（控制理论与控制工程专业论文）非对称网络结构的嵌入式通用控制节点.pdf

摘要 摘要 嵌入式技术是工业控制发展的新方向之一，随着i n t e m e t 技术飞速发展，网络传 送信息具有快速、方便、广泛等诸多特点，结合网络与嵌入式系统的种种优势，将 嵌入式系统接入i n t e m e t 将具有广阔的应用前景。目前，在以太网控制领域，下位节 点和上位主控计算机大多采用通过以太网口发送和接收数据的对称型方法进行数据 交换。课题采用通过r c m 2 2 0 0 的串行接口接收命令，利用以太网口发送数据的不 对称结构，从而提高了系统的效率，加强了系统的确定性、实时性和可靠性。 课题研究了以r c m 2 2 0 0 为核心的控制节点的理论基础、通讯协议、硬件组成 以及软件设计，围绕一个生产现场底层控制节点的设计开发，展开了对嵌入式以太 网的研究。对非对称网络结构的嵌入式通用控制节点及控制网络技术进圣亍了详细分 析和较深入的理论研究。分析了该节点的技术特点，并对其引脚结构、数据传送、 通讯控制与总线i o 等主要器件进行了研究，完成了基于r c m 2 2 0 0 模块的通用控制 节点的设计与实现。 本文首先介绍课题研究背景，对以太网通信技术的发展、特点及以太网进入现 场层的可能性进行了分析。对当前国内外在自动控制领域主要存在的三种网络结构 的控制系统分布式控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 、以太网控制系 统，进行了详细介绍，分析了网络控制系统存在的问题并预测了未来网络控制的发 展趋势：而后，对本控制节点所采用的嵌入式以太网进行了介绍，从软件和硬件两 个方面说明了嵌入式以太网的特点。 其次，以嵌入式以太网为基础，深入展开了对基于非对称网络结构的嵌入式通 用控制节点的研究。根据控制节点设计的任务和要求，给出了该节点在系统中连接 的总体框架并分析了网络选型的理由。详细介绍了节点的工作原理。对节点各个模 块硬件设计包括硬件选型、理论基础及其工作原理进行了深入研究。 最后，给出了节点的系统软件总体结构，对r c m 2 2 0 0 的编程环境d y n a m i cc 进行了详细介绍，并分析了软件编程的思路及其理论基础，同时给出了节点各个模 块软件程序的主要内容。最后对文章进行了总结，阐述了非对称网络结构的嵌入式 控制节点的优点并提出今后的工作方向，指出嵌入式系统和以太网的融合是必然的 发展趋势。 河北理工大学硕士学位论文 课题所研究的非对称网络结构的嵌入式通用控制节点已经完成了设计和调试， 实现了预定的功能，它可在工业现场实际应用也可作为嵌入式以太网的教学实验系 统。 图2 5 表3 参3 2 关键词：嵌入式系统；以太网：r c m 2 2 0 0t c p i p 协议 分类号：t p 3 9 3 1 1 一 摘 要 a b s t r a c t e m b e d d e dt e c h n o l o g yi so n eo ft h en e wd e v e l o p m e n tf i e l d so f i n d u s t r yc o n t r 0 1 w i t h t h ei n t e m e td e v e l o p i n gq u i c k l y ，n e t w o r kh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs p e e d i n e s s 、c o n v e n i e n c e a n dw i d t hf o rt r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o n c o m b i n i n ga d v a n t a g eo fn e t w o r ka n de m b e d d e d s y s t e ma n du s i n ge m b e d d e ds y s t e mi ni n t e m e tw i l lh a v ew i d ef o r e g r o u n d n o w a d a y s ，i n t h ei n t e r a c tc o n t r o l f i e l d ，m o s t l y ，c o n t r o l u n i ta n d c o m p u t e rt r a n s m i ti n f o r m a t i o n s y m m e t r i c a l l yt h r o u g ht h ee t h e r n e tp o r t t h i sd e s i g nu s e sas t r u c t u r eo fn o n s y m m e t r i c a l i tr e c e i v e so r d e r st h a ts e n to u tb yp c ss e r i a lp o r tt h r o u g hs e r i a lp o r to fr c m 2 2 0 0a n d s e n d sd a t at h r o u g hr c m 2 2 0 0 se t h e r n e tp o r t c o n s e q u e n t l y ，t h i ss t r u