（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网与网络控制器.pdf

摘要 摘要 本文简要介绍了e t h e m e t 技术在控制系统应用的背景情况，比较了d c s 、f c s 和基于e t h e m e t 的控制系统的各自特点，提出以太网应用于工业控制是一个很重 要的动向，并且提出本文要解决的问题。通过比较以太网( e t h e m e t ) 与控制网 ( c o n t r o l n e t ) 、设备网( d e v i c e n e t ) 在不同情况下的性能指标，给出模拟仿真 结果，得出各种网络的优缺点。针对传统共享型以太网难以胜任控制中硬实时要 求的问题，建立以太网碰撞冲突模型，并提出一些确保以太网在工业控制中实时 性的措施。在比较了传统分层自动控制系统与基于e t h e r n e t 的控制系统的不同 后，阐述了整个系统的建立对企业综合自动化的意义。 在前面分析的基础上，提出了以太网远程数据采集系统的解决方案，并详细 介绍了系统的结构和特点。对自行研制的系统的重要接入设备嵌入式控制器的软 硬件设计做了详细介绍。主要包括：控制器硬件总体结构、核心芯片a r m 的介 绍、接口电路设计、嵌入式控制器软件设计中操作系统移植和服务程序的设计。 最后对本文内容做了简要的总结，并提出一些本文未能讨论的关键技术。 关键词： 嵌入式系统，以太网，实时性，网络控制系统，a r m ，t c l i n u x 垒! ! ! 型 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fi n t e g r a t i n ge t h e m e tt e c h n o l o g i e si n t o c o n t r o l s y s t e m s i s b r i e f l y d e s c r i b e d t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fd c s s 、f c s s 、 e t h e m e t b a s e dc o n t r o ls y s t e m sa r ec o m p a r e di nd e t a i l s i ti sp o i n t e do u tt h a t t h e a p p l i c a t i o no f e t h e m e tt oi n d u s t r i a lc o n t r o li sa l li m p o r t a n tt r e n d a l lt h ep r o b l e m s w h i c ht h et h e s i sw i l ls o l v ea n dt h eb a s i cc o n c e p t sa r el i s t e di no r d e rt oh e l pr e a d e r st o u n d e r s t a n d t h ep e r f o r m a n c eo fe t h e m e ta p p l i e dt oa u t o m a t i cc o n t r o li st h ef o c u s d i s c u s s e db ye n g i n e e r sa n dr e s e a r c h e r s t h r o u g hs i m u l a t i o n s ，t h ec o m p a r i s o no ft h e p e r f o r m a n c e s a n dc h a r a c t e r i s t i c so f e t h e r n e t 、c o n t r o l n e ta n dd e v i c e n e ta r eg i v e n t h et r a d i t i o n a le t h e m e tb a s e do ns h a r e dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si sn o ts u i t a b l ef o r h a r dr e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m s am a t h sm o d e io fc o l l i s i o ni nt h ee t h e m e ti sp r o v i d e d a n ds e v e r a lt e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e dt om a k et h ee t h e m e tr e a l - t i m e a f t e rc o m p a r i n ge t h e m e t b a s e dc o n t r o ls y s t e m sw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m s ， i ti so b v i o u st h a tt h es y s t e mw e d e s i g n e di so f s i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ho