（控制理论与控制工程专业论文）基于以太网tcpip协议的智能楼宇控制网络系统研究与开发.pdf

摘要 针对现在智能楼宇控制系统的发展需求，结合当今以太网的技术发展趋势， 将原有的控制网络系统和当今流行的以太网相对比，提出了一套基于以太网 t c p i p 协议的改进方案。系统采用的控制方案为通过w i n b o n d7 7 e 5 8 控制 r t l 8 0 1 9 a s ，使智能楼宇系统中的变量、参数方便快捷的通过以太网传递给服务 器。 全文共分五章，主要内容如下： 第一章简要介绍了智能楼宇系统的一般功能和结构以及设计实际系统时所 遵循的原则和依据，重点论述了系统方案的选择 第二章概括描述了以太网t c p i p 协议的具体结构： 第三章重点分析了网卡的工作原理及其在带i s a 总线接口p c 机的接线，接 着论述了用w i n b o n d 7 7 e 5 8 完成对r t l 8 0 1 9 a s 的接口及其外围电路的设计； 第四章完成了系统的主要软件设计，其中最主要的是使系统能够实现串口到 以太网的协议转换； 第五章为系统优化方案，针对以太网在传输过程中可能出现的问题，用单片 机实现了滑动窗口的控制机制。 最后，论文对本智能楼宇控制网络系统进行了总结，并指出了不足之处，提 出了系统完善和改进的方向。 总线 关键字：楼宇自动化，t c p i p ，n e 2 0 0 0 ，r s 一4 8 5 全双工，以太网关，1 2 c a b s t r a c t a i m e da tt h ed e m a n d 。ft h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g sd e v e l o p m e n t ，a n d w i t ht h ed i r e c t i o no ft h ee t h e r n e tt e c h n 0 1 0 9 y ，an e wi n t e l l i g e n tc o n t r o l m e t h o di sd r o d o s e di nt h ed i s s e r t a t i o na f t e rt h a t 巨t h e r n e tt e c h n o l o g y 【s c o m d a r e dw i t ho t h e rc o n t r o ls y s t e m s i 九t h ed i s s e r t a t i o nt h a tw i n b o n d 7 7 e 5 8c o n t r o l sr t l 8 0 1 9 a si sa d o p t e d s ot h ep a r a m e t e ra n dv a r i a b l ec a nb e s e n dt ot h es e r v e r sc o n v e n i e n t l y t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t s o ff i v ec h a p t e r s ，i nw h i c ht h ep r i m a r y c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ed i s p l a y e da sf o ll o w s i nc h a p t e rl ，itc o n c i s e l y i n t r o d u c e st h ec o r 舯o nf u n c t i o n s a n d s t r u c t u r e0 ft h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，a sw e l la st h ep r i n c i p l e sa 九db a s i s w h e n d e s i g n i n g a c t u a l s y s t e m b e s i d e s ， i t e m p h a t i c a l l y s t a t e st h e s e l e c t i o no ft h es y s t e m c h a p t e r2b e w r i t e sr u d i m e n e a lk n o w l e d g ea n d f r a 瑚eo ft h et c p i p p r o t o c o l t c h a p t e r3 a i f i l sa tt h ec o r eo fh a r d w a r eo ft h e s y s t e m f i r s t l y ，i t a n a l y s e st h ew o r k i n gr i n c i p l eo ft h en e t w o r kc a r dw i t hr t l 8 0 1 9 a s s e c o n d l y i ts t a t e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc p ua n dt h eo t h e re q u