（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网profinet技术的研究与实现.pdf

北京化工大学硕士学位论文 工业以太网p i m f i n e t 技术的研究与实现 摘要 本文阐述了工业以太网和p r o f i n e t 技术的发展历史和背景知 识，指出了以太网用于工业控制时所具有的优势和存在的问题；分析 了以太网的实时能力，并结合当前的以太网新技术提出了改进以太网 实时能力的方法：使用全双工( f u l l d u p l e x ) 交换式以太网技术；对交换 式以太网用于实时工业通信时的性能进行了深入的评估。 研究了工业以太网p r o f i n e t 技术的系统模型和通信调度机制， 并阐述了其实现方案。通过使用p r o f i n e t ，设备制造商或系统工程 师为设计、安装和投运所投入的成本将达到最小化。重点研究了 p r o f i n e t1 0 ，p r o f i n e tc b a 和p r o f n m t 实时通信。在a 砌订7 核微处理器基础上，论述了将u c ，o si i 和1 w i p 移植到a t 9 l x 4 0 x 微处 理器上的要点，设计并制作了基于以太网和t c p i p 的以太网控制器， 可以作为开发p r o f i n e ti o 设备的基础。 本课题对工业以太网国际标准之一的p r o f i n e t 技术进行了开创 性研究，具有极大的市场开发潜力，对自动化控制技术和工业网络通 信的研究具有推动作用。 关键词：工业以太网，实时性，p r o f i n e t ，t c m p 北京化工大学硕士学位论文 t h ei t e s e a r c han di 也a l i z a t l 0 nf o ri n d u s t r 【a l e t h e r n e tan dp r o f i n e t a b s t r a c t i n 廿l i sp 印e r ，w ei n t r o d u c em eh i s t o r ya n dt h ed e v e l o p m e mo f i n d u s t r i a le t l l e m e ta n dp r o f n 寸e t a n dm a k ead i s c u s s i o no nt h e a d v 姐t a g e sa j l dd i s a d v a n t a g e so fi n d u s t r i a l 鼬e m e tf o ri n d u s t r i a lc o n t m l t h e nw ea n a l y z e l ei 沁a l t i m ep e r f o m l a n c eo fe t h e m e ta 1 1 dp r e s e m s e v e r a ls 0 1 u t i o n st oa ( 1 v 锄c et h er e a l t i m ep e r f o 阳1 a n c eb yu s i r 培廿l e u p t o - d a t et e c l l i l o l o g y s u c ha sm l l - d u p l e xs w i t c he t l l e m e t ，a r l da l s o p e r f o m e a l l i n - d e p t he v a l u a t i o no fs 、) l ，i t c h e d e t h e m e tf o rr e a l t i m e i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o n w ed i s c u s s em es n l l c t u r ea i l dc o m m u n i c a t i o 咀m e c h a n i s mf o r p r o f i n e t ，a n dd e s c r i b em er e a l i z a t i o n w np r o f d 咂t ，f i e l dd e v i c e m a n u f a c t u r e r sa n ds y s t e me n g 协e e r sw i l ld e v o t et h el e a s tc o s tf o r f i ) 【i 】唱， c i e s i g n m g a 【l d s t a r t u p p r d f i n e ti o ， p r o f i n e tc b aa n dm e r e a l t i m ec o m m u l l i c a t i o no fp i 的f i n e ta r es t u d i e di nd e t a i l b a s e do n t l l e 删7 ，a i l a l y z et h ek e yp r o b l e m so fm i 鲫吨u c o si ia n dl w i pt o a t 9lx 4 0 x t h ed e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o