c t u r e i m p r o v e s e f f i c i e n c ya n de n h a n c e ss t a b i l i t y ，r e a lt i m ea n ds e c u r i t yo fs y s t e m t h i ss u b j e c tr e s e a r c h e st h e o r y ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，h a r d w a r ea n ds o f e w a r eo f t h ec o n t r o lu n i tb a s e do nr c m 2 2 0 0 t h ed e s i g ne n c i r c l e st h ee x p l o i t a t i o no fc o n t r o lu n i t t h a tu s e dp r o d u c ef i e l db o t t o ma n du n f o l d st h er e s e a r c ho ne m b e d e de t h e r n e t t h i ss u b j e c t a n a l y z e sc o n t r o lu n i tb a s e do nr c m 2 2 0 0a n dt e c h n o l o g yo fc o n t r o ln e t w o r ki nd e t a i l t h e p a p e ra n a l y z e st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eu n i ta n di t ss t r u c t u r eo fp i n 、t r a n s m i s s i o n o fm e s s a g e ，c o m m u n i c a t i o na n di t si oa n da c h i e v e st h ec o n t r o lu n i td e s i g nb a s e do n r c m 2 2 0 0 f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a c k g r o u n do f t h i sp r o j e c ta n da n a l y z e st h ed e v e l o p m e n t a n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ne t h e m e t i tp o i n to u tt h e p o s s i b i l i t yo fe t h e m e tu s e di nf i e l d i ti n t r o d u c e st h r e ek i n d so fc o n t r o ls y s t e mo fn e t w o r k s t r u c t u r ei nd e t a i l d c s ，f c s ，e t h e r n e t - u s e di nt h ef i e l do fa u t o c o n t r o li nt h ew o r l d t h i s p a r ta n a l y z e st h ep r o b l e m so fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m sa n df o r e c a s t st h ed e v e l o p m e n t a l d i r e c t i o ni nt h ef u t u r e t h i sp a r ti n t r o d u c e se m b e d e de h e m e tu s e di nt h i sp r o j e c ta n d e x p l a i n sc h a r a c t e r i s t i c so f e m b e d e de t h e r n e tw i t ht w oa s p a c t so f h a r d w a r ea n ds o l t w a r e s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt h ee m b e d e de h e m e t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa s y m m e t r i c a l n e t w o r ku n i v e r s a lc o n t r o lu n i tb a s e do ne m b e d e ds y s t e mi n d e t a i l a c c o r d i n gt o a s s i g n m e n ta n dr e q u i r e m e n to ft h i ss u b j e c e ，i ti n d i c a t e st h ef r a m eo ft h eu n i tl