i d m e n t i nc h a p t e r4 ，itm o s t l ys h o w st h es o f t w a r e i nt h es o f t w a r e ，t h em o s t i m d o r t a n ti st h ea c t u a l i z eo ft r a n s i t i o nb e t w e e ne t h e r n e ta n d8b i ts c m s e r i e sj o i n t c h a p t e r5 i sf o c u so nh o wt of i l a k e t h es y s t e mw o r k sw e l l d a t aw i l l s b ed r o pb ye t h e r n e t ，s ou s i n gt h e8b i tc p u ，s l i d ew i n d o wi sa c t u a l i z e d i nt h el a s tc h a p t e ro ft h ed i s s e r t a t i o n ，i ts h o w e saw h o l e a p p r a i s e m e n t o ft h i s s y s t e m f r o m a p p l i c a t i o n s i t e sa n d d e s i g n c h a r a c t e r i s t i c s ， a tt h es a m et i m e ，i ta l s op o i n t st h ed e f i c i e n c yo ft h e s y s t e mw i t ha ne y et od e v e l o p m e n t s i m u l t a n e o u s l y ，t h ep a p e ra t t a c h e ss o m e r e i a t e dj n s t a n c e sc o n v i e n tf o rr e f e r e n c e k e o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n 甑t c p i p ，n e 2 0 0 0 ， r s 一4 2 2 f u l l f u p l e x ，e t h e r n e tg a t e w a y ，i 2 cf i e l db u s 前言 智能大厦是国际上从8 0 年代初期开始逐渐发展起来的一种新型建筑物。建 筑智能化系统融合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术的最新技术。是 信息时代的必然产物，已成为综合经济国力的具体表征。楼宇自动化系统是智能 大厦的各智能化系统中涉及面最广、要求最高和功能最丰富的组成部分。 在本课题中，针对目前国内市场的需求和智能楼宇控制网络系统的现状，我 们提出了一种完全基于当今流行的以太网技术控制方案并且对这种方案使用的 节点进行了软、硬件设计，整体调试。使得系统能够充分利用以太网的带宽，减 少了在旌工时的成本和难度。 通过此课题，本人受益匪浅，既丰富了通用单片机的软件编程知识，又对现 场总线和l o n w o r k s 网有了一定的认识，对以太网技术有了较为深刻的理解，基 本掌握了微机系统硬件的设计，组网和调试，积累了不少的实际工作经验，为今 后的工作打下了坚实的基础。 此论文是本人近一年多工作和学习的总结。在此期间，本人多次在现场进行 调试，碰到许多难题，积累了丰富的经验。由于时间和水平有限，文中错误在所 难免，恳请希望各位老师、同学指正。 第l 奄系统概述 中南大学硕= 学位论文 第1 章系统概述 智能大厦( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 是国际上从8 0 年代初期开始逐渐发展 起来的一种新型建筑物，它是应现代人们追求安全舒适生活环境和信息社会高度 发展的双重需求而诞生的。建筑智能化系统将现代计算机技术、自动控制技术和 通信技术结合到传统的建筑业当中，通过对设备的自动监控、对信息资源的管理 和对使用者的信息控制服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理、适合信 息社会需要并且具有安全、高效、便利和灵活特点的建筑物。智能建筑是信息时 代的必然产物，是高科技精灵与现代建筑的巧妙集成，它已成为综合经济国力的 具体表征，并将以龙头产业的面貌出现于2 i 世纪“。 1 1 智能大厦综述 1 1 1 智能大厦的产生及概况 7 0 年代初，在日本产生了最早的智能化建筑物的构想。日本建筑行业出于 节省能源开支的目的，首先提出使用定时控制设备控制建筑物内的电力、供水和 热能等系统，并在中央计算机的统一管理下，达到最大效率地使用有限能源的目 标。但是受到当时技术水平上的限制，这个构想无法普遍地在大厦建筑工程中予 以实现，智能化建筑物还仅仅是一种处于实验阶段的技术构想。 直到8 0 年代初，国外有一些超离层大厦出现，在这些大厦里居住或工作的 人们对大厦环境的要求日益提高，各种自动化的管理与服务设备广泛应用于大 楼，各种专业系统同时共存，如消防、保安、空调温控、能源管理、给排水、监 视、停车库管理、管理信息、辅助办公及通信等系统。