no fan e 伽o r kc o n t r o l l e r b a s e d o ne m e m e ta n dt c m pa r ea l 笋om a d e ，w h i c hc a nb et l l eb a s eo f d e v e l o p i n g i i 北京化工大学硕士学位论文 p r o f i n e ti o t h ei n d e p mr e s e a r c ho f 廿1 ep 印e r h a sf i l l e du pab l a l l l ( i nt h ea r e ao f 血er e s e a r c ho fp r o f i n e ti nc h i l l ai i lw h i c hag r e 缸e rm a r k e tp o t e n t i a li s s h o w e da n dt l l a ti t 、v o u l dn od o u b tb e c o m ea p a r to ft 1 1 ec o n t r i b u t i o nt ot l l e p r o m o t i o no fm e r e s e a r c hi nt l l ef i e l do fa u t o m a t i o nc o m r o la 1 1 di n d u s t r i a l c o n l m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：i n d u s 自d a le t l l e r r l e t ，r e a l t i m e ，p r o f i n e t ，t c p i p i i i 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 p r o f i n e t ：工业以太网国际标准之一，由现场总线p i f i b u s 国际组织提出 c s m c d ：载波侦听多路访问冲突监测 p i ：p r o f i b u s 国际组织 i s 0 ，o s i ：国际标准化组织开放系统互联参考模型 c b a ：基于组件自动化 r t ：实时 i i ：等时同步 h m i ：人机界面 ) ( 1 l ：扩展置标语言，是可以由几乎所有分析程序解释的标准化定义语言 e t 【l e r c a l ：一种报文监测软件 北京化工大学位论文原创性声明 y 8 8 1 8 8 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 作者签名：垄叁 日期：加66 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：垄叁 日期：坦i ： 导师签名：幺灶日期：益丝二鱼l 北京化工大学硕士学位论文 引言 现场总线控制系统( f c s ) 由于其彻底的开放性、分散性和完全可互操作性等特 点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向之一。然而就目前情况来看，现场 总线技术的发展还存在诸多问题，最主要的是没有一个统一的国际标准( 目前的 现场总线国际标准i e c6 1 1 5 8 【l 】，包含了1 0 种不同类型的现场总线) 。由于不同现 场总线的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互联非常困难。这不但 使现场总线控制系统的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，而且确实 给用户的使用带来很大的不便，因此给现场总线技术的推广以及现场总线控制系 统的应用带来不利的影响。 与此形成鲜明对比的是，以太网( e t l l e m e t ) 技术在没有任何标准化组织支持的 情况下却发展得非常迅速。以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特 点，不但基本垄断了商业领域的网络市场，而且在工业控制领域的企业管理层也 得到了大规模的应用。目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管 理层的通信；各种现场总线也大多开发出以太网接口；一些跨国公司和国际性组 织都相继提出了以太网在工业控制领域的解决方案，并且制定了相应的工业以太 网标准。因此以太网进入工业过程控制的趋势不可阻挡。 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。 p r o f i n e t 创立了一个现代化的自动化概念：基于以太网标准，可实现与现场总 线系统的无缝集成。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。p r o f i n e t 由以下部分组成：分散式现场设备、分布式自动化、用于 所有客户需要的统一的通信、网络安装、i t 集成、现场总线集成。 