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南京理【大学硕士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 摘要 实现企业从生产现场控制层到管理层的全面的无缝信息集成是企业集成的迫切 需要。本文主要研究分析l o n w o r k s 现场总线与其它一些总线的互连网关，把 l o n w o r k s 技术融入到整个控制系统中，有效地解决网络化控制系统中数据的实时共 享问题。 论文针对目前控制系统存在的不足，分析了控制系统的新要求，建立了基于各种 现场总线与以太网、u s b 、r s 2 3 2 4 8 5 互连网关的工业网络化控制系统的结构方案， 着重研究分析了l o n w o r k s 现场总线与以太网、u s b 、r s 2 3 2 4 8 5 的互连问题：给出 了l o n w o r k s 与以太网的互连方案：提出一种l o n w o r k s u s b 网关的硬件设计方案： 完成了l o n w o r k s r s 2 3 2 4 8 5 网关原型系统硬软件的设计、开发与调试。 最后，论文通过对列车通信网络的研究，将设计的l o n w o r k s r s 2 3 2 4 8 5 网关原 型成功地运用到轨道交通自动门系统的智能控制与远程监控诊断中，取得了良好的效 果。 关键词：网关，l o n w o r k s ，r s 2 3 2 4 8 5 ，网络互连，以太网，u s b 塑塞堡三查兰堡：堂垡笙兰 苎王! ! ! ! 竺! 壁婴堑：望垡塑王些塑型堕茎! ! 塑 a 、b s t r a c t i nm o d e me n t e r p r i s e s ，i ti si m p e r i o u st or e a l i z ei n f o r m a t i o ns e a m l e s si n t e g r a t i o nf r o m c o n t r o ll a y e rt om a n a g i n gl a y e r t h i sp a p e rr e s e a r c h e so ng a t e w a yb e t w e e nl o n w o r k s f i e l d b u sa n do t h e rc o m m u n i c a t i o nb u s t h ep u r p o s ei st oc o m b i n el o n w o r k st e c h n o l o g y w i t ht h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，a n de f f e c t i v e l yr e s o l v et h er e a l t i m es h a l ep r o b l e mo fd a t a i nt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m a f t e ra n a l y z i n gc u r r e n tc o n t r o ls y s t e m sd e f e c t sa n dn e wd e m a n d s ，t h ep a p e rp u t s f o r w a r dag e n e r a ls t r u c t u r eo ft h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h eg a t e w a y c o n n e c t i n gb e t w e e nf i e l d b u sa n de t h e r n e t ，u s b ，r s 2 3 2 4 8 5 ，a n dm a i n l yr e s e a r c h e so n t h e c o n n e c t i o n sb e t w e e nl o n w o r k sa n de t h e m e t ，u s b ，r s 2 3 2 4 8 5 c o n n e c t i v em e t h o d s b e t w e e nl o n w o r k sa n de t h e r n e ta r es t u d i e d ah a r d w a r ed e s i g no fl o n w o r k s u s b g a t e w a yi sg i v e n t h e nt h ep a p e ra c c o m p l i s h e st h ed e s i g no fl o n w o r k s r s 2 3 2 4 8 5 g a t e w a yp r o t o t y p e ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n dd e b u g g i n g f i n a l l y , b ys t u d y i n g o nt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，l