各专业系统一直采用各自 独立、分布配线的施工方法，这造成弱电系统配线过多、系统混乱、管理分散、 维护困难等各种问题，随着大楼功能的日益增强，最终达到了令人无法容忍的 地步。而8 0 年代微电子技术的进步和通信技术的发展为智能化大厦提供了技术 上的基础，从而推动智能大厦走向实际应用的阶段“3 。 现代通信技术的迅速发展是推动智能大厦走向实际应用的另一个重要方面。 由于大厦控制系统开始大量地使用计算机控制设备，控制信号也越来越多采用数 字信号。因此，一些原先只是应用于计算机数据交换的通信方式开始应用在建筑 中。采用现代的计算机通信技术可以保证在很高的通信速率下，仍旧能保持相当 好的通信质量。而且随着数字通信信道的质量和带宽的不断提高，很多过去采用 模拟通信信道的传统通信系统都向着数字通信方式转变，这又为实现综合通信系 统提供了重要的基本条件。 技术的进步使人们可以大量地使用计算机，协助完成许多需要大量人力才能 第l 章系统概述中南大学硕士学位论文 完成的工作。在建筑物中开始大量使用智能化的控制系统，实现了更充分、更强 大的自动化功能，节省了操作人员的人力，提高了工作效率，还能实现各专业系 统的集中管理和信息交换，综合地运用和分析各种数据对情况做出正确判断，并 使各专业系统构成一个整体对现场情况做出相应反应，这就是智能大厦设计和实 现的基础。智能化建筑主要的特点是使用计算机控制系统综合管理大厦的日常运 作，达到节约能源、提高效率、保障人生安全和改善工作环境的目标。建造在美 国康涅迪克州的”城市大厦”( c i t y p l a c e ) 是世界上第一幢智能大厦。 一幢功能完整的现代智能大厦应该包括三个组成部分：楼宇自动化系统 ( b u i l d i n ga u t o m a t i o n ) 、办公自动化系统( o f f i c ea u t o m a t i o n ) 、综合通信系统 ( a d v a n c e dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 。这三个组成部分合在一起称为大楼智能化综 合管理系统。 l 、楼宇自动化系统 楼字自动化系统是智能大厦的传统部分，也是基础部分。8 0 年代中期，计 算机在更加普遍地运用于每种系统的管理和运作活动的同时，出现了进一步小型 化和功能多样化的趋势。随着智能大厦功能要求的越来越多样化，如果还是使用 一台中央计算机控制大厦所有丑常工作的话，这台计算机要求大量的资源和相当 复杂的功能，因此需要选择更经济的方案。于是，在计算机控制系统中开始普遍 采用一些带有高性能中央处理器的智能控制器，智能控制器体积很小，采用 i n t “、m o t o r o l a 等公司的处理芯片，处理能力并不亚于普通的微型计算机。 智能控制器的底板上可以加装各种接口模块，实现不同的控制运算。智能控制器 体积虽小，功能却很齐全，可以构成控制各种智能化系统，在一定的范围内实现 复杂的管理工作而且它的价格低廉，又易于安装和设置，因此，智能大厦中开 始大量使用各种智能控制器，把大量复杂的控制任务分散到遍布大厦的各职能控 制器上去。这样既节省了开支，又使各智能化系统的安装和维护变得更加方便。 另外，计算机通信技术的进一步完善，使得计算机网络可以有效地在智能大 厦中发挥作用。由于智能大厦开始采用分散控制的技术，在各分散控制系统之上， 总是需要有一层中央计算机系统，这层系统不仅用于对各智能控制器的管理和设 置，为它们相互之间提供数据交换的通道，同时也是为了使智能大厦的物业管理 人员在控制大厦的智能化控制系统时，能够有一个良好的“人机对话”的界面， 也就是一整套既有效又易于操作的管理软件。因此，现在的智能化控制系统的最 高层往往采用微型计算机和图形工作站，在这些计算机中安装各种基于某种操作 平台开发的应用软件，以此代替过去的中型计算机作为中央控制计算机，统一指 挥各智能控制器管理智能大厦的日常运作。这其实就是目前国际上流行的分布式 信息控制理论和集敌型系统设计理论的基础。 可以看出，在这种集散型控制系统中，中央计算机系统与各种智能控制器之 第l 帮系统 睫述 中南大学硕上学位论文 问的信息交换就显得相当重要，没有了统一处理各种信息的庞大的中央计算机系 统，取而代之的众多智能控制器之间就存在大量的数据交换，这种数据交换的可 靠性、安全性和通信速度就要求不亚于中型计算机的内部总线，否则就会影响整 个系统的性能。计算机网络技术的成熟为这个要求提供了最佳的解决方案。现代 的计算机网络技术，如以太网、令牌环网等都可以将各种不同类型的微型计算机、 图形工作站等连接在一起，同样也可以将智能大厦的中央计算机系统和各智能控 制器连接在一起，而且这些网络技术能够以其安全可靠的性能应用于银行、航天 部门等要害机构，也证明其可以满足智能大厦的通信要求。 2 、办公自动化系统 办公自动化系统是一种智能化系统，同时也是一种不断发展中的思想。利用 计算机系统和相应的计算机软件，人们把日常繁重复杂的办公室工作在计算机系 统或计算机网络系统上自动完成，实现数字化、智能化、无纸化和集成化的目标。 