（控制科学与工程专业论文）从现场总线到工业以太网的实时性问题研究.pdf

摘要 摘要 随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业控制网络也 不断向前发展，从基于模拟信号传输的集散控制系统( d c s ) ，到数字化、智能化、 全分散的现场总线，再到近年来新出现并得到迅速发展的工业以太网。作为一 种特定应用的网络，和商业信息网络相比，工业控制网络具有自身的要求和特 点，其中非常重要的一点就是实时性要求高，不仅要求传输速度快，还要求响 应快。 本论文首先简要介绍了工业控制网络的发展历程，指出了存在的实时性问 题和国内外的研究现状，然后从现场总线到工业以太网对实时性问题进行了深 入研究，研究结果和内容可以概括为以下几个主要方面： ( 1 ) 在现场总线的通信活动中，实时调度过程和实时调度表是其中的核心， 同时也是总线协议及其设备的研究开发过程中需要解决的关键问题。以基金会 现场总线为实例，研究了现场总线的实时调度机理：给出了通信栈软件的具体 实现；提出了实时调度表的建立方法；并对实时调度表的调度算法和可调度性 分析进行了研究。 f 2 ) 在工业控制应用中，当存在实时性要求严格的非周期通信时，现场总线 的通信带宽的浪费严重。针对这一问题，通过分析优先级机制，研究了现场总 线的带宽分配问题，提出了静态和动态两种带宽分配算法，并对两种算法进行 了性能比较。在此基础上，以基金会现场总线为实例，给出了现场总线通信带 宽分配的优化算法。 ( 3 ) 结合工业控制应用背景分析以太网的实时性。从以太网端到端的通信延 迟入手，给出了以太网排队延迟的数学期望表达式，发送延迟和传输延迟的计 算方法。通过实验研究了节点数目、帧长度和通信速率等因素对以太网实时能 力的影响，研究工业控制应用中，在同时、随机、调度三种信息发送方式下， 标准以太网和快速以太网的实时特性。 f 4 1 以太网的通信存在不确定性，不能满足实时性要求，成为以太网应用于 工业现场设备层的主要障碍。为了解决这一问题，结合近年来以太网出现的新 技术，对提高以太网实时性的若干方法进行了研究。通过分析现场设备层信息 的实时性要求，研究提出了e p a 系统应用于工业现场设备层的实时通信解决方 案，包括e p a 系统的网络通信模型、通信服务方式、实时通信调度和时钟同步。 并给出了e p a 系统的现场应用情况。 浙江大学博士学位论文 ( 5 ) 在工业控制应用中，过程监控层网络上传输的信息已变得越来越复杂， 要求通信网络满足信息实时要求的多样性。针对这一问题，通过研究交换式以 太网的实时调度问题和过程监控层信息的实时性要求，对信息进行了分类，提 出了基于交换式以太网的混合调度算法，对不同类型的信息采取不同的调度算 法，在优先级分配上，对各类信息设置不同的优先级：对硬实时信息，提出了 改进的r m 调度算法；对硬实时信息和软实时信息的协调，提出了优先级提升 调度算法。并通过实验对调度算法进行了验证。 ( 6 ) 研究基于e p a 的工业实时以太网控制系统。从系统结构、应用层协议、 设备间的通信过程、冗余管理、设备描述等几方面系统地研究了基于e p a 的工 业实时以太网控制系统，用以太网统一了从现场设备层、过程监控层到信息管 理层等企业综合自动化系统的所有网络层次，实现各网络层次上信息的无缝集 成，提出了开放式的应用层协议，并支持不同开发商设备的互操作。 关键词：实时性：调度：e p a ；应用层协议 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r kh a sa l s oc o n s t a n t l yd e v e l o p e d , f r o md i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d c s ) w h i c h b a s e do n a n a l o gs i g n a l st r a n s m i s s i o n ，f i e l d b u sw h i c h i sd i g i t a l ， i n t e l l i g e n ta n de n t i r e l yd i s p e r s e ，t oi n d u s t r i a le t h e m e tw h i c ha p p e a r e da n dr a p i d l y d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s a sas p e c i f i cn e t w o r k ，i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k h a si t s o w n r e q u e s t sa n dc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r e d w i 也c o m m e r c i a ln e t w o r k o n eo fw h i c h i s e x i g e n tr e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hr e q u i r i n gn o to n l yr a p i dt r a n s m i s s