o n w o r k s r s 2 3 2 4 8 5 g a t e w a yp r o t o t y p ei sa p p l i e dt ot h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l ，r e m o t em o n i t o r i n g & d i a g n o s i s s y s t e mo f r a i lt r a n s i ta u t o d o o r ，a n dg e t sg o o d e f f e c t si ne x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：g a t e w a y , l o n w o r k s ，r s - 2 3 2 4 8 5 ，n e t w o r kc o n n e c t i o n ，e t h e r n e t ，u s b i i y 7 6 3 3 7 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：叠垫墼坷年k 月q 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 ， 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 朔衣跌 矾年1 月司日 南京理t 大学硕士学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在现代企业中，企业网络将成为连接企业内部各车间、部门，并与外部交流信息 的重要基础设施，在市场经济与信息社会中，网络对企业的综合竞争能力起着至关重 要的作用。企业的生产线、生产车间、控制室、上层管理部门之间迫切需要信息共享。 在底层的设备控制现场，采用工控机等现场控制设备对生产线的生产过程进行管 理。在工控机的通讯中，由于串行通讯方式使用线路少、成本低，而被广泛采用【1 1 。 常见的串行接口标准有r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等。近几年来，随着通信技术的发展，数据 传输接口也在不断地增加，u s b 接口也已经成为了工控机普遍使用的接口之一。要 实现工控机与l o n w o r k s 现场总线之间的连接，通过工控机就能对以l o n w o r k s 现场 总线组网的各生产线设备、仪表进行控制，这就需要设计l o n w o r k s 现场总线到各种 串行接口的网关。 在生产控制底层之间，虽然现有的各种有影响的现场总线能够在底层与局域网互 连，但都局限于某种特定的现场总线。如果监控现场根据需要，除了l o n w o r k s 现场 总线外还有其它的多种现场总线，就要为每种现场总线都提供到监控室的网络布线， 而且每种总线由于网络传输介质、传输速度等的不同，这样会造成资源的大量浪费。 在现场总线国际标准制定的过程中，共有8 种现场总线同时成为i e c 现场总线标准的子 集，而且还有其它的有影响力的现场总线。可见，多种总线共存的局面在一个很长时 间内存在仍是无法避免的【2 】。为了适应各种不同现场总线协议，必须实现各种现场总 线控制系统的集成。解决的办法之一就是在不同网段之间直接采用网关设备，将它们 互连。这样既简化了控制网络结构，减少了工业现场的布线，同时又提高了控制网络 的可靠性，为底层的控制网络提供了更大的灵活性【3 l 。 在生产管理层上，随着计算机、网络、通信等技术的发展，信息共享在工业控制 领域引起了自动化系统结构的深刻变革。工业现场控制信息不仅仅要流动于控制层， 而且也需要渗透到工厂自动化的各个层次，包括与企业信息网的融合。把现在广泛应 用的以太网技术应用到控制网络中，实现企业控制网络与信息网络的无缝连接，实现 全厂范围内的信息共享，可以大大提高企业的生产效率。同时可以通过企业信息网与 互连网的连接把现场总线通过企业信息网接入互连网，在世界上的任何地方监视并控 制这些现场以及现场设备的运行状况和各种参数而不必亲临现场，可以节约大量费 用，而且设备供应商也可以通过网络对自己的设备进行维护。把以太网技术应用到工 业控制中，实现控制网络和数据网络的融合，成为控制系统结构的一个新的发展方向， 不仅可以为企业的生产管理带来很多方便，提高企业的生产效率，而且为控制网络走 i 南京理工大学硕士学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 向全开放性、全分布式的网络结构奠定了坚实的基础 3 】【”。在l o n w o r k s 现场总线和 以太网连接的实现上，同样也需要l o n w o r k s 现场总线到以太网的网关。 可见，随着控制网络的越来越复杂，在控制功能不断提高，信息传输量不断扩大 的情况下，利用l o n w o r k s 与其它一些总线的互连网关，把l o n w o r k s 技术融入到企 业整个网络系统中，与其它的总线、接口进行无缝连接，有效地解决现场测控网络数 据广泛实时共享，实现企业从现场控制层到管理层的全面的无缝信息集成问题，已经 成为了一个重要的课题。 