f c o m p u t e r i n t e g r a t i n gp l a n ta u t o m a t i o n ( c i p a ) t h es y s t e m o fr e m o t ed a t a a c q u i r i n g w e d e s i g n e di sd e s c r i b e di nd e t a i l i ti ss h o w nt h a tt h ee m b e d d e de t h e m e tc o n t r o l l e rw e d e s i g n e di s av e r yi m p o r t a n td e v i c e ，w h i c hi sl i n k e dt ot h ee t h e m e t b a s e dc o n t r o l s y s t e m i nt h i sc h a p t e rw eg i v ed e t a i l so ft h ec o n t r o l l e rd e s i g n t h es t r u c t u r eo ft h e e m b e d d e dc o n t r o l l e r 、t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o r e c h i p 、t h ed e s i g n o fi n t e r f a c e c i r c u i t 、t h ep o r t i n go f i t c l i n u xo s a n dt h er e a l i z a t i o no fe m b e d d e dw e bs e r v e re t c a r eg i v e ni nd e t a i l s f i n a l l ys e v e r a lp r o b l e m s ，w h i c ha r ea l s oi m p o r t a n tt ot h ea p p l i c a t i o no f e t h e r n e t t oi n d u s t r i a la u t o m a t i o n , a r eg i v e ni no r d e rt or e m i n dt h er e a d e r sw h oa r ei n t e r e s t e di n t h et e c h n o l o g i e so f e t h e m e ta n di n t e r a c ta p p l i e dt oi n d u s t r i a la u t o m a t i o n k e y w o r d s ： e m b e d d e d s y s t e m ，e t h e m e t ，r e a l t i m e ，n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m s ，a r m ，g c l i n u x i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 传统控制系统中点对点的通信模式，在工业中成功地应用了几十年。然而随 着物理设备和系统功能的扩充，点对点的通信模式在控制系统的信号传输中已达 到了它的应用极限。例如，它已不能满足使控制系统模块化、实现先进控制、分 散控制、集成诊断、方便维护和低成本等需要。而具有通用总线结构的网络系统， 则以其完整的体系结构，分布式的操作运行模式，相对独立而又能很好互联的通 信方式，非常节省的布线和信号可靠性，显示出种种优点。尤其对于生产过程控 制，网络控制系统在每一节点都具有特殊的处理功能，允许控制功能模块化和界 面标准化，相互交互和相互渗透，由通信来连接复杂的生产过程。 1 2 网络控制系统的发展： 基于网络的控制系统经过近3 0 年的发展，从原来基于模拟信号传输的控制系 统d c s ，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。由于人们在开发时把注意力集中在满足控制实时要求、工业环 境下的抗干扰、总线供电等控制网络特点条件下的需要，现场总线的传输速率 大都较低。而且现场总线的国际标准推出缓慢，使得现有的现场总线标准非常多， 常如f f 、p r o f l b u s 、w o r l d f i p 、p - n e t 、c a n 和l o n w o r k s 等1 2 j o 通信协 议的多样性使得不同总线产品问不能直接互连、互用和互操作，没有真正体现现 场总线的开放性，控制网络的系统集成与信息集成面临困难的复杂局面。 随着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 层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、远程诊断以及远程管理功能， 并提供一个开放的基础构架p j 。网络技术( w e bt e c h n o l o g y ) 可跨越诸多设备和 系统在硬件和软件产品间做到即连即用，只需用网上浏览器( w e bb r o w s e r ) 经 由以太网和t c p i p 便可访问各种信息。它使界面软件更加图像化，并具有互动性。 