i o nb u t a l s or a p i dr e s p o n s e p h y l o g e n yo fi n d u s t r i a l c o n t r o ln e t w o r ki s p r e s e n t e da t t h eb e g i n n i n go ft h e d i s s e r t a t i o n i nt h eb o d yo ft h ed i s s e r t a t i o n ，e x i s t e n tr e a lt i m ep r o b l e ma n dr e s e a r c h s t a t u sq u oa r ei n d i c a t e d ，a n dt h er e a lt i m e p r o b l e m o ff i e l d b u sa n di n d u s t r i a le t h e m e t a r er e s e a r c h e d t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 i nt h ec o m m u n i c a t i o no ff i e l d b u s ，r e a lt i m es c h e d u l ep r o c e s sa n dr e a lt i m e s c h e d u l et a b l eo ff i l e d b u sa r ck e r n e la n dk e yp r o b l e m sd u r i n gf i e l b u sp r o t o c o l r e s e a r c ha n df i e l d b u sd e v i c ed e v e l o p m e n t t a k i n gf o u n d a t i o nf i e l d b u s ( f f ) f o r e x a m p l e ，t h e r e a lt i m es c h e d u l em e c h a n i s mo ff i e l d b u si s i n v e s t i g a t e d ，t h e i m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o ns t a c ki sp r e s e n t e d ，t h em e t h o do fb u i l d i n gr e a l t i m es c h e d u l et a l ei s p u tf o r w a r d ，t h e s c h e d u l e a l g o r i t h m a n dt h e a l g o r i t h m s c h e d u l a b i l t y o f r e a lt i m es c h e d u l et a b l ea l er e s e a r c h e d 2 i nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o la p p l i c a t i o n ，w a s t eo ff i l e d b n sb a n d w i d t hi ss e r i o u s w h e nt h e r eb e i n gs o m ea p e r i o d i cc o m m u n i c a t i o n sw i t hc r i t i c a lt i m ec o n s t r a i n t t o r e s o l v et h i si n s t a n c e ，b a n d w i d t ha l i o c a t i o no f f i e l d b u si sr e s e a r c h e db a s e do np r i o r i t y m e c h a n i s m ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d a n dc o m p a r e db yp e r f o r m a n c e t a k i n gf o u n d a t i o nf i e l d b u s 研) f o re x a m p l e ，t h e o p t i m i z a t i o n b a n d w i d t h a l g o r i t h mo f f i e l d b u s i sp r o p o s e d 3 r e a it i m ec h a r a c t e r i s t i co fe t h e m e ti sa n a l y z e db a s e do ni n d u s t r i a lc o n t r o l a p p l i c a t i o n e n d t o e n dd e l a y o fe t h e m e ti sa n a l y z e d ，t h ee x p e c t a t i o ne x p r e s s i o no f q u e u ed e l a ya n dc a l c