1 2 网关概述 1 2 1 网络互连设备 网络互连从通信协议的角度可分为四个层次：在物理层，使用中继器在不同的网 段之间复制位信号；在数据链路层，使用网桥在局域网之间存储或转发数据帧；在网 络层，使用路由器在不同的网络间存储转发分组信号：在传送层及传送层以上，使用 网关进行协议转换，提供更高层次的接e l 【5 】【6 】。 网关又被称为网间协议转换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不 同网络系统的网络之间的互连。它是一种复杂的互连设备，使处于通信网络上采用不 同高层协议的网络仍然互相合作，完成各种分布式应用。由于它在技术上与它所连接 的两个网络的具体协议有关，因而用于不同网络间转换连接的网关是不相同的”。目 前，根据功能的不同主要有三种网关【7 】： ( 1 ) 协议网关 协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。在本论文中所研究和讨 论的就是这类网关。 ( 2 ) 应用网关 应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用网关接收一种格 式的输入，将之翻译，然后以新的格式发送。应用网关的输入和输出接口可以是分立 的也可以是同一网络连接，如图1 2 1 1 所示。 输入：格式a 输出：格式b 。 应用网关 ( 3 ) 安全网关 图1 2 1 1 应用网关 2 南京理工大学硕士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 安全网关是各种技术有趣的融合，具有重要且独特的保护作用，其范围从协议级 过滤到十分复杂的应用级过滤。 1 2 2 工业控制中网关的应用和研究 近年来，随着现场总线技术和控制网络技术的兴起，控制系统向着分散化、网络 化、智能化的方向发展。要使采用不同总线的系统实现互操作，最理想的方法是所有 不同厂商的设备使用相同的通信协议，但现实是工业控制中存在着大量的通信协议， 并且各个厂商都有各自的利益，不可能用一种通信协议统一所有的协议，因而，目前 实现控制系统互操作的比较实际的方法是使用网关。网关能将采用各种不同协议的控 制网段相互连接，使得它在控制领域中的应用也越来越广泛。如在分布式控制网络中， 各种现场总线控制网络通过网关或路由器互连，网关工作方式是在网络中进行逻辑隔 离，而非物理隔离，使通道之间透明，使得一个网络工具可以在网络上任何地点对网 络上的其它节点进行操作，整个系统的安装、检测、诊断、维护都非常方便姆j 。 由于现场总线的实时、可靠、低成本、使用方便等特点，使其在控制现场层得到 广泛的应用，与之相关的各种网关也随之在工业控制的各个领域得到广泛的研究与应 用。图1 2 2 1 是c a n r s 2 3 2 网关在电力系统远程抄表系统中的应用唧；图1 _ 2 2 2 是 基于l o n w o r k s 现场总线的网关在1 9 k 型客车网络化控制中的应用【l 。 图1 2 2 1 基于c a n - r s 2 3 2 网关的远程抄表系统结构图 南京理工大学硕士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 图1 2 2 2 基于l o n w o r k s 现场总线的网关在1 9 k 型客车上应用 同时，国内的很多公司和科研院校也加入到现场总线网关的研究与开发中来，表 1 2 2 1 列举了国内几家参与现场总线网关研究与开发的公司和科研院校。 表1 2 2 1 国内几家参与现场总线阿关研究的公司和院校 中国北方集团四方车辆研究所l o n w o r k s 网关等产品的设计开发 上海工业自动化仪表研究所l o n w o r k s 网关等产品的设计开发 广州市耐讯电子信息科技有限公司基于c a n 总线的网关、中继器产品的设计开发 武汉大学基于l o n w o r k s 、c a n 总线网关的设计与研究 南京理工大学 基于l o n w o r k s 总线网关的设计与研究 在众多的现场总线中，l o n w o r k s 技术是一种具有强劲实力的现场总线技术， l o n w o r k s 控制网络在开放性、互操作性等方面所具有的优良性能己使它得到了广泛 的应用，基于l o n w o r k s 技术的工业控制网关的研究与开发也受到了越来越多的重视。 1 3l o n w o r k s 现场总线技术 1 3 1l o n w o r k s 技术的发展和现状 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的一种现场总线技术，是一个实 现控制网络系统的完整平台。l o n w o r k s 技术使用的是开放式通信协议i o n l k 协 议，该协议最大的特点是对o s i 的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这 是以往的现场总线所不支持的【5 】。神经元芯片( n e u r o n 芯片) 是l o n w o r k s 技术的核心， 它不仅是l o n 总线的通信处理器，问时也可作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术中所有关于网络操作都是通过它来完成的。