（控制理论与控制工程专业论文）多点过程的嵌入式远程监控以太网构建.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 多点过程的嵌入式远程监控以太网构建 摘要 随着网络技术的发展，远程监控系统在工业过程、人民生活、实验教 学方面有了越来越多的应用。让全世界的设备都联入互联网已经成为共识。 特别是在高校实验教学方面，随着近年来的高校扩招，对教学实验设备、 科研仪器的需求不断增加，这也就必然导致了实验室资源与不断增加的学 生人数之间的矛盾。所以，建立网络化的远程监控实验平台可以突破实验 教学在时间和空间上的限制，很好地解决这一矛盾。 整个系统以e t h e r n e t 为网络框架基础。采用了以太网交换技术、全双工 技术、负载限制策略等方法来提高网络的实时性。为了使串口实验设备联 入以太网，在上位机能应用组态软件对现场设备进行远程监控和实验，本 文设计了嵌入式联网模块。在硬件上，嵌入式联网模块采用了t i 公司的 m s p 4 3 0 单片机和c i r r u s 公司的以太网控制芯片c s 8 9 0 0 a 作为控制核心， 设计了主控制器模块、以太网控制模块、串口通信模块、电源与复位模块。 软件方面，采用模块化设计思想从功能上分成了四个模块，分别为初始化 模块、数据接收处理模块、数据发送处理模块和嵌入式t c p i p 模块。特别 对精简的t c p i p 协议栈进行了分析和实现。在上位机，由于本过程控制系 统实验装置有专门的组态软件，所以直接使用原来的应用软件对系统进行 远程监控和实验，只是引进虚拟串口对组态软件进行简单的网络化设计。 这种方法对系统稳定性和可靠性都有很好的效果。 构建多点过程、实时控制的远程监控以太网不仅能在高校实验教学上 太原理工大学硕士研究生学位论文 解决学生人数多与实验设备少的矛盾，也可以应用到工业过程中对现场设 备进行远程的监控。特别是在较为恶劣的工业环境中，有着很好的应用前 旦 尿0 关键词：远程监控，以太网，串口通信，过程控制 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o n s t r u c t i o no fr e m o t ec 0 l n t r o le t h e r n e t - b a s e d e 毋e d e ds y s t e ma n dm u it i p o i n tp r o c e ss a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m h a sb e e nm o r ea n dm o r ea p p l i e di nt h ei n d u s t r i a lp r o c e s s ，t h ep e o p l e sl i v e l i h o o d a n de x p e r i m e n t a lt e a c h i n g m a k i n ga l lo ft h ee q u i p m e n t sa r o u n dt h ew o r l dl i n k i n t ot h ei n t e m e th a sb e c o m eac o n s e n s u s e s p e c i a l l yi nt h ea r e ao fe x p e r i m e n t a l t e a c h i n g ，t h e d e m a n df o r t e a c h i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n t s a n ds c i e n t i f i c i n s t r u m e n t si si n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l yw i t ht h ee x p a n s i o ni nu n i v e r s i t yi nr e c e n t y e a r s ，w h i c hw i l ld ol e a dt ot h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h el a b o r a t o r yr e s o u r c e s a n dt h ee v e r - i n c r e a s i n gn u m b e ro fs t u d e n t s t h e r e f o r e ，e s t a b l i s h i n gr e m o t e m o n i t o r i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nn e t w o r kc a nb r e a kt h ec o n s t r a i n to f e x p e r i m e n tt c a c h i n go nt i m e & s p a c e ，a n ds o l v et h ec o n t r a d i c t i o nw e l l t h ew h o l es y s t e mi sb a s e do ne t h e r n e tf r a m e w o r k e t h e r n e ts w i t c h i n g t e c h n o l o g y ，f u l l - d u p l e xt e c h n o l o g ya n dl o a d l i m i t ss t r a t e g i e sa r eu s e dt o i m p r o v et h er e a l t i m eq u a l i t yo fn e t w o r k i no r d e rt oe n a b l et h el a b o r a t o r y e q u i p m e n t sw i t hs e r i a lp o r t sl i n k i n gt oe t h e r n e t ，t h el o c a le q u i p m e n t sc a nb e i n g m o n i t