i n k e di n c o n t r o ls y s t e ma n da n a l y z e sc h o i c er e a s o n so fn e t w o r kt y p ea n di n t r o d u c e sw o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ec o m m o nc o n t r o lu n i t i tr e s e a r c h e sh a r d w a r eo ft h ec o n t r o lu n i ti n c l u d e s c h o i c et y p e ，b a s i co f t h e o r ya n dw o r k i n gp r i n c i p l ed e t a l l e d l y i l l - 河北理工大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h i sp a p e rd i s p l a y st h es o f t w a r es y s t e mo fs t r u c t u r eo f t h ec o m m o nc o n t r o l u n i ta n di n t r o d u c e sd y n a m i cc p r o g r a me n v i r o n m e n ti nd e t a i lt h a tb e l o n g st or c m 2 2 0 0 m o d u l ea n da n a l y z e st h ei d e aa n dt h e o r e t i c a lb a s i co fp r o g r a m i ts h o w sm o s tc o n t e n to f p r o g r a m l a s t l y ，t h i sp a r ts u m m a r i z e st h e w h o l et h e s i sa n de x p a t i a t e st h em e r i to f a s y m m e t r i c a ln e t w o r ku n i v e r s a lc o n t r o lu n i tb a s e do ne m b e d e ds y s t e ma n db r i n g sf o r t h d i r e c t i o n so f j o bi nt h ef u t u r e t h i sp a r tp o i n t so u tt h a tt h ec o m b i n a t i o no fe m b e d e ds y s t e m a n de t h e m e ti si n d i s p e n s a b l yd e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o n t h ea s y m m e t r i c a ln e t w o r ku n i v e r s a lc o n t r o lu n i tb a s e do ne m b e d e ds y s t e mg i v e ni n t h i ss u b j e c th a sb e e nd e s i g n e da n dd e b u g g e d i th a sa c h i e v e dt h ed e s i g n e df u n c t i o n s i tc a n n o to n l yb ea p p l i e dt oi n d u s t r i a lf i e l db u ta l s oa sad e m os y s t e mi nt h et e a c h i n go fe m b e d e d e t h e r n e t f i g u r e2 5t a b l e3r e f e r e n c e3 2 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m e t h e r n e t ，r c m 2 2 0 0 ，t c p i pp r o t o c o l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 3 9 3 11 - i v - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：2 翌建童雪日期：竺坚年三月至日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：鱼a 暨篁 日期：兰竺哗三月翌日 引言 引言 近几年来嵌入式技术已广泛应用在民用和工业的很多领域，嵌入式系统是指以 应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠 性、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。