（测试计量技术及仪器专业论文）工业以太网现场设备层应用关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术、通信技术与控制技术的飞速发展，工业现场设备层测控网 络的体系结构发生了一系列变革。从集中控制到集散式控制，再到目前广泛应用 的现场总线控制。但是，随着工业网络对远程化、一体化等需求的不断提高，把 以太网直接应用在工业测控现场，形成一个与i n t e m e t 无缝连接的网络已经成为下 一代工业现场网络发展的重要方向。同时，嵌入式系统的不断发展和应用为测控 系统中的工业以太网提供了技术基础。 工业以太网在现场设备层应用首要解决的问题是传输实时性与可靠性。在研 究了工业以太网的协议体系的基础上，通过分析工业以太网工作原理及其设备层 应用需求，提出使用全双工交换式技术来解决工业以太网c s m a c a 导致的本质的时 延不确定的方案，并且引入网络演算技术对网络的传输状况进行估计，从而实现 规定时延下的多段式调度策略，防止网络拥塞，解决交换式以太网带来的排队时 延，保证实时性数据的传输。在仿真中针对固定流量与突发流量验证解决方案取 得较好效果。 在可靠性方面，提出了一种面向交换式以太网的改进型双环冗余的解决方案。 并且把快速生成树协议实现在系统中，用以解决因环路的存在而导致的交换网络 中广播风暴的产生，并致使交换网络的m a c 地址系统失效等问题。通过网络仿真测 试表明使用该方案的工业以太网是一种高可靠性冗余网络： 针对现场设备层应用的实时性与可靠性等需求，结合嵌入式技术，设计了基 于嵌入式技术的工业以太网现场通信节点平台。节点使用a r m 处理器为硬件核心， 移植可抢占式的基于2 6 内核的嵌入式li n u x 操作系统及嵌入式t c p i p 协议栈 l w i p 。设计了各硬件需要的驱动程序，并解决现场节点通信的软硬件干扰等问题。 关键词：实时性；可靠性；节点；a r m ：l w l p 广东丁业大学硕士学位论文 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 fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h es t r u c t u r eo fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r k s y s t e mc h a n g e sal o t ，f r o mc e n t r a l i z e dc o n t r o lt od i s t r i b u t e dc o n t r o l ，a n dt h e nt ot h e c u r r e n tw i d e l yu s e df i e l d b u sc o n t r 0 1 h o w e v e r ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ed e m a n d f o rt h el o n g - r a n g eo fi n d u s t r i a ln e t w o r ka n di n t e g r a t i o nn e t w o r k ，t h es c e n eh a sb e c o m e a ni m p o r t a n td i r e c t i o no fi n d u s t r i a ln e t w o r k st oa p p l yt h ee t h e r n e ti ni n d u s t r i a l m o n i t o r i n ga n dc o n t r o la t ，t of o r mas e a m l e s sc o n n e c t i o nw i t ht h ei n t e r n e tn e t w o r ko f t h en e x tg e n e r a t i o no fr e s e a r c h a tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e m sp r o v i d e sat e c h n i c a lb a s i sf o ri n d u s t r i a le t h e m e t a p p l yi n m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m s f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h es t a t u so fr e s e r c h o ft h ei n d u s t r i a ! m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r k ，t h e nb a s e do nt h es t u d i e do ft h e s t u c t u r eo fi n d u s t r i a le t h e r n e tp r o t o c o l ，b ya n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e i n d u s t r ye t