（机械电子工程专业论文）工业以太网与profibus的比较研究及其在物流系统中的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本课题以工程实践中应用比较广泛的p r o f i b u s - d p 现场总线通讯机制和使用 t c p i p 协议的工业以太网通讯机制作为研究对象，对两种通讯机制的稳定性和速 度进行了测试比较。同时还进行了可编程序控制器扫描周期与通讯速率和稳定性 的关联性研究。在课题的研究过程中，在v c 6 0 平台中使用s 7 a p i 函数库开发了一 套测试软件；该软件可以分别在两种通讯机制下进行测试，自动生成指令并下发 蛩j p l c ，然后接受p l c 的确认信息，从而获取p u 0 通讯处理周期值，并将这些周期 值以日志的方式进行物理存储：然后，由我们开发的数值处理程序对数据进行数 学期望和均方差等特征值的分析。通过对数据的比较分析，我们发现采用西门子 公司的p r o f i b u s - d p 通讯机制比采用以太网卡的通讯机制速度要快；在我们的测 试平台下，p r o f m u s - d p 在通讯速率较低时，其稳定性不如以太网机制好，但随 着p r o f i b u s d p 通讯速率的提高，其稳定性会随之增强。我们将这一比较结果应 用于济南市烟草公司配送中心项目，在这个项目中，我们以比较结论作为设计控 制系统的主要参考依据；此外，我们在这个项目中还开发了立体仓库的监控调度 系统，开发中引入了许多新的开发思想。工程的成功实施和良好的运行效果证明 了我们所做的比较研究的价值和意义。在研究过程中，还确定了一种测试p l c 平均 扫描周期的有效方法。本课题总结了p r o f m u s d p 与工业以太网各自在速度、稳 定性上的优缺点，为以后更加合理的实施物流管控一体化系统提供了可靠依据， 为将来现场总线协议的发展方向提出了实质性的建议和参考，并提供了一种试验 平台的开发设计方法。立体仓库调度系统的成功开发及应用对今后设计物流管控 一体化系统有重要的指导意义。 关键词：现场总线，工业以太网，管控一体化，立体仓库 山东火学硕士学位论文 i ! i h i il | iii i i i i i i| a b s tr a c t i nt h i sp a p e r , p r o f i b u s - d pf i e l db u sa n di n d u s t r ye t h e r n e ta r eo u rr e s e a r c h o b j e c t s t h es t a b i l i t ya n dr a t ei ne a c hc o m m u n i c a t i o nm o d ea r ct e s t e df o rc o m p a r i s o n m e a n w h i l e , r e s e a r c ha b o u tt h er e l a t i o n s h i pb c t w e e r ls e a sc i r c l eo f p r o g r a m m a b l el o 孚e c o n t r o l l e ra n dc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eh a sb e e np u tu p ih a v ed e v e l o p e do n et e s t s o r w a r ei ne hl a n g u a g e t h es o f t w a r ec a l lc r e a t ei n s t r u c t i o na n ds e n di tt op l c a u t o m a t i c a l l y a f t e rr e c e i v i n gt h eo o n f l l 强i n f o r m a t i o nf r o mp l c , t h es o f t w a r ec a ng e t t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c l ea n dw r i t et h ev a l u et oo n el o gf i l e t h e n ，t h ea n a l y s i ss o f t w a r e w h i c hi sd e v e l o p e db yo u r s e l v e sc a nd e a lw i t ht h el o gf i l e 。t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n ，w e f o u n dt h a tp r o f i b u s - d pc o m m u n i c a t i o ni sf a s t e rt h a ni n d u s t r ye t h e r n e ti ns i e m e n s s p r o d u c t s i no g rt e s tp l a t f o r m ，t h es t a b i l i t yo fi n d u s t r ye t h c m e ti sb e t t e rt h a nt h e s t a b i l i t yo fp r o f i b u s * d p , b u tt h es t a b i l i t yo fp r o f 璐u s - d pi se n h a n c e di ft h e c o m m u n i c a t i o nr a t ei n c r e a s e s w ep u tt h ec o n c l u s i o ni n t oo n ep r o j e c t i nt h ep r o j e c t , t h e d e s i g no f c o n t r o ls y s t e mi sb a s e du p o nt h ec o n c l u s i o n f u r t h e r m o r e ，w eh a v ed e v e l o p e d t h ew e s ( w a r e h o u s eo x e c u t es y s t e m ) 。