l o n w o r k s 技术包括监控网络的设计、 开发、安装和调试等一整套方法，要使用多种专用的硬件设备和软件程序。 随着l o n w o r k s 技术的迅速发展和普遍采用，l o n w o r k s 技术的用户、系统集成商 4 南京理工大学硕士学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 和o e m 产品生产商的队伍迅速扩大，其中包括世界上许多著名的自动化厂商，如 h o n e y w e l l 、a b b 、p h i l i p s 、h p 等【”j 。1 9 9 4 年，由e c h e l o n 公司和致力于建造互操作产 品的l o n w o r k s 用户集团成立了l o n m a r k 互操作协会，对l o n w o r k s 技术在全球的发展 和应用起到了积极的推动作用 1 l 】。 l o n w o r k s 技术诞生至今已有十几年的历史，随着科学技术的飞速发展，它本身 也在不断地更新改进，如新- - 代, n e u r o n 芯片的时钟频率已从1 0 m h z 升至2 0 m h z ，而且 e c h e l o n 公司已经宣布，开发商可以把l o n t a l k 协议固化到任何一种微处理器中去，这 就为l o n w o r k s 技术打开了新的发展空洲1 2 l 。 1 3 2l o n w o r k s 技术的应用 ( 1 ) 国外的应用情况【1 0 】【1 2 】【1 3 【1 4 【1 5 】 l o n w o r k s 网络技术近几年得到了广泛应用，并被美国、欧洲等国家和地区的一 些行业制定为工业控制网络标准，特别是在楼字自动化、工业自动化、交通运输、家 庭与公用事业自动化等领域应用最为广泛。此外，在半导体制造厂、气体压缩站、石 油储罐区、印染厂、造纸厂等应用领域也占有重要的地位。 在建筑业中，l o n w o r k s 技术采用的l o n t a l k 协议中的第一、二层已被美国供暖、 空调和制冷工程师学会( a s h r a e ) 接纳为建筑自动化控制网络的标准，同时也被美 国国家标准协会( a n s i ) 制定的有关标准所采纳。2 0 0 0 年2 月，h a r w o o d i n t e m a t i o n a l 公司的c e n t e x 大楼由于使用l o n 总线系统，被美国环境保护局评为节能样板工程，这 在美国还是第一次。 在交通运输业中，北美的第1 列高速列车a c e l a 高速列车上使用了l o n w o r k s 技术。a e e l a 列车每节车厢都有基于l o n w o r k s 网络的数字监视系统提供状态信息，这 些信息能够在驾驶室和列车工作人员办公室的屏幕上显示。该数字监视系统可提供有 关牵引、倾斜、制动和防火系统方面的信息，同时也提供其它有关运行稳定性、安全 性和舒适性的信息。除a c e l a 高速列车之外，l o n w o r k s 控制网络还被用于世界范围内 的其它列车运输系统，如美国加州旧金山湾区地铁的制动看门狗监视系统和高级自动 列车控制系统：德国b u n d e s b a h n 的供暖和空调控制系统：日本的单轨列车站和巴黎的 m e t e o r l i n e 自动车站门的控制系统；世界最长的m t a 纽约市地铁车辆的照明、供暖、 空调、指路牌、制动和门控制系统等。 ( 2 ) 国内的应用情况【1 0 】【1 2 】【1 6 】 l o n w o r k s 控制网络系统于1 9 9 3 年被首次介绍到中国。1 9 9 5 年底，e c h e l o n 中国 代表处成立，目前已有六七十家中国厂商加入到l o n w o r k s 控制网络的o e m 行列， 来开发新产品并承接公用事业、工业自动化、楼宇自动化和交通运输等行业的项目。 楼宇控制上，在e c h e l o n 公司和国际l o n m a r k 协会的协助下，中国建设部科学技 5 南京理工大学硕士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的工业拄制网关研究 术委员会智能建筑技术推广中心成立了控制网络协作网，在全国的各大城市，如西安 民生三星级大酒店、安徽商业之都等现代化建筑内实现了楼宇系统，深圳、北京等城 市建立了水、电自动抄表系统。 l o n w o r k s 网络技术在我国铁路客车上的应用起步较晚。列车总线采用l o n w o r k s 现场总线的方案，首先在昆明石林车组上进行三点的通信试验，现已成功地用于 新曙光号二动九拖的内燃动车组上。在这以后，l o n w o r k s 技术在其它的客运列车上 也进行了研究与试验，客车l o n w o r k s 网络系统的性能也不断地完善。 1 3 3l o n w o r k s 技术研究在我国存在的不足 虽然l o n w o r k s 技术在我国得到了越来越广泛的推广和应用，但是l o n w o r k s 技术 的研究在我国存在的不足也是显而易见的i l7 j ： ( 1 ) 不论从规模上还是从应用领域上，中国l o n w o r k s 技术的发展还是处于初级 阶段。从市场的占有情况来看，没有一家厂商能统领整个中国市场，目前更没有能力 走进国际市场。 ( 2 ) 国内研究l o n w o r k s 技术的实力还不够，主要表现在人才的严重不足，致使 一些待开发的计划难以顺利实施，一些早期进口的开发设备甚至出现闲置状态。其次， 技术实力不足，也造成了中国国内的产品相对粗糙和原始，不能达到国际标准，国际 竞争力不足。 1 4 课题的研究内容和目标 本课题着眼于l o n w o r k s 现场总线技术的应用，在分析基于网关的网络化控制系 统结构的基础上，重点研究l o n w o r k s 技术与r s 2 3 2 4 8 5 、以太网、u s b 的互连问题， 设计开发l o n w o r k s - r s 2 3 2 4 8 5 网关原型，并将该网关原型运用到江苏省科技攻关项 目“轨道交通自动门系统的智能控制与远程监控诊断系统”的列车分系统中。 所做的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 通过对目前工业控制系统存在的不足的分析，提出工业控制系统的新要求， 建立基于网关的工业网络化控制系统结构： ( 2 ) 针对工业网络化控制系统中网关的技术需求，立足于l o n w o r k s 技术，研究 l o n w o r k s 与以太网、u s b 的互连问题；提出一种l o n w o r k s u s b 网关的硬件设计方 案； ( 3 ) l o n w o r k s - r s 2 3 2 4 8 5 网关原型的设计与开发； ( 4 ) l o n w o r k s r s 2 3 2 4 8 5 网关原型的应用研究。针对列车的网络化信息集成需 求，将该网关原型运用到“轨道交通自动门系统的智能控制与远程监控诊断系统”项 6 南京理工大学硕土学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 目的列车分系统中，进行试验应用。 1 5 论文的组织结构 全文共分为六章，论文的组织结构如图1 5 1 所示。 图1 5 1 论文的组织结构围 南京理工人学顽t 学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线豹工业控制网关研究 2 基于网关的网络化控制系统模型 本章在分析现有控制系统不足的基础上，提出了控制系统的新要求，建立了基于 网关的网络化控制系统的结构模型，并对系统中的网关进行了需求分析和设计原则的 研究。 2 1 现代控制对控制网络的新要求 2 1 。1 现有控制系统存在的不足 在现代控制中，控制系统应该与企业的经营战略相联系，必须将控制系统集成到 整个企业系统中。企业的这种管理模式客观上要求信息网络与控制网络的一体化，两 者分离必将会阻碍信息的上行下达，降低企业的生产管理效率。 目前的控制系统虽然在不同的方面满足了一定控制的要求，但还是存在一些问 题，为系统的应用和推广带来了很大的难度。主要表现在以下几个方面【1 8 】【1 9 1 1 2 0 1 ： ( 1 ) 企业上下信息的集成 根据美国著名信息咨询集团g a r t n e r g r o u p 和美国先进制造研究中心a m r 等组织 的调查和统计，现有的控制系统中存在着一个极为突出的问题：在企业的经营管理计 划层和底层控制层之间存在着“鸿沟”，即上层的管理决策层和底层的现场控制层之 间信息很难实时共享。 ( 2 ) 通用性 制造过程管理和控制一般是与具体生产方式和设备类型紧密相关的，传统的控制 系统大多是面向功能，生产方式包含在功能之中，因此很难适应多种生产方式混合 生产方式，往往是不同的企业，甚至是不同的车间都不一样，也就是说不具备通用性， 为企业的流程重构和企业间资源共享带来了很大的困难。 ( 3 ) 控制信息的动态和实时性 在现有的控制系统中，执行模块或传统的车间控制器实际上完成的只是计划的派 工单及物料的需求和消耗控制，主要是基于b o m ( b i l lo f m a t e r i a l ) 的静态计划和控 制，没有将它们与现场的动态信息融为一体，实现动态、实时的控制。 2 1 2 控制系统的新要求 通过以上的分析，我们知道现有的控制系统无法满足现代工业控制的需求。要适 应现代企业的控制需求，必须建立一个满足信息集成需求、具有良好开放性和可靠性 的新一代控制系统。它不仅应包括数据采集和处理、基本过程控制，而且还应包括先 进的生产管理、调度、决策、优化、诊断及高级控制等。 南京理工丈学硕士学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制剐关刮f 究 在计算机网络技术的推动下，控制系统要满足开放系统的要求，必然走网络化的 发展道路，网络化控制应运而生【2 l 】。传统的封闭式的、集中式的、不灵活的控制系统 体系正在被开放式的、网络式的、灵活的控制体系所取代。网络化的控制体系远比 p l c 和终端处理器更为强大。 因此，为适应现代企业的需求，作者对工业的控制网络系统提出了以下新要求： ( 1 ) 采用基于数据处理基础上的生产调度、资源的优化配置； ( 2 ) 管理与控制集成于一体，对现场数据实时共享； ( 3 ) 开放式的控制网络结构，与外界信息在线跟踪； ( 4 ) 具有扩展性，能够满足企业生产规模扩大时对网络节点增多的要求： ( 5 ) 具有良好的响应时间、网络安全、容错能力等； ( 6 ) 具备通过互连网络进行远程访问能力，实现企业产品的全球化生产管理。 