o r e d & o p e r a t e db yr e m o t ep c ae m b e d d e dn e t w o r k i n gm o d u l e i s d e s i g n e di n t h i sp a p e r o nt h eh a r d w a r e ，t i sm s p 4 3 0m c u a n dc i r r u s s e t h e r n e tc o n t r o lc h i pc s8 9 0 0 aa r eu s e da st h ec o n t r o lc o r eo fe m b e d d e d 太原理工大学硕士研究生学位论文 n e t w o r k i n gm o d u l e t h ec h i e fc o n t r o l l e rm o d u l e ，e t h e r n e tc o n t r o l l e rm o d u l e ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，p o w e ra n dr e s e tm o d u l ea r ed e s i g n e d a c c o r d in g t om o d u l a rd e s i g ni d e a ，t h ew h o l es o f t w a r ei sd i v i d e di n t of o u rf u n c t i o np a r t s ： i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，d a t ar e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t as e n d i n ga n d p r o c e s s i n gm o d u l ea n de m b e d d e d t c p i pm o d u l e s p e c i a l l y ，t h es i m p l et c p 1 p p r o t o c o ls t a c ki sa n a l y z e da n d r e a l i z e d t h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e me x p e r i m e n t a l d e v i c ei sm a t e dw i t hs p e c i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s ot h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei su s e dd i r e c t l yt or e m o t em o n i t o r i n ga n de x p e r i m e n t ，w h i c hi sj u s t i m p r o v e ds i m p l yb yu s i n gv i r t u a ls e r i a lp o r t t h em e t h o dh a sg o o de f f e c t o n i m p r o v i n gt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m i tn o to n l yc a ns o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro f s t u d e n t sa n d f e wl a b o r a t o r y e q u i p m e n t s o n e x p e r i m e n tt e a c h i n g t h a t c o n s t r u c t i n ge t h e r n e tb a s e dr e m o t er e a l t i m ec o n t r o la n dm u l t i p o i n tp r o c e s s ， b u ta l s oc a nb ea p p l i e dt oi n d u s t r i a lp r o c e s sf o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e l o c a le q u i p m e n t s e s p e c i a l l yi th a sb e t t e ra p p l i c a t i o ni nt h ew o r s ee n v i r o n m e n t o fi n d u s t r y k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ，e t h e r n e t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，p r o c e s s c o n t r o l l v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索引 图2 1 现场总线控制系统结构图6 图2 2 信息化与自动化层次模型1o 图2 3p c t - i 型过程控制系统实验装置1 1 图2 4 以太网硬件系统总体框架1 2 图2 5i s o o s l 与t c p i p 的层次对应关系1 3 图2 6t c p i p 协议的层次结构1 4 图2 7 套接字编程时序图2 3 图3 1 模块硬件电路框图2 6 图3 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机结构图2 7 图3 3 主控制器m s p 4 3 0 模块电路图2 9 图3 4c s 8 9 0 0 a 结构图3 0 图3 5 以太网接口模块电路图3 1 图3 6 串口通讯模块电路图3 2 图3 7 电源模块电路图3 3 图3 8 复位模块电路图3 3 图4 1 软件模块图：3 4 图4 2 数据接收子程序流程图：3 