h e r n e ta n dn e e d so ft h ea p p l i c a t i o ni nt h ee q u i p m e n tl a y e r ，c o m et ok n o w t h a tr e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yt r a n s m i s s i o ni ni n d u s t r i a le t h e r n e tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l n e t w o r ki nt h ee m b e d d e da p p l i c a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n ti s s u e s i nt h es o l u t i o no f r e a l - t i m et r a n s m i s s i o n ，t h eu s eo ff u l l d u p l e xs w i t c h e di n d u s t r ye t h e r n e tt e c h n o l o g y s e t t l e dt h ep r o b l e mo fu n c e r t a i n t yd e l a y ，w h i c hi sc a u s e db yt h en a t u r eo ft h et h e i n d u s t r i a le t h e r n e tc s m a c a t h e nu s et h en e t w o r kc a l c u l u st e c h n o l o g yt oe s t i m a t e d t h es t a t u so f o ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，a c h i e v et h eu n d e rt h e p r o v i s i o n so f m u l t i d e l a ys c h e d u l i n gs t r a t e g yt op r e v e n tn e t w o r kc o n g e s t i o n ，s e r l e dt h eq u e u i n g d e l a yc a u s e db yt h es w i t c h e de t h e r n e tg ，t oe n s u r er e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o n f i n a l l y ， f o raf i x e df l o ws i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o ns o l u t i o n ss u d d e nf l o wa c h i e v e dg o o d r e s u l t s i nt e r m so fr e l i a b i l i t ys o l u t i o n ，t h ea r t i c l e p r e s e n t sas w i t c h e de t h e r n e tf o r i m p r o v e dd u a l - r i n gr e d u n d a n ti n d u s t r i a le t h e r n e tr e d u n d a n c yp r o g r a m a n da c h i e v e t h er a p i ds p a n n i n gt r e ep r o t o c o li nt h es y s t e mt os o l v et h eb r o a d c a s ts t o r m sc a u s e d a bs tr a c t b yt h ee x i s t e n c eo fl o o pi nt h ee x c h a n g en e t w o r k s ，a n da l s ow h i c h w o u l dr e s u l t i n gi n t h ef a i l u r eo fm a ca d d r e s ss y s t e mi nt h ee x c h a n g en e t w o r k f i n a l l y ，t h en e t w o r kt e s t s h o w e dt h a tt h et h ep r o g r a mo fi n d u s t r i a le t h e r n e ti sah i g h - r e l i a b i l i t yr e d u n d a n t n e t w o r k a f t e rt h es o l u t i o nr e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m et r a s m m i s t i o ni n d u s t r i a lm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m ，i na l l u s i o nt ot h ea p p l i c a t i o n sd e m a n do fr e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t y i ne q u i p m e n tl a y e r ，c o m b i n e dw i t ht h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y ，t h ep a p e rd e s i g na i n d u s t r i a le t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n sn o d ep l a t f o r ma tt h es c e n e w h i c hu s et h ea r m p r o c e s s o ra st h ec o r eh a r d w a r ea n dc o m p l e t et h ed e s i g no fp e r i p h e r a lc i r c u i t s f o u n d t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t r a n s p l a n t st h e e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h e2 6 一g e n e r a t i o nk e r n e l ，a n d t r a n s p l a n tt h ee m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c kl w l pt ot h en o d e f i n a l l y ，c o m p l e t e t h ed r i v e rt h eh a r d w a r en e e d e d ，a n dr e s o l v et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t e r f e r e n c e i s s u e sw i t ht h ec o m m u n i c a t i o n sn o d e sa tt h es c e n e k e y w o r d ：r e a l t i m e ；r e l i a b i l i t y ；n o d e ；a r m ；l w i p 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 刁年 芬 卿璨 6 月 多日 第一章绪论 1 1 课题目的与意义 第一章绪论 随着计算机技术、通信技术与控制技术的飞速发展，工业测控网络的体系结 构发生了一系列变革。经过几十年的发展与变革，现场总线技术使工业自动化水 平得到了提高，但是随着各种工业需求的提高，现场总线技术因为固有的各种缺 点逐渐不能满足需求i l l ： 1 通信协议不统一的问题日益严重，在现场总线发展过程中，开发了近百种 的不同的标准。尽管在1 9 9 9 年i e c 6 1 1 5 8 国际标准出台，但由于各种原因它还是 包含了8 个标准，使现场总线不能统一于一个标准，由于都是沿用各大公司的专 用技术，使得不同总线之间不能兼容，不能在工业网络中真正实现透明化信息互 访。 2 企业信息网络与控制网络的集成已经成为企业自动化的迫切需求，而现场 总线的速率低、与以太网交互需协议转换等因素使得它很难与企业信息网络形成 无缝的连接妇1 。 3 现场总线虽然是现阶段主要的工业网络，但其开放性与互操作性等诸多的 问题也逐渐成为工业信息化与智能化发展的障碍。 为解决现场总线应用的各种问题，人们纷纷把目光转向目前在信息网络中广 泛应用的以太网。以太网和t c p i p 协议作为世界上最为广泛应用的网络协议，这 使其在工业领域的应用有良好的基础，并且以太网在工业控制网络中的使用将构 建从底层的现场设备层到中间的工业控制层、最终与企业管理决策层一起形成一 体化综合自动化网络平台，从而消除企业内部的各种自动化孤岛，与信息网络无缝 连接。将以太网应用在控制和现场设备层并成为标准的高速工业网络，有着广阔 的应用和发展前景b ，它将作为未来工业网络的首选。 相比现场总线技术，以太网在工业测控系统中的应用有许多优点：从技术角 度看，基于t c p i p 协议的以太网具有传输速度高、低功耗、易于安装和兼容性好 等方面的优势。它支持几乎所有流行的网络协议，便于系统应用层的开发。虽然 广东工业大学硕士学位论文 传统以太网采用总线式的拓扑结构和带碰撞的载波侦听多路存取通信方式，具有 无法预见的延迟特性，随着以太网技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的 发展等在工业自动化领域上的迅速发展，工业以太网理论逐渐成熟。以太网还具 有具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟 等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的信息层与控制层得到了广泛 应用，并已经呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。