r u n n i n gs u c c e s s f u l l yp r o v e st h ev a l u eo fo u r c o m p a r i s o nr e s e a r c h d u r i n gt h er e s e a r c h , w ef o u n do n em e t h o dt h a tc o u l dg a i nt h e a v e r a g es c 孤c i r c l eo fp l c t h ep a p e rd r a w sac o n c l u s i o nt h a ti n c l u d e st h em e r i t sa n d d e f a u l t si ns t a b i l i t ya n dr a t eb e t w l 跫np r o f i b u s - d pa n di n d u s t r ye t h e m e t 髓e c o n c l u s i o ni sv e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ff i e l db u sp r o t o c 0 1 t h e d e v e l o p m e n tw a y i sh e l p f u lt oo t h e rd e s i g n e r sa sd e v e l o p i n ga u t o m a t i cw a r e h o u s e k e y w o r d s ：f e i l d b u s , i n d u s t r ye t h e m e t , l o g e s t i c si n t e g r a t i o n , t r i d i m e n s i o n a l w a r e h o u s e 山东大学硕士学证论文 1 a , a l i m i # s ! g e s 原刨燃声明和关于论文饿用授权的说明 原锚性声唆 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本入在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注唠引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发袭或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文审以明确方式标明。本声裙 的法律责任由本入承担。 论文作者签名：葛堡叁 酱麓：超查竺：兰 关子学位论文使用授权豹声髓 本人宪全了解由东大学有关傈窜、使麓学位论文的筑定，舔意学较徐餐或岛 国家骞关部门袋瓤秘送交谂文豹复露终窝电子叛，允诲论文被套阕帮氆阕；本人 授权山东大学可以将本学饿论文的全部或部分内容编入有关数据库进彳亍检索，可 以袋用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密盛应遵守此规定) 论文作者签名雄导师签名 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装 置系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线【l 】。工业以太网就是结合了 t c p i p 协议的以太网【2 翔。 目前，已出现各式各样的现场总线有一百多种，其中宣称为开放型总线的就 有4 0 多种，并出现了各式各样的地区与国家标准，由此引发了现场总线的国际标 准大战。i e c t c 6 5 负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的s c 6 5 c w g 6 于 1 9 8 4 年就开始着手标准的制定，并致力于推出世界上单一的现场总线标准。在历 经多年争斗与调节的努力之后，于2 0 0 0 年初宣布有i e c 6 1 1 5 8 、c o n t r o l n e t 、 p r o f i b u s ，p - n e t ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，n e w c o m e rs w i f t n e t ，w o r l d f i p ，i n t e r b u s - - s 这8 种现场总线标准为i e c 现场总线国际标准子集。这一结果宣告了制定世界上 单一现场总线标准愿望的破灭。i e c 现场总线国际标准制定的结局也向世人表明， 在相当长一段时期内多种现场总线并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临 困难的复杂局面。无论是最终用户还是制造商，普遍都关注现场总线技术发展的 新动向，都在寻求高性能低成本的解决方案1 4 5 6 7 1 由于不同现场总线之间的技术特点与设计特征都不同，基于不同现场总线的 产品之间不能实现透明信息互访。由于现场总线的多样性和标准的不统一，使得 现场总线技术难以得到更大面积的推广应用，并在一定程度上阻碍了现场总线技 术的发展。