随着i n t e m e t 技术的飞速发展，网络传 送信息具有快速、方便、广泛等诸多特点，结合网络与嵌入式系统的种种优势，将 嵌入式系统接入i n t e r a c t 技术将具有广阔的应用前景。i n t e m e t 快速传送各种实时性 数据，且协议公开可实现完全的分散控制并具有优良的性价比，嵌入式网络的理念 正得到越来越广泛的应用。 在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理自动化的深入，系统 传输的信息量必将增加，来来传输的数据可能已不满足于几十个字节，甚至可以是 w e b 网页，所以网络传输的大容量在工业控制中越来越重要，而以太网可以满足工 业控制的这种需求。另外，工业底层网络的现场总线协议数目众多，不同协议的兼 容问题一直困扰工业界。底层网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂 直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本，所以以太网向 现场总线控制系统底层延伸是顺理成章的。传统的控制网络技术由于连接了很多常 规模拟仪表和执行机构以及其它现场设备，并且在网络的选择上大都使用单纯的网 口通信方式，其自身存在很多缺点，如：数据碰撞及重发的概率高，信号传输精度 低，而且容易受到干扰：结构复杂、工程周期长、安装费用高、维护不方便等。以 太网采用带冲突检测的载波监听多路访问( c s m a c d c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机制作为其访问媒体控制协议，通信响应的不确定性是它在 工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。 在目前的网络控制系统中，r s 4 8 5 总线以其传输距离远、节点多、连线少的特 点，在分布式监测监控系统中已成为数据传输的首选标准。但是实际使用过程中， r s 4 8 5 总线最典型的问题是数据传输经常出现误码，而且误码率较高。因此如何构 建出实时性好、通信效率高、价格低廉的控制网络是工业控制领域和自动化行业所 面临的主要问题。 本课题采用以太网和r s - 4 8 5 总线相结合的方式形成非对称结构，此嵌入式控制 节点是以工业以太网和r s 4 8 5 总线为基本结构、以t c p i p 协议为理论基础、以应 用为中心、以计算机技术为基础、适应各种应用系统中对功能、可靠性、成本、体 积、功耗的严格要求，采用不对称结构的控制网络增加了系统通信的确定性、实时 河北理工大学硕士学位论文 性和可靠性。在网络连接结构上，采用以太网口和串口同时通讯的方式，提高了信 息交换的效率，使数据碰撞及重发的几率最小化，快速以太网的发展和不对称技术 使以太网更适合实时应用，因此能够很好的解决上述控制系统中的问题。 本课题主要采用先部分后总体的研究方法。先逐步设计各个模块的硬件结构， 然后分别编制各模块的控制程序，最后将各模块组成一个完整的系统。课题还采用 理论和实践相结合的方法。将所学理论和程序编制方法应用到具体的课题研究中， 以理论为基础丰富和完善了研究课题，得出了具有科学性和实用性的成果。 本课题的研究主要是从硬件组成和软件编制两个方面进行，从理论、设计、实 现三个层面阐述了嵌入式以太网技术及其应用系统的实现，它结合了控制、网络、 嵌入式系统、计算机等各方面技术，是一个综合的应用系统。通过对该控制节点设 计实现的详细讨论，对今后应用系统的设计与开发具有一定的参考价值。另外，对 控制系统网络化及其与i n t e m e t 网络集成方面的研究具有重要的理论意义和实践意 义，这将是今后进一步研究的重点。 2 ， 第1 章文献综述 l 文献综述 计算机控制领域正在经历一场前所未有的变革。以太控制网络是正在兴起的一 种计算机通讯技术的控制系统，它是集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一 体的当代最先进的计算机控制技术，是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。 它适用于工业过程控制，制造业及楼宇自动化等领域，将成为下世纪计算机控制系 统的主流。以太网控制技术以其标准化、开放性使其参与企业收益。国内企业应开 发出拥有自主知识产权、基于以太网技术的控制系统，并在优势行业上应用推广。 这样，既可带动国内自动化行业的发展。也可将国内工业自动化装备提高到一个新 的水平，使我国自动化行业在未来国际自动化技术领域中及市场份额上都占有一席 之地。以太网( e t h e m e t ) 是计算机应用最广的网络技术，它不仅是一种主要的办公自 动化局域网，而且大举进军工业自动化领域，在工业控制局域网中得到了很好的应 用。随着通信、网络技术以及智能仪表的发展，以太网技术有能力延伸到现场，也 就是说，可以将以太网建到现场i o 级，从而实现办公自动化与工业自动化的无缝 结合，形成真正意义上的全开放、可互操作的现场总线控制系统。国际现场总线 i e c 6 1 1 5 8 的出台宣告了多种现场总线并存的局面已经形成，由于不同现场总线互不 兼容，难以实现透明信息互访，阻碍了先进技术的进一步推广应用。在这种情况 下，以太网却由于其具有全球的开放性、应用广泛、价格低廉、全球的软硬件支 持、共享资源丰富等特点，不但基本垄断了商业领域的网络通信市场，而且在工业 控制领域也得到了大规模的应用，并有向下延伸直接应用于现场设备间通信的趋 势。