4 北京化工大学硕士学位论文 第一章概论 1 1 以太网应用于工业控制领域的优势 以太网由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通 信领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且开始直接应用到工业现场。 与目前的现场总线相比，以太网其有以下优势： 1 应用广泛。 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎 所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a 、s u a lc + + 、s u a lb 弱i c 等。 这些编程语言由于得到广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发 展前景。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发 环境可供选择。 2 成本低廉 由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广 泛支持，已有多种硬件产品可供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。目前以太 网网卡的价格只有p r o 助u s 、f f 等现场总线网卡的1 ，1 0 ，而且随着集成电路技术 的发展，其价格还会进一步下降。 3 通信速率高 目前以太网的通信速率为l o m b s ，1 0 0 m b s 的快速以太网已开始广泛应用， 1 0 0 0 m b s 以太网技术也逐渐成熟，l o g b s 以太网亦正在研究。其速率比目前的现 场总线快得多。以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。 4 可持续发展潜力大 由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入； 在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有 效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此 保证了以太网技术不断地持续向前发展。 因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可 以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技 4 北京化工大学硕士学位论文 术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升 级方面无需单独的研究投入。这一点是任何现有现场总线技术所无法比拟的。同 时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好的性能，通 信协议有更高的灵活性。这些要求以太网都能很好地满足。 1 2 工业以太网及p r o f i n e t 概述 近十年来，随着互联网技术飞速发展，以太网成为商业通信中的主导网络技 术。以太网的通信速率要比目前任何工业现场总线高很多，因它是界标准网络 技术，成千上万的公司参与开发生产有关产品，使其成本低廉，可选择范围十分 广阔。因此，人们期望以太网也能应用到工控领域中，凭着它的低成本、极高的 通信速率、全球普及的标准，逐渐取代现有工控行业中繁多的总线系统，用以太 网来实现从管理层到工业现场层的贯穿一致性通信。 工控领域和i t 界对网络系统有着截然不同的需求，要想有效地应用以太网， 必须使其符合工业环境的特殊需求。目前，标准以太网可达到1 0 0 m b s 甚至 1 0 0 0 m b ，s 的传输速度，远快于任何现场总线系统。但对于工业控制来说，比传输 速率更重要的是实时性。实时性的一个重要标志是时间的确定性，通信时数据传 输时间不是随机的，而是可事先准确预测的。 以太网虽有很高传输速率却不能保证实现控制设备间的实时通信。标准以太 网i e e e 8 0 2 3 1 2 j 的通信机制使数据传输时间可被任意推迟，谈不上实时性。而在工 控领域中，特别是在对高动态过程的控制中，实时性却必不可少。 普通以太网产生这种通信时间不确定性的原因，是由对物理介质的访问机制 c s m c d 例引起的。c s m c d 是以太网标准i e 髓8 0 2 3 的核心，如在尽量不改 变现有标准前提下想在工控领域中充分利用以太网优点，必须找到一种方法保证 以太网中数据传输时间确定性，使其实现实时通信。而使用交换以太网( s 丽珏1 e d e t l l e 玎把t ) 技术和i e b e1 5 8 8 对时机制则可以很好地解决实时通信的问题。这些技 术正是工业以太网标准p r o f i n e t 的基础技术之一。 2 0 0 2 年p r o f i b u s 国际组织( p i ) 推出了一种基于以太网的、开放的、用于 自动化的工业以太网标准一p r o f i n e t 。它使用开放的i t 标准，与以太网t c p i p 标准兼容，并提供了实时功能，还能与现有的现场总线系统有机的集成，从而较 北京化工大学硕士学位论文 好地保护了原有投资。