针对现场总线标准不统一这一现状，人们把目光投向了以太网领域。 今天，以太网已无可争议地成为管理信息层的主要网络技术。随着互联网技术的 普及与推广，以太( e t h 髓 n e o 通信速率提高，交换技术得到发展，使得它受到了 全球的拥护和软硬件支持，并迅速发展和普及。那么，以太网能否直接应用于工 业现场设备间的通信? 对于这一问题，目前依然存在极大争论【8 9 1 。 “实践是检验真理的唯一标准”，但目前对以太网与现场总线通讯机制的比 较试验，极少有人做过。2 0 0 3 年，东北大学的张鸿与高福祥做了现场总线技术 的比较及应用分析研究，该研究主要对象是目前六种应用较广泛的现场总线进 行了技术特点的比较分析，并结合了实际应用，但其并未进行以太网与现场总线 山东大学硕士学位论文 进行比较。山东大学的许晓伟做了生产物流系统的控制和监控调度的研究， 较深入的介绍t p r o f i b u s 总线在生产物流中的应用及控制网络的优化方法，但未 涉及到p r o f u s 与以太网通讯机制的比较课题。此外，笔者还研读了国内外相关 文献，几乎没人做过这两种通讯机制的比较研究，这就是本课题目前的基本研究 现状。 1 2 课题来源 现代物流即一体化物流、综合物流。现代物流业始于2 0 世纪6 0 年代，目前已经 发展成为最热门的行业之一。我国自2 0 世纪8 0 年代初从国外引入现代物流概念以 来，物流业发展很快。目前我国已经拥有相当数量的物流园区和配送中心。开发了 一系列现代物流技术，取得了一大批具有自主知识产权的创新成果。但与世界先进 水平相比，物流技术在整体上还比较落后。其中，信息技术应用水平低严重的影响 和制约了我国物流自动化水平的提高。因此，构建快速高效的现代物流管控一体 化系统成为提高我国物流技术水平的关键 i o , 1 1j 。 实现管控一体化的关键是要具有一个能在工业现场运行的、可靠性高、实时 性强、造价低廉的网络系统 1 2 , 1 3 1 对于一个物流管控系统来说，首先应该在监控 级主干网上将各个子系统进行技术融合，与管理信息系统实现无缝连接。可见， 选择一种合理开放的通讯协议是非常必要的，稳定、可靠的通讯方式是实施管控 一体化的关键【1 4 】。 山东大学现代物流中心与济南兰剑物流科技有限公司在项目实施过程当中会 经常遇到在监控调度级控制系统中选择何种通讯机制最为合适的问题，这一问题 在整个系统的实施当中占据着举足轻重的地位，结合当前现场总线协议发展过程 中存在的问题，以及以太网能否最终统一现场总线标准的争论促成了本课题的诞 生。 综上所述，本课题主要来源于三个方面：首先，现代物流工程的实际需要； 其次，现场总线发展过程中的协议不统一；最后，以太网通讯协议能否取代各种 现场总线的争论。 山东大学硕士学位论文 1 3 课题的内容、目的及意义 本课题研究的主要内容包括： p r o f i b u s d p 与以太网通讯机制原理分析比较 通讯机制上位机测试软件开发 数值分析处理程序开发 p l c 控制系统设计及相关p l c 程序开发 引入数学方法分析并总结试验结论 p l c 扫描周期与通讯速率的关联性研究 济南市烟草公司配送中心自动立体仓库监控调度程序开发、数据通讯 协议制定、控制系统架构设计 本课题的目的是：分别在两种通讯机制下，进行大量的试验测试，通过对获 取的可靠试验数据分析，比较出工业以太网与p r o f i b u s d p 在速度与稳定性上差 异，然后以这个比较结论为指导，对一个现代物流配送中心管控一体化系统进行 设计开发。 本课题的意义主要有以下四个方面：第一，为目前的以太网能否取代现场总 线的争论从实际测试的角度提供一种参考；第二，比较测试的结论对于架构一个 合理高效的物流管控系统有极大的指导意义；第三，以比较测试结论为指导，进 行了一个现代物流配送中心项目的开发，实践上进一步证实了研究结论；第四， 加速了物流管控一体化系统的推广应用。 山东大学硕士学位论文 第2 章现场总线与以太网技术 2 1 工业以太网( 1 e ) 技术简介 什么是“以太网”? 以及什么是i e e e 8 0 2 3 及t c p i p 技术? 在讨论以太网技术 及现场总线技术之前，有必要先澄清一下这几个基本术语的含义。 以太网的形成过程：美国施乐( x e r o x ) 公司的p a l oa l t o 研究中心于1 9 7 5 年研 制成功l m e t c 7 6 1 ，该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的 “以太( e t h e r ) ”命名。在1 9 8 1 年，美国施乐( x e r o x ) 公司与数字装备公司 ( d i g i t a l ) 、英特尔( i n t e l ) 公司联合推出以太网( e t h e r n e t ) 规约 e t h e 8 0 1 0 。1 9 8 2 年该规约修改为第2 版，d i xe t h e r n e tv 2 。因此：“以太网”应该是特指“d i x e t h e r n e tv 2 ”所描述的技术 i e e e 8 0 2 3 的形成：在8 0 年代初期，美国电气和电子工程师学会i e e e8 0 2 委员 会制定出局域网体系结构，f l p i e e e 8 0 2 参考模型。i e e e8 0 2 参考模型相当于o s i 模 型的最低2 层，两者的比较请参见图2 - i i e e e8 0 2 委员会于1 9 8 3 年以d i xe t h e r n e tv 2 为基础，推出了i e e e 8 0 2 3 。 i e e e 8 0 2 3 又叫做具有c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 的网络。