办公自动化称为智能大厦的重要功能之一，现在在一栋智能大厦中8 0 以上的 计算机系统和计算机网络系统用于办公自动化系统，这是很大的一部分资源，如 何保证办公自动化系统的正常运作和进一步发挥起作用成为现代智能大厦的一 个重要课题。 3 、综合通信系统 综合通信系统指的是除传统的电话通信之外，还包括电视信号通信、卫星通 信、微波通信、移动通信、计算技术数据通信、多媒体通信等多种功能的通信系 统，综合通信的要求称为信息社会的基本特征之一，也是办公自动化实现的重要 基础之一。现代化的通信技术与人们的生活密切相关，综合通信能力是现代的智 能大厦必须具备的功能，综合通信系统成为智能大厦的第三个不可缺少的组成部 分。智能大厦综合通信系统的综合能力和通信质量，现在已经成为衡量该智能大 厦性能高低的最直观、最有效的重要依据。 智能大厦和其他种类的智能化建筑物正逐渐成为建筑行业的主流。到1 9 9 2 年之后，美国、日本和西欧等发达国家中，9 0 以上的大中型综合建筑物采用了 智能大厦的思想和设计。建筑智能化已经席卷了全球建筑行业，并还在不断地发 展。未来，智能大厦中还会出现更新的思想和设计，智能大厦将更加完善和强有 力，必将进一步地改善人们的日常生活。 1 1 2 楼宇自动化系统( b a s ) 的构成及发展 楼字自动化系统( b u i l d i n ga u t o 眦t i o ns y s t e m ) ，是智能大厦的各智能化系 统中发展历史最长的子系统。长期的发展、研究和实际应用，使得b a 系统成为 3 a 系统中涉及面最广，要求最高和功能最丰富的组成部分，一旦缺少了高性能 的b a 系统，大厦根本就无法称之为“智能大厦”。 i 、b a 系统的构成 第l 章系统概述中南大学硕七学位论文 b a 系统在本质上是庞大的计算机控制系统，因此其基本结构中也必然包括 感应检测单元、控制单元和控制矩阵运算单元等三个组成部分。现代的b a 系统 依靠计算机和网络通信技术的发展，将感应单元和控制单元制作成几种标准的数 字信号元件，将控制矩阵的运算工作分散到分布于智能大厦各处的智能控制器 上，并将所有控制器置于中央计算机或计算机网络的统一监视和管理之下。这种 基本的系统结构就称为集散式控制系统( d c s ) 。它是以中央计算机为核心的，包 含各种楼宇设备控制子系统( 如供电、空调、照明、电梯、消防、安防报警等等) 的综合体系，在智能大厦布线系统和中央计算机网络的平台上，组成分散控制以 及集中监视和管理的功能模式。此系统可以随时根据智能大厦发展的需要，任意 地增减功能和扩充规模“ 。 依据集散型系统的基本特征，每方面的功能都由一系列自动化控制系统来实 现，每套控制系统都包括三个层次的控制设备。因此，一个完整的楼宇自动化系 统首先必须由三个结构层次的控制设备组成。三个层次结构依次是： ( 1 ) 、第一层中央管理系统 中央管理系统集中监视整个b a 系统的运行状况，管理第二层的所有控制设 备，协调各褶关系统的工作配合，并向管理人员提供有关信息。 中央管理系统包括计算机操作站、b a 专用设备、计算机网络设备和管理软 件等四个组成部分。 ( 2 ) 、二层智能控制系统 智能控制系统介于中央管理系统和最终的数据采样控制和执行机构之间，它 是分布式信息与控制理论结合现在计算机控制和通信技术的产物，是b a 系统中 央管理功能的实捷者和延伸。 智能控制系统的主要功能包括两个方面： ( 1 ) 分别监控b a 系统中各子系统设备的运行，提供各种控制算法，直接控制 和管理第三层的所有数据采样控制和执行设备： ( z ) 同时收集各自所管理的设备的运行数据，并向第一层的设备提供这些信 息，协助中央管理系统实现各种预定的管理功能。 ( 3 ) 、三层数据采样控制和执行系统 数据采样控制和执行系统是整个b a 系统最末端的层次结构，是系统最终实 现其各种数据采集、系统控制和功能执行等动作的部分，这个系统由大量功能各 异、非智能的电子器件组成，受第二层的设备监视和管理。 数据采样控制和执行系统的组成器件基本可以分成三大类： ( 1 ) 传感器负责在b a 系统管理的各种环境和设备中采集原始数据，起到监 视这些环境和设备情况的作用。 ( 2 ) 控制器负责根据智能控制器的指令调控各种开关和阀门，分解完成每个 第l 章系统糍述中南大学硕+ l 学位论文 控制任务中各个独立的控制动作。 ( 3 ) 执行器负责最终执行b a 的控制动作，直接对所控制的设备执行控制动 作，实现流量等控制量的最终调节。 楼字自动化系统任务是提供给客户安全、健康、舒适、温馨的生活及高效的 生活环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。因此监控范围可涉及的 面很宽，主要包括电力、照明、空调、环境监控与给排水、电梯、停车场管理系 统等。 2 、我国楼宇自动化系统( b a s ) 的发展现状 我国于9 0 年代初开始进行对智能建筑工作的初步探索。到目前为止，在此 领域虽已有较大的进展；但是，主要应用仍集中于综合布线系统和计算机网络系 统，楼字自动控制系统相对滞后。当前，国内市场上主要系统均为国外产品，其 功能、技术虽较为先进，但其价位相当高，且其功用不能完全适合我国国情。据 有关资料报道，国外产品在中国应用的典型工程，其功能的开通率不到2 0 。 