随着技术的发展， 控制网络技术与计算机信息网络、i n t e r n e t 的联系更为密切。而且控制网络技术 必须考虑开放性和与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通信性能的 要求，这些都是控制网络设备转向采用以太网技术的重要原因“。 在理论不断成熟的同时，实现技术的不断发展也使工业以太网在现场层的应 用成为可能。随着集成电路技术的不断发展，高档的微处理器作为核心控制器和 i o 处理器的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器 易于实现t c p i p 协议。嵌入式技术的进步使以太网络技术更易于接近现场，从而 使工业以太网可以直接使用于工业现场级应用。 工业以太网不仅能够解决现阶段工业网络发展中的各种问题，而且它符合工 业网络未来发展的需求，已经逐渐成为工业自动化与测控网络发展的主要方向， 具有很大的发展潜力抽，。本课题研究工业以太网在测控网络的现场设备层的应用 中的关键技术，使设备层与信息层和监控层组成一个开放的一体化网络，适应当 前工业测控领域提出将测控分散到现场、实现远程智能监控等要求。 1 2 工业以太网研究背景与发展状况 1 2 1 工业网络发展概况 工业网络是一种特殊的通信网络，它直接面向生产过程，在工业生产中负责 测控信息的传输，它随着工业系统的变革而不断发展。工业网络是网络工业生产 运行的动脉，是控制工业系统通信的枢纽。 工业网络在工业控制系统分布化、智能化等需求的不断变化中得到迅速的发 展。在工业网络的发展过程中，主要经历了集中控制系统、d c s 、f c s 等阶段。6 0 2 第一章绪论 年代一7 0 年代，处于企业生产过程底层的传统测控系统，采用两线制电压电流模拟 信号进行测量控制，需求较为简单，主要使用集中控制系统。7 0 年代工业的发展 使生产过程日益复杂，规模更加扩大，在生产中采用原来的集中控制系统，可靠 性差，出现事故时会中断生产，为提高可靠性，满足工业生产过程控制要求，美 国日本利欧洲等国开始研制集散型控制系统( d c s ) 。d c s 是计算机、通信、c r t 和 控制技术的结合。d c s 主要以微处理器为核心，实现地理上和功能上相对分散的控 制系统，通过数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作， 它具有事故分析、性能计算、历史数据存储、分析、各种报表生成、打印等功能， 很快就得到非常广泛的应用。在d c s 系统中，测量变送，执行器般由模拟仪表来 完成，他们与控制室的监控计算机共同构成控制系统，是模拟和数字混合系统， 可实现高级复杂规律的控制。 进入8 0 年代，随着计算机网络及通信技术的迅速发展，现场有越来越多的信 息需要传递，通信技术越来越往下延伸到现场，信息传递的范围不断扩大。现场 总线把专用微处理器植入传统的测控仪表，使它们各自都具有独立承担某些控制、 数字计算和通信能力。f c s 系统的应用使自动化的水平提高到新的层次。它实现企 业的信息集成，实施综合自动化，使模拟仪表向智能化仪表发展、丁业控制从分 立设备向共享设备发展、计算机网络向现场级网络发展，是一种适应工业现场环 境运行、可靠性高、实时性强、造价低廉、结构简单、维护方便的工业网络 1 。 在近年中，随着企业网络一体化与控制远程化需求的不断发展，工业控制网 络需满足开放性、互操作性、实时性、高可靠性、。恶劣的工业现场环境适应性i 。 总线供电等特殊要求。随着嵌入式技术的不断成熟，工业以太网应用并延伸至现 场设备层逐渐成为工业网络的热点与趋势。 1 2 2 工业以太网研究现状 从目前国际国内的发展来看，工业以太网在信息层和监控层已得到广泛应用， 并逐渐成为事实上的标准。但是以太网用于工业现场设备间通信的研究和产品开 发处于初始阶段，而且没有一个明确统一的工业以太网的定义和标准。但可以确 定的是，工业以太网将逐渐在工业自动化与智能化测控系统中的现场设备之间的 互连和信息集成中发挥越来越重要的作用【8 ，。 3 广东r t 业大学硕上学位论文 i n t e r n e i n t r a n e t 网络己被工业自动化高层采用，如果在低层也采用以太网， 不同的工厂通讯系统更容易地建立连接。因为采用相同的协议，可以建立更大范 围的网络，使控制系统远程化并增强系统性能。随着以太网通信速率的提高、全 双工通信、交换技术的发展，为以太网的传输实时性与确定性的解决提供了技术 基础，消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的障碍，为以太网直接应用 于工业现场设备间通信提供了技术可能。工业以太网技术直接应用于工业现场设 备间的通信己成大势所趋旧，。 国外对以太网在控制中的应用较早是用于电力系统的监控。美国电力究院 ( e p r i ) 和国际大电网会( c i g r e ) 的第3 5 工作组通过研究都证明：当使用交 换式集线器时，1 0 m b p s 以太网完全可以满足实时性要求。自上世纪八十年代开始， 国外已经推出不少使用以太网的变电站自动化系统，如美国g e h a r r i s 公司的 p o w e r c o m m 系统、美国g e 公司的变电站自动化系统、日本东芝公司的高压变电 站分布式测控系统等。