数据信息的存取和处理都由w e b 服务器完成，客户机只需通过浏览器提出信息要 求，并接受及显示信息。客户机可任意设置，只要能连上i n t e m e t 并有权访问w e b 服务器，便可查阅现场有关生产信息，给维护和管理工作带来很大的方便h 1 。随 第一章绪论 着自动控制系统r 益向开放性，技术标准化方向迈进，w e b 、e t h e m e t 和t c p i p 应用于各类复杂工业控制系统和科学实验系统已成为研究的热点。 1 3 信息时代自动化系统 信息时代的自动化系统承担着更多、更重要的任务。高效的控制系统应具备 专家控制、模糊控制、学习( 自适应) 功能和网络通讯功能，要求系统具有开放 架构、强大的运算能力、完备的网络功能以及服务于“临界点控制”的可靠性。其 中开放架构是基础，复杂先进的算法需要开放架构和标准总线、标准协议的平台 来共享；需要具有快速的运算能力；优化控制多数在l 临界状态，需要系统具有高 可靠性的、无风扇、无硬盘设计的基于嵌入式操作系统的控制产品；现在i n t e r n e t 已经风靡全世界，自动化系统需要完成远程诊断、远程维护及远程控制等功能， 完成随时随地( a n y t i m e a n y w h e r e ) 的控制【5 1 。 目前，占据主导地位的控制系统是诞生 于2 0 世纪7 0 年代以d c s 、p l c 和现场总 线控制系统为主的第三代控制系统。新时期 的自动化系统，也就是第四代控制系统 以太网控制系统，其最大特点应该是 开放性，也就是在一个基于i t 的平台上对 制造过程进行控制和监测的自动化控制系统。 i ne 1 图1 1自动化系统结构 开放式自动化系统的应用使在企业内部的任何一点从工厂的底层到最高 管理层得到过程信息成为可能。在该平台上，不同系统之间可以进行互联 和集成。在开放式控制系统中，过程优化和局部过程控制得以实现，从而使用户 在大大降低成本的基础上提高效率，改进质量和安全性【。 要通过i t 对生产流程进行整合，就一定要使所有工厂中使用的设备不再是 孤岛，而是通过e t h e r n e t 这座桥梁来沟通【7 1 。 一个一般的完整的工业自动控制系统按照其结构可以用一个金字塔来表示1 8 1 ( 图1 1 所示) ，自上而下分为三层：管理层、控制层与现场层。这三层结构可 以说完成了工业生产对自动控制系统提出的全部要求。这三层中的控制层，起着 承上启下的作用。控制层的任务是向下将现场层采集的信息进行分析处理，并将 结果送往现场；向上将重要的数据送往管理层，形成指令、报表等管理数据，并 第一章绪论 接受管理层控制指令。 现在一般采取的金字塔构成方式是： e t h e m e t + p l c ( d c s ) + 现场总线 ( 1 1 ) 由现场总线网组成现场层，p l c 充当控制层的主角，利用e t h e m e t 接入管理 层。可以看到管理层及现场层均采用了信息技术，它们和控制层的非i t 设备问 存在着交互的界面，如何处理好这一层的接口，一直是个难题。 当i t 技术全面引入自动化系统之后，我们构建一个自动化控制网络不再被 其兼容性所困扰，采用金字塔方式是： e t h e m e t + p c _ b a s e d + 现场总线 ( 1 2 ) 这一技术使得这三层之间的通信、以太网的连接以及控制的方法得到了根本 的变革，p cb a s e d 设备向上通过e t h e m e t 与管理层设备通信，向下通过现场总 线与设备层设备进行数据交换，实现了自上而下的统一，满足大规模自动化生产 所需要的全部要求。但是p cb a s e d 设备的价格过高，由于操作系统本身使得系 统的实时性和可靠性下降：而且设备层依然采用现场总线进行通信，整个系统的 兼容性和开放型依然没有完全解决。 随着嵌入式系统的进一步发展，以及s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 与i n t e m e t 技术 在控制系统的进一步应用，我们构建的自动化网络就可以采用这样的金字塔方 式： e t h e m e t + p c _ b a s e d ( e m b e d d e ds y s t e m ) + 以太网控制器( s o c ) ( 1 3 ) 这种方式构建的自动化网络，三层之间的通信与控制采用统一的t c p i p 协 议，三层之间数据可以透明传输，同时大大增强了系统的实时性和可靠性；由于 t c p i p 协议的开放性，使得不同系统之间可以互联和集成，系统的成本也大大 降低了。 第二章网络控制的体系结构 第二章网络控制的体系结构 2 1 集散控制系统d c s 集散型控制系统是计算机( c o m p m e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、c r t 显示 和控制( c o n t r 0 1 ) 技术发展的产物【9 】。它采用危险分散、控制分散、操作和管理 集中的基本设计思想，多层次、合作自治的结构形式，适应现代化的生产和管理 要求。它是在解决原有计算机集中控制中d d c 控制导致的危险集中和常规模拟 仪表控制功能单一的局限性，同时在克服d d c 控制双工系统高成本的探索中， 于2 0 世纪7 0 年代中期研究出来的以多微机系统为基础的新型控制系统。 d c s 通过通信网络将各组成单元连接在一起，因此d c s 的发展与计算机通 信网络技术的发展紧密联系。