c s m a c d 是 i e e e 8 0 2 3 采用的媒体接入控制技术，或称介质访问控制技术因此，i e e e 8 0 2 3 以“以太网”为技术原形，本质特点是采用c s m a c d 的介质访问控制技术。“以太 网”与i e e e 8 0 2 3 略有区别。但在忽略网络协议细节时，人们习惯将i e e e 8 0 2 3 称 为“以太网”1 3 】。 o s l 参考模型 i e e e8 0 2 参考模型 图2 - 1o s i 参考模型与i e e e 8 0 2 参考模型对比【3 j 4 山东大学硕士学位论文 1 t c p i p 是o s i 参考模型的网络层和传输层。传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 主要完成开放系统之间的数据传送控制，主要功能是开放系统 之间数据的收发确认。同时，用于弥补各种通信网络的质量差异，对经过下三层 之后仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提高可靠性。另外，通过复用、分段 和组合、连接和分离、分流和合流等技术措施，提高吞吐量和服务质量。简单而 言，t c p 的任务是按照其原先发送的顺序可靠地传输数据，过滤掉重复的，在可靠 的数据传输不再可能实现的情况下重新发送数据并指示出错。网络层i p ( i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议，主要功能是利用数据链路 层所提供的相邻节点问的无差错数据传输功能，通过路由选择和中继功能，实现 两个系统之间的连接f 】习。 可见，所谓的工业以太网就是在传统以太网基础之上结合了t c p i p 协议。 2 2 现场总线p r o f i b u s d p 协议的特点 2 2 1 现场总线概述 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统包括：基于p c 、p l c ，d c s 产品的分布式控制系统。其主要特点之一是：现场层设备与控制器之间的连接是 一对一的i o 接线方式，信号传递4 - 2 0 m a ( 传送模拟量信息) 或2 4 v d c ( 传送开关 量信息) 信号【1 6 】。传统方式的控制集成系统存在以下缺点： 信息集成能力不强 系统不开放、可集成性差、专业性不强 可靠性不易保证 可维护性不高 由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备 智能化，即内置c p u 控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调 节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口( 如r s 一2 3 2 4 8 5 ) 是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方 式( 而不是i o 方式) 完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都 具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散 山东大学硕士学位论文 的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。 基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接 口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是i o ( 4 - 2 ( h n a 2 4 v d c ) 信号， 而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化 监控及信息集成系统。 其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总 线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相 连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。现场 总线技术产生的意义有【i i ： 孛现场总线( f m l r b u s ) 技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工 业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技 术可使用一条通信电缆将现场设备( 智能化、带有通信接口) 连接，用数字化通 信代替4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 母传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号， 信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，严重制约了企业 信息集成及企业综合自动化的实现。 基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统 与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围 一直延伸到生产现场。