几个主要的现场总线组织也在开发基于以太网的现场总线 协议，一些公司开发了具有以太网接口的仪表、嵌入式以太网控制器及工业以太 网交换机等。目前，国际电工委员会i e c 正着手起草实时以太网( r e a l t i m e e t h e r n e t ，r t e ) 标准，着力推动以太网技术在工业控制领域的全面应用n 。 八十年代后期，我国电力行业从国外引进的控制系统中就采用了以太网技术， 运行证明稳定可靠。这几年，我国的工业以太网技术研究和产品开发呈现蓬勃发 展之势。清华大学、重庆邮电学院等单位，在国家“8 6 3 计划的支持下，开展了 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 技术的研究，在以太网的实时通信、总线供 电、远距离传输、网络安全、可靠性技术等领域取得进展。其中采用以太网交换 技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化 通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措 施，解决了以太网通信的实时性；采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设 计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。 并起草了“用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构和通信标准 ( 草案) ，并通过 了由t c l 2 4 组织的技术评审。在国内，还有各大学与研究所积极进行基于工业以太 网的测控系统设计与研究工作n “。 4 第一章绪论 1 3 嵌入式系统概述 目前，嵌入式系统己经成计算机领域的发展热点。嵌入式系统已经应用到网 络设备、信息家电、工业控制、汽车、航空航天、军事等众多领域。在未来的发 展中，嵌入式技术必将把人们的日常生活与信息化技术连结得更为紧密。 1 3 1 嵌入式系统定义及发展概况 根据i e e e 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间 运行的装置 。而从应用的角度，嵌入式系统被普遍定义为：以应用为中心、以计 算机技术为基础、软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗都严格要 求的专用计算机系统。 人们称目前i t 领域进入“后p c 时代”，即嵌入式时代。将嵌入式技术应用 到工业控制领域可以提高工业生产效率，推动社会生产力发展。在嵌入式系统中， 嵌入式芯片可以提高系统可靠性，同时降低硬件平台的功耗并减小体积；嵌入式 实时操作系统可以使控制软件具有良好的实时性、可升级性和可移植性，简化系 统的开发难度降低开发成本。 嵌入式系统是各个学科技术的结合，它包含先进的电子技术计算机技术、半 导体技术和以及各个行业的具体应用的交叉结合。它是一个技术性强、发展迅猛， 不断创新的知识集成系统。它能根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足各种特 殊化应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。并能建立相对通用的软硬件 基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，降低开发难度。 嵌入式系统从二十世纪七十年代开始发展，至今经历了以下3 个发展阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的p l c 系统，它具有检测、伺服、等功能，一般 没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。这一阶段系统主要的特 点是：结构和功能相对单一、效率较低、存储容量较小、几乎没有用户接口。 第二阶段是以单片机为基础，没有操作系统或以简单操作系统为核心的嵌入 式系统。这一阶段系统的主要特点是：单片机种类繁多、通用性较弱、系统开销小、 操作系统只具有低度的兼容性和扩展性、应用软件专业性强可移植性差、用户界 广东t 业大学硕一l 学位论文 面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统这一阶段系统的主要特 点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上、操作系统内核精 小、效率高、模块化程度高、具有文件和目录管理、支持多任务处理、支持网络 操作、具有图形窗口和用户界面等功能、具有大量的应用程序接口。在本阶段后 期，随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用支持网络 功能的嵌入式系统，嵌入式系统中使用网络操作系统将成为发展趋势。 1 3 2 嵌入式系统结构 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成， 嵌入式处理器是系统硬件中最核心的部分。嵌 入式系统的软件主要可以依据操作系统的类型 划分，目前嵌入式系统的操作系统主要有两大 类t 分时操作系统和实时操作系统，其中的实 时系统又可以分为两类：硬实时系统和软实时 系统。