7 图4 - 3 数据包在协议栈中封装3 8 图4 4 含u d p 的以太网帧3 8 图4 5 含a r p 的以太网帧3 8 图4 6 数据发送模块软件流程图3 9 图4 7 数据封装示意图4 1 图4 - 8 以太网的封装格式4 2 图4 9a r p 报文处理流程4 4 图4 1 0 网络层处理流程4 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图4 1 1i p 数据包首部格式4 6 图4 1 2t c p 连接的建立和断丌4 9 图5 1 两层的客户端，月艮务器应用系统5 1 图5 2b r o w s e r s e r v e r 结构5 2 图5 3 串口重定向软件界面5 4 图5 4 网络测试图5 5 图5 5 串口参数设置5 5 图5 6 一阶液位控制组态5 6 表2 - 1i s o o s i 与t c p i p 的差异1 4 i x 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：拯互置邀 日期：丝堂：主! ：2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签+ 名：盈红逛日期：丝鲨：竺：2 导师签名： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 概述 第一章绪论 随着e t h e m e t 技术和应用的发展，以太网从办公自动化走向工业自动化。首先是通 信速率的提高，e t h e m e t 从i o m 、l o o m 到现在的1 0 0 0 m 、1 0 g ，速率的提高意味着网络 负荷减轻和传输延时减少，网络碰撞几率下降；其次由于采用双工整形网络拓扑结构后 的e t h e m e t 交换技术，使以太网交换机的各端豳之间数据帧的输入和输出不再受 c s m a c d 机制的制约，避免了冲突；加上全双工透信方式使端曰瓣两对双绞线( 或两 根光纤) 上分别同时接收和发送数据，两不发生冲突。这样，全双工交换式e t h e m e t 能 避免因碰撞丽引起的通信响应不确定性，保障通信的实时性l l 】。 网络化的远程监控系统是种可以完成实时控制又能对控制过程实行优化的控制 系统，是门集自动控带4 技术、计算机技术和网络技术为一体的高新技术产物，具有控 制功能强、操作简单和可靠性高等特点，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管 理，在化工、电力、冶金等过程自动化领域的应用已经十分普及。特剐是工监以太网的 出现，使褥以太网技术在实时性、可操僚性、可靠牲以及抗干扰性等方醛有了相当大的 进步。把各种工业控制设备和仪器仪表联入网络，实现远程监控越来越成为需要，目前 使用最广泛的以太网以及t c p i p 协议已经成为最常用的网络标准之一，它的高速性， 可靠性、灵活性和兼容性使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 。2 研究现状及发展趋势 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络 化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最为广泛 的局域网技术，在工业鲁动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。同时，随着i n t e m e t 逮及世界的每一个焦落，人们已经进入了一个崭新的现代通信技术的时代。依靠以太网 和i n t e m e t 技术实现信息共享，能给办公自动化带来很大的变革，也必将对控制系统产 生深远的影响。 近2 0 多年来，由于微电子技术和计算机技术的飞速发展以及工业过程要求的逐步 太原理工大学硕士研究生学位论文 提高，监控系统经历了几个阶段的发展过程，结构同臻完善，技术也更加成熟，已经成 为生产自动化不可缺少的自控装置。特别是9 0 年代，监控系统硬件方面广泛采用技术 指标更先进的高档工业p c ，有的甚至采用了r i s c 工作站，软件方面引进了通用的商业 化软件包，系统互连方面采用国际标准的通用网络，逐步向信息集成的方向发展。 近年来，网络技术的飞速发展为科学仪器、仪表的远程控制提供了一种在世界范围 内共享实验设备的新途径。在此基础卜发展起来的远程实验，已经成为2 l 世纪科学实 验室进行开放性研究的重要模式。但是远程实验信息集成的研究历史还比较短，其理论 和技术尚不成熟。早在上个世纪9 0 年代初，美国全国科学合作实验室委员会就首次提 出了虚拟远程实验室概念，但是由于条件的限制，直到最近才出现若干个远程控制的实 验模型。 远程监控是国内外研究的前沿课题，1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的远程监控 诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，并且开发基于i n t e r n e t 的下一 代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了有关制造业、计算机业和仪器仪表业 内很多知名公司的支持和配合。现在，远程监控已经有了成熟的应用。 国内对于远程监控技术也已经丌展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、 哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学 研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统”、华中科技大学丌发的 “汽轮机工况监测和诊断系统”。南京理工大学开发的远程控制小高炮伺服系统，可以 进行远程数据采集，p i d 控制，并通过远程视频做到如同现场。另外南京航空航天大学 也开发出基于w e b 的远程p i d 控制电机系统，实验现场结合了现场总线和嵌入式技术， 取得了良好的效果。 由于网络远程监控技术在工业上和生活上有着广泛的运用，所以近年来，远程监控 和诊断技术引起国内外学者的广泛关注和重视，并投入大量的人力、物力进行研究。