u l a t i o np m c e d l l r eo fs e n dd e l a ya n dt r a n s m i s s i o nd e l a ya r e p r e s e n t e d b ye x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c e o fs o m ef a c t o r s ( n o d en u m b e r s ，f r a m e i i i 浙江大学博士学位论文 l e n g t h a n dc o m m u n i c a t i o n s p e e d ) o n r e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i co fe t h e m e ti s r e s e a r c h e d ，a n dr e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i co fe t h e m e ta n df a s te t h e m e tu n d e rt h r e e i n f o r m a t i o nr e l e a s i n gm o d e s ( s y n c h r o n o u s ，r a n d o ma n ds c h e d u l e d ) i si n v e s t i g a t e d 4 n o nd e t e r m i n i s t i cc o m m u n i c a t i o nd e l a yo fe t h e m e tw h i c hc a l l ts a t i s f yr e a l t i m er e q u e s to fi n d u s t r i a lc o n t r o lh a sb e c o m em a i no b s t a c l ei na p p l i c a t i o no nf i l e d d e v i c el a y e rn e t w o r k t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，s o m em e t h o d so f i m p r o v i n g r e a lt i m e c h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y z e d b a s e do nr e a lt i m er e q u e s to fi n f o r m a t i o n ，t h es o l u t i o no f e p a s y s t e mi sp u tf o r w a r dw h i c h c a ns e t t l er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o no nf i l e dd e v i c e l a y e rn e t w o r k n l es o l u t i o no f e p a s y s t e mi n c l u d e sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nm o d e l ， c o m m u n i c a t i o ns e r v i c em o d e s r e a lt i m es c h e d u l ea n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n f i n a l l y , t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f e p a s y s t e m i sp r e s e n t e d 5 i nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o la p p l i c a t i o n ，i n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e do nc o n t r o ll a y e r n e t w o r kh a sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x ，r e q u i r i n gt h a tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s h o u l ds a t i s f yr e a lt i m er e q u e s td i v e r s i t yo fi n f o r m a t i o n t os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n t ， am i x e ds c h e d u l ea l g o r i t h mo ns w i t c he t h e m e ti sp u tf o r w a r db a s e do ni n f o r