在嵌入式系统中，一般采用模块化设计 和软件分层结构，常见的嵌入式系统结构见图 】1 【1 】。 嵌入式应用软件 系统a p i 与函数库 嵌入式操作系统内核 硬件接口与驱动程序 嵌入式硬件平台 图1 - 1 嵌入式系统结构 f i g 1 - 1s t r u c to fe m b e d d e ds y s t e m 嵌入式硬件平台包括了嵌入式处理器与嵌 入式外围设备等。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它把通用c p u 中许多 板卡共同完成的任务集成到芯片内部，从而降低嵌入式系统体积，增强其可靠性。 嵌入式外围通常包括串口、u s b 、以太网、l c d 、触摸屏等设备。 硬件接口与驱动程序起到把操作系统与硬件平台相连接的作用。这是整个系 统软件的最底层部分，其主要功能是初始化整个系统软件的执行环境、驱动硬件 正常工作等。这一层也可以称作硬件抽象层或b s p ( 板级支持包) 嵌入式操作系统内核是整个系统的核心部分，通常包括了与硬件相关的底层 驱动软件、系统内核、通信协议等部分，主要完成任务调度、内存管理、中断处 理等功能。嵌入式操作系统具有可剪裁配置、与上层应用紧密相连等特点。 系统a p i 与函数库是应用程序与操作系统的接口，它可供应用程序直接使用。 6 第一章绪论 例如网络的s o c k e t ( 套接字) 、图形用户接口、文件系统a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用编程接口) 函数等，是用户开发的基础。 嵌入式应用程序是在操作系统的基础上进行开发的，与通用的计算机系统相 比嵌入式系统的资源有限，这就要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程 序代码长度，提高执行速度。而且嵌入式系统对成本十分敏感，这就要求嵌入式 应用软件不但要能够保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要求，还要尽可能 的优化以提高系统的性能。 随着技术的发展，嵌入式技术在工业控制领域的应用逐渐取得优势。本文的 嵌入式工业以太网测控节点设计将由3 2 位微处理器a r m 和嵌入式操作系统构 成，将嵌入式技术引入工业现场设备将有助于提高工业现场设备的综合处理性能 和网络通信能力。 1 4 论文主要研究内容 本论文分析工业以太网在工业自动化和测控领域的应用，为满足工业现场的 需要，研究其需要解决的兼容性j 适用性以及实时性、可靠性、抗干扰性等问题。 因为以太网和t c p 1 p 协议主要不是面向工业控制领域，在体系结构、协议规则、 物理介质、数据、软件、适用环境等诸多方面与与工业领域应用需要相比有很大 差异。本论文通过分析网络通信模型、通信服务方式、和设备层通信实时性等， 结合嵌入式系统和工业以太网的研究，解决工业以太网在现场设备层应用的关键 问题并在现场设备层设计个性能优秀的能与i n t e r n e t 无缝连接的实时嵌入式工 业测控节点平台。第二章主要分析工业以太网体系结构与理论基础，第三章分析 工业以太网实时性问题并应用全双工交换式以太网应用结构，设计基于网络演算 的流量控制算法。在第四章中设计冗余工业以太网网络架构，并应用快速生成树 协议解决冗余链路产生的环路问题，从而解决工业以太网确定性与可靠性问题。 经过前面章节的理论分析，在第五章中根据现场测控的要求，设计测控节点 的硬件平台作为工业现场设备。其中包括a r m 嵌入式处理器，针对冗余设计要 求的两个以太网控制器，以及各种底层接口。测控节点的作用是执行常规控制和 现场工业以太网络的管理，。论文选用免费且公开源码的l i n u x 操作系统作为嵌入 式平台操作系统。对l i n u x 内核进行裁剪、编译并移植到测控节点硬件平台，并 7 广东工业大学硕士学位论文 编写调试网络底层程序与各接口驱动程序。由于l i n u x 自带的t c p i p 协议族很大， 且穿透时间长，针对嵌入式设备的实用性，本身的存储能力、处理能力的局限性， 论文移植嵌入式协议栈l w l p 来实现网络功能。最终实现嵌入式测控节点平台的 设计并解决节点间通信的软硬件抗干扰问题。该节点留下软硬件接口，可方便的 进行测控系统的开发。 8 第二章工业以太网技术 第二章工业以太网技术 2 1 工业以太网定义 工业以太网是基于i e e e8 0 2 3e t h e r n e t 的强大的区域和单元网络。工 业以太网不是把以太网在工业中的应用，而是在以太网基础上，专门为工业领域 设计的，符合各种工业应用特点，满足各种工业场合需求的控制网络。工业以太 网提供了一个把工业测控系统无缝集成到信息与多媒体世界的途径。一个典 型的工业以太网络环境，包含有网络部件、连接部件、通信介质等三类网络 器件。 在工业测控应用中，工业以太网不仅仅完成数据传输，还是一个借助网 络完成控制功能的自动控制系统。它除了完成了数据传输之外，还需要依靠 所传输的数据和指令，执行某些控制计算和造作功能，有多个节点完成自动 控制任务。因此它需要在应用、用户等高层防议规范上满足开放系统的要求， 满足互操作的条件。为了满足工业现场的需求，必须在t c p i p 协议之上， 建立有效的通信服务模型，制定有效的实时通信机制，协调好工业系统中实 时和非实时的信息传输。形成工业自动化广大用户所接受的应用层，用户层 协议，进而形成开放的标准。