目前p r o f i n e t 标准已成为i e c6 1 1 5 8 和i e c6 1 7 8 4 的组 成部分。 为了评估一种通信系统并将其与其他通信系统进行比较，行之有效的方法是 将其放在一种标准化的比较模型中。i s 0 0 s i 模型创建于1 9 7 8 年，它是解释开放 系统通信的国际参考模型。i s o o s i 模型将通信序列分为7 个层，p r o f i n e t 在该 模型中如图1 1 所示。 i s o o s i 7 bp r o f i n e ti o 服务p r o f i n e tc b a p r o f i n e ti o 协议对应丁i e c6 1 1 5 8 总线类 ( 在制定中的i e c6 1 1 5 8 和 型1 0 l e c6 1 7 8 舢 7 ad c o m 无连接r p c面向连接的 r p c 6 5空白空白 4 u d p ( r f c7 6 8 )t c p ( r f c 7 9 3 ) 3 i p ( r f c7 9 1 ) 2 符合i e c6 1 7 8 4 2 的增强型实时 j e e e8 0 2 3 全双工，i e e e8 0 2 1 q 优先权标签 1i e e e8 0 2 - 31 0 0b a s e t x 1 0 0b a s e f x il 图1 - 1p r o f i n e t 集成在i s o o s i 模型中 p r o f i n e t 是一种工业通信网络。通过p r o f i n e t ，分布式现场设备( 即i o 设 备，例如信号模板) 可直接连接到工业以太网。在使用s t e p 7 进行组态的过程中， 这些现场设备指定由一个控制器( 即1 0 控制器) 控制。借助于具有p r o f i n e t 接 口的代理服务器( p r o x y ) ，现有模板或设备仍可继续使用，从而保护p r o f i b u s 用 户的投资。i o 监控器用于h m l 和诊断功能，并和p r o f i b u s 一样，采用层级诊 断屏幕( 总体诊断和详细诊断) 。图1 2 是p r o f i n e t 网络的典型结构。 6 北京化工大学硕士学位论文 1 3 课题来源 图1 - 2 典型的p r o f l n e t 网络结构 本课题来自中国现场总线p r o f i b u s 技术资格中心( c p c c ) 。是经国际 p r o f i b u s 组织( p i ) 批准的、为中国地区提供p r o f i b u s 和p r o f i n e t 技术支 持与服务的机构，负责中国地区p r o f i b u s 和p r o f i n e t 技术咨询服务、产品认 证测试和技术应用推广工作。其下属的中国现场总线p r o f i b u s 产品测试实验室 ( c p p t l ) 是一个经过国际p r o f i b u s 组织( p i ) 批准授权，负责中国地区p r o f i b u s 产品测试认证技术工作的国际性实验室，为中国地区自动化产品制造商自主开发 p r o f i b u s 和p r o f i n e t 产品提供解决方案及技术支持是它的一项重要工作。 c p c c 参与制订了p r o f i b u s 和p r o f i n e t 中国国家标准。 c p c c 在国内率先承担起p r o f i n e t 技术的研究工作，并选为关键项目申请 国家中小企业创新基金，已得到科技部的认可。 1 4 课题主要任务 1 以太网应用于工业控制环境的关键技术研究 由于以太网缺乏实时性和不确定性，不能直接应用于工业现场。针对这种情 况，提出了解决以太网实时性的方案：使用全双工口u l l - d u p l e x ) 交换式以太网技术。 并在实验的基础上深入评估了交换式以太网用于实时工业通信时的性能。交换式 以太网技术正是p i 的f i n e t 技术基础之一。 7 北京化工大学硕士学位论文 2 p r o f i n e t 关键技术研究 对p r o f i n 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 t i 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旌。 3 p r o f i n e ti o 的基础性设计一以太网控制器原理型样机 选用m u 订核微处理器和以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 设计硬件电路。完成硬件 电路的调试和程序的编写，包括u c 0 si i 操作系统的移植、1 w i p 协议栈的移植、 r t l 8 0 1 9 a s 网络控制器驱动程序的编写。进行了系统测试。 1 5 课题实现的意义 对交换式以太网用于实时工业通信时的性能进行了深入了评估，论证了其可 行性和优势。 对工业以太网p r o f i n e t 技术进行了开创性研究，研究了其系统模型和通信 调度机制，并阐述了实现方案。 设计了以太网控制器原理型样机，在此基础上可进行p r o f i n e t1 0 的设计和 开发。 