在计算机集成制造系统中，现场总线是工厂计算机网络到 现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 此外，基于现场总线的自动化监控及信息集成系统的主要优点有： 夸增强了现场级信息集成能力 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及计 算机集成制造系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代 4 - 2 0 m a 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制， 还可完成远程参数化工作。 o l o 开放式、互操作性、互换性、可集成性 不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备 6 山东大学硕士学位论文 具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如 控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向 行业特点的监控系统。 系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i o 连线，对 于大规模i o 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场 级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修 改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 降低了系统及工程成本 对大范围、大规模i o 的分布式系统来说，省去了大量的电缆、i o 模块及电缆 敷设工程费用，降低了系统及工程成本。 现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造 ，。 商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产产品，系 统集成商们能按照标准将不同产品组成系统。 2 2 2p r o fib u s 协议技术特点 p r o f m u s 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广。 泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技 术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为 实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案【。 p r o f u s 由三个兼容部分组成，即p r o f m u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 、 p r o f m u s p a ( p r o e e s sa u t o m a t i o n ) 、p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u s m e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。p r o f i b u s d p ：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与 分散式i o 的通信。使用p r o f m u s - d p 可取代2 4 v d c 或4 - 2 0 m a 信号传输。 p r o f m u s p a ：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上， 并有本征安全规范。p r o f i b u s - f m s = 用于车间级监控网络，是一个令牌结构、 实时多主网络。 山东大学硕士学位论文 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互联网络( o r l e l l s y s t e m i n t e r e o n n e e t i o n - - o s i ) 嚣必参考搂鍪熬。该穰鍪共鸯法，蟊蚕2 名掰示： p r o f i b u s d p 定义了第一、二层和用户攘口。第三剿七层未加描述。用户 接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的皮用功能，并详细说明了各种不同 p r o f i b u s - d p 设备勰凌茎行为。 p r o f i b u s f m s ：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线储息规范 ( f i e l d b u sm e s s a g es p e e i f i e a t i o n - f m s ) 和低层接蕊( l o w e rl a y e ri m e r f a c 妒- - l l i ) 。 f m s 怠攒了应霜协议弗淘用产提供了可广泛选糯的强有力静通信服务。毛氘l 协调不 同的通信关系并提供不依赖设备的第= 层访问接口【。 圈2 ”2p r o f t b u s d 议分层示意 p r o f m u s - p a ：p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s - d p 协议。另外，p a = 还 描述了现场设备行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术可确保其本 薤安全魏，瑟基可逶避总线绘瑗场浚冬袋毫。傻耀连接器胃崧d pi - 扩震p a 溺络l ”。 p r o f 毋u s 提供了三种数据传输类型：用予d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输、用于p a 的i e c l1 5 8 - 2 传输，光纤。