l o n w o r k s 控制网络技术是利用串行数字通信技术，专用于互连各种控制设备、 数字仪表、智能传感装置的控制局域网络，但其系统软、硬件基本上都是在购买 国外硬件的基础上组网，且未见有跨网络的控制应用，产品价位不低，功能开通 率不到3 0 ，还受到国外的技术控制和垄断。针对上述状况，由中南大学信息 工程学院陈际达教授2 0 0 0 年l o 月经过充分论证，提出了采用以太网t c p i p 技 术作为控制网络主干，研究、开发一系列高可靠性、低成本的网络智能控制节点 及路由器设备：同时，实现性能优良的控制网络应用软件平台，形成一套自主开 发适合我国国情的楼字自动化控制网络系统的课题。从2 0 0 0 年n 月至2 0 0 2 年 3 月，通过不懈地努力与攻关，终于完成了系统各个部分的研制开发和系统总调、 测试等工作，并且初步具备了系统产业化的能力。系统的不少设计思想具有独创 性。本论文主要围绕该系统的整体方案，系统的软、硬件以及系统所涵盖的控制 与计算机技术进行论述和介绍。 1 2 系统设计方案 根据我国建筑业发展的实际情况和对楼宇自动化的要求，本系统的设计目标 为：一、系统一般包含l o o o 2 0 0 0 个控制节点，每个节点监控一户家庭或住宅。 二、节点可采集、传递和按照一定的算法计算、控制各种与楼宇自控系统有关的 开关量( 各种报警信号、开关的动作等) 、脉冲量( 三表数据等) 、模拟量( 温度、 流量等) 等各类被控量，节点可单独或组网工作。三、控制网络的通讯应可保证 各类控制的实时与可靠性，传输介质应通用低廉。四、系统结构具有较高的开放 性和可重构性，网络易于安装、维护与管理。五、系统的入机界面友好，具有相 第1 章系统概述 中商大学碗学位论文 应的数据库功能。六、价格低廉，符合当今楼宇自动化发展方向和居民消费水平。 为了完成这些功能和适应不同的用户需要，根据现在实际情况，确定系统实现方 案。 1 2 1 现有智能大厦控制网络设计方案 l 、只含由l c s 一5 1 节点构成的多级主从式r s 一4 8 5 网的系统设计方案： 如图卜l 中，r s 一4 8 5 网络路由器是由m c s 一5 1 和通用串行接口芯片8 2 5 l 构 成的双串口系统，分别转换成r s 一4 8 5 电平而构成。它有固化的软件，由m c s 一5 l 茬截裹 袭两寄口幔的数据交换。1 。 主从式r s 一4 8 5 图卜1 只含骶s 一5 l 节点的多级主从式r s 一4 8 5 网的系统设计方案图 此方案的优点是：系统成本大大降低：对技术要求相对较低。但是其缺点更 为明显：两层分级主从通讯，数据传输延时更大：通讯与应用程序开发工作量显 著增加，且可靠性得不到保障。这种方案适用于网络数据传输量不大，节点数量 较少且干扰不严重的场合。：”3 。 2 、包含l o n w o r k s 节点的网络系统设计方案： 所有节点均采用神经芯片。节点采集、控制与传递上网络的数据为：报警信 号输入( d i ) 、管理机的控制指令输出( d o ) 、系统时钟信号、三表读数、温度、 流量输入等模入信号( a d ) 、电压输出等控制信号( d a ) 。数据的传递方式：各 种数据可以根据系统对实时性的不同要求分为不同的优先级别；各优先级别以不 同的方式及不同的时间间隔发送，如表卜2 所示。网络变量是由节点主动发起 传送，最长能有3 2 个字节，因此需频繁传送的数据都采用网络变量的方式：消 6 第l 帝系统 l 蔓述 中南大学硕士学位论文 感等) 、 ( 温度、湿度等) 图卜2 只含l o n w o r k s 节点的网络系统设计方案图 息巡检是由上位机发起通讯，要求节点传送数据最长可达2 5 5 个字节，较网络 变量方式控制灵活、方便，可减少网络流量。系统时钟要保证整个系统的正确时 间，必须稳定、及时的传送，因而将它的优先级别设置为最高：报警信号变化不 是很频繁，但是一旦变化，必须及时传递，因此它也需较高的优先级别；在本系 统中，模拟量节点的控制对象是主要是温度和湿度等属于大惯性大滞后的对象， ， 第l 章系统概述 中南大学硕士学位论史 控制周期可定在几秒钟。控制的模拟量可分为两种，一种是由管理机输出的调节 信号，通过d d es e r v e r 以网络变量的形式传输给下面节点。另一种是从各个送 风口采集的数据，以捆绑网络变量的方式进行节点间的数据交换，完成相应的复 杂控制算法。将它的优先级定为第三级。网段与网段之间通过l o n w o r k s 路由器 进行扩展与流量的隔离。我们自己开发的以太网关采集三表的读数的传送周期可 以是一天或几天，甚至更长时间一次，所以采用消息巡检的方式，由上位管理机 圭劫荔霆逼强，将宦的优先级定为最低“”。“。具体如表l i 。 表卜1只含l o n w o r k s 的网络系统设计数据传输分级表 数据优先级别传递方式周期 系统时问一级网络变量1 秒 报警信号二级网络变量等于d d es e r v e r 巡检周期 模入信号( a m )兰级网络变量 p c 机监控周期可为5 6 秒；捆绑的剐 控制信号( d ，a )络变量与节点位置有关 三裹读数四级消息巡捡棱需要，可一天或几天一次 此方案的优点是；结构单一，所有的节点和路由器均采用l o n w o r k s 网：而 且l o n w o r k s 开发了一套完整的网络开发平台，因此网络的配置与管理简单。 缺点：由于上位机需采用巡检的方式采集各个智能节点上的数据，因此在上 位管理机和节点间属于多对一通讯，容易引起网络的阻塞，且一旦发生网络阻塞， 网络上的数据传输效率将显著降低。