随着4 c 技术的进一步发展，集散型控制系统已在 世界各个发达国家不断涌现，几乎每个主要的自动化仪表公司都开发了自己的 d c s 系统。 表2 1集散控制系统举例 国家公司系统名称 h o n e y w e l lt d c $ 2 0 0 0 t d s c 3 0 0 0 f o x b o r os p e c t r u m i ，as e r i e s 美国 b a i l e yn e t w o r k - 9 0 f i s h e rp r o v o x w e s t i n gh o u s ew d p f l e e d s n o r t h r u pm i c r o m a x m a x1 0 0 0 横河c e n t r m ，y e w p a c k 日本m a r k i i 日立c e n t r m ，x l ，u x l u n i t r o l 德国 s i m e n st e l e p e r m m 英国 k e n tp 4 0 0 0 法国s e r e y - s c h l u m v e r g o rm u d m e t 8 0 2 1 1 集散控制系统( d c s ) 的特点【1 0 i ： 1 ) 松耦合的多处理机系统，可实现硬件积木化 d c s 在结构上是一个松耦合的多处理机系统，与以共享内存为基础的 紧耦合多处理机系统相比，它的通信量少，分散的子系统自治性强，各个 第二章网络控制的体系结构 微处理机都可以有自己的局部操作系统，所以系统配置非常灵活。如果要 扩大或缩小系统规模，只需在系统中增加所需的新单元或拆去某个单元， 系统完楚性不会受到太多影响。这种拼装方式，有利于工厂分批投资，逐 步形成一个在功能和结构上由简单到复杂、从低级到高级的现代化管理和 控制系统。 2 ) 软件模块化 d c s 被广泛应用于工业领域，尽管他们的生产工艺和产品各异，但从 过程控制的要求来说，有相当大的共性。这就为d c s 的软件设计提供了方 便。d c s 为用户提供相当丰富的功能软件，用户只需按要求选用这些软件 模块，可大大减少用户的开发工作量。功能软件主要包括控制软件包、操 作显示软件包和报表打印软件包等，并提供至少一种过程控制语言，供用 户开发高级的应用软件。 3 ) 控制系统用组态方法生成 d c s 使用与一般计算机系统完全不同的方法生成控制系统，这就是所 谓的“组态”。d c s 为用户提供众多的常用运算和控制模块，控制工程师只 需按照系统的控制方案，从中选择必要的模块，采用填表方式、步骤记入 方式或类似于画系统方框图那样的连接模块方式进行控制系统的组态。组 态一般在各种操作站上进行，有的也可以在基本控制器b c 或其他高性能 的控制器上进行。 4 ) 通信网络的应用 通信网络是d c s 的神经中枢，它将物理上分散配簧的多台计算机有机 地连接起来，实现相互协调、资源共享的集中管理。通过各级通信网络， 如高速数据公路( 或数据总线) 、局部控制网络、通用控制网络u c n 和经 网关g a t e w a y 联接的其他网络，将现场控制单元( 或基本控制器) 、局部操 作站、控制管理计算机、中央操作站、生产管理计算机和经营管理计算机， 以及提供市场信息和管理信息的各种终端连接起来，构成小、中、大型多 种规模的控制系统，实现整体的最优控制和管理。 d c s 一般采用同轴电缆或光纤为通信线，通信距离可按用户需要从 1 k m 向1 5 k m 延伸，同轴电缆通信速率为1 1 0 m b p s ，如果采用光纤则可 高达3 2 m b p s 。 第二章网络控制的伴系结构 5 ) 可靠性高 d c s 的高可靠性体现在系统结构、采用冗余技术、自诊断功能和高性 能的元器件上。 2 1 2 d c s 网络的标准体系结构”】 d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合 系统。这种系统在功能和性能上较模拟仪表、集中式数字系统有了很大的进步， 可在此基础上实现装置级和车间级的优化控制。但由于受到计算机系统早期存在 的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的d c s 系统不能互联在一起，难以实现互 换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。 2 2 现场总线控制系统 现场总线技术是现场控制技术与现代电子、计算机、通信技术相结合的产物， 它的应用与发展已引起工业控制领域内一场深刻的革命。 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，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、 企业乃至各地的市场。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信息系统。现场总线( f i e l d b u s ) 就 是顺应这一形势发展起来的新技术。 2 2 1 现场总线定义： 按照i e c l l 5 8 标准，现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的 双向数字通信协议 ”1 。现场总线是控制系统中底层的通信协议，具有双向数字传 输功能，在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并 通过一条物理媒体互相交换信息。