由于d p 与f m s 系统使用了同样的传输技术和统一的总 线谤闻褥议，嚣嚣，这嚣套系统霹在露一蔽毫缆上霜露操偌。 r s - 4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为h 2 。 s 山东大学硕士学位论文 采用的电缆是屏蔽双绞铜线。 r s - 4 8 5 传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：9 6 kb i t s - - 1 2 mb w s 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。 站点数：每分段3 2 个站( 不带中继) ，可多到1 2 7 个站( 带中继) 。 插头连接：最好使用9 针d 型插头。 i r s 4 8 5 传输设备安装要点： n 全部设备均与总线连接 口每个分段上最多可接3 2 个站( 主站或从站) 口每段的头尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差 口两个总线终端电阻必须永远有电源 口当分段站超过3 2 个时，必须使用中继器用以连接各段总线，串联的中继器 一般不超过3 个 r n 电缆最大长度取决于传输速率。如使用a 型电缆，则传输速率与长度见 表2 1 吐 表2 - 1p r o f i b u s - d p 通讯速率 波特率( k b l t s )9 61 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 0 01 2 0 0 0 距离假( 米)1 2 0 01 2 0 01 2 0 01 0 0 04 0 02 0 01 0 0 r l 当连接各节点时，应确保数据线不发生短接，系统在高电磁发射环境( 如 汽车制造业) 下运行应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性( e m c ) 口如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大 面积屏蔽接线来覆盖，以保持良好的传导性，另外数据线必须与高压线隔 离 口超过5 0 0 k b i t s 的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有 的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何 时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信 总线系统行为主要取决于d p 主站的操作状态，这些状态由本地或总线的 9 山东大学硕士学位论文 配置设备所控制。主要有以下三种状态： 停止：在这种状态下，d p 主站和d p 从站之间没有数据传输。 清除：在这种状态下，d p 主站读取d p 从站的输入信息并使输出信息保持 在故障安全状态。 运行：在这种状态下，d p 主站处于数据传输阶段，循环数据通信时，d p 主站从d p 从站读取输入信息并向从站写入输出信息。 d p 主站与从站的数据交换原理如下【1 8 m 1 ： d p 主站设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本 地状态周期性地发送到每一个有关的d p 从站。如图2 3 所示。 如果在d p 主站的数据传输阶段中发生错误，d p 主站将所有有关的d p 从站 的输出数据立即转入清除状态，而d p 从站将不在发送用户数据。在此 之后，d p 主站转入清除状态。 图2 3p r o f i b u s 主从站数据交换原理 d p 主站和相关d p 从站之间的用户数据传输是由d p 主站按照确定的递归顺序 自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对d p 从站与d p 主站的关系做出规定， 确定哪些d p 从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。d p 主站和d p 从站 间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段，每个 从站将自己的实际组态数据与从d p 主站接受到的组态数据进行比较。只有当实际 数据与所需的组态数据相匹配时，d p 从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备 类型、数据格式、长度以及输入输出数量必须与实际组态一致。 除主一从功能外，p r o f i b u s d p 允许主一主之间的数据通信，这些功能使组 态和诊断设备通过总线对系统进行组态。除自动执行的用户数据循环传输外，d p 主站设备也可向单独的d p 从站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命 令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开d p 从站的同步及锁定模式， 山东大学硕士学位论文 用于d p 从站的事件控制同步。主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。 在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据 传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变：当接收到 下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命 令退出同步模式。锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站 的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用 户可以通过非锁定命令退出锁定模式【2 1 l 。 对d p 主站d p m l 使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站 都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定 时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能 “使能”，d p m l 将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态， 并进入清除状态1 2 2 1 。 为了将不同厂家生产的p r o f i b u s 产品集成在一起，生产厂家必须以g s d 文件 ( 电子设备数据库文件) 方式提供这些产品的功能参数( 如i o 点数、诊断信息、 波特率、时间监视等) 标准的g s d 数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据 g s d 文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。 2 3 以太网与现场总线技术的比较 2 3 1 物理层 现场总线 一 传输介质多数采用屏蔽双绞电缆( r s 4 8 5 ) 、光纤、同轴电缆， 以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方 案，以适应不同场合需要。 - 插件各种防护等级工业级的接插件。 - 线供电及本质安全如i e c 6 1 1 5 8 _ - 2 ，用于流程控制及要求防 爆功能的场合。 一 编码异步n r z 、位同步曼彻斯特编码等。 - 传输速率9 6 k 1 2 m b p s 。 山东大学硕士学位论文 以太网 - 传输介质u t p 3 类线、u t p 5 类线、屏蔽双绞电缆、光纤、同 轴电缆，无线传输的解决方案。 - 插件p u 4 5 ，a ：u i ，b n c 。 - 总线供电及本质安全。 - 编码同步、曼彻斯特编码。 - 传输速率i o m 、1 0 0 m 。 2 3 2 介质访问控制方式 现场总线现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求， 即通信的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的； 实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。目 前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有：令牌、主从、生产者客户 ( p r o d u c e r c o n s u m e r ) t 1 1 。 以太网 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 是以太网( 或i e e e 8 0 2 3 ) 采用的介质访问控制方式，如果不是这样就不是以太网( 或i e e e 8 0 2 3 ) ；比如采用 令牌调度方式，应是基于i e e e8 0 2 4 令牌总线网。根据c s m a c d ( 载波监听多路访 问肿突检测) 机理，它不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。由于以太网 与c s m a c d 具有对等的技术内涵，可以说以太网不是传统工业网络要求的实时性 和确定性网络f 2 1 1 。 2 3 3 传输效率 不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中，除了有效传输数据之外， 还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映 的网络有效数据传输的效率，或者说反映一次有效数据传输的代价。通常网络传 输的报文格式如下【3 1 ： 附加字段 i有效数据 附加字段 山东大学硕士学位论文 传输效率= 忑& 郦丽毒霎妻萋譬淼 表2 2 以太网通讯方式与现场总线p r o f i b u s 通讯方式通讯效率比较脚 以太网现场总线p r o f i b u s 全部附加字段长= 2 6 字节全部附加字段长= 1 1 字节 最大有效数据长= 1 5 0 0 字节最大有效数据长= 2 4 4 字节 最小有效数据长= 1 - 7 节最小有效数据长= 1 字节 最大传输效率= 1 5 0 0 ( 1 5 0 0 + 2 6 ) = 9 8 强最大传输效率= 2 4 4 1 ( 2 4 4 + 1 1 ) = 9 5 6 9 最小传输效率= i ( i + 2 6 + 4 5 ) = 1 _ 3 9 最小传输效率= i ( i + 1 1 ) = 8 3 3 工业网典型传输数 传输效率 工业网典型传输数 传输效率 据量据量 ( 字节)( 字节) 8l l l l 84 2 1 1 1 6 2 2 ，2 臻 1 6 5 9 2 矾 2 43 3 3 3 2 46 8 5 7 3 24 4 4 4 3 27 4 4 器 4 05 5 5 5 4 07 8 4 3 4 86 4 8 6 4 88 1 3 肼 5 6 6 8 2 9 5 6 8 3 5 麟 6 4 7 1 1 1 6 4 8 5 3 强 1 2 88 3 1 l 1 2 8 9 2 0 2 4 本章小结 这一章主要介绍了接下来几章所需要的基础知识，对现场总线和以太网技术 的发展现状进行了介绍，并详细介绍了工业以太网的定义及主要特点，深入分析 了p r o f i b u s 的协议特点及通信处理机制；另外，对p r o f i b u s 和工业以太网( 正) 两种通讯机制的物理层、介质访问、传输效率等特性进行了详细的分析比较，为 接下来的试验研究提供了翔实的理论依据。 