m a t i o n c l a s s i f i c a t i o n a c c o r d i n gt oi n f o r m a t i o nt y p e s ，t h ea l g o r i t h m t a k e sd i f f e r e n ts c h e d u l e a l g o r i t h mw h i c hi n c l u d es e t t i n gp r i o r i t yl e v e l ，m o d i f i e dr m s c h e d u l ea l g o r i t h mo n h a r dr e a lt i m ei n f o r m a t i o n ，p r i o r i t yl e v e lu p g r a d es c h e d u l ea l g o r i t h m b ye x p e r i m e n t ， t h ea l g o r i t h mi sv a l i d a t e d 6 i n d u s t r i a lr e a lt i m ee t h e r n e ts y s t e mw h i c hb a s e de p ai sd e t a i l e d l yr e s e a r c h e d t h ec o n t e n t si n c l u d e s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ， c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e v i c e s ，r e d u n d a n c em a n a g e m e n ta n dd e v i c ed e s c r i p t i o n s i nt h i ss y s t e m ，a l ll a y e r sn e t w o r ko f e n t e r p r i s ei n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e m i su n i f i e d b ye t h e r n e t f r o mf i l e dd e v i c el a y e rn e t w o r kt o i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl a y e r n e t w o r k ，i n f o r m a t i o no na l ll a y e r sn e t w o r ki st h o r o u g h l yi n t e g r a t e d ，a n de x o t e r i c a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l i sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：r e a lt i m e ，s c h e d u l e ，e p a ，a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l 第一章绪论 第一章绪论 摘要：首先介绍了工业控制系统及通信网络发展的主要历程，从现场总线到工 业以太网；在简要介绍现场总线和工业以太网的基础上，深入分析了现场总线 与工业以太网存在的实时性问题，详细综述了国内外对实时性问题的研究现状， 指出了本论文的立题依据。阐述了本论文的主要内容。 1 1 引言 随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业控制系统不 断发生变革。与此同时，作为控制系统的重要组成部分工业控制网络，也 不断地向前发展。 6 0 年代开始，控制室和现场仪表之间采用电气信号( 或型) 传输，电动 组合仪表如控制器、显示仪表、记录仪开始大量使用，工厂自动化控制体系初 步形成。严格地说，电缆上的电气信号传输还不能称之为工业控制网络。 7 0 年代中期出现的集散控制系统( d c s ) ，是控制体系结构的一次大变革， 同时，d c s 也可以看作是工业控制网络的雏形【13 1 】。几十年来，d c s 已由以分散 控制为主的早期产品发展到了以全面信息管理为特点的新型综合控制系统，期 间大致经历了以下几个阶段【l ”】。第一代d c s 实现了以微处理器为核心的过程控 制单元的分散化，将操作站与过程控制单元相分离，采用主从式通信。计算机 局域网技术的突破性发展促使产生了第二代d c s 。第二代d c s 为无主站的n ：n 通信，各过程控制单元、上位机、操作站等处于平等地位，通信方式为点点、 点多点和广播式，介质访问控制以令牌传送为主。第三代d c s 的网络通信协 议趋于标准化，如采用m a p ( m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o n p r o t o c 0 1 ) 和t o p ( t e c h n i c a l a n d o f f i c e p r o t o c 0 1 ) 力图解决企业的综合管理问题。