整套系统核心部分全部采用l o n w o r k s 专用 芯片，又软件版权受到限制，因而系统成本较高。 1 2 2 系统采用的方案 随着控制、计算机、通信、网络技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速 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。信息技术的飞速发展，导致了自动化系统结构的变革，而 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，如图卜3 所示。控制网 络的作用是满足企业不同层次信息交换的需求，它是制造过程的命脉所在。当 前，在企业网络不同层次间传送的数据信息已变得越来越复杂，控制网络在开放 性、互连性、带宽方面提出了更高的要求，信息技术的发展引起了自动化结构 的变革，自动化系统已不再作为“信息孤岛”而存在，实现控制网络与信息网络 的集成是现代自动控制领域的发展方向。因此控制网络结构已经发生很多新的变 革。在智能建筑中，需要集成的系统既多又复杂，一般要求各子系统采用相同或 互操作性强的网络通信方式，这对于已经形成了固定模式的系统改造非常困难； 另外t 在以往的智能大厦控制网络系统中，因大都采用d c s 结构，所控制的节点 一般比较集中，受施工布线限制系统规模也不可能扩展的很大。所以研究如何把 第l 章系统 ( 述 中南火学硕士学位论文 现有的具有d c s 构架的控制网络与企业内部的信息网络集成是很现实的问题。 图卜3 传统控制网络系统结构与新的控制网络系统结构对照 e t h e r n e t 技术已经经历了3 0 多年的发展历史，呈现出了欣欣向荣的景象， 这主要归功于e t h e r n e t 具有较多的优越性。例如以太网技术与目前普遍采用的 p d h 、s d h s o n e t 、a t m 、f r 技术相比，具有结构简单、成本低廉、带宽易于扩展 以及兼容性高等诸多无可比拟的优越性。“1 。在新控制网络结构中以太网在逐 渐的替代传统的控制总线。这是因为： l 、e t h e r n e t 结构简单、成本低廉 一般的说，e t h e r n e t 与a t m 、s d h s o n e t 、p d h 技术相比，在接入网方面 取消了些网络单元，使网络结构大大得到了简化。例如，若用户需要一个分组 业务接口，在传统的网络中需要增加许多室内设备，高速毗n 路由器端口、帧中 继器接入设备、信道服务单元、数据服务单元等，而在e t h e r n e t 中则只需用户 准备一个带有e t h e r n e t 接口的路由器就行。 由于结构简单、便于维护和管理，e t h e r n e t 与传统的网络相比，也大幅度 地降低了建设的成本。例如，在m a n 、w a n 的建设中，采用l o m b p s 的e t h e r n e t 要比采用s o n e t s d h 网络成本低2 5 。 2 、具有良好的兼容性能 从1 9 8 3 年制定的i e e e 8 0 2 3 标准到2 0 0 0 年通过的8 0 2 3 a e 规范标准，传输 速率从l o m b p s 上升至1 0 g b p s 。所制定的标准在兼容性方面达到了即插即用的水 平，从而成为可普遍采用的网络技术。 3 、具有充分的灵活性 e t h e r n e t 可通过支持软件和“自动协商”功能实现不同工作模式( 半双工、 全双工) 、不同工作速率和不同传输介质( 电缆与光缆) 之间的转换，还可以支 持音频、视频和不同层次用户的需要，以及支持各类新标准( 与i e e e 8 0 2 1 、 9 笙! ! 墨堑坠垄 塑奎兰堡主兰堡兰兰一 i e e e 8 0 2 3 相关的新标准) ，提供虚拟网、专用网和数据包优先权功能，以及多 媒体压缩传输功能等等，因而具有充分的灵活性。 4 、克服了接入网与干线网之间的瓶颈效应 当前，接入网采用的技术种类很多，如有各种数字用户线技术( x d s l ) 、a t m 技术、p d h 技术等等。这些五花八门的接入网技术，结构繁杂、性能差别悬殊， 无统一的规格标准，因而难于管理与维护。还有更重要是，在与其它网络对接时， 例如窄带接入宽带传输时，不但需要增加复杂的设备，还会产生瓶颈效应。另外， 还有一个重要的问题，就是由于用户对带宽需求的不断增加，为满足用户的要求 也往往需要更换较多的硬件设备和投入更多的费用。 若采用e t h e r n e t 作为用户通用的服务接口，带宽的升级和扩展就显得相当 简单。即只需服务供应商把用户的升级要求( 扩展带宽的要求) 输入到相关的服 务处理系统中，通过计算机来改变软件的参数、按用户所需的带宽进行调整，就 可以使整个升级过程在十几分钟内完成，升级的成本几乎被忽略，用户也可以很 自然地与干线网对接，并消除了所谓的瓶颈效应。因此，干线网也可以采用 e t h e r n e t ，以e t h e r n e t 为核心，使需要的连接变得十分更简单。 5 、l a n 与m a n 、w a n 网络的无缝对接 当今，m a n 和w a n 所采用的组网技术种类也比较繁多，有p d h 、s d h s 0 n e t 、 a 硼、f r 和d w 蹦等等，因而结构复杂、造价昂贵，可靠性低，而且需要有经验 丰富的技术入员进行管理和维护。