为此，不仅各现场总线组织将以太网用于控制系统的中、上层通信，而且还成 立了工业以太网协会，工业自动化开放网络联合会l a o n a 、i d a 小组、p o w e r l i n k 小组等组织，致力于工业以太网关键技术的研究，将以太网直接应用于现场设备级 ( f i e l dd e v i c e ) 的通信。总体而言，由于目前国际上关于应用于现场设备级工业以太网 的研究才刚刚开始，还没有形成统一的工业以太网标准和成熟产品，我国与国外先 进国家相比基本处于同一水平，差距很小。 以太网采用带冲突检测的载波监听多路访n ( c s m a c d c a r d e rs e r , ) s em u l t i p i l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机制作为其访问媒体控制协议，通信响应的不确定性 是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。另一方面实验表明：以太 网的碰撞概率与网络负载( 通信量) 有关，当负载小于5 ，碰撞概率几乎为0 ；当 负载小于2 0 ，碰撞概率小于0 1 ，可保证通信畅通；当负载大于4 0 ，碰撞概率 3 河北理工大学硕士学位论文 将大于5 。基于以太网的特点，本课题的研究可以用来增强通信的确定性、实时性 和可靠性。 以太网进入现场层，单点成本是必须考虑的因素。一般认为，完整的t c p 1 p 协 议需要操作系统的支持，这就要求处理器有足够的内存和运行速度，但实际上对于 工业控制而言，节点之间交换的信息相对于计算机而言要少得多而且是固定的，因 此完全可以简化t c p i p 协议，例如一个简单节点的结构，微处理器采用国内最常用 的8 0 5 1 系列8 位微处理器，以太网控制器采用n e 2 0 0 0 兼容产品如d m 9 0 0 8 ， r t l 8 0 1 9 等，实现简化的t c p f i p 协议大概需要4 k 字节的程序空间，网络部分硬件 成本在4 0 元人民币以下，足够与其他的现场总线产品竞争。目前出现了许多直接支 持或内嵌t c p i p 协议的微控制器如美国z - w o r l d 公司的r a b b i t 2 0 0 0 r a b b i t 3 0 0 0 系列，北京华虹的i p 5 1 等，其微处理器的价格大都在1 0 美元左右，因此可以预计 随着开发的简单化将会出现很多基于t c p i p 协议的现场级设备。 目前，嵌入式技术已经广泛渗入并应用到各领域，涉及到多种传统及现代技 术，形成了前所未有的多学科、多领域的交叉与融合。由z - w o r l d 公司推出的 r c m 2 2 0 0 是一款低成本的嵌入式微控制器核心模块，它采用d y n a m i cc 语言为编程 环境。d y n a m i cc 是一款专门为z w o r l d 产品创建的集c 编译器、编辑器、链接 器、装载器和调试器于一体的软件开发平台，它内嵌协调多任务及实时多任务系 统，提供r e a l t e k 以太网芯片驱动程序包和程序实例源代码，无版税带源代码的 t c p f i p 协议栈，以及z w o r l d 全系列产品文档及手册，便于实现快速开发应用， 加快产品投放到市场。 当今，随着以太网技术的普及和发展，企业对以太网控制和通信的要求越来越 高。嵌入式系统利用网络接口控制芯片实现与网络的通信功能，成本低，控制方便 可靠，满足系统对通信的要求。目前，许多公司和组织致力于将以太网与现场总线 实现无缝连接，使以太网越来越向底层延伸。以太网在现场设备中的应用研究和基 于以太网智能芯片的开发等也日益成为研究的热点。基于嵌入式以太网技术的控制 节点能够提供智能化、简单化、标准化的现场总线设备接口，将使过程控制用户在 低成本，易移植，易扩展这样一种前所未有的强大友好的环境中进行系统设计、安 装和运行，给自动化领域带来了新的革命，有着广泛的应用领域和市场。因此，本 课题的研究成果具有广泛的应用领域和良好的应用前景。 d - 第1 章文献综述 1 1 本课题国内外研究现状 当前在自动控制领域主要存在着三种网络结构的控制系统：分布式控制系统 ( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 、以太网控制系统。 1 1 1 分布式控制系统 七十年代中期出现的分布式控制系统d c s ( 也称集散控制系统) 属于分级计算 机控制系统。典型的d c s 可分为操作站级、过程控制级和现场仪表三级。这种控制 系统的特点是“集中管理，分散控制”，其基本控制功能在过程控制级中。工作站 级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个 系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整 个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。然而d c s 的缺点也是十 分明显的。其原因，一是它是一种数字模拟混合系统，d c s 的现场仪表( 变送器和 执行器) 仍然使用传统的模拟仪表，以4 2 0 m a 电流传递控制信号。