可以分为以下三种：集散控制系统( d c s ) 、现场总 线控制系统( f c s ) 、工业以太网控制系统。 1 2 i 集散控制系统 集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为基础的集中分 散型控制系统。自7 0 年代中期集散控制系统问世以来，集散控制系统已经在工业控制 领域得到了广泛的应用【，】。随着计算机的功能和可靠性大大地提高，价格不断地下降， 尤其是工业计算机( i p c ) 在采用了冗余技术、软硬件自诊断功能后，其可靠性己提高到 基本满足工业控制需要的程度。自1 9 7 5 年美国霍尼威尔( h o n e y w e l l ) 公司公布了第一 个集散型计算机控制系统( d e s ) ，d c s 经历了三个大的发展阶段，d c s 吸收了模拟仪表 和计算机控制的优点，将控制功能和危险性分散，而将参数显示和操作部分高度集中。 因此，相对于传统的由模拟调节仪表组成的过程控制系统，d c s 不仅具有极高的可靠性， 而且能够完成直接的数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集和处理、多变量解耦控 2 工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的应用 制以及最优控制等功能。一个最基本的d c s 应包括四个大的组成部分：至少一台现场控 制站，至少一台操作员站，一台工程师站( 也可利用一台操作员站兼做工程师站) ，一条 系统网络。一个典型的d c s 体系结构如图卜1 所示，图中表明了d c s 各主要组成部分 和各部分之间的连接关系m l 。 图卜1 典型d c s 体系结构图 f i g l 一1t h ec h a r to f t y p i c a ld c ss y s t e ms t r u c t u r e 集散控制系统的基本特征如下【习： ( 1 ) 可移植性( p o r t a b i l i t y ) 第三方的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上运行，有时可能有小的修改， 但从系统的应用来看，各个制造厂集散控制系统的软件有了可相互移植的可能。但是， 软件的可移植性也带来了安全性的问题，为此，应有相应的安全措施。可移植性包括程 序可移植性、数据可移植性和人员可移植性。 ( 2 ) 互操作性( i n t e r o p e r a d il it y ) 网络上的各个节点，例如，操作监视站、分散过程控制站等，由于网络的连接，使 得在网络上其他节点的数据、资源和处理能力等被它所应用。 ( 3 ) 可适宜性( s c a l a b i l i y ) 系统对计算机的运行要求变得更为宽松，在某些较低级别的系统中能运行的应用软 件能在高级别的系统中运行，反之，系统软件版本高的也能适用于版本低的系统。 ( 4 ) 可得到性( a v a i l a b i l i t y ) 系统的用户可对产品进行选择，而不必考虑所购买的产品能不能用在已购的系统上。 由于各制造厂的产品具有统一的通信标准，因此，对用户来说，选择产品的灵活性得到 增强。 但d c s 技术也有很大的局限性，由于世界上的d c s 厂家众多，各厂家自己的硬件 和软件都具有灵活的组态和配置能力，为适应工业生产环境，各厂家对其产品均进行了 陕西科技大学硕士学位论文 加固处理，使其具有防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、震动及耐高低温等恶劣环境的 能力。但是不同的系统采用的计算机硬件差别很大，而各家的d c s 的操作员站和工程师 站差别就更大了。在d c s 系统中，由于不同厂家软、硬件产品不能互换，虽然在通讯方 面部分采用i e c 的过程数据公路标准，但大多仍属于按各制造厂自身的通讯协议工作， 影响了综合自动化系统的完整性。在这样的情况下，产生了现场总线，为现场设备接口 的智能化、网络化、标准化、低成本提供了机遇。 1 2 2 现场总线控制系统 现场总线即应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的 总线，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络技术，这种技术被广泛应用于 制造业、流程工业、楼宇、交通等行业的自动化系统中。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置 之间数字式、串行、多点通信的数据总线。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控 制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测 量控制仪表，使它们各自都具有一定的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些 控制、通信任务的网络节点。它们分别通过普通双绞线、同轴电缆、光纤等多种途径进 行信息传输，这样就形成了以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。 该网络系统按照公开、规范的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间， 以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享进一步 构成了各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变 成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通的信息，并可共同完成自 控任务的网络系统与控制系统。 