随 着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网 络监控，目前还存在着一些问题。首先，网络通信技术不足的问题，网络通信技术是远程 监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般简单采用s o c k e t 技术，甚至f t p 或e m a il 等，这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大 的欠缺。特别对于现场多个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程 监控技术对网络通信的需求。其次，网络通信中多种结构并存的问题。目前的远程监控 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统结构大多比较复杂，分布距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同 一局域网中的操作平台以及编程语言也有可能不同的问题，这就要求集成网络中的不同 平台，实现不同平台之阂的通信，这是实现远程监控的个难点【复。 1 3 选题背景及本文的主要内容 1 3 ，1 选题背景 远程监控系统应用于工业领域可以很好地解决厂房越来越大给设备管理带来的不 便，特别是在磷化工、煤矿、机械等危险及环境恶劣的场合实现远程监控，实时进行控 制、管理，有很重要的意义。也可与上级e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c e p l a n n i n g ) 系统进行通信， 建立完整的企业资源计划系统。生活应用方西，现在越来越多的应用于三表( 水表、电 表、煤气表) 查询，智熊小区建设中的门禁、电梯监控、防盗保安、家用电器的远程监控。 在高校教学方恧，高校实验室是高等院校的重要组成部分，是因家和高校的重要资 源。：实验室水平的高低也是反映一个高校的教学水平、科研水平和管理水平的标尺之一。 要普及高等教育，现有的实验室资源紧张和不断增加的高等院校学生人数的增长将成为 一对矛盾。如何高效、合理地利用现有的实验条件进行教学、科研对于提高办学水平具 有重要的意义。 本课题来源予广东省茂名学院控利理论与控制工程重点学科建设中的开放式实验 室建设。以过程控制实验室为对象，梅建多点过程、实时控制的远程监控以太刚，下层 采用嵌入式联网模块代替传统的p c 机。采用建立开放型实验室的观点，从现有的实验 条件出发，利用以太网技术、现场总线技术和i n t e r n e t 技术，实现通过校园网和 i n t e r n e t 可以远程访问和监控实验现场，从而大大提高现有的实验室条件的利用率。应 用以太网技术构造基于t c p i p 协议的网络智能节点，实现通过以太网对实验现场设备的 访问与控制。并且可以实现实验室设备的资源共享，通过高校仪器设备共享系统建设， 充分发挥了仪器设备在教学、科研及社会服务中的作用，促进了高校仪器设备资源的优 化配置弱资源共享。 1 3 2 本文研究的主要内容 针对过程控制实验室的多个实验装置，运用计算机技术，嵌入式技术，以太网技术 太原理工大学硕士研究生学位论文 把设备通过嵌入式联网模块联入以太网，构建一种多点过程、实时控制远程监控的以太 网，实现远程监控和远程实验。主要研究内容如下： ( j ) 对现场总线与以太网架构的远程监控方法进行论述与比较，建立适合实验系统 的远程监控系统，并把网络层次分为设备层、自动化层和网络信息化层三层结构模式。 ( 2 ) 应用以太网技术构造基于t c p i p 协议的网络智能节点，实现通过以太网对实验 现场设备的访问与控制。监控以太网架构基于实验室设备现场，要求下层直接面向实验 室多点分稚的过程、实时控制系统设备，控制台p c 可访问、监控各节点设备信息，上 层通过p c 网关接入校园网，可异地远程监控现场设备。 ( 3 ) 采用t i 公司生产的m s p 4 3 0 系列微处理器和以太网控制芯片c s 8 9 0 0 a ，设计开发 嵌入式的底层联网模块，采集现场设备数据通过以太网传送给上位机，接收上位机网络 命令给现场设备，实现r s - 2 3 2 串口和以太网口r j 4 5 的转换。 ( 4 ) 对t c p i p 协议栈进行简化，从而实现一种“轻量级”的t c p i p 协议栈。使之 符合嵌入式系统的特点，便于在嵌入式系统中的移植和使用。 ( 5 ) 对上位机的监控软件进行劂络化设计，可实现扩展性和互联性、实时参数集中 显示、故障、数据实时查询等功能和资源共享等。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章远程监控系统结构设计 监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早期的监控系统，采 用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而 计算机监控系统是以检测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被检测控制的 对象( 生产过程) 共同构成的整体。随着生产力的进步，设备的分布越来越离散。单一 的，各自独立的检测系统己不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。这种系 统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。 远程监控系统主要实现以下功能： ( 1 ) 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采集和必 要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为相关人员提供 详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解现场设备情况。 ( 2 ) 监督功能：将检测到的实时数据，还有上位机发出的指令和输入的数据进行分 析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存储。 ( 3 ) 管理功能：利用已有的有效数据、图像、报表等对现场情况进行分析、故障诊 断、险情预测、并以声光电的形式对故障和突发事件报警。 ( 4 ) 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制 输出，直接作用于生产、实验过程。 2 1 远程监控系统结构比较 在对现场设备进行远程监控的系统采用上，目前较流行的主要有基于现场总线的分 布式控制系统和基于以太网架构的远程监控系统。 2 1 1 现场总线的技术分析 现场总线是用于现场智能化装置与控制室自动化系统之问的一个标准化的数字式 通信链路，可进行全数字化、双向、多站总线是的通信数字通信，实现相互操作以及数 据共享。现场总线的主要目的是用于控制、报警和时间报告等工作。现场总线通信协议 的基本要求是相应速度和操作的可预测性的最优化。现场总线是一个低层次的网络协 太原理工大学硕二e 研究生学位论文 议，在其之上还允许有上级的监控和管理网络，负责文件传送等工作。现场总线为引入 智能现场仪表提供了一个丌放平台。 目前流行的现场总线众多，主要有基金会现场总线( f f ) 、p r o f i b u s 、c a n 、 d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、c o n t r o l n e t 和c c - l i n k 等由于标准并未统一，所以对现场总线 也有不同的定义。但现场总线的本质主要体现在现场通信网络、现场设备互连、互操作 性、分散功能块、通信线供电、开放式互联网络六个方面。 现场总线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、电动机之间均为一对一的物理连接。现场总线控制系 统由于采用了智能现场设备，能够把原来d c s 系统中处于控制室的控制模块、各输入输 出模块置于现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可与阀门等 执行机构直接传送信号，因而控制系统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。现场总线控制系统结构图如图2 2 所示。 现场敬备 线 图2 1 现场总线控制系统结构图 f i g u r e2 - 1d i a g r a mo ff c sc o n t r o ls y s t e m 由于采用数字信号代替模拟信号，因而现场总线控制系统可实现一对电线上传输多 个信号，如运行参数、多个设备状态、故障信息等，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、数字模拟转换器件。这样就可以简化系统结构、节约硬 件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用。 现场总线在技术上有以下几方面的特点： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 系统开放性 丌放系统是指通信协议公丌，各个不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交 换，对相关标准的致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以 与任何遵守相关标准的其他设备或系统相连。个具有总线功缝的现场总线翮络系统必 须是丌放的，舅：放系统把系统集成的权利给用户，用户可以按自己的需要和对象，把柬 自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 现场总线的互可操作性指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对 点，一点对多点的数字通信。而互用性刚意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行 互换然褥实现互用。 3 ) 现场设备的智能化与功能囊治性 现场总线将传感测量、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 由于现场设备本身已经可以完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新 的全分稚式控制系统的体系结构。这从根本上改变了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。 s ) 对现场环境的适应性 工作在现场设备斡端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计 的，它可支持双绞线、网轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰 能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安全防爆要求等。 另外，在通信协议方面，各公司在制定自己的通信协议时，都参考了o s i 七层协议 标准，盛大多采用了其中的第一、第二和第七层，整p 物理层、数据链路层和应用层，并 墙设了第八层，瑟用户层。 物理层定义了信号的编码和传送方式、传送余质、接口的电气及机械特性、信号传 输速率等。现场总线有两种编码方式：m a n c h e s t e r 和n r z ，前者同步性好，但频带利用 率低，后者则刚好相反。m a n c h e s t e r 编码采用基带传输，而n r z 编码采用频带传输。调 制方式主要有c p f s k 和c o f s k 。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。 数掘链路层又分为两个子层，即介质访问控制层( m a c ) 和逻辑链路控制层( l l c ) 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 m a c 功能是对传输介质传送的信号进行发送和接收控制，而l l c 层则是对数据链进行控 制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线网络中的设备可以是主站，也可以是从站， 主站有控制收发数据的权利，而从站则只有相应主站访问的权利。 