这带来一系列 问题：信号传输可靠性差( 与数字通讯相比) 。成本高( 每个信号需一条专用信号 线，且需要安全栅或隔离电路) 。必备的数模、模数转换环节既难保证系统精 度，也增加了成本；二是互换性差。各厂家的d c s 自成标准，不能互换，这增加了 使用者在使用和维修上的困难；三是价格昂贵。大中型d c s 系统动辄上百万美元， 使广大中小企业望而却步【嵋j 。 1 1 2 现场总线控制系统 现场总线是二十世纪8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动 化、制造自动化、楼字自动化等领域的现场智能设备互连。现场总线是连接现场智 能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。f c s 的优点可以 概括为以下几点：可靠性高，彻底分散的控制方法以及先进的数字通讯技术使系统 可靠性大大提高。功能强大。现场仪表除具有检测或执行功能外，还具有变换、补 偿和控制功能；系统除具有监控操作功能外，还具有预测性维护、统计等非控制功 能。价格低，由于将d c s 的三级体系改为两级体系，节省了大量费用。以位于美国 德克萨斯州的m o n s a t o 工厂的f c s 示范工程与典型d c s 相比较，结果是导线节省 8 2 ，另外还节省了大量工时费、材料费等。总的结果是平均每个测控点节省4 1 6 美元1 3 , 4 】。 5 河北理工大学硕士学位论文 随着现场总线技术的出现和成熟，促使工业控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现 场总线控制系统f f c s ) 过渡。现场总线控制系统把各个分散的测量、控制设备变成网 络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务 的网络控制系统，真正实现了“信息集中、控制分散”的全分布式系统。作为企业 数字通信网络的基础，它沟通了现场设备与控制设备乃至与信息管理层之间的联 系，早就受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，可以说导致了自动化 系统结构与设备的深刻变革。但是，从目前来看，制约现场总线发展的关键因素是 它的标准不统一，多种现场总线并存，难以沿开放的方向发展。不同公司的产品之 间无法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了所谓“自动化 孤岛”现象，促使人们关注到以太网p j 。 1 1 3 以太网控制系统 以太网( e t h e m e 0 是计算机应用最广的网络技术，它不仅是一种主要的办公自动 化局域网，而且大举进军工业自动化领域，在工业控制局域网中得到了很好的应 用。然而，与此同时，使用者也发现到当我们将以太网络由舒适的办公室环境移至 严苛并充满不可知因素的工业环境时，现今市场上的商用以太网络基本上是无法符 合工业应用中的高稳定度要求的，这表明更坚固耐用的网络装景是企业所需要的。 事实上工业界采用以太网络这样一个趋势是可以从几个简单的方向中发现的。首 先，越来越多的工业设备制造商，如：p l c 、d c s 系统和现场i o 的制造商，他们 现在制造生产的产品都已经配备了以太网络接口，另外许多协会与组织也正在倡导 与推广工业以太网协议，来让上述这些工业设备可以被整合在同一个应用之中。再 者，从使用者的角度而言，正如当年个人计算机( p c ) 之所以可以造成信息革命与伟 大贡献的原因一样，使用以太网撮明显的好处就是以太网的开放架构，一旦选择以 太网及以太网络的产品之后，使用者不需要担心受限于产品制造商专属的网络与协 议架构。如此一来经由同一个网络，许多不同型态的设备可以非常容易的连接在一 起，大幅的简化了使用者的工作。此外，以太网络在办公环境中已经平常可见，也 提供了使用者许多熟悉又好用的服务与应用，如e m a i l 、f r p 和网页浏览等。一旦 将这些服务与应用使用在工业控制网络中，将立即为使用者提升许多竞争力，因为 他们不需要再花太多的时间去学习新的应用程序。这同时也表示，当系统开发者已 经十分熟悉这些使用在以太网应用上的软件时，人员的训练费用会降低且开发时程 也会缩短，而当自动化系统的开发者使用与办公室中相同的以太网协议时，整个自 6 第1 章文献综述 动化系统就可以轻易将工厂的设备控制网络与管理自动化的信息系统连接。一旦如 此，从远程实时分析现场资料将不再是个梦想。这对于身处在现在以信息及速度决 定竞争力的时代中的企业而言，所带来的效益是无可置疑的p j j 。 最初以太网是为办公自动化设计的，并没有考虑工业要求，比如缺乏确定性、 鲁棒性，在车间底层网络中应用是脆弱的，存在不可预见性。这种局面是由以太网 本身的c s m a d c d 协议造成的。网络每个节点通过竞争来取得信息包的发送权，节 点通过监听信道，当发现信道空闲时，再发送信息，如果信道忙碌则需要等待。在 开始发送信怠后。需要检查是否发生碰撞，发送信息发生碰撞时，退出重发。这样 如果网络比较忙碌或冲突节点相距甚远时，就可能发生某些节点的信息不能及时发 送，甚至长时间发不出去的情况，这在工业控制中是大忌。幸运的是今天这种局面 已经得到改观。首先以太网的通信速率一再提高，从十兆到百兆。目前千兆以太网 已在局域网、城域网中普遍应用，万兆以太网也正加紧研制。