而目前的d c s 大量采用了 通信、网络技术的成果，具有o d b c 、c o m d c o m 、0 p c 等开放网络接口技术， 一些d c s 系统还采用光纤作为通信介质。同时，d c s 和现场总线、工业以太网 相结合，进行信息互连，构成大规模的综合控制系统。d c s 的不断发展赋予其 很强的生命力，在今后相当长的时期内，d c s 仍将作为一种重要的控制系统得 到广泛应用1 1 3 3 】。 随着企业综合自动化技术的发展，以管理与控制一体化为目标，要求有更 浙江大学博士学位论文 多的信息参与到工厂管理中去，信息交换领域覆盖从工厂的现场设备层到控制、 管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场，逐步形成了 以工业控制网络为基础的企业综合自动化系统1 1 3 “。 工业控制网络作为一种特定应用的网络，和商业信息网络不同，具有自身 的要求和特点埘。 实时性要求高。工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业控制中还要 求响应快，即响应实时性要好，通常响应时间为0 0 1 0 1 秒； 高可靠性。由于直接面向生产过程，负责传输测量与控制信息，并产生或引 发物质的运动和能量的转换，因此应满足恶劣的工业现场环境，以及总线供 电等要求。同时，在出现故障的情况下，能够保证整个系统的安全； 力求简洁，以降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性； 开放性好，各厂商之间的产品可以相互兼容。 增加用户层。信息网络通常采用国际标准化组织的开放系统互连参考模型 ( i s o o s i ) 的七层结构，而工业控制网络要解决工业控制应用的问题，需要在 第七层之上增加用户层。 现场总线和工业以太网，正是工业控制网络发展过程中的两个典型代表， 下面予以专门阐述。 1 2 现场总线 1 2 1 现场总线简介 现场总线的产生是自动化仪表发展的必然趋势，同时也是企业综合自动化 发展的需要1 3 6 】 1 - 3 。 首先，现场总线的产生是自动化仪表和通信技术发展的必然趋势。仪表的 发展经历了模拟仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表等几个阶段。模拟 仪表将传感器信号调理放大后，经v 转换输出4 - - - 2 0 m a 或5 v 的模拟信号。 智能仪表将传感器信号经调理放大、a d 采样，转换为数字信号，并经过微处 理器的运算、补偿等处理后，通过d a 、等电路，仍以4 - - - 2 0 m a 或o 5 v 的 模拟信号输出。相对于模拟仪表来讲，智能仪表的测量精度大大提高，但信号 传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。于是，人们 在仪表中增加了通信接o n ( 如r s 2 3 2 4 8 5 等) ，以数字通信的方式代替模拟信号 传输。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层 2 第章绪论 及其以上各层次没有统一定义，致使不同仪表所使用的通信协议各不相同，不 同生产厂家的仪表由于通信协议的不兼容而无法实现互相通信，严重束缚了工 厂控制网络的发展。为解决这个问题，必须使通信标准得到统一，组成开放互 连系统。 其次，现场总线的产生反映了企业综合自动化的要求。为了适应日益激烈 的市场竞争，逐步形成了计算机集成制造系统( c n v f s ) 。它采用信息集成的观点 来组织生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一 考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合 自动化。因此，需要一种能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉的通信 系统，以实现现场智能设备之间的多点数字通信，形成现场设备层网络。 正是基于这样应用需求，进入8 0 年代以后，现场总线技术最早在欧洲应运 而生了。根据国际电工委员会( 正c ) 的定义：现场总线是连接智能现场设备和自 动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络【1 3 7 1 。 现场总线的出现，被誉为自动控制领域的一次革命。之所以有这样的评价， 是因为现场总线不单单是一种通信技术，不仅仅在于用数字仪表代替模拟仪表， 更重要的是在于对整个控制系统的结构产生了根本性的变革。和以往的控制系 统相比，现场总线具有以下特点【b h 1 】： 全数字通信 传统控制系统( 如d c s ) 采用4 - - 2 0 m a 的模拟信号通信。这种通信方式已成 为控制系统的瓶颈。这是因为模拟信号的传输精度不高，且易受外界干扰：其 通信是单向传输，不能进行双向传输：只能在控制室和现场仪表之间进行点对 点通信，现场仪表之间不能进行通信；无法通过现场仪表组成就地控制回路， 建立真正的现场控制；只自2 传输单变量信号，不能满足多变量仪表和传输管理、 组态、自诊断等信息的要求。 而现场总线采用完全的数字信号通信。这种数字化的传输方式使得信号的 检错、纠错机制得以实现，因此它的抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度 也得到显著提高。