现场总线的结构遵循国际标准化组织( i s o ) 的开发系统互联模型( o s i ) ，而不同的现场总线结构又不尽相同。 2 2 2 现场总线系统的结构特点1 1 4 】： 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一 对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制 室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物 理连接。 第二章嘲络控制的体系结构 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统处于控制室 的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场 的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不 依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号( 包 括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源； 现场设备以外不再需要模拟数字、数字模拟转换部件。这样就为简化系统结构、 节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 现场总线系统的技术特点【1 ： 1 )系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准 的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相 同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设 备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工 厂底层网络的开发系统。用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同 供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的 开发互连系统。 2 )互可操作性与互用性：互可操作性，是指实现互连设备间、系统问的 信息传递与沟通；而互用则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实 现相互替换。 3 )现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自 动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态； 4 )系统结构的高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统 的体系结构，从根本上改变了现有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，提高了可靠性； 5 ) 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、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 现供电与通信，并可满足本安防爆要求等。 第二章网络控制的体系结构 2 2 3 现场总线的优点： 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统 从设计、安装、投运到正常生产及其检修维护，都体现出优越性【l 6 j ： 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 直接执行多种传感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p c 机作为 操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可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 缆上通常可以接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大 减少，连线设计与接头核对的工作量也大大减少。当需要增加现场设 备时，无需增设新的电缆，可就近连接到原有的电缆上，既节省了投 资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测量资料 表明，可节约安装费用6 0 以上； 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能力， 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所 有设备的运行及诊断维护信息，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：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使使用设备的选 择范围受到限制，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而筹莫展， 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，减少了变 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。 