同样的通信量，通信 速率的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性。其次交 换技术的快速发展已经消除了以太网应用于控制领域的障碍。这项技术使得多个网 上设备之间同时进行通信时不会有冲突发生。其做法是把网络用交换器分割成互不 相连的几个网段，每个设备独占一个网段，从而大大降低冲突的可能性p 1 2 网络控制系统存在的问题 网络控制系统本质上是一个网络，其具备网络的优点和缺点。网络的缺点在过 程控制中过去从未涉及，这给我们提出了一个新的课题和研究方向。 网络控制系统的局限性主要表现在： 1 网络的延时网络信息传递与导线信息传递有区别。导线信息传递本质上是 模拟量传输，而网络信息传递本质上是数字信号在网上传递，与信息量和传送长度 有关。信号从一个站点到另一个站点需要一定的时间，各站点之间的距离是不一样 的，分布的。这种分布式的时延环节影响了控制系统的运行。因此必须建立起切合 实际的网络结构，把分布式、随机的网络时延与过程被控对象统一考虑，构成广义 被控对象。 2 网络的拥塞现象拥塞是在信息传输中广泛存在的，如i n t e m e t 网络中此 情况大多因为某时刻很多站点同时在交换数据造成的。由于工业网络控制系统与通 信网络系统在结构上无本质差别，这种现象也广泛存在于过程控制网络系统中。如 果一个闭环网络控制系统中的信号在传输中发生播塞现象，将会导致控制系统性能 河北理工大学硕士学位论文 下降，甚至整个系统崩溃。而由于拥塞现象是随机的。这样给我们构建网络结构带 来困难，也给控制系统的设计带来了相当的难度。 3 单总线高危性工业网络控制系统( 如现场总线技术) 的实际方案通常是单 总线的设计方案。控制器、传感器、执行机构全部挂于总线上，这样虽然可以节省 大量的电缆成本，但却是一个危险高度集中的控制系统。如果主干网络上发生了信 息拥塞，势必对整个工厂自动化造成严重后果，如果主干网络受到损害，整个工厂 自动化会完全陷入瘫痪i l “。 4 误码率高工业网络控制系统像所有网络一样都会出现误码的现象，因此， 应该建立符合实际的网络结构，将其纳入控制系统中统一考虑。 1 3 网络控制的发展趋势 现在以太网已经能建立一个高效、开放、有确定性的现场总线系统，而且由于 它已经在局域网上广泛应用。所以它在控制层的应用可以使“从会议室到传感器” 都集成起来。现在还可以利用交换技术将通信变为全双工。这些都为以太网进入工 业控制领域铺平了道路。目前以太网控制系统正朝着嵌入式以太网、高速以太网和 基于以太网的现场总线控制系统三个方向发展 1 2 a 3 】。 1 嵌入式以太网的发展 随着计算机软、硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软 件和硬件，设计者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌入式以 太网的出现为现场总线控制系统的设计者提供了现场设备通信的新途径。在硬件方 面目前国外一些著名大公司已经利用嵌入式技术将以太网用于它们最新推出的现 场总线控制系统。如g e 公司将以太网接口做在保护装置中，g e h a r r i s 公司推出 了带双以太网接口的d 2 5 测控单元装置，a b b 也推出了带以太网接口的间隔控制器 r 5 8 0 。在软件方面，目前世界最有名也最具竞争力且广泛用于各种嵌入式智能设备 的嵌入式操作系统是美国集成系统公司( i n t e g r a t e ds y s t e m si n c ) 推出的p s o s y s t e m ， 简称p s o s 。p s o s 采用了先进的模块化体系结构，包括一个实时多任务核心、一系 列的公司软件部件和连接库。系统中的每个部分都是封闭式的，相互之间既独立又 密切协作，这在很大程度上提高了p s o s 的可扩展性。开发人员可以根据不同的应 用需求来制定操作系统的功能和所需要内存的大小。这种高度的可扩展性还使简单 的独立系统能够轻松地升级到复杂的网络化多处理器系统。目前，p s o s 已经能够支 持范围极其广泛的各种硬件产品。另外，w i n d o w s c e 也不失为一个嵌入式操作系统 - 8 一 第1 章文献综述 较好的选择，特别是其3 0 版本的推出，在确定性、实时性、优先级扩展能力及中 断服务延时、进程切换时间上有了显著的提高，过程处理循环时间降到毫秒级。事 实上一些公司已生产出采用w i n c e 的控制装置，如w i n p l c ，g e 公司的c n c ， x y c o m 自动化公司的a s i c 3 0 0 0 等【1 4 1 5 。 2 高速以太网( h s e ) 在以太网进军工控领域的过程中，各大现场总线组织都予以高度重视，并纷纷 出台了自己的发展计划。h s e 在1 9 9 8 年3 月被现场总线基金会认可。1 9 9 9 年9 月 在通过实验室测试后，h s e 技术说明书被分发给现场总线基金会成员。在2 0 0 0 年3 月，现场总线基金会颁布了h s e 最终技术说明书。h s e 支持基金会现场总线( f f ) 协 议的各个方面，比如功能块和设备描述等，而且能充分利用已经成熟的以太网技 术。h s e 使用以太网现成的交换器、路由器、网线及光纤，连接成各种拓扑结构和 规模的网络。