现场总线技术的主要特征是：使用一根电缆连接所有现场设备，以串行数字通信方 式取代传统设备级的4 一- - 2 0 m a ( 模拟量) 2 4 v d c ( 开关量) 信号。 现场总线的特点： ( 1 ) 开放性 现场总线是开放的网络，符合现场总线通信协议的任何一个制造厂商的现场总线仪 表产品都能方便地连接到现场总线通信网，符合通信标准的不同制造商的产品可以互换 或替换，而不必考虑该产品是否是原制造商的产品。因此，用户可以购置不同制造商的 现场总线产品，把它们集成在一个控制系统中，并进行相互的信息交换。此外，第三方 的软件也可以方便地移植到系统中，缩短了系统开发周期。 ( 2 ) 智能化 现场总线仪表把微处理器引入仪表，使仪表本身成为网络的一个站，并参与通信， 4 工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的应用 表明现场总线采用数字通信。在现场总线仪表中可以完成原来需在分散过程控制装置或 回路控制器中才能完成的各种运算和控制。由于在现场就可完成控制系统的各种基本功 能要求，传送给控制室的数据全部是数字信号，保证了功能的自治性。 ( 3 ) 互操作性 互操作性包含设备的可互换性和可互操作性。可互换性指不同厂商的设备在功能上 可以用其他厂商同功能的同类设备互换。可互操作性指不同厂商的设备可相互通信， 并能在各厂商的操作环境中完成其功能。为了使制造商发展其特有的功能，现场总线技 术还为制造商留有可供其发挥的余地。 ( 4 ) 环境适应性 现场总线专门为现场应用而设计。因此，现场总线能很好适应现场的操作环境。表 现为通信媒体可采用双绞线、同铀电缆和光缆等多种类型；有较强的抗电磁干扰能力； 可实现本安回路；可总线供电等。 ( 5 ) 分散控制 现场总线技术使控制分散到现场级，从而真正实现分散控制。一些复杂控制，例如 过程优化控制等，可以在上位机实现，而一些原先要在上位机实现的部分先进控制功能 也已能在现场总线设备中实现 6 1 1 7 1 。 现场总线的优点主要包括【s ，： ( 1 ) 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行各种传感、测量、控制、报 警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等也不 再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控机作 为操作站从而节省了一大笔硬件投资，并对减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因 而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，界限设计与接头校对的工作量也大大减少。 当需要增加现场控制设各时，无需增设新的电缆。可就近连接在原有的电缆上，既节省 了投资，又减少了设计、安装的工作量。 ( 3 ) 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊 断维护信息送往控制室，用户可以咨询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析 故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间同时由于系统结构简化，连线简单而减少 了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权 陕两科技大学硕士学位论文 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产 品而限制了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展， 使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化。与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与 控制的精确度，减少了传送误差。同时由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪 表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的 设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点，图i - 2 为集散控制 系统( d c s ) 和现场总线控制系统( f c s ) 的结构比较： 、i i r j 传统的梗拟仪表 控制站 现场设备 图卜2d c s 和f c s 的结构比较 f i g1 - 2d c sa n df c s s t r u c t u r ec o m p a r i s o n 现场总线技术给自动化技术带来了革命性的突破。各国各公司都投入了大量的人力、 财力在市场上展开了激烈的竞争。据统计，市场上出现的现场总线种类有4 0 种，常用 的就有十几种，如f f ，p r o f i n e t ，h a r t ，c a n 等。表卜1 给出了几种常见现场总线的 技术指标 9 1 。 现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须是根据国际标准化组织i s o 的 计算机网络开放系统互联的o s i 参考模型来判定，i s 0 o s i 是一种开放的七层网络协议 标准，多数现场总线协议只适用其中的第1 、2 、7 层。表1 - 2 所示的就是常见的现场 总线协议与i s o o s i 协议的对照【l o 】。p r o f i b u s - - d p 和p r o f i f m s 分别是p r o f i n e t 的 底层和高层网络。 