全数字通信使得多变量传输得以实现。现场设备的测量、控 制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状 态等都可以传输到现场总线上的任何设备等。 多分支结构 传统控制系统中设备的连接都是一对一的，而现场总线是多分支结构，其 网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式。这种多分支结构不仅大大节约 了布线电缆，而且使得布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便。这种结 构还具有系统扩展性，如增加新的设备，只需直接并行挂接即可，无需架设新 浙江大学博士学位论文 的电缆。 现场设备状态可控 通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加，这些信息包括功能模块组 态、参数状况、诊断信息等。操作人员在控制室里就可以对这些信息进行管理 和利用。提高了系统的可靠性和可维护性。 互操作性和互换性 现场总线是开放的协议，不同厂商生产的符合同一现场总线协议的设备可 以连接在一起，统一组态和协同工作。来自不同厂家的相同类型的设备还可以 互换，而无需专用的驱动程序，彻底改变了传统控制系统的封闭性和专用性， 保护了用户的利益，使用户有更多的选择权。 控制分散 现场总线系统采用全分散控制。现场设备既有检测、变换和补偿功能，也 有运算和控制功能。通过现场总线，将传统d c s 、p l c 等控制系统复杂的控制 任务进行分解，分散于现场设备中，由现场变送器或执行机构构成控制回路， 并实现各部分的控制。同时也简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性 和灵活性。 正是基于上述特点和优越性，从现场总线诞生起，广大用户就给予了高度 的关注，并强烈要求对现场总线的通信协议标准化。1 9 8 4 年美国仪表学会i s a 最早开始制定i s a s p 5 0 现场总线标准。在此之后，越来越多的企业集团和标准 化组织着手制定现场总线的行业标准，地区性标准和国际标准。据不完全统计。 目前世界上共有现场总线标准1 0 0 多种。1 9 9 9 年底，国际标准i e c 6 1 1 5 8 获得 通过，共有8 种总线纳入i e c 6 1 1 5 8 标准，它们是：基金会现场总线( f f ) ， c o n t r 0 1 n e t ，p r o f i b u s ，p n e t ，f fh s e ( f f 高速以太网协议) ，s w i r n e t ，w o r l d f i p ， i n t e r b u s 。此外，还有几种现场总线尽管未能成为国际标准，仍然得到了一定的 应用，如：h a r t 、c a n 、l o n w o r k s 、c c l i n k 、d e v i c e n e t 等。目前，现场总 线正逐步得到用户的认可，现场总线的产品也逐渐成熟和丰富，并开始广泛应 用。在今后一段时期内，将是多种现场总线并存发展、相互竞争的“战国时代”， 选用哪种现场总线，将由市场和用户来决定。同时，基于近年来工业以太网的 发展，各种现场总线都推出了结合以太网的现场总线高速部分【1 4 2 “5 0 1 。 1 2 2 现场总线的实时性问题 现场总线是一种实时通信网络，按照对时间确定性的支持，现场总线的协 议主要分为两大类：一类采用事件触发方式，另一类采用时间触发方式。事件 4 第章绪论 触发方式又可以分为载波监听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 和载波监听多路 访问冲突避免( c s m a c a ) 两类，代表性的协议有以太网和c a n 。时间触发方 式的网络协议通常采用令牌方式，直接支持时间确定性，它又可以进一步分为 三类：1 ) 集中式令牌，代表性的协议有f f 和w o r l d f i p 等：2 ) 分布式令牌， 代表性的协议有p r o f i b u s 等；3 ) 虚拟令牌，代表性的协议有p - n e t 等【4 1 4 】 1 5 1 - 1 5 2 。 在工业控制应用中，对两大类协议都有需求。实际上，一个具体的现场总线协 议通常是几种通信方式的混合。例如，f f 利用集中控制方式管理周期信息通信， 而利用时间令牌管理非周期信息通信。 在各种现场总线当中，基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，f f ) 是现场总 线基金会为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的 需要而专门设计的，是过程自动化领域最重要的现场总线标准之一，目前，f f 总线的应用也日益广泛【i ”“。 f f 总线采用集中式介质访问控制方式，按照生产者仲裁者消费者 f p r o d u c e r d i s t r i b u t o r c o n s u m e r ，p d c ) 模型来管理信息的实时通信。在任何时候， 在一个f f 的网段上只有一个活动节点起着节点仲裁作用，该节点被称为链路活 动调度器( l i n k a c t i v es c h e d u l e ，l a s ) ，由l a s 负责f f 总线上各节点间的通信 活动 1 5 5 1 5 7 1 。 