山东大学硕士学位论文 第3 章通讯比较测试试验平台开发 3 1 测试方案的确定 尽管目前的现场总线种类众多，但没有一家公司把以太网这种开放的通讯协 议在现场级控制系统当中得以真正实现，我们要进行现场级控制系统中实现对两 种方式的比较测试存在一些无法克服的困难。而在监控调度级的控制系统中，实 现对两种通讯机制的比较测试的可行性极大。因此，我们可以把测试系统搭建在 监控调度级控制平台上。基于这个平台，我们可以实现除通讯介质外其他软、硬 件配置基本相同，在测试不同的通讯机制时使用不同的通讯介质，这样测出的数 据会具有很好的可比性2 2 0 3 2 4 】。 在目前的自动化控制领域，西门子公司主推的p r o f i b u s 现场总线协议的应用 非常广泛。从上一节的介绍中，我们可以看出p r o f i b u s 具有典型的现场总线特征。 p r o f i b u s 协议中的p r o f i b u s - d p 因为其经济性和稳定性等，更是受到了用户的 欢迎，且目前在控制领域已得到了广泛的应用和推崇，尤其是在物流管控一体化 系统当中的应用更为广泛所以，选择p r o f m u s d p 作为现场总线的典型代表， 作为现场总线通讯机制的测试模型。 工业以太网在通讯速率，安全性等特征上与管理层使用的局域网并无什么不 同。网络技术的快速发展使目前的网络通讯速度得到极大提高，最常应用的通讯 速度为1 0 0 m b p s ( mb i t s ) 。因此我们选用更为稳定的网络直连方式，通讯速率定 为1 0 0 m b p s 。选择西门子公司的c p 3 4 3 1r r 工业以太网卡作为工业以太网通讯机制 的测试对象。 我们在搭建测试平台的时候，选择了西门子公司的系列硬件。这样做的原因 主要有以下三个原因：首先，p r o f i b u s - d p 是西门子公司主推出来的，其产品应 该具有良好的特征性能；其次，西门子公司的p l c 系列产品在业界拥有良好的口碑， 质量稳定、可靠；最后，西门子公司在物流自动化系统中应用很广泛，而我们的 课题正是来源于物流管控一体化的实施。 以上基本测试方案的确定主要是基于：课题来源于物流行业的项目应用， 因此该方案应具有物流仓储控制系统的常规特点；方案中所采用的模块在实际 山东大学碰士学彼论文 工程中其裔稷其广泛的应用，傻测试更暴有代表镶；髓实现除透讯介质拜软、 硬件平台的大体一致性，从而使测试更具有更好的可比性。 3 2 硬件环境配置 3 。2 。1p l c 控剃系统构成 - 可编程序控制器：西门予s 7 3 0 0 ( c p u 3 1 5 2 d p ) 一 p l c 电源模块：矮门子p s 3 0 71 0 a 数字输入模块；西门子s m 3 2 1d 1 1 6 x d c 2 4 数字输出模块：题门子s m 3 2 2d 0 1 6 x r e l a c l 2 0 v 2 3 0 v 一 模拟输入输出模块：西门予s m 3 3 2a 1 4 ，a 0 2 x 8 ，8 b i t 一 工业以太网网卡：c p3 4 3 1r r 现场总线；辩t u s d p 线、总线端予 要使一个控制系统的各个模块正常工作，必须在系统运行之前使用s t e p 7 软 件进行硬释组态。s t e p 7 是嚣门子p l c 豹配套开发软俘，谈软件昊有p l c 程亭开 发，硬件组态，通讯参数设定等功能2 5 州。在s t e p 7 中的硬件组态方法见图3 1 。 图3 - 1 测试p l c 控制系统硬件组态 3 2 2 上位计算杌硬件配置 戴尔计算机：主频2 0 g 的c p u 、2 5 6 m 内存 - 现场总线适配芯片：西门予c p 5 6 1l 卡 出东大学磺士学位论文 一普通网卡：1 0 0 m b p s 的通讯速率 魏络麓连线：2 米( 暂镬逶试速率达戮l o o m ) 测试系统的架构如图3 2 所豕。c p 5 6 1 l 卡用来实现将普通上位机计算集成到 现场总线系统中，形成p r o f i b u s - d p 网络；普通溺卡与工业以太网卡经过普通耐 线连接，凌监控调度层实现工业以太网遴讯f 2 7 1 。 3 2 3 虚拟现场设备( v f d ) 配置 我们选用了c p 3 4 3 1 以太网卡作为我们进行以太网通讯方式的测试模型。在 系统运霉之兹，筹爱势苏太霪专撂定一个垮苏与上蹙掇萎连戆p 缝缝，方法是褒 s t e p 7 软件的硬件组态中实现【2 8 1 ，见图3 3 。 p 1 c y - 机以叁网攘块 毽3 2 测试p l c 控制系统硬件组态 圈3 3s t e p 7 硬件组态时以太网卡配鬣 1 6 由东犬学矮学位论文 v f d 是一种类似o p cs e r v e r 的现场设备驱动连接动态服务器。这个服务器为上 位机程序提供了一种访问现场p l c 的通道。对上位机程序来讲，所有需甍下发给 p l c 豹指令信患都可以先下发给在v n ) 6 e 事先建立好的殿用( a p p l i c a t i o n ) ，融该应 震来完残与p 珑乏鬻戆墓惠交夏。鬣鬃戆其俸实瑗方法惫戆疆下主要步骤： 安装s o f t n e ti e 软伟，打开组态控制螽程序( c o n f i g u r ec o n s o l e ) ， 使网卡绒者c p 5 6 1 l 卡处于来被其他应用占用状淼： - 打开代理配置向导( c o m m i s s i o n i n gw i