6 工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的廊用 表1 - 1 部分现场总线的技术参数比较 t a b l - 1p a r to f f i c l d b u st e c h n i c a lp a r a m e t e rc o m p a r i s o n 淤 f fp r o f i b u sh a r tc a n 技术参数 通信介质双绞线，光纤等双绞线，光纤等电缆双绞线，光纤等 介质访问方式令牌集中令牌分散查询位仲裁 最大节点数 c r cc r cc r cc r c 通讯速率( b i t s ) h 1 ：3 1 2 5 k3 1 2 5 1 2 m9 6 0 01 m h s e ：1 2 5 m 优先级 3 21 2 71 51 l o 安全性有 有有有 表i - 2 常见的现场总线协议与i s o o s i 协议的对照 t a b1 - 2c o m m o nf i e l d b u sp r o t o c o la n di s o o s ip r o t o c o lc o m p a r i s o n i s o o s i 结构f f 模型 p r o f i d pp r o f i f m s h a r t 模型 应用层 应用层接口 h a r t 指令 用户层功能块应 表示层 用户接口 表示层信息规范 用与设备描述 会话层 底层接口 传输层 隐去3 7 层隐去3 6 层 网络层通信栈 数据链路层数据链路层数据链路层卧r t 通信规则 物理层物理层物理层物理层 b e l l 2 0 2 现场总线的局限性主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 现场总线没有统一的标准 经过多年的纷争，1 9 9 9 年底i e ct c 6 5 通过了8 种类型的现场总线作为i e c 6 11 5 8 国际标准。2 0 0 1 年8 月经过修订制定出1 0 种类型的现场总线标准( 第三版) ，除此之 外，还有i e ct c l 7 b 通过的现场总线标准s d s ( s m a r td i s t r i b u t e d s y s t e m ) 、a s i ( a c t u a t o rs e n s o ri n t e r f a c e ) 和d e v i c e n e t 以及i s 0 1 1 8 9 8 的c a n 协议，还有一些 欧洲标准。这么多的标准给用户应用带来了很大的困惑，也就导致了没有事实上的统一 标准，因为不同的现场总线标准协议之间是不能够直接进行互连和通讯的。 ( 2 ) 现场总线自身存在着应用领域的局限性 每种总线大都有其应用的领域，比如f f 、p r o f i b u s p a 适用于石油、化工、医药、 冶金等行业的过程控制领域；l o n w r k s 、p r o f i b u s - f m s 、d e v i e c e n e t 适用于楼宇、交通 运输、农业等领域；d e v i c e n e t 、p r o f i b u s - d p 适用于加工制造业。正是由于这样的局限 7 陕两科技大学硕士学位论文 性，用户要构成一个现场总线控制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包。这 需要较昂贵的代价，一般用户则无能为力。这说明现场总线的开放性仍有一定的局限性。 1 2 3 工业以太网控制系统 上世纪9 0 年代中期，当各种现场总线正在为标准酣战的时候，传统上用于办公等 商业领域的以太网技术逐渐进入工业控制领域。随着工业自动化系统不断向分散化、智 能化的方向发展，通信在控制系统中的作用越来越重要。现场总线的出现确实给工业控 制领域带来了深层次的革命，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而导致出现“自动化孤岛 现 象圈 1 h1 1 2 j 。如果将大家所知的应用在商业和办公室的以太网技术，在工业控制网络的监 控层和现场设备层使用。这样，一方面满足了用户对统一的通信协议和网络的要求日益 迫切；另一方面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。以太网技术正好满足 了这一要求。 工业以太网的优越性： 正是e t h e r n e t 应用的广泛性和技术的先进性。不仅在办公自动化( o a ， 0 f f i c e a u t o m a t i o n ) 领域形成了垄断性优势。在工业应用中也具有现场总线所无法比拟 的优越性【1 3 】。 ( 1 ) 成本低廉 由于结构简单及便于维护和管理，工业以太网与传统的网络相比，应用成本大幅下 降。从硬件方面来说，由于以太网的广泛应用，市场上有多种硬件产品供用户选择，且 与现场总线比较价格相对低廉。其次，以太网的应用广泛使人们对其技术十分熟悉，可 显著降低人员的开发和培训费用。从而降低系统的整体成本，加快系统的开发推广速度。 ( 2 ) 开放性 t c p i p 是定义计算机间通过网络如何进行通信的协议。它是目前所实现的最成功的 网络协议，是i n t e r n e t 的基础，几乎所有的网络底层技术都用于传输该协议的通信。 t c p i p 协议标准具有开放性，它独立于特定的计算机硬件与操作系统。因此，具有 t c p i p 接口的现场设备无须通过现场主控计算机，可直接与i n t e r n e t 相连。从而实现 远程监控和远程维护的功能。而应用t c p i p 协议的e t h e r n e t 不仅是目前最流行的局 域网技术，同时也是当前最具开放性的网络技术。应用工业以成统一的网络平台。