在现场总线的通信活动中，实时调度过程是其中的核心，也是总线协议中 最为重要的内容之一。f f 的实时调度过程比较复杂，包括周期令牌调度、非周 期令牌调度、链路活动调度器的竞争产生和移交、链路的实时在线维护，时钟 同步等过程，包含的内容很多且与总线协议的其它部分密切相关。在f f 总线协 议中，没有对实时调度过程进行系统的说明和阐述，国内外的资料和文献也缺 少相关内容的研究报道。因此，在f f 总线协议及其设备的研究开发过程中，掌 握f f 的实时调度机理成为需要解决的关键问题之一。同时，实时调度过程的实 现也是需要解决的难点问题之一。实时调度过程的实现对于整个通信栈软件， 对于f f 总线协议及其设备的研究开发具有重要意义。 在实时调度过程中，f f 总线的l a s 通过实时调度表来管理实时调度，因 此实时调度表在通信活动中具有重要作用。而在f f 总线协议中，只是给出了节 点依据实时调度表来调度通信的接口和步骤，而对于实时调度表的建立方法以 及调度算法等问题却没有规定和说明。按照规定，只要符合现场总线协议规范， 采用何种方法来建立实时调度表和采用何种调度算法来进行实时调度，由各个 厂商自主开发并成为知识产权。因此，对实时调度表的建立方法和调度算法问 题进行研究，对于现场总线通信栈软件的实现，掌握国外现场总线产品的核心 技术，开发具有自主知识产权的现场总线产品具有重要的实际意义。 浙江大学博士学位论文 在实时调度表和调度算法研究方面，r a j a 研究了调度表结构，提出了 l c m h c m 方法建立调度表，使之既满足周期信息实时性要求，又能提高系统 效率【i “。当信息的到达间隔互相为质数时，采用l c m h c m 方法使调度表的规 模将变得异常庞大，即增加了系统开销，有不便于管理。为此，a l m e i d a 提出 了计划调度表( p l a n n i n gs c h e d u l i n g ) ，既节省系统的开销，又降低调度表的规模 t 7 1 。k i m 对w o r l d f i p 中的时钟设置进行了相同的研究【i 8 j 。针对具有次序约束 周期信息，z h o u 给出了启发式调度算法1 1 5 6 - 1 5 7 。在非周期信息方面，b u m s ， t o v a r 和v a s q u e s 给出了关于w o r l d f i p 的非周期信息可调度性分析 1 9 - 2 1 。1 9 9 9 年，t o v e r 初步完成了对c a n 、p n e t 、p r o f i b u s 和w o r l d f i p 四种典型现场总 线的实时调度算法的研究1 2 1 - 3 1 1 。而对于f f 的实时调度表和调度算法的相关研究 还有待深入。 在对现场总线协议及其设备的研究开发过程中，还有许多需要进一步研究 和探讨的问题，在实时通信方面，通信带宽分配就是其中一个重要的问题。 由于工业过程中信息的多样性，现场总线的通信活动可分为两类：周期通 信和非周期通信。前者主要用于传感器、变送器等现场设备周期性地上传测量 值，如压力、流量、温度等，而后者主要用于现场设备的报警、控制参数调整、 远程诊断等信息。周期通信和非周期通信具有不同的实时性要求，因此对应的 带宽分配方法也不同。周期通信具有严格的实时性要求，必须在截止期内完成 通信活动。因此其带宽是预先分配的。而对于非周期通信，则可以根据当前非 周期信息的特点( 如信息的数据量大小、优先级高低等) ，采取不同的带宽分配 方法。根据传递的内容和实现的功能，非周期信息又分为不同的类型。比如， 报警信号具有严格的实时性要求；而历史数据库备份虽然对实时性要求不严， 但具有较大的通信量。在实际应用中，类似历史数据库备份这样的非周期通信 活动，由于通信量大，持续时间较长，常常会阻塞报警等实时性要求严格的非 周期通信从而导致通信的失败。为避免发生这种情况，往往增大非周期通信 带宽所占的比例，所分配的带宽比实际需要的要多。但是，由于总的带宽是一 定的，非周期通信带宽的额外增加必然导致周期通信带宽的减少，这就意味着 限制了周期通信的最大实时通信量。特别是当实时性要求严格的非周期通信所 占比例很小的情况下，通信带宽的浪费会非常严重。因此，研究通信带宽的分 配问题具有实际意义，可以提高现场总线的最大实时通信量和通信带宽利用率， 尤其在现场总线上节点数较多，通信量大时更加明显。 对于网络的通信带宽分配问题，国内外的研究主要针对商用信息网络。对 于以太网 3 2 - 3 9 1 ，采用时分多路获取策略( t d m a ) ，在每个节点预先分配一定的带 宽，相应地每个节点在固定地时间片内发送信息，进而保证每个信息的确定发 第一章绪论 送时间。由于t d m a 采用的是基于节点的方法，不能反映每个节点的实际带宽 需求，f s i m o n o t 等人又提出了可预测的c s m a 4 叭，假定每个信息都是周期的， 首先利用离线调度计算出所有信息的调度，然后把信息的调度下放到每一个节 点，之后各个节点按照下载的调度分配带宽。对于现场总线，带宽分配问题的 研究结果主要集中在c a n 和p r o f i b u s 总线【4 l - 4 2 。c a n 总线采用c s m a c a 协 议，尽管能避免冲突的产生，但是连在c a n 总线上的设备不能平等共享总线的 带宽，也不能给出每个设备的通信延迟的上界。