北京化工大学硕士学位论文 第二章以太网在工业自动化应用中的实时性问题 以太网用于工业控制存在诸多问题，如以太网不提供电源，必须有额外的供 电电缆；安全性问题，没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层，造成安 全漏洞；现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题等等。但是最主要的问 题还在于以太网采用的是带冲突检测的载波侦听多路访问协议( c s m a c d ) ，这一 缺陷导致以太网的应用与工业过程控制之间存在一定的距离。下面主要解释以太 网的实时性、不确定性问题。 2 1 以太网存在实时。性差和不确定性问题 实时性主要通过响应时间和循环时间来反映。确定性是指网络中任何节点、 在任何负载情况下都能在规定的时间内得到数据发送的机会，任何节点都不能独 占传输媒介。 以太网虽然在商业领域得到了广泛的应用，但用标准的u d p 或t c p i p 协议与 e 也e m e t 一起来构建实时控制网络是困难的。这主要是因为以太网的媒介访问控制 协议c s m a c d 有无法预见的延迟特性。网络每个节点要通过竞争来取得信息包 的发送权：节点监听信道，只有当发现信道空闲时，才能发送信息，如果信道忙 碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞， 需退出重发【4 】。当实时数据与非实时数据在普通以太网上同时传输时，由于实时数 据与非实时数据在源节点的竞争以及与来自其它节点的实时与非实时数据的碰 撞，实时数据将有可能经历不可预见的大延时，甚至长时间发不出去。 以太网的整个传输体系并没有有效的措施及时发现某一节点的故障而加以隔 离，从而有可能使故障节点独占总线而导致其它节点传输失效，工业控制响应的 实时性问题就不能得到解决。 以太网的这一缺陷使它适合于信息传输系统而与过程控制系统的要求有一定 的距离。这是因为信息传输系统与过程控制系统在通信的要求上有很大的不同： 信息传输的主要要求是速度快，过程控制系统不仅要求速度快，还要求响应快， 即实时性好。信息传输系统对响应时间要求较低，一般是2 6 s ：过程控制系统的实 北京化工大学硕士学位论文 时性要求较高，一般是0 5 2 s 【5 j 。信息传输系统对实时性的要求是软的，只要大部 分时间满足要求就可以了，偶尔几次不及时响应并没有关系；过程控制对实时性 的要求是硬的，因为它常常涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有任 何不确定性。显然过程控制的实时性要求高得多。过程控制通信将分散的节点接 入系统时常采用广播方式和多组方式，信息传输系统通信时一个自主系统和另一 个自主系统只在需要通信时建立一对一的方式【引。 因此，普通的以太网要应用于工业控制系统必须解决实时性和确定性的问题。 2 2 全双工交换式以太网技术解决实时性问题 在交换式以太网中，交换机将以太网划分为若干个微网段，网段的微化增加 了每个网段的吞吐量和带宽，如图2 1 所示。每个微网段即为一个子冲突域，各个 子冲突域通过交换机进行隔离。交换机各端口之间可以同时形成多个数据通道， 使每个节点都有一个私有的单独信道连接到另一个节点，因此端口之间数据的输 入和输出不需要竞争底层传输信道，不再受到c s m c d 介质访问控制协议的约束 【7 】。 图2 - l 交换式以太网结构示意图 全双工通信可以同时发送和接受数据，相对半双工，带宽增加了一倍，而且 使数据可以及时传送，减小甚至消除冲突区域，使以太网具有有限的通信延迟， 增强了其时态行为的可预测能力【8 一。 1 0 北京化工大学硕士学位论文 2 2 1 全双工通信模式 常规的共享式以太网遵循c s m 刖c d ，对所有的用户，共享式以太网都依赖单 条共享介质，因此在技术上不能同时发送和接收，否则就引起冲突，只能以半双 工模式工作；网络在同一时间要么发送数据，要么接收数据，即不能同时双向通 信1 0 1 。 全双工支持同时发送和接收，实现点一点通信，故不存在冲突问题。全双工 在理论上可以使传输速度翻一番，例如，全双工1 0 m b p s 以太网链路，在理论上可 达到2 0 m b p s 的传输速率嘲。 交换机的每个端口都是独立的冲突域，在半双工下，即使只连接一台设备， 由于设备端口和交换机端口属于同一冲突域，仍不能同时发送和接收。例如，当 设备在接收交换机端口传来的数据时，即使有数据要向上发送，也只能等待。尽 管在这种情况下冲突率很低，但仍然降低了网络的实时性和确定性。如采用全双 工，设备可在发送的同时接收数据帧，不需等待，从而极大地提高了传输的实时 性；而且，此时数据传输延迟主要依赖于交换机的软硬件性能，趋向定值【1 3 ，。 2 2 2 交换式以太网用于实时工业通信时的性能评估 2 2 _ 2 1 以太网的最大通信延迟 对以太网的通信性能分析有各种各样的方法【1 5 - 1 7 】。在本文中，c s m 刖c d 的最 大通信延迟可以从分析数据链路层的时序图中获取，如图2 2 所示。 如果没有冲突，源节点到目的节点的通信延迟( de d e ) 可以定义如下【1 8 】： d 雠= d 雕+ d r + 2 d 州聊+ d 艘 ( 1 - 1 ) d 慨是在源节点的发送延迟，d 腿是在目的节点的接收延迟。d t 是一个帧传输 延迟，主要取决于帧的长度和以太网的通信速率。