应用层也可以分为两个子层，上面子层是应用服务层( f f l s 层) ，它为用户提供服务； 下面子层是现场总线存取层( f a s 层) ，它实现数据链路层的连接。应用层的功能是进行 现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。它为用户提供接口，定义了如何应用读、 写、中断和操作信息及命令，同时定义了信息、语法( 包括请求、执行及响应信息) 的 格式和内容。应用层的管理功能在初始化期间初始化网络，制定标记和地址。同时按计 划配置应用层，也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络的装置。 用户层是现场总线标准在o s i 模型之外新增加的一层，是使现场总线控制系统实现 开放性与可互操作性的关键。用户层定义了从现场装置中读、写信息和向网络中其他装 置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”。事实上，各厂家生产的 产品实现功能块的程序可能完全不同，但对功能块特性描述、参数设定及相互连接的方 法是公开统一的。信息在功能块内经过处理后输出，用户对功能块的工作就是选择“设 定特征”及“设定参数”，并将其连接起来。功能块除了输入输出信号外，还输出表征 该信号状念的信号。 2 1 2 以太网技术分析 过程实验设备联入以太网实现远程监控和实验，在实时性、可靠性上要求较高。所 以在系统设计上，应用工业以太网技术来进行组网构建。目前工业以太网技术的发展主 要体现在以下几个方面i i 】： ( 1 ) 通信确定性与实时性 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作用对实时性 的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的 数据准确实时刷新。由于e t h e r n e t 采用c s m a c d 碰撞检测方式，网络负荷较大时，网 络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系 统要求准时定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。 然而，快速以太网与交换以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了 新的契机，使这一应用成为可能。首先，e t h e r n e t 的通信率从i o m 、l o o m 增大到如今的 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 0 0 0 m 、1 0 g ，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网 络传输延时的减小，即网络碰撞的几率大大下降。其次，采用星形网络拓扑结构，交换 视将溺络划分为若干个鲻段。e t h e r n e t 交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端 口之闻输入秘输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换枧还可以对网络上 传输的数据进行过滤，使每个网段内节点数据的传输只限在本地网段内进行，两不霈经 过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次， 全双工通信又使端口问两对双绞线( 或两根光纤) 上分别同时接收和发送报文帧，也不 会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在( 全 双工通信) ，或碰撞几率大大降低( 半双工通信) ，使e t h e r n e t 通信确定性和实时性大大 提高。 2 ) 稳定性与可靠性 e t h e r n e t 进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换 机和电缆等均为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计，故商用网络 产品不能应用于有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。 随着网络技术的发展，上述的问题讵在迅速得到解决。为了使网络在不间断的工业 应用领域和极端条件下也能稳定地工作，美国s y n e r g e t i c 徽系统公司和德豳的 h i r s c h m a n n 、j e t t e ra g 等公司专f j 开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在 标准d i n 导轨上，并有冗余电源供电，接捶件采用牢固的泌一9 结构。我斟台湾蹬零靼 科技( m o x at e c h n o l o g i e s ) 在2 0 0 2 年6 月推出工业以太网产品叫0 x ae t h e r d e v i c e s e r v e r ( 工业以太网设备服务器) ，特别设计用于连接工业应用中艇有以太网络接阴的 工业设备。 此外，在实际的应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双 绞线，。对于重要的网段还哥采用冗余网络技术，以此提离网络的抗干扰能力和可靠往。 3 ) 工业以太网协议 出于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，两且还是一 个借助网络完成控制功能的自控系统，它除了完成数据传输之外，徒往还需要依靠所传 输的数据和指令，执行某些控制计算和操作功能，e b 多个网络节点协调完成自控任务。 因此它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。 对应于i s o 。s i 七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 层；在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p i p 为主。