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。 第二章网络控制的体系结构 2 2 4 现场总线的几种类型： 目前，现场总线控制网络发展很快，从技术上说，较好地解决了物理层与 数据链路层中媒体访问控制予层以及设备的接入问题。有影响的现场总线有：基 金会现场总线f f ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，c a n 和h a r t 等。 2 - 3 以太网控制系统 与上述形成鲜明对比的是，以太网( e t h 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( 主要在 企业管理层) 也得到了大规模的应用 1 7 i 。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，而且各种现场总线也开发出以太网接口，因此可 以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。 与目前的现场总线相比，以太网具有以下特点倍 ： 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 、v i s u a lc + + 、 v i s u a lb a s 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， 具有很好的开发前景。 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 图2 1 基于e t h 。r n c t 控制系统结构图 与广泛支持，已有多种硬件 产品可供用户选择，并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 f i b 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1 0 m b s ，1 0 0 m b s 的快速以太网 己开始广泛应用，1 0 0 0 m b s 以太网技术也逐渐成熟，1 0 g b s 以太网亦正 9 第二章网络控制的体系结构 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 ) 软硬件资源丰富：由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用 等方面有很多经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验 可以显著降低系统的开发和培养费用，从而可以显著降低系统的整体成 本，并大大加快系统的开发和推广速度。 5 ) 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 的关注和大量的技术投入；而且，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，如果工业控制系统、科学实验系统等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， 从而使现场总线和一般网络技术相互促进，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。 第三章网络控制系统的性能比较 第三章网络控制系统的性能比较 以太网用于控制，其性能如何，这是很多关心其应用前景的人普遍提出的问 题。在本节中，比较了三种用于控制系统的网络：以太网总线，带冲突检测的载 波侦听多路访问( c s m a c d ) 冷牌总线( 如控制网c o n t r o l n e t ) ，和控制器区域 网络( c a n ) 总线( 如设备g 日d e v i c e n e t ) 【伸】；并研究了各网络的介质访问控制 ( m a c ) 子层协议。从信息传送，到信息接收之间的全部通信延迟，称作端对 端的通信延迟，它主要包括产生延迟、排队延迟、传输延迟和发送延迟四方面的 因素。其中，排队延迟由通信网络的m a c 层决定，将被详细讨论。对每个协议， 研究相应网络用于控制环境的关键参数，包括网络利用率，预期时间延迟的大小 和时间延迟特性。本节还给出了一些不同设定的仿真结果，总结了每个网络的优 势与不足。 3 1 控制网络的一般性能特征： 数据网和控制网都应用于交换信息，但数据网的特征是大的数据包，一般没 有严格的实时限制。控制网则具有频繁传输小数据包的特征，具有实时要求和临 界时间的限制【卸1 。 在网络控制系统中，决策和控制功能，包括信号处理，分散在网络控制器中。 在设计一个网络控制系统时，必须考虑通信网络的带宽限制。一个网络的有效带 宽指的是单位时间内传送的有效数据量的最大值，排除帧头、填充位等。这和一 般传统网络带宽的定义相比较，它更侧重于单位时间内传送的原始字节的数量。 影响网络带宽的可用行和实效性的四个因素是：不同设各通过网络发送信息的采 用速率，要求同步操作的元件数，表示信息数据量的大小，以及控制信息传输的 m a c 子层协议1 2 ”。 