特别是待m a n 和w 州建成以后，如需要升级， 增加传输带宽，就还得用大量的投入来更新设备。 而e t h e r n e t 的传输速率，日前最低是l o m b p s ，最高可达l o g b p s ，这样的 速率是完全可以满足眦n 、w a n 网络需求的。若l a n 、m a n 和w a n 统一采用e t h e r n e t 技术，不但网络升级方便，不必对网络进行较大的改造，还避兔了不同网络之间 的协议转换，使网络得到简化。同时可以实现l a n 和m n ，以及w a n 之间的无缝 连接。 l o n w o r k s 也是一种较为流行的控制网络，在现在的产品市场也占有一定的比例， 它具有l 、支持多种通信介质( 双绞线、电力线、电源线、光纤、无线、红外等) 和它们的互连；2 、l o n t a l k 是l o n 总线的通信协议，支持七层网络协议，提供 了个固化在神经元芯片的网络操作系统；3 、提供给使用者一个完整的开发平 台，这包含现场调试工具l o n b u i l d e r 、协议分析、网络开发语言n e u r o nc 等； 4 、由于支持面向对象的编程( 网络变量n v ) ，从而很容易实现网络的互操作。 但是l o n w o r k s 与e t h e r n e t 相比，在某些方面还是有些不足，具体对照如表卜2 所示1 。 从以上各项比较数据可以看出，e t h e r n e t 有着很多不可比拟的优势，并且 0 第l 章系统概述 中南大学硕士学位论文 表l 一2以太网与传统现场总线的性能比较 总线 项目 以太网传统现场总线 确定性是是 响应时间小于等于4 m s小于等于5 m s 实时性 报文大小所有规格有限 向上兼容性高低 开放性高低 互操作性高低 标准i e e e 8 0 2 ，3e n 5 0 1 7 0 可移植性 网络安全性高高 协议t c p i p专有协议 商业层适用不适用 控制层适用适用 控制层次 设备层适用适用 二进制传感器网关连接适用 传输介质光纤，同轴电缆等铜线，光纤 连接设备控制器，远处i o控制器，远处i o 最多节点数 6 4 0 0 05 0 0 物理连接 每段节点数l 一2 5 64 8 接点间距离最大4 0 麟最大2 0 k m 远距离中继器支持支持 即插即用支持 不支持 拓扑结构总线，星型，环型 总线星型，环型 h t t p w w w 支持不支持 i s 0 层次支持1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 1 ，2 ，7 ，用户层 网络管理 s n m p 支持 不支持 升级能力商 由 连接费用低高 保有费用低高 费用 系统扩展费用低高 厂商多盟一 随着以后以太网技术的发展，以太网进一步深入控制网络系统的趋势将会进 苎! 兰墨竺丝垄 查查堂堡主兰竺堡苎 一步得到加强。因此，系统采用e t h e r n e t 作为控制网络。”2 。其结构如图卜4 所 不。 图1 4 基于以太网及t c p n p 协议控制网络结构框图 2 第2 章以太咧技术与丁c p i p 协议中南大学硕j ：学位论文 第2 章以太网技术与t c p i p 协议 2 1i n t e r n e t 的起源和发展 i n t e r n e t 是全世界最大的计算机网络，它起源于美国国防部高级研究计划 局( a r p a ) ，于1 9 6 8 年主持研制的用于支持军事研究的计算机实验网a r p a n e t 。 a r p a n e t 建网的初衷旨在帮助那些为美国军方工作的研究人员通过计算机交换 信息，它的设计与实现是基于这样的一种主导思想：网络要能够经得住故障的考 验而维持正常工作，当网络的一部分因受攻击而失去作用时，网络的其它部分仍 能维持正常通信。 1 9 8 5 年当时美国国家科学基金( n s f ) ，为鼓励大学与研究机构共享他们非常 昂贵的四台计算机主机，希望通过计算机网络把各大学与研究机构的计算机与这 些巨型计算机联接起来开始的时候，他们想用现成的a r p a n e t ，不过他们发觉与 美国军方打交道不是一件容易的事情，于是他们决定利用a r p a n e t 发展出来的叫 做t c p i p 的通迅协议自已出资建立名叫n f s n e t 的广域网，由于美国国家科学资 金的鼓励和资助，许多大学、政府资助的研究机构、甚至私营的研究机构纷纷把 自己局域网并入n s f n e t 。这样使n s f n e t 在1 9 8 6 年建成后取代a r p a n e t 成为 i n t e r n e t 的主干网。 在九十年代以前，i n t e r n e t 是由美国政府资助，主要供大学和研究机构使 用，但近年来该网络商业用户数量日益增加，并逐渐从研究教育网络向商业网络 过渡。i n t e r n e t 有着巨大的商业潜力： 1 、电子邮件：电子邮件的优势是能够实现对多人的信息传递。 2 、与专家和科研人员的网上交流与合作：通过电子布告板提出问题听取专 家学者和用户各方面的建议。 3 、了解商业机会和发展趋势：更多的公司通过i n t e r n e t 收集、调研和销售 与商贸活动有关的信息。 