2 2 基于网关的网络化控制系统模型 在激烈的市场竞争中，现代企业非常关心如何在将企业生产和运营的费用降低的 同肘又能使管理者有效的监管企业的生产和运营。工业控制网络的建立就是为了解决 这一问题的。在一个企业控制网络系统中，企业要把企业经营决策、管理、计划、调 度、现场控制等紧密地联系在一起，进行综合信息处理。要满足上述要求就必须对企 业的生产情况进行实时地监管，各车间要对生产过程进行有效的自动化控制，管理层 要实时地获得第一手的生产数据等等。 2 2 1 基于网关的网络化控制系统结构 工业控制网络的目标是，削减通向自动化层次路径上的复杂程度各异的连接，以 跨越不同的总线技术，并借助以太网建立统一的通信。通过前面对控制网络系统新要 求的分析，从各个控制环节的功能角度出发，基于各种通信协议转换的网关，我们将 工业控制网络分为现场控制层、生产监控层、生产管理层、生产决策层四个层次，通 过各层之间的信息共享，构成较为完整的网络化控制系统模型，其系统结构如图 2 2 1 1 所示 2 2 2 3 2 4 2 5 1 1 2 6 2 7 2 8 。 9 南京理工大学硕士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 图2 2 1 1 基于网关的网络化控制系统结构图 ( 1 ) 现场控制层 现场控制层包括各种现场节点和设备，如现场智能传感器、传动装置和执行机构 等现场设备，负责现场生产设备按照预先编制好的程序或上层传递下来命令进行监 控。其主要技术是现场总线技术，将现场总线连接起来成为很多不同的网段，现场节 点通过其自带的现场总线接口与现场总线相连。由于各种生产条件的不同，可能用到 了几种现场总线技术，在它们之间也可以用相应的网关互连，避免由于一方的网关出 现故障而造成的网络的瘫痪问题，提高了网络的可靠性。 ( 2 ) 生产监控层 生产监控层主要包括各种网关和在底层简单的现场控制器，负责生产过程的监 控，以及相应的数据的采集、上报和下传，保证现场设备准确高效地运行。现场控制 器通过网关与控制网络相连，可以在现场底层实行简单的控制。生产监控层的网关肩 负着使底层的现场总线网络与上层的网络相连的任务，它主要负责两方面的功能：一 是接收现场总线上的数据并对其进行解释，向上传送；二是把上层网络发来的命令和 数据转换为现场总线的数据格式送往现场节点。这一层由于要负责上下两层的数据通 信，所以这一层设计的优劣对整个系统的正常运行至关重要。 1 0 南京理工大学硕士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 ( 3 ) 生产管理层 生产管理层主要负责维护系统历史数据库、更新系统实时数据库，根据生产监控 层传来的控制信息，进行优化配置，同时接收生产决策层的生产决策、了解企业内部 的生产计划。 ( 4 ) 生产决策层 生产决策层一方面根据企业内部的生产过程，执行企业内部的物流管理，确定企 业的整体生产调度；另一方面，可以通过网络服务器与外部i n t e m e t 相连，方便远程 客户对控制网络的各种信息查询、故障监控，与分布地比较分散的企业的营销单元之 间进行信息交互，收集市场信息，以便决策。 2 2 2 基于网关的网络化控制系统的特点 上述控制系统除具有现场总线控制系统的一般特点之外，还具有以下一些新的特 点【3 】f 2 9 【3 0 】： ( 1 ) 可方便地对远程设备进行数据的测量和控制，设备可以通过网关直接挂接 在以太网上，可以通过以太网对设备进行直接访问。 ( 2 ) 可以实现控制系统更进一步的分散控制。现场总线网络与以太网之间，现 场总线网络之间通过网关相连，降低了由于传统控制中位于总线网络与以太网之间的 控制计算机故障而导致的控制系统不可靠的现象。 ( 3 ) 由于网关实现了控制计算机之间及上层控制计算机和现场节点之间的互连， 复杂的控制功能可以安排在上层控制计算机中实现，克服了现场设备的计算能力和信 息处理能力较低的限制。同时。由于控制算法可以分散在多个控制计算机上，大大增 强了整个系统的计算能力，可以实现以前无法实现的复杂的控制算法。 ( 4 ) 可以实现企业网络的一体化设计，给企业的网络规划带来很大的灵活性； 使控制网络紧跟办公自动化技术的发展。 ( 5 ) 由于以太网和i n t e m e t 能够方便地实现互连，系统还支持通过互连网络进行 远程访问。 2 3 控制系统中网关的需求分析 可以看到，上述控制网络的通信建立在串行通信、以太网和各种现场总线的混合 通信之上，通过网关实现各层次的互连，实现控制计算机对现场设备、仪表的操作。 网关采用一种相当于隧道技术的方式在各网段之间传输数据，当上层网络向现场仪 表、设备发送信息时，它首先基于一种协议将信息发给网关，然后由网关根据相应的 总线协议把数据发给相应的仪表设备。反过来，当现场的仪表或设备要往上层的网络 南京理t 大学硕士学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 发送数据时，它需要经过网关的协议转换，再发送给相应的上层网络。下面对系统中 各网关的需求进行分析。 ( 1 ) 现场总线与r s 2 3 2 4 8 5 网关 在工业控制领域中r s 一2 3 2 4 8 5 标准被工业设备所广泛采用，是一种常见的电气 和通信接口。