工业以太网将企业传统的三层网络系统，即信 息管理层、过程监控层、现场设备层。上两层已经实现，而工业以太网在现 场设备层的应用将使三层网络合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更 高，并可与i n t e r n e t 无缝集成，实现数据共享，提高工业系统的生产效率。 2 2 工业以太网体系结构 2 2 1 标准以太网与陕速以太网 标准以太网( e t h e r n e t ) 指的是由x e r o x 公司创建并由x e r o x ，i n t e l 和 9 广东t 业大学硕：【：学位论文 d e c 公司联合开发的基带局域网规范。1 9 8 0 年，d e c ，i n t e l 和x e r o x 三大公 司发布了d i x 版以太网1 0 规范，其传输速度为i o m b s ，所支持的唯一物理 介质为粗同轴电缆。19 8 2 年，发布了d i x 2 0 版与c s m a c d 访问方法和物理 层规范。19 9 3 年，全双工以太网的出现，以太网的实时性分析改变了以太网 半双工的工作模式，不仅使以太网的传输速度又翻了一番，也彻底解决了多 个端口的信道竞争。19 9 5 年3 月，i e e e 8 0 2 3 规范的通过，标志着以太网时 代的来临。1 9 9 6 年，出现了快速以太网标准，传输速度为1o o m b s ；19 9 8 年 6 月，i e e e 8 0 2 3 规范的通过，又使以太网进入到了高速网络行列，运行速 度为1 0 0 0 m b s 。2 0 0 2 年6 月，又通过了万兆以太网标准：i e e e 8 0 2 3 a e 。 标准以太网与i e e e 8 0 2 3 系列标准相类似，它不是一种具体的网络，是 一种技术规范。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以 太网在互联设备之间以10 - 1o o m b p s 的速率传送信息包，由于其低成本、高 可靠性以及高速率而成为应用最为广泛的信息网络技术。 随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数 据流量速度需求。推出快速以太网之前，对于要求lo m b p s 以上数据流量的 l a n 应用，只有光纤传输满足需求，但由于它价格昂贵，不利于大规模应用。 19 9 3 年l0 月，g r a n dj u n c t i o n 公司推出了世界上第一台快速以太网集线器 f a s t c h l 0 10 0 ，快速以太网技术正式得以应用。随后各大公司亦相继推出 自己的快速以太网装置，i e e e 8 0 2 工程组亦对10 0m b p s 以太网的各种标准进 行了研究。1 9 9 5 年3 月工e e e 宣布了i e e e 8 0 2 3 u1o o b a s e t 快速以太网标 准( f a s te t h e r n e t ) ，局域网正式进入快速以太网时代。 快速以太网具有许多的优点，首先快速以太网技术减少投资，它支持3 、 4 、5 类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施，降低升级难度。 但快速以太网依然是基于c s m a c d 技术，当网络负载较重时，会造成效率 的降低，需要合理运用其他技术进行弥补。lo o m b p s 快速以太网标准又分为： 1o o b a s e t x 、1o o b a s e f x 、1o o b a s e t 4 三个子类。 2 2 2 工业以太网标准 工业以太网在技术上一般与商用以太网兼容，但在产品设计时，在材料的选 1 0 第二章工业以太网技术 用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安 全等方面要能满足工业现场的需要。 现行的工业以太网协议有多种，由于工业以太网是基于标准以太网开发，各 种协议其本质上都是基于以太网技术( 即正e e 8 0 2 3 标准) n “。工业以太网体系结 构与o s i 网络模型对比如图2 - 1 ： o s i 七层协议 工业以太网协议 ? j 用户层 图2 1 体系结构对照 f i g 2 1n e t w o r ks t r u c t u r ec o m p a r i s o n 从图中我们可以看出，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了 i e e e 8 0 2 3 标准。根据协议知道，物理介质中采用的是基带传输技术，按照传输 速率分成l o m b p s ，l o o m b p s ，1 0 0 0 m b p s 和i o g b p s 等标准。1 0 m 以太网的国际标准 分为l o b a s e 5 ，l o b a s e 2 ，l o b a s e t ，i o b a s e f 。1 0 0 m 以太网的国际标准分为 l o o b a s e t 4 、l o o b a s e t x 、l o o b a s e f 三三种。 数据链路层包括介质访问子层( m a c ) 和逻辑链路控制层( l l c ) 。其中m a c 层主要使用载波监听多路访问冲突检测协议c s m a c d 来对介质进行访问控制而 l l c 层主要用来解决介质的共享问题。