4 、远距离数据检索：查询各种商业性和专业数据库。 5 、文件传输( f t p ) ：从生产到销售各个环节的配合与联络：如设计人员通过 网络将设计方案直接传输给生产厂家。 6 、检索免费软件：目前在i n t e r n e t 的公共软件里，有许多免费软件，很多 公司利用这些软件来缩短产品的开发时间。 7 、研究和出版：出版商利用f t p 进行文稿的传递，编辑和发行，以减少出 版和时间和费用。 当然，随着近年技术的发展，i n t e r n e t 已经开始出现在控制领域，特别是 在那些低速场合。 近凡年，i n t e r n e t 规模迅速发展已经覆盖了包括我国在内的1 5 4 个国家， 第2 茚以太尉技术与t c p i p 协议 中街大学颐士学位论文 连接的网络6 万多个，主机达5 0 0 万台，终端用户近5 0 0 0 万，并且以每年1 5 2 0 的速度增长。 1 9 9 4 年中国i n t e r n e t 只有一个国际出口，3 0 0 多个入网用户，到1 9 9 6 年已 发展到有7 条国际出口线，2 万多个入网用户，目前中国和国际i n t e r n ec 网络 互联的主要网络有：由中国科学院负责运作的中国科研网( c a s n e t ) ，由清华大学 负责运作的中国教育网( c e r n e t ) ，由电子部、电力部、铁道部支持，吉通公司负 责运作的金桥网( g b n e t ) ，以及由邮电部组建的中国网( c h i n a n e t ) 。c h i n a n e t 是 我国的第一个商业网，1 9 9 5 年6 月第期工程完成，开通了北京、上海两条带 宽6 4 k b p s 的国际出口线“。 2 2o s i 七层参考模型 o s i 参考模型是国际标准化组织( i s o ) 制定的一种开放式系统互连的基准 模型。最初是为计算机之间的连接而制定的，后来成为所有开放式通信系统之间 互连的标准模型。这里“开放互连”的含意是指任意两个系统只要遵守此基准模 型和相关标准协议就可以互连，而不管通信系统的生产厂家、设备配置、技术水 平和复杂程度有多么不同“”。 图2 1o s i 参考模型 o s i 将系统之间互连所要执行的全部功能，按照一定的原则划分为七层功能 层，每层不仅要执行自己的功能，还要为上层服务以及分配需由下层完成的功能 箱2 嚣以太网技术jt c p i p 协议中南大学硕士学位论文 的细节部分，即把网络要执行的全部功能分解到相互独立、容易处理的若干层之 中。每层的变化，不会引起其它层的变化。另外，在o s i 中，处于同一等级的子 系统被集成在一层内，作为一个服务的提供者，有若干个服务的功能。其中的一 种功能又可称为该层的子层。 因此，在o s i 中，各层都有符合标准化的功能，各层之间也都有符合标准化 的通信协议。这里所称的“通信协议”，包括数据格式、信号规格、差错控制、 速率变换、定时同步等等，所称的“服务”则有相邻层之间服务的关系。o s i 七 层参考模型如图2 一l 所示，在图中对应层之间的通信都是虚拟的，只有物理层 之间的通信才是实际的通信。 1 、物理层 该层为通信提供物理链路，实现比特流的透明传输。物理层定义了域传输线， 以及接口硬件的机械、电气、功能和过程有关的各种特性，以便建立、维护和拆 除物理连接。 2 、数据链路层 该层用于提供相邻结点间透明、可靠的信息传输服务。透明，意味着对所传 输数据的内容、格式及编码不做任何限制；可靠，表示在该层设置有相应的检错、 顺序和纠错设施。数据传输的基本单位是帧。 3 、网络层 该层用于提供源站和目标站间的信息传输服务，传输的基本单位是分组。信 息在网_ 络中传输时，必须进行路由选择、差错检测、顺序及流量控制。网络层还 应向运输层提供数据报或虚电路服务。 4 、运输层 该层用于为不同系统内的会晤实体建立端一端之间透明，可靠的数据传输， 执行端端差错控制，顺序和流量控制，管理多路复用等。数据传输的基本单位 是报文。 5 、会话层 本层可为不同系统内的应用进程之间建立会晤连接，使他们能按同步方式交 换数据；并能有序地拆除连接，以保证不丢失数据。可用令牌环实现对话方向交 换的管理，也可进行中断对话的差错恢复管理。 6 、表示层 本层向应用进程提供信息表示方式，对不同表示方式进行转换管理等，使采 用不同表示方式的系统之间能进行通信，并提供标准的应用接口、公用通信服务， 如数据加密、正文压缩等。 7 、应用层 该层用于为本层中的应用进程访闯o s i 环境提供手段、管理和分配网络资 第2 章以太网技术。jt c p i p 协议 中南大学硕士学位论文 源。应用层以下的各层均通过应用层向应用进程提供服务。 2 3 以太网的封装格式 e t h e r n e t 是一种计算机l a n ，是由若干个站点( 网络节点) 和将其连接到网 上所使用的设备以及站点间传输信息的介质组成的。各站点间的通信是通过符合 上述标准规范的以太网，以传输介质接入控制撇c e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 的方 法实现的。其传输介质也需遵守相关标准规定的e t h e r n e t 物理层的性能规范， 锫霆囊 点静谆篷与传输介质中的运行。 e t h