d p r o p 是电信号从源节点到集线 器的传播延迟，与站点到集线器的电缆线长度成比例。例如，电缆线的长度是2 0 米，在传输速度为2 0 1 0 8 m ，s 时的传播延迟大约是o 1 “8 ，等于传输l _ b i t 的时间。在 上述的等式中，我们从站点到集线器使用两倍的传输延迟，认为所有站点到集线 器的电缆线长度是一样的。 实验发现d e d e 主要由站点的性能所决定。实验由两台计算机( p e m i u m5 0 0m h z ， 1 l 北京化工大学硕士学位论文 w m d o w s 2 0 0 0 ) 在1 0 b a s e t 的以太网上交换5 1 2 b i t s ( 以太网最小数据长度) 数据帧， d e d e 测量为大约2 0 0 h s ，这比o 1 邺的传输延迟和5 1 2 “s 的发送延迟长多了。 如果冲突发生，d c 表示冲突延迟，端到端的通信延迟d e 将比d e d e 大的多： 玩= + d c ( 1 2 ) 在b e b 运算法则中1 6 1 ，当任何冲突发生，源节点检测到冲突并发送一个堵塞信号， 如图2 2 中所示。源节点等待一个补偿时间后，重新发送该帧。因而，d c 能够被定 义如下： n d ( = 芝( d m + + d ) c 1 6 ( 1 3 ) f = 1 n c 是冲突的数目，少于或等于1 6 ，因为一个帧在1 6 次发送失败后被丢掉；d d e t 是冲突检测时问，它是在源节点和目的节点之间的周期传播延迟【1 9 】；功a m 是发送 堵塞延迟，在1 0 b a s e - t 标准中定义为3 2 _ b i t 的时间；d b o k 是补偿时间，由b e b 算 法计算如下： d 删= ( u n i f o m 1 ，2 叫。，1 0 ) 】一1 ) r 。 ( 1 。4 ) 函数u n i f o n n rb 】是按照均衡分布原则在a 和b 之间产生一个整数值。商n ( c ，d ) 的意 义是在c 和d 之间选择较小的值。另外，t s 是时隙时间，在1 0 b a s e t 标准以太网中 定义为传输5 1 2 - b i t 的时间口叭。 a f t pp h yhp h y 赢巍p d 图2 2 以太网时序图 北京化工大学硕士学位论文 以太网最大的通信延迟发生在下列条件满足时口1 j ：( 1 ) 数据帧在1 6 次冲突后 发送( n c = 1 6 ) ；( 2 ) 补偿时间在最大值时被选中，如2 “m ( 宴。救2 ，1 0 ) ；( 3 ) 源节点与 目的节点距集线器的长度应达到标准允许的最大分段长度。在这些条件下，理论 上的最大冲突延迟计算如下： 1 6 d c 、= ( + + d 肋。) k t i 1 6 = 1 6 ( 4 d p + ) + 2 嘶。f ， k l = 1 6 ( 2 0 + 3 2 ) + l ( 2 l 1 ) + ( 2 ”一1 ) 1 5 1 2 屯 ，9 1 6 、 k 。lk t l o = 4 ，l8 5 ，9 2 0 “4 l8 6 m j( 1 5 ) t b 是指位时间，在1 0 b a s e - t 以太网标准中被定义为o 1 u s ( 假定集线器与站点 的长度是1 0 0 m ，这是1 0 b a s e t 以太网标准所允许的最大长度) ，d p r o ，等于传输5 _ b i t 的时间。 在公式( 1 5 ) 中，考虑0 2 m s 的d e o e ，实验中的以太网最大通信延迟大约是 4 1 8 8 m s 。最大延迟的值对于很多实时应用可能不够小，因为这些实时应用的循环 周期为1 0 m s 。 2 2 2 2 交换式以太网的最大通信延迟 为了保证交换式以太网的稳定性能，我们需要有两个必需的条件 2 2 】。第一个 条件是网络传输总量应该小于交换机的容量。也就是： 三 。卿，艺朋嘶 ( 1 6 ) 扣o c 印a s 是交换机的容量，定义为在一个单位时间内能够处理的帧的数目，m s 昏 指在第1 个站点每单位时间产生的帧的数目。该公式也表示了交换机在下个周期同 类型帧产生之前能够处理的帧的数目。 第二个条件是一个站点的接收能力( 如从交换机到站点) 应该足够大，可以 处理所有的从各个源节点到该节点的数据帧。这可以表达为： 北京化工大学硕士学位论文 n c 删。( ，) j ；l _ 船，( - ，) ( 1 7 ) c a p a r ( j ) 是站岗能够接收来自交换机的数据的数目，m s ( j ) 是在单位时间内 从第i 站点到第j 站点传输的位数。这个条件是第一个条件的自然扩展，每个链路的 稳定性要能保证整个网络的稳定性。 图2 3 显示的是当上述条件满足时交换式以太网的时序图。 a r pp h y8 硅p l y a 巍p d 韩连 d l 爱o p iz 盥b k 镕 、 d t搿 域谶遴 “ 豁捧 嚣惫捣 d t 运d i 舯，i d 诹遥 图2 - 3 交抉式以太网的时序图 如果一个帧直接从源节点传送到目的节点，而没有在缓冲器里存储，那么端 到端的没有排队的通信延迟( d e d s ) 和普通以太网的d e d e 是一样的。如果帧存储在交 换机里，整个延迟d e 是d e d s 和排队延迟( d o ) 的和。 巩= + d 。 ( 1 - 8 ) 这里，如果缓冲器包含n 。