实现 企业信息网络、过程控制网络和实时操作网络的三网合一。构成统一的网络平台，实现 真正全开放的工业网络。同时工业以太网还可方便地实现与i n t e r n e t 的无缝集成。 ( 3 ) 应用广泛 工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的应用 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术。拥有广泛的技术支持，丰富的软硬 件资源。软件方面几乎所有的编程语言如c 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等都支持以太 网的应用开发。因此采用以太网作为现场总线可保证多种开发工具及开发环境的选择。 硬件方面以太网接口芯片非常普遍，且已从办公自动化( o a ) 领域扩展到工厂自动化( f a ) 领域，目前几乎所有远程i 0 和控制器均能提供一个支持t c p i p 的接口。同时以太网 的广泛应用使它的发展一直受到极大的重视和大量的技术投入。从而保证了以太网技术 的可持续发展。 ( 4 ) 带宽高 随着工业网络中传输数据量的成倍增多，工业网络对带宽的要求越来越高。作为一 种低成本网络技术。当前以太网的标准配置为l o l o o m b s ，而企业的主干网络则以千兆 以太网为主。与低速的现场总线相比，以太网的通信速率完全可以满足工业控制网络中 因数据的增加而对带宽提出的更高要求。 “工业以太网 和商业以太网的区别在于：工业以太网在技术上，它与i e e e 8 0 2 3 兼 容，但设计和包装上兼顾工业和商业应用的要求。首先是能否满足高温、潮湿、震动的 工业现场环境。其次是能否方便地安装在工业现场控制柜内。最后是电源要求。现场控 制柜内一般都提供低压交流或直流电源，墙装式电源装置有时不能适应工业现场。因为 电源的电磁兼容性( e m c ) 的要求随工业环境对工业抗干扰( e m i ) 和工业抗震( e s d ) 要 求的不同而变化。现场的安全标准与办公室完全不同，有时需要的是恶劣环境下的额定 值1 1 4 1 。 工业以太网存在的问题： 由于以太网传统上是用在商业和通信行业的局域网络，而将它移植到工业控制领域 时必然会碰到很多技术难题，这些难题主要表现在以下几点 1 5 1 ： ( 1 ) 通信的确定性与实时性 在工业控制中，为了达到对任务的控制与监控的要求，现场设备间的信息交互必须 在一定的通信延迟时间内完成，即必须满足实时性要求。而e t h e r n e t 区别于其他网络 ( 如令牌网、主从式网络等) 的个重要特点是它所采用的介质访问控制层协议c s m a c d 。 正是e t h e r n e t 的这种c s h i a c d 介质访问控制层协议是导致网络通信产生非确定性的 根本原因。由于一系列碰撞后报文可能会延时甚至丢失，因此节点间的通信无法得到保 障。e t h e r n e t 在通信过程中的延迟不确定性正是阻碍其应用于工业现场的主要原因。 ( 2 ) 网络安全性 网络安全性是以太网应用到工业控制系统时另一个必须考虑的一个问题。工业以太 网可以将现代企业信息化网络的三层网络系统，即信息管理层，过程监控层和现场设备 层合为一体。从而实现数据的共享和网络信息的无缝集成。但同时，由于以太网采用了 9 陕西科技大学硕士学位论文 具有开放性的t c p i p 协议，因此容易受到包括病毒、黑客的非法入侵及非法操作等网 络安全威胁。 ( 3 ) 互操作性 基于工业控制系统不仅要进行数据的传输，而且需要借助网络来传输指令以完成控 制功能的执行操作。因此它需要在应用层、用户层等高层协议与规范上满足开放系统的 互操作性要求。从i s o o s i 的七层通信参考模型来看，以太网技术规范只定义了物理层 和数据链路层，在其之上的网络层和传输层协议目前以t c p i p 为主。而较高层次如应 用层、用户层等则缺乏统一的通用工业标准。因此以太网设备中的应用程序是专有的而 不是开放的，不同应用程序间的差异性将直接导致不同厂家的以太网设备问缺乏互操作 性，无法实现网络的透明互访。 1 2 4 国内外工业以太网技术的研究现状 国内在工业以太网方面的研究主要集中在科研院校，且应用主要集中在基础建设和 公用事业上。最典型的就是以浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大 学、陕西科技大学、大连理工大学和重庆邮电学院等单位，在国家“8 6 3 计划的支持下， 开展了e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 技术的研究，重点是研究以太网应用 于工业控制现场设备间通信的关键技术【- 6 】。图卜3 就是e p a 的系统结构图旧。 现 场 设 各 层 l l 图i - 3e p a 工业以太网的系统结构图 f i g l 一3e p ai n d u s t r ye t l l e m e ts y s t c ms t r u c t u r ec h a r t 为了在工业控制领域推广以太网技术，国际上成立了工业以太网协会( i e a ) 和工业 自动化开放网络联盟( i a o n a ) 等组织，还制定了有关标准( 如e t h e r n e t t p 等) ，研究 的重点主要围绕确定性和实时性、稳定性和可靠性及工业以太网协议上。与国内的应用 1 0 工业以太网的研究及其在造纸机传动系统中的应用 情况相比，工业以太网在国外使用的更加普遍，工业以太网产品己经应用到工厂自动化、 汽车制造业、制药、船舶制造、造纸等更深层、更高端工业自动化的应用领域。 随着现场总线转向以太网，国际上许多标准组织正在积极地工作，以建立一个工业 以太网的应用协议。工业自动化开放网络联盟( i a o n a ，i n d u s t r i a l a u t o m a t i o