而对于较高的层次如会话 层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之问是通过f t p ( 文件传 输协议) 、t e l n e t ( 远程登录协议) 、s m t p ( 简单邮件传送协议) 、h t t p ( w 1 6 w 协议) 、s n m p ( 简单网络管理协议) 等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了 非常重要的作用。但是这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领 域现场设备之间的实时通信。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在e t h e r n e t + t c p i p 协议之上，建立完 整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统 中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接受的应用层、用 户层协议，从而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线 体系中的高速部分，利用以太网和t c p i p 技术，以及原有的低速现场总线应用层协议， 从而构成了所谓的工业以太网协议，如h s e 、p r o f i n e t 、e t h e r n e t i p 等。 2 2 基于以太网的远程监控系统 2 。2 1 网络信息化自动化层次结构 课题来源于茂名学院计算机与信息学院的过程控制实验室，从实验现场的实际出 发，引入了一种网络信息化与自动化层次模爱1 2 】来构建远程髓控和实验系统，包括信息 化层、自动化层和设备层。信息化与自动化层次模型如图2 2 所示。 ( 1 ) 设备层 图2 2 信息化与自动化层次模型 f i g u r e2 - 2l a y e rm o d e lo fi n f o r m a t i o n & a u t o m a t i o n 设备层主要涉及到实验现场的传感器、驱动器、t o 部件、变送器、电磁阀等。设 备的多样性要求设备层满足开放性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化， 以使来自不同厂商的设备在功能上可以用同一功能的其他设备替换，而不影响设备的功 能，也不牺牲控制系统的集成度。过程控制实验室的设备使用的是杭州求是科教设备有 限公司的p c t - i 型过程控制实验装置，是基于工业物理模拟对象，集自动化仪表技术， l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 计算机技术，通讯技术。自动控制技术为一体的多功能实验装置。 图2 3p c t - i 型过程控制系统买验装置 f i g u r e2 - 3p c t - ie x p e r i m e n td e v i c e sf o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m 实验装置如2 3 所示，设备层的主要设备包括用来对上位水箱和下位水箱的液位进 行检测的液位传感器、变送器，对控制回路流量进行调解韵电动调节阀，对流量或压力 进行控制的三菱f r 一$ 5 2 0 变频器，此外还有刘电动调= 诲阀的主流量和干扰回路的二f 扰流 量进行检测的电磁流量传感器和电磁流量转化器等。 ( 2 ) 自动化层 自动化层实现控制系统的网络化，控制网络遵循丌放的体系结构与防议。它必须满 足符合丌放性标准的设备方便地接入，使来自不同厂商的设备之间可以相互通信，f 确 理解所交换数据的含义，并能在不同的环境中完成其功能，以及与上层( 信息层) 互相 通信。 自动化层的主要功能是负责把现场设备联入网络，传统的方法是使用r s 4 8 5 总线 或c a n 总线等将设备连接到p c 机。p c 机作为一个网关，设备通过这个网关连接到 i n t e m e t 。这种方法自2 0 世纪8 0 年代就开始应用，显然这种方法必须花费一台额外的计 算机。另外一种方法是使用嵌入式工控机( 如p c 1 0 4 之类) 替代前面的p c 。由于显示 器、键盘、驱动器等不再需要了，所以成本、功耗有所降低，而且工作性能也更加可靠。 人原婵r 人学硕_ - t ：i 0 f 究，i 学位论文 本文采用了一种1 6 位的m c u + 以太网控制芯片的嵌入式联刚模块代替现场p c 对 现场的设备参数进行采集，通过以太蚓控制芯片与以太网进行数据交换，实现对现场的 监控。 ( 3 ) 信息化层 该层遵循t c p i pi 办议，具有较强的丌放性，为实时控制的实现提供了有利的支持。 信息化层要求具有高实时件、良好的时问确定性、很强的容错能力、高安全可靠性、简 单实用的网络协议和分散的网络结构等特点。 这种层次模型是相对的，随着系统集成技术的发展，设备层与自动化层j f 存逐步融 合在一起。同时，随着网络技术的发展，自动化层与信息化层也正在沿着集成的方向发 展】，本文在此尚不对此作出论述。 2 2 2 硬件系统总体框架 监控以太网按照星形拓扑结构来构建，这种结构具有实现容易、节点扩展方便、维 护方便和网络传输数据快等特点。以太网硬件系统总体框架如图2 4 所示。 一n 揪瓤玎：n l j删控制系线赁骏洲，jr 叫 。一一 l o 一1 、。_ l 二丁一一 1 一i r i 亍1 j _ 一 图2 4 以太网硬件系统总体框架 f i g u r e2 - 4w h o l eb l o c kd i a g r a mo fe t h e m e th a r d w a r es y s t e m _ _ 一 层| 耋 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3t c p i p 协议的体系结构 2 。3 ， 开放系统互连参考模型与t c p l p 协议 对于一个复杂系统进行分析和设计时，人们常用的方法是“分而治之”，即把个 大的问题分解成若干个子问题或者子部分进行设计，然焉把它们有机地组织在一起，完 成对整个系统的设计。把这怒怒应用