个帧，d q 能够如下定义： 虬 d q = ( d ，+ d 。) t l 虬 2 【9 6 + m a x ( k + l ，5 7 6 m ( 1 - 9 ) 胃= l d 正是源节点在成功发送两个帧间等待的帧间延迟，在1 0 b a s e - t 以太网标准中 1 4 北京化工大学硕士学位论文 被定义为传输9 6 - b i t 的时间。l h 为数据帧的报文头位数，l k 为第k 个帧的数据长度。 这里，l h 在1 0 b a s e t 以太网标准中被定义为4 3 2b i t s ，d t k 取l k + l h 与5 7 6b i 忸的较 大值。 当发送到一个站点的位总数达到最大时，交换式以太网的最大通信延迟达到 最大。对于一个给定的数据量，最坏的情况是数据聚合到最短的帧，因为包括帧 间延迟的报文头将是最大的( 5 7 6 b i t 的帧中包含1 “- b i t 的数据) 。因此，我们可 以考虑将多少具有最小长度的帧储存到一个站点的缓冲器中用于发送。帧的数目 n q ，可以通过考虑在公式( 1 7 ) 中显示的网络稳定运行条件来评估。如果我们假 定在网络上所有控制系统的采样周期是l m s ( 这比大多数应用足够快) ，那么1 5 个 站点发送帧给一个共同的目的站点将产生1 0 0 8 m b p s 【( 5 7 6 + 9 6 ) b i t s f r a m e 1 0 0 0 觑吼e “s 1 5 ，这比1 0 m b p s 的链路容量微多。因此，只有1 4 个站点满足式子( 1 7 ) 。 这意味着当交换机接收一个帧时，可将至多1 3 个帧存储在缓冲区里。因而，d o 能够如下计算： d 舀= 口【9 6 + m a x ( 上丘+ 4 3 2 ，5 7 6 ) 】屯 21 3 6 7 2 “= 8 7 3 6 伊 ( 1 1 0 ) 为了检验公式( 1 6 ) 中显示的第一个条件，可以计算在一个单位时间内从1 4 个站点获得的帧数。每个站点产生1 0 0 0 帧秒，总和为1 4 ，0 0 0 帧秒。该帧产生速 率与一个普通以太网交换机的处理速率相比很小，后者能够轻松的达到1 百万帧， 秒。因此可以预期通信延迟非常低，交换式以太网在工业网络上有非常光明的应 用前景。 2 2 2 3 交换式以太网的性能评估 通过一个实验对交换式以太网的实时性能进行评估。在这个实验中，1 个主站 和1 0 个从站连接到如图2 - 4 所示的网络。实验中主站和从站的分类与他们的通信功 能无关，而与应用性能相关，主站从从站获取一个请求帧，接着发送一个响应帧。 该平台支持网络控制系统( n c s 2 3 ，2 4 】) ，传感器向控制器发送设备输出信息，然后 接收控制信号。数据长度设定为1 4 4b i t s ，即为标准中指定的最小值，足够容纳来 自普通现场设备的数字或模拟信号。普通以太网中使用的集线器为s a m s u n g s m a r t e t h e rs h 2 0 2 4 s ，交换式以太网中使用的交换机为3 c o ms 帅e r s t a c ki is 、v i t c h 北京化工大学硕士学位论文 1 1 0 0 。网络传输速率设定为1 0 m b p s ，该速率在工业环境中干扰很小。 图2 5 显示的是介于主站和从站间的通信状态表。在图2 5 a 中，主站在初始 化( s t a n e v e m ) 后在w a i tr e q u e s t 状态等待一个请求帧( 装置发出) 。如果收到来 自从站的请求帧( r e c e i v e j e q u e s t ，e v e n t ) ，主站则在p r o c e s s - r e s p o n s e 状态向从站 发送一个响应帧( 控制信号) ，并且回到、v a nr e q u e s t 状态等待其他请求。终止条 件满足时，主站关闭( t e n n i n a t e e v e m ) 。 同样的，从站在初始化( i 血t i a l i z e e v e n t ) 后同时进入p m c e s sr e q u e s t 和 w a i t - r e s p o n s e ，如图2 5 b 所示。在p r o c e s q u e s t 状态，从站向主站发送请求帧 ( 设备输出) ，该请求帧由预先确定的时序方法获得，接着等待下个帧 ( s e r i ( 1 - r e q u e e v e m ) 。同时，从站在w a 吣e s p o n s e 过程( r e c e i v e _ r e s p o n s e e v e m ) 等待或处理来自主站的响应帧( 控制信号) 。最后，当结束条件满足时，从站关闭 ( t e n n i n a t e e v e m ) 。 图2 5 中的状态表显示的应用程序在w i n d o w s2 0 0 0 环境下【2 5 1 使用、i ns o c k e t n b r a r y 来执行。主站到从站1 0 ，o o o 帧的通信延迟用三个不同的报文生成时间段来衡 量，例如，1 m s ( 5 7 6 信号流量) ，2 m s ( 2 8 r 8 信号流量) 和3 m s ( 1 9 2 信号流 量) 。这里，通信延迟的定义介于从站产生数据和主站在应用层接收数据的时刻 之间。 