h s e 结构应用标准以太网协议，如t c p f l p 、s n t p 和s n m p 等，并专 为多重h 1 现场总线信息在主干网上高速高效的传输而设计。它还应用f f 标准功能 块如a i 、a o 和p i d 等，保证控制网络上各层数据表达的一致性。h s e 技术的一大 特点是连接器( 1 i n k i n gd e v i c e ) 。h s e 连接器融合网桥和网关功能。连接器用于连接 h 1 现场总线各个网段，并提供对h s e 主干网的接口，其速度为1 0 0 m b i t s 或 1 g b i t s 。它的网桥功能使h 1 设备通过连接器传输接口相互连接，而不用上层系统 的干预。连接在连接器上的h 1 设备可以通过h s e 主干网与连接在另一连接器上的 h l 设备通信，而h s e 主机可以与所有连接器和设备通信。这项功能可以使关键数 据提供给远方的现场设备用于监控及报表。连接器的网关功能可以使h s e 网络与其 它底层控制或信息网络相连。h s e 连接器不需要对h l 予系统进行信息解释。它的 功能是集合h l 现场总线网段的信息，并将h 1 地址转化成i n t e m e t 的i p 地址。对其 它网络的监控和控制参数可以简单设定到标准f f 功能块或新的“灵活功能块”。灵活 功能块( f f b s ) 是h s e 技术又一独特的功能【1 6 a 7 1 。 3 基于以太网的现场总线控制系统 由于嵌入式技术使以太网能到达传感器和执行器，这使得整个网络的瓶颈效应 集中在应用现场总线设备层上的问题得以解决。这个网络的特点是：首先，以太网 贯穿于整个网络的各个层次，它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实 体。它实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，其良好的互连性和可扩展性使 之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构，一种真正意义上的大统一。其 次，采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。由于以太网 - 9 河北理工大学硕士学位论文 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，保证了以太网技 术的不断发展。如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持 续发展，并在技术升级方面无需独自的研究投入。这一点是任何现有的现场总线技 术无法比拟的。另外，低成本是基于以太网的现场总线系统无可比拟的优越性。相 对于现场总线网卡的价格，以太网网卡的价格只有其十分之一。并且随着集成电路 技术的发展，其价格还会进一步下降。由于以太网已被使用多年，人们对以太网设 计、应用有很多经验，这就意味着可以显著降低系统的开发和培训费用。 随着以太网的实时性、稳定性和抗干扰性问题的逐步解决，以太网大规模进入 工业控制领域将指日可待。将以太网应用到工业控制领域，可以形成真正意义上的 开放式系统，真正实现不同厂家的以太网产品的互连。如果说现场总线系统是工业 控制领域里的一场革命，那么以太网技术将把现场总线系统带入又一个新时代。以 太网应用于工业现场设备层是网络发展的趋势，也是信息技术发展的必然结果 1 1 8 ，l9 l 。 1 0 第2 章嵌入式系统和嵌入式以太网 2 嵌入式系统和嵌入式以太网 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理 器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件 ( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组 合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与 硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备 以下四个特点： 1 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时问减少到最低限度。 2 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护 功能，同时也有利于软件诊断。 3 可扩展的处理器结构，以便能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器。 4 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，需要功耗只有m w 甚至肛w 级【2 0 】。 2 2 嵌入式系统特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统通常是面向特定的嵌入式c p u ，它与通用型c p u 的最大不同就是 嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积 河北理工大学硕士学位论文 小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板