3 2 以太网 以太网利用载波多路侦听冲突检测机制( i e e e 8 0 2 3 ) 来解决介质的冲突问 题。当某一节点要发送信息时，它对网络进行侦听。如果网络忙，它处于等待状 态，直到网络空闲，否则立即发送。如果两个或多个节点处于侦听状态，虽然此 第三章网络控制系统的性能比较 时网络空闲，但当它们同时发送信息时，发出的信息就会发生碰撞并导致信息被 破坏。在发送时，节点必须同时对信息进行监听，探测到两个或多个信息之间发 生碰撞，发送节点就停发并等待随机长的时间后重新尝试传输。这个随机的时问 由二进制指数后退算法( b e b ) 2 2 1 决定：重传时间从0 到( 2 1 1 ) 次时隙之间随 机选取，i 表示节点检测到的第i 次冲突事件，一个时隙是来回传输的最小时间。 然而，当达到十次冲突后，时间间隔被固定在1 0 2 3 时隙。1 6 次冲突后，节点停 止传输尝试并向节点微处理器汇报传输失败。进一步的恢复可能会在更高的层被 尝试【2 3 】。 以太网的帧格式如3 1 图示 2 4 1 ，帧头的总字节数是2 6 个，数据包大小在4 6 1 5 0 0 字节之间，要求一个非零的最小数据包。如果一帧的数据部分少于4 6 个字 节，从目标地址到校验位的有效帧至少为6 4 个字节，包括帧头和分隔符7 2 字节， 这种最小限制很容易区分有效帧和无效帧。当收发器检测到冲突时，它就截断当 前帧，这意味着电缆中经常会出现杂散的字位和碎帧。其次，在第一位到达电缆 远端，可能和其他帧碰撞之前，为防止节点完成短帧的传输，对于1 0 m b p s 以太 网最大长度为2 5 0 0 m 。有4 个中继器的以太网，允许最小的帧时间为5 2 2 u s ，它 是在1 0 m b p s 网上传送6 4 个字节所需的时间【2 5 】。 字节 716620 - 1 5 0 00 - ：1 64 i 先头字段 帧， ： 数据 填充 i 始标志 目标地址源地址 数据棱验和 长度 ，毅 i 帧头= 2 2 字节 。一1 5 0 0 字节。融叫# 童 图3 1以太网( c s m a c d ) 帧格式 以太网的网络操作算法简单，在网络负载低时几乎没有延迟。与令牌总线或 令牌环协议相比，增加和扩大访问网络不用增加通信带宽。控制系统通常使用 1 0 m b p s 以太网，高速( 1 0 0 m b p s 甚至l o b p s 以上) 以太网主要用于数据网络1 2 。 由于以太网采用非竞争协议，并且不支持任何消息优先，在网络负荷大时， 消息碰撞是一个主要问题1 。因为，它在很大程度上影响数据传输量和延迟时间， 并且延迟时间甚至是无界的。以太网中一个节点传输包时，不管其它节点正在等 待访问介质，它都独占通信介质，这样产生碰撞后，消息必然会被丢弃。因此， 不能保证首尾相联的连续通信。由于限制了最小有效i 帧的大小，使得以太网要用 第三章网络控制系统的性能比较 很大的消息格式传递少量的数据。 以太网访问控制的优点是： 2 6 1 1 )各个节点并行连接到总线，某个节点的失效不影响整个网络的运行： 2 )网络接口比较简单，实现节点的加入和撤出很容易，可扩展性和可靠性 较好，维护方便，结构灵活，成本低； 3 )信道利用率( 每一帧占用信道的时间) 高，特别在轻负载( 4 0 以下) 时； 4 )传输时间和节点总数无关； 5 ) 在轻负载时，网络传输延时小，响应速度快，有较高的信道吞吐量。 以太网访问控制的缺点为【2 8 】： 1 )随着网络负载的加重，冲突的概率增加，信息传输时间不确定，传输平 均延时增加，响应时间变长，信道的利用率降低，特别是网络负载达到 6 0 以上时，网络性能急剧下降，所以只有控制通信负载，限制节点数， 才能改善实时性； 2 )从理论上，中负载下各节点获得成功的概率也是一样的，但实际上如果 一个节点不能正确处理冲突碰撞，它将有可能在一段不确定的时间范围 内被禁止访问网络，会出现有些节点无法上网的现象； 3 ) 它不宜于传输像“过程数据”这样的小数据包，因为如前所述，若帧的长 度小于规定的最小长度，则须添加不必要的无用信息，使之达到最小长 度才能传输，这样既浪费了信道，使有效数据传输率降低，又增加了传 输延时，降低了网络的实时性； 4 ) 由于信号在传输中会引起衰减，当两个站相距较远时，它们发送到对方 的信号与接收的信号的叠加会小于冲突阀值，无法检测出冲突，所以通 信电缆的长度有限制( 最长为5 0 0 m ) ； 5 ) 信息帧无优先级别，不同的帧发送概率一样，用于实时系统时，将受到 各种各样的约束； 6 ) 为了检测冲突，对信号幅度有较高的要求。 由此，可以看出以太网用于控制系统，使用于轻负载时的突发信息长数据包 的传送时，如果增加竞争优先级机制从而提高关键包的响应时间，或者通过细分 网络结构得到交换以太网的性能，即可用于网络控制系统【2 9 1 。 第三章网络控制系统的性能比较 3 3 控制网( 令牌环和令牌总线) 生产自动化协议( m a p ) 、现场总线( f i e l d b u s ) 以及许多控制网络都是 典型的令牌总线或令牌环网。这两种网络都是确定性网络，因为在发送一个消息 帧之前最大等待时间可由令牌周期时间确定。 令牌环是用于环形网络拓扑结构的介质访问控制协议( i e e e 8 0 2 ，5 ) ，是最为 普遍的无冲突访问控制 3 0 】。称为令牌的一特定格式的信息绕环行驶，把访问介质 的权利从一个节点传递到物理连接的另一个节点。