图2 - 4 以太网和交换式以太网的实验结构方式 1 6 北京化工大学硕士学位论文 5 的 曼嘶 鲴 璀期 蚓 舞蝴 丽 糟t o a 4 n o _ 叩 ( ) 主站状态表 v e _ f e q m “ 辩从站状态表 图2 5 主站和从站的状态图表 、，普通咀太网 l t 曲 交换式以太网 。八| + _ il。| ，? l 争| 一，i ? fjv 、￥i o跏椰嘲 搬披量嗍 ( a ) n 6 信号流量( 1 叶站点，1 m s 报文生成时间 棼猹士日 交换式以太网 | l。l。， l l _ l l l 重矗氩龇“重幢j - l i 誓l ；| _ 1 g釉帅4 0 啡洲髑蛳曲 报文数量 “ ( b ) 2 e 嗽信号流量( 1 口个站点2 m s 揠文生成对简) 1 7 姗 伽 m 瑚 m 。 目v鞠制啦嘲罄鬲蓑 北京化工大学硕士学位论文 日枷 蝥，。 坦 争。 磊 瓣l o 普通l ；l 太同 寄托砖眦士网 t ，撞 六ol 0 2 d4 0 硼日鲫b1 报文数量 ( c ) 1 9z 信号流量( 1 d 个站点3 m s 幢文生成时间) 图2 6 普通以太网与交换式以太网通信延迟的对比 图2 - 6 显示了普通以太网在一个指定从站的通信延迟。高流量( 5 7 6 ) 的情况如图 6 a 所示，普通以太网的最大通信延迟接近5 0 0 m s ，这对于实时应用过大。另外，图 中还显示了没有延迟纪录的几个时间间隔。因为这些帧( 参照丢失帧) 在1 6 次不 成功的发送后被丢弃。通信延迟最大值实验结果与理论计算基本相符。 在图6 b 和6 c 中，随着信号流量的降低，最大通信延迟时间变得较小。然而， 通信延迟由于帧的冲突仍然有些变化。这些变化，除了延迟的数量之外，是对 n c s 的性能和稳定性起消极作用的一个关键因素。从这些实验中可以得出，普通 以太网不适合应用于工业网络，除非信号流量非常小。 对比之下，在各种信号流量下，交换式以太网的延迟都在l m s 以内。图2 6 显 示了非常小的延迟，几乎与x 轴重合。我们没有看到数据帧由于不断的冲突而被丢 弃，这些冲突正是造成延迟不断发生的原因。交换式以太网对于n c s 来说是非常 可行的。 从时序图和测试平台的评估可以分析得出，交换式以太网的通信延迟是非常 小的，完全满足实时工业网络的要求。 2 3 解决以太网实时性的其他方案 2 3 1 虚拟局域网( v l a n ) 虚拟局域网( v i 咖a ll o c a la e r an e t 、o r k ) 的出现打破了传统网络的许多固有观 念，使网络结构变得灵活、方便。v l a n 可以克服物理位置的限制，把一组特定 北京化工大学硕士学位论文 的设备组成一个广播域，从而更加合理地使用带宽，增强网络的安全性。一个v l a n 可以根据部门职能、对象组及应用等因素将不同地理位置的网络用户划分为一个 逻辑网段。虚拟局域网利用v l a n 干道协议( v t p ) 来进行配置。虚拟局域网与外部 通信必须通过路由选路嘲。 工业以太网无论在通信协议上，还是在网络结构上都是开放的：对于网络本 身而言，现场控制单元、监控单元、管理单元都是对等的，受到相同的服务。但 基于工业过程控制的要求，控制层单元在数据传输实时性和安全性方面都要与普 通单元区别开，因而采用虚拟局域网在工业以太网的开放平台上做逻辑分割。v l a n 在工业以太网的作用在于【2 7 1 ： 1 ) 分割功能层 v l a n 可以有效地将管理层与控制层、不同功能单元在逻辑上分割开，使控制 层的过程控制免受管理层的广播数据包的影响，保证了带宽。同时为了上下层可 直接进行必要的通信，可以在o s i 参考模型第三层( n e t w o r kl a y e r ) 设备上使用“过 滤器”，实现上下层之间的“无缝”连接；而传统方式是通过主控计算机实现“代理” 功能，因为上下层网络属异种网，无法直接通信。 2 ) 分割部门 当不同部门和车间处于同一广播域( 子网) 时，通过v l a n 划分功能单元，各自 的单元子网不受其它网段的影响，每个单元都成为一个实时通信域，保证了本部 门网络的实时性。 3 ) 提高网络的整体安全性 当工业以太网根据需要划分了v l a n ，不同v l a n 之间通信必须经过第三层路 由；此时，可以在核心层交换机配置路由访问列表，控制用户访问权限和数据流 向，达到安全的目的【2 8 矧。 2 3 2 服务质量( q o s ) i p q o s 是指i p 的服务质量，也是指i p 数据流通过网络时的性能。其目的就是向 用户提供端到端的服务质量保证。有一套度量指标，包括业务可用性、延迟、可 变延迟、吞吐量和丢包率等 3 0 】。 q o s 是网络的一种安全机制。在正常情况下并不需要q o s ，但是当出现对精 1 9 北京化工大学硕士学位论文 心设计的网络也能造成性能影响的事件时就十分必要。在工业以太网中采用q o s 技术，可以为工业控制数据的实时通信提供一种保障机制；当网络过载或拥塞时， q o s 能确保重要控制数据传输不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。 拥有q o s 的网络是一种智能网络，它可以区分实时一非实时数据。在工业以 太网中，可以使用q o s 识别来自控制层的拥有较高优先级的采样数据和控制数据， 优先得到处理并转发；