c e n a 等提出一种改进方法，动 态地修改总线上设备的标识域，也即是修改各设备的优先等级，可以解决上述 两个问题但代价是动态修改会适当地降低总线的性能【4 3 i 。h a s a a o u i 等也提出 基于动态优先级的c a n 总线带宽分配方法t 4 4 。h o n g 提出一种应用于循环服务 的现场总线的带宽分配方法，对周期性数据的产生时间进行调度，同时在满足 周期性通信和时间限制严格通信的前提下，来决定低优先级数据的长度，并将 其应用到p r o f i b u s 总线中【4 5 郴】。t o v a r 等也提出了在p r o f i b u s 总线上保证实时通 信的带宽分配方法 2 3 - 2 5 1 。对于f f 和w o r l d f i p 总线的通信带宽分配问题，还未 见到相关的研究。 1 3 工业以太网 1 3 1 以太网简介 以太网( e 也唧e t ) 最初源自于1 9 7 5 年美国x e r o x 公司和s t a n d f o r d 大学建造的 一个2 1 9 m b p s 的c s m a c d ( 载波监听多路访问，冲突检测) 系统。它以无源电缆作 为总线来传送数据，在1 0 0 0 m 的电缆上连接了1 0 0 多台计算机，并以曾经在历史 上表示传播电磁波的以太f e m e r ) 来命名，这就是如今以太网的鼻祖。随后，d e c 、 i n t e l 及x e r o x 合作公布了以太网物理层和数据链路层的规范，称为d 规范。在 此基础上，1 9 8 2 年电气和电子工程师协会( i e e e ) 帝o 定了i e e e8 0 2 3 标准。1 9 9 0 年2 月，该标准被国际标准化组织采纳，正式成为国际标准。严格来讲，以太网 与i e e e8 0 2 3 在介质访问控制层( m a c ) 上采用了相同的c s m a c d 协议以及极为 类似的帧格式，但并不完全相同，但人们习惯上将i e e e8 0 2 3 标准即视为以太网 1 5 8 - 1 5 9 】。 按照i s o o s i 的7 层参考模型，以太网标准只定义了物理层和数据链路层。 作为一个完整的通信系统，以太网需要高层协议的支持。7 0 年代中期，美国国 防部为其a r p a n e t 广域网f 即现在的d a r p a n e t ) 开发t t c p i p 高层通信协 7 浙江大学博士学位论文 议，并将以太网作为其物理层和数据链路层的协议。从此以后，以太网便和t c p 口协议紧密捆绑在一起了。近年来，由于国际互连网( i n t e m e t ) 采用了以太网和 t c p i p 协议并得到广泛应用，人们甚至把如超文本连接h t t p 等t c p i p 协议组 放在一起，俗称为以太网技术。 以太网支持的传输介质很多，包括粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光 纤等，其最大优点是简单、经济，所以深受广大用户欢迎。最初的以太网主要针 对网上只传输数据的特点，因此采用共享式，网上所有节点访问网络的机会相 等。同时，采用c s m a c d 介质访问机制和1 坚持二进制指数后退( b i n a r y e x p o n e n t i a lb a c k o i f , b e b ) 算法处理冲突【4 ”。采用这种机制，使以太网上的各 站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。当网络负荷较小的时候，冲突很少 发生，因此延迟低。当网络负荷较重的时候，就容易出现冲突，网络性能随之 降低。由于冲突的处理具有随机性，因此数据发送的通信延迟不确定，不能保 证通信的实时性。 进入8 0 年代以后，随着网络的普及应用，传输的信息要求从单一的文本数 据发展到图、文、声、像的多媒体信息，因此对以太网通信速率、通信实时性 等方面的需求急剧增长。与此同时，微电子技术、计算机技术和通信技术的突 飞猛进也使以太网得到了飞速发展。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 以太网的传输速率从1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 g m b p s 发展到现在的1 0 g b p s ； ( 2 1 以太网的网络结构从最初的共享式向交换式发展，交换式以太网的出现是以 太网技术发展的一次重大飞跃： ( 3 ) 以太网出现了大量的信息技术，如流量控制、信息优先级、虚拟局域网等。 随着信息技术的不断发展，以太网也必将随之不断发展。 1 3 2 工业以太网 1 3 2 1 工业以太网的出现 现场总线的出现，是自动控制领域的一次变革。从8 0 年代以来，现场总线 的发展非常迅猛，但其中也暴露出许多不足【l ”1 6 3 】： ( 1 ) 现有的现场总线标准过多。自现场总线诞生以来，世界各大厂商纷纷投入了 大量人力和资金，开发了上百种现场总线，其中开放的现场总线也有二、三十 种。虽然广大仪表和设备开发商以及用户对统一的现场总线呼声很高，但由于 技术和市场经济利益等方面的冲突，各种现场总线经过l o 多年的争论也无法达 成统一。1 9 9 9 年千呼万唤中国际标准i e c 6 1 1 5 8 终于出台，但包含了8 个标准，未 能统一到单一标准上来。对用户而言，多标准等于无标准。 第章绪论 ( 2 ) 现场总线在其自身的发展过程中，都沿用了各大公司的专有技