数据链路层完成以太网的封装，其帧结构 如图2 - 2 ： f 前导码帧首定界符目的地址源地址长度类型数据填充帧校验序列 i ( 7 字节)( 1 字节)( 6 字节)( 6 9 节)( 2 字节)( 4 6 5 0 0 字节)( 不定)( 4 字节) 图2 2 以太网数据帧结构 f i g 2 2e t h e m e td a t af r a m e ss t u c t u r e 在封装的数据帧中，帧头和帧尾所用的字节数固定不变，依据被封装的 广东工业大学硕士学位论文 数据包大小的不同，帧的长度范围是6 4 1518 字节( 不包括8 字节的前导 字) 。 通过分析数据的发送与接收过程，我们可以知道数据链路层的工作原理。数 据链路层数据发送过程如图2 - 3 所示。 图2 3 数据发送过程 f i o 2 3d a t as e n d i n g 1 当某结点有数据要发送时 侦听传输介质是否空闲； 2 如果介质忙则意味着有数 据正在传输，节点等待一个随机 的时间然后重新试图发送； 3 如果介质空闲，节点继续 侦听直到9 6 位的帧间隙超时，如 果此时介质继续空闲则节点一边 发送一边对媒体继续侦听； 4 如果发出的信息与监听到 的信息一致，就认为数据发送是 正确的，没有发生碰撞冲突，完 成发送任务：如果发出的信息与 监听到的信息不一致，则认为发 生了碰撞冲突( 即同一时刻，网上 其它结点也在进行发送动作) ，此时立即停止发送过程，节点继续发送前导 字段并且加上二个3 2 位的阻塞信号以确保其它节点都收到碰撞信号，并计 算发送失败的次数n ； 5 如果发送失败次数小于15 ，则根据d e b 算法等待一定时间后，重新准 备发送，该等待时间为r * s lo t ( s l o t 为在网络上完成一个传输来回所需的最 长时间。如果失败的次数大于1 5 次，停止发送尝试，并通知上层协议传输 失败。 以太网m a c 层数据接收过程如图2 - 4 所示： 1 每个节点侦听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到m a c 帧； 1 2 第二章二r 业以太网技术 2 分析和判断帧中的接收地址，如果接 收地址为本结点地址，则复制接收该帧，否 则简单地丢弃该帧数据。 在网络层和传输层工业以太网采用被称为 以太网上的“事实上标准的t c p i p 协议族( 详 见第六章) ，与物理层和数据链路层一起构成工 业以太网的低四层协议。 在高层协议上，工业太网协议通常都省略 了会话层、表示层，而直接定义应用层，有的 工业以太网协议还定义了用户层( 如h s e ) 。工 业以太网的应用层、用户层协议是为满足工业 现场控制系统的应用要求，在t c p i p 协议之上 建立完整、有效的通信服务模型，与有效的实时 图2 _ 4 数据接收过程 通信服务机制。它们还要协调好工业现场控制系 f i g 2 4d a t ai n c e p t i n gp r o c e s s 统中实时和非实时信息的传输服务，并为大多数工控生产厂商和用户所接受，进 而形成开放的标准。 在原现场总线应用的基础上，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，从而构成各种工业以太网协议，如h s e 、p r o f i n e t 、e t h e r n e t i p 等。 1 h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ，高速以太网) h s e 是现场总线基金会在摒弃 了原有高速总线h 2 之后的新作。f f 现场总线基金会明确将h s e 定位成实现控制 网络与互联网i n t e r n e t 的集成。由h s e 链接设备将h 1 网段信息传送到以太网的 主干上并进一步送到企业的e r p 和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络 浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。 h s e 在低四层直接采用以太网+ t c p i p ，在应用层和用户层直接采用f fh 1 的 应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备( l i n k i n gd e v ic e ) 将f fh 1 网络连接到h s e 网段上，h s e 链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网桥 功能能用来连接多个h 1 总线网段，使不同h 1 网段上的h 1 设备之间能够进行对等 通信而无需主机系统的干预。h s e 主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接 的h 1 设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备 1 3 广东丁业大学硕上学位论文 的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或 者“柔性功能块 ( f f b ) 中。 2 p r o f i n e tp r o f i b u s 国际组织针对工业控制要求和p r o f i b u s 技术特点，提 出了基于以太网的p r o f i n e t ，它主要