其中，令牌有两种，一种是空 令牌，一种是忙令牌，只有获得空令牌的节点才能传递数据，携带有效数据的令 牌是忙令牌。希望发送信息的节点组织好数据帧处于等待状态，在获得空令牌后， 称为发送节点。发送节点先将空令牌变为忙令牌发送到信道上，紧接着忙令牌后 面传送一帧数据到环上，数据帧的长度不受限制。当此帧经过其它节点，该节点 比较帧上的目标地址和本节点地址，如果相符，则接收此帧并复制一份放入接收 缓冲区中，经过校验无误后，把数据发送给主机并在帧中做一个标记。若校验出 错，把复制的帧丢弃，将帧送回环上。如果地址不符，则直接将帧送回环上。数 据帧沿环绕行一周，最后回到发送节点，发送节点检查返回的数据帧，若己被接 收则将该帧吸收，否则重新发送。发送节点完成数据帧发送后，将忙令牌变成空 令牌，送给下一个节点。若一个节点轮到空令牌而没有数据要发送，那么将空令 牌直接送到下一节点。 为了提高网络性能，令牌环网还提供了一种预定优先级的处理机制，每个节 点都被分配一个预定优先级，当帧在环路中传输时，希望发送数据的节点将本节 点的预定优先级填写入帧内的优先级区域，因此，本帧传输完毕后，释放令牌时， 可以根据预定优先级选择令牌的宿地址，使得优先级较高的几点尽快获得数据传 送机会。通过合理设置时钟，可以保证节点总的令牌持有时间以一定比例分配给 不同优先级的节点队列。如果高优先级的队列不需要分配给它们的时间，低优先 级队列就可以使用剩余的未使用时间，不会造成信道浪费。 令牌总线协议( i e e e 8 0 2 4 ) 是一个线型的、多点的、树型的或分段的拓扑 结构，它将c s m a c d 和令牌环两种协议相结合，取其长处而形成的口2 1 。物理总 线上的节点建成逻辑环，每个节点在逻辑环序列中指定一个逻辑位置，序列中的 最后一个成员跟着第一个成员形成一个闭合的逻辑环。在控制网中，每一个节点 第三章网络控制系统的性能比较 知道它的前一节点和后一节点的地址。在网络操作中，拥有令牌的节点发送数据 帧，直到数据帧发送完毕或者令牌生存时间结束，节点就会把令牌传给网络上与 此节点逻辑上紧密相联的下一节点。如果此节点没有消息发送，则把令牌传给网 络一l 的继任节点，继任节点的物理位置并不重要。因为在任意时刻仅有唯一一个 节点在传输数据，数据帧就不会发生冲突。如果发生令牌拥有节点停止发送，并 不将令牌传给它的继任者的情况，则规定令牌的最大时限，使节点可以动态地加 入总线或退出逻辑队列。控制网的信息帧格式如3 2 图担6 j 所示： 图3 2 控 i ；网的消息i 帧 令牌总线方式在传递令牌或信息时，借助物理总线把带有目的地址的令牌帧 广播到总线上的所有节点。未获得令牌的节点监听媒体，复制目的地址是本站地 址的令牌帧。 令牌是网络工作的关键，令牌丢失或者重复都将导致网络故障，因此，介质 的访问控制协议中需要有一系列有关令牌的维护方法【3 2 1 。 1 ) 令牌丢失处理：因为一些干扰信号破坏令牌时，会造成网上无令牌状态。 令牌网采用定时器来记录令牌的运行状态，若在规定时间内，未能监听 到介质上有信号传输，就认为令牌已经丢失。为了回复令牌，令牌环网 中有一个主动令牌管理站，由它清除环上的所有数据并发出令牌。令牌 总线网则采用竞争方式获得生成令牌的权利，各节点根据本节点的地址 信息和一定的规则，形成不同长度的“要求令牌命令帧”，以长度较短的 帧的顺序逐步取得令牌，发送帧信息。 2 ) 多重令牌处理：由于干扰的影响，网路中会同时具有多个令牌，称为令 牌重复。为了防止这种情况，得到令牌的节点周期地向网上发送“持有令 牌站存在”帧，其它同时获得令牌的节点，监听到有重复令牌就都取消它 第三章网络控制系统的性能比较 所持有的令牌，回到原来的备用状态。这样令牌的减少也会导致令牌丢 失，就会进入令牌丢失处理过程。 令牌网访问控制的优点是【 3 j ： 1 ) 由于所有节点有序地对介质进行访问，所以这种访问控制方式对所有节 点是公平的，不存在任何节点长时间不能上网的现象； 2 ) 理论上，它对帧的长短没有限制，一些用于控制领域的令牌总线可以把 帧的长度设置得很短，以减少开销，增加网络容量： 3 ) 因为对每个节点发送帧的最大长度加以限制，所以节点等待访问时问( 即 发送延时) 的“总量”是确定的。当所有节点都有报文要发送时，最坏的 情况是等待取得令牌和发送报文的时间为全部令牌传送时间和报文发送 时间的总和。如果只有一个节点有报文发送，则最坏的情况是等待时间 为全部时间的总和，而平均时间是它们的一半。对于控制领域来说，等 待时间是一个关键参数，可以根据需要，确定网络中的节点数和最大的 报文长度，从而保证在限定时间内任一节点都可以取得令牌； 4 ) 网络效率对负载不敏感，特别是在重负载下，它的效率比较高，而且负 载变化对网络性能影响较小； 5 ) 在网络操作中，令牌总线能动态地从网络中增加或者删除节点。但在令 牌环中，节点已在物理上形成了一个环的形式，所以不能动态地增加或 者删除。 令牌网访问控制的缺点是【3 3 】： 1 ) 轻负载的情况下，要发送的数据节点仍要等待令牌到来后才能传送数据， 所以它的时延比较长，网络有效利用率低，平均响应时间会比c s m a c d 长。无数据传送的节点仍需要进行令牌的处理和网络维护，且确定接收 令牌的下一节点比较复杂； 2 ) 网络中可传输不同长度类型的帧，控制方式相对复杂，当误码导致令牌 丢失时，要快速自愈比较困难； 3 ) 当有节点进入或退出令牌总线时，整个总线必须重新配置以确定总线上 节点的地址序列，此过程所花的时问与总线上的节点成正比； 4 ) 对于令牌环网来说，由于节点是串接在环路上的，每一次数据传送都要 经过所有节