现在工业控制领域中很多智能单元使用的通信方式是r s 一2 3 2 4 8 5 。因此， 如何将现场网络介质上的现场总线协议信息转换为r s 2 3 2 4 8 5 标准的信号或将 r s 2 3 2 4 8 5 标准信号转换为现场总线协议的数据，将这些设备纳入现场总线控制网 络，实现设备与其它节点以及网络管理设备通信，具有实际应用和拓宽现场总线应用 范围的意义，这类网关如结构图中的l o n w o r k s r s 2 3 2 、l o n w o r k s r s 4 8 5 、 c a n r s 2 3 2 网关。 ( 2 ) 现场总线与u s b 网关 现场总线控制网络采取了很多适合于工业现场环境的措施，具有很强的抗干扰、 抗振动性能，适合于恶劣的工业现场，但传输速度相对u s b 来说比较慢，而u s b 具 有较高的传输速度，这恰好可以弥补现场总线在速度上的缺陷。但是，传输距离是限 制u s b 在工业现场应用的一个障碍，即使增加了中继或h u b ，u s b 传输距离通常也 不超过几十米【3 l 】，而u s b 传输距离的限制恰好又是现场总线的优势所在。因此，将 两者结合起来，优势互补，通过工控机机强大的性能，就能给工业数据采集监控系统 提供一种简单、快速、可靠的解决方案。 这类网关如控制网络结构图中的l o n w o r k s u s b 网关。同样，在控制系统中可能 需要其它现场总线与u s b 的网关，如：c a n 总线、基金会现场总线等。 ( 3 ) 现场总线与以太网网关 以太网技术从出现到现在的几十年间得到了飞速的发展，其应用领域也从最初的 办公自动化发展到工业控制、楼宇自动化等领域。但是要把以太网技术真正的运用到 现场控制的底层，还面临着以下的困难和问题【3 2 1 1 3 3 】： 以太网并不支持多分插的信令或带电双绞线网络，为布线拓扑设置严重限制， 并且要求单独的电源布线。 以太网原来的用途是企业数据网，适合工作在e s d 、突发噪声、电涌、辐射 噪声、磁场等都比较低的环境。而工业现场的环境要恶劣的多，如果以太网要在这样 的环境中工作，需要加上电涌抑制器、e s d 防护设备以及一大批其它防护设备，这 在经济和技术上都需要增加投入。 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制对实时性 的要求。由于以太网采用c s m a c d 的媒体访问控制方式，一条总线上挂接的多个节 点采用平等竞争的方式争用总线，因此以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通 信的实时性要求。 南京理工大学硕士学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 但是另一方面，随着现场总线控制网络的发展，信息管理决策层需要了解的底层 信息会越来越多，以方便决策等优化控制。由于现场总线的协议规定，为了满足工业 控制的实时性要求，它们传送的数据帧多为短帧，当要传送很长的数据信息的时候， 就只能进行分割传送，这在控制网络的底层，具有协议简单、安全可靠、实时性好等 特点，但是在上层的企业信息网中就会影响信息的传输量和传输速度，如果采用以太 网的t c p i p 技术，就会大大提高数据的传输效率。这就使得现场总线控制网络与以 太网信息网络的集成势在必行。 因此，需要对各种现场总线与以太网的互连网关进行深入的研究，如控制系统中 的l o n w o r k s 一以太网网关、高速基金会现场总线h 2 一以太网网关。 ( 4 ) 各现场总线之间网关 在生产控制底层，由于各种控制环境和控制功能的不同，同时各种现场总线的网 络传输介质、传输速度也不同，很难由一种现场总线实现整个现场控制。为了将各种 现场总线控制系统集成，实现整个底层的网络化控制，就需要设计各种现场总线之间 协议转换的网关，将采用不同总线协议的生产线、生产车间互连。如结构图中的 l o n w o r k s c a n 、l o n w o r k s h 2 、c a n h 2 网关。 2 4 控制系统中网关的设计原则 从网络化控制系统的体系结构图可以看到，网关起着各种协议转换的功能，保证 了各种信息的上传和下达。为了更好地实现网关的功能，使网关运行健壮、安全、稳 定且易于升级和维护，在网关设计中应考虑以下原则f 3 4 】 3 5 l ： ( 1 ) 简便性网关是被夹在两种网络之间的，在应用中不应该因网关的加入而 改变两种网络原有的结构和特性。在网络中，网关具有双重身份，是两种网络上的节 点，因此，网关的设计应该尽量简洁，只要能满足性能要求，并且在设计中不存在瓶 颈，网关的性能即可认为是足够的。 ( 2 ) 实用性 网关在网络上要管理总线上多个设备，在设计中应采取实用性原 则，选用成熟而先进的技术，选用性价比高的器件来开发，保证网关的实用。 ( 3 ) 适合工业控制网关可能工作在工业现场，一方面要尽量降低模块的供电 功耗、减少发热，另一方面需要模块能够经受工业级的温度范围( 一4 0 8 0 c ) ，在 选择芯片时就需要选用工业级、低功耗的产品。 ( 4 ) 可扩充性在网关的开发中要注意网关的可扩充性，有利于二次开发。 ( 5 ) 可靠性在设计时要减少系统硬件故障和提高系统的抗干扰能力，包括元 器件参数选择、电源设计、地线设计、隔离屏蔽以及工艺设计等；同时，可设置看门 狗，避免系统进入死循环，消除程序“跑飞”的隐患。 南京理工大学硕士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的1 业控制网关研究 另外，为了确保网关具有高可靠性和高移植性，在设计中应采用结构模块化的设 计思想。在网关构件之间、构件内的功能模块之间以及网关与外部环境的接口之间要 保证复杂性小、接口清晰、耦合程度小。 1 4 南京理丁大学硕士学位论文基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 3l o n w o r k s 总线与其它总线的互连研究 通过上一章对现场总线和其它一些通信方式的互连网关的需求与设计原则的分 析，本章将从l o n w o r k s 现场总线出发，研究它与r s 2 3 2 4 8 5 、以太网和u s b 的互连。 本章主要分为三个部分：分析r s 2 3 2 、r s 4 8 5 的特点，提出在下一章中将要设计的 l o n w o r k s r s 2 3 2 ，4 8 5 网关需求；研究几种l o n w o r k s 与以太网的互连方案；从硬件上 设计一种l o n w o r k s u s b 网关方案。 3 1l o n w o r k s 与r s 2 3 2 4 8 5 的互连 3 1 1r s 2 3 2 通信 r s 2 3 2 是异步串行通信中应用最普及的标准总线，适用于数据终端设备和数据 通信设备之间的接口互连。r s 2 3 2 采用负逻辑，即：逻辑“1 ”为5 v 1 5 v ，逻辑 “0 ”为+ 5 v + 1 5 v ；r s 2 3 2 驱动器与t t l 电平连接时必须经过电平转换；驱动器 最大只允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，且通信距离受此电容限制。1 5 0 p f m 的通信电缆 的最大通信距离为1 5 m ，若每米电缆的电容量有所减少，则通信距离即可增长【3 。 r s 一2 3 2 传输距离较短的另一原因是由于它的发送器与接收器之间采用公共信号地， 使用非平衡电路( 如图3 1 1 1 ) 【3 7 】，而不使用双端信号，所以共模噪声很容易耦合到 信号系统中，导致抗共模干扰能力较差。r s - 2 3 2 一般用于2 0 m 以内的通信。 3 1 2r s 4 8 5 通信 图3 1 1 1r s 2 3 2 接口电气特性 r s 4 8 5 通信方式是目前在工业控制领域应用广泛的通信，它是在r s - 2 3 2 串行通 信的基础上发展起来的。在r s 2 3 2 的基础上使用平行驱动和差分接收的方法，从根 本上消除了r s - 2 3 2 中地线干扰，只要接收端有足够的抗共模电压工作范围，它就能 识别并接收信号。它以半双工方式通信，支持多点连接，允许创建多达3 2 个节点的 网络，用于多站互连时，便于组建成本低廉、可靠性高及分布范围较大的总线网络。 r s 一4 8 5 总线示意图如图3 1 2 1 所示p 踟。 &丁 南京理工大学颁士学位论文 基于l o n w o r k s 现场总线的工业控制网关研究 图3 1 2 1r s - 4 8 5 总线示意图 由于r s 4 8 5 通信方式硬件电路和协议都比较简单，并且具有一定的抗干扰和通 信速率，所以成为目前工业控制领域使用广泛的串行通信方式。但是基于相同的原因， 使得它在复杂的现代控制系统中需要用户使用极其繁琐的上层协议支持以保证通讯 正常，这也使得控制节点的软件编程复杂度增加。另外，这种方式不支持多主机结构， 加上由于复杂上层协议带来的响应延时和并不特别快的通信速率，使由r s 一4 8 5 总线 组成的控制网络面对越来越复杂的控制系统显得有些力不从心【3 9 1 。 从上面的分析可以看到，直接用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 方式实现多点互连时都有一 定的缺点，但是在实际应用中，它们被工业设备所广泛采用，大多数控制器和设备都 具有r s 2 3 2 或r s 2 4 8 5 通信接口。因此，为了将这些设备纳入l o n w o r k s 现场总线 的控制网络，我们设计开发了l o n w o r k s r s 2 3 2 4 8 5 网关，本文将在第四章详细介绍 该网关的设计与开发。 3 2l o n w o r k s 与以太网的互连研究 3 2 1t c p i p ( 传输控制协议，网际协议) 分析 3 2 1 1 参考模型 以太网中使用的是t c p i p 协议，它是高层协议。尽管某些特定的功能用硬件完 成简化的t c p l i p 协议，但它总体上还是用软件完成的。t c p i p 可以在不同的软硬件 平台上操作，支持不止一种的数据链路协议。它是一个跨平台的通信协议，它既能用 于局域网也能用于广域网，可方便地实现异种机之间的互连。t c p i p 协议已成为数 据业中的世界规范标准，正像以太网已成为普遍存在的媒体一样【3 2 】。 与o s i 参考模型不同，t c p i p 协议模型更侧重于互连设备间的数据传送，而不 是严格的功能层次的划分。它通过解释功能层分布的重要性来做到这一点，但它仍为 设计者具体实