（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线与工业以太网的现场智能测控单元.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，它是用于现场仪表与控制 系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、 多站的通信网络。p r o f i b u s 现场总线是一种开放式的总线标准，目前广泛用于 加工制造、过程控制和楼宇自动化等领域。其中p r o f i b u s - d p 主要用于现场设 备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行总线同分散的现场设备( 如i o 、 驱动器、阀门等) 进行周期性通信。工业以太网具有应用广泛、价格低廉、通信 速率高、应用技术成熟等优点，主要应用在工业企业综合自动化系统中的资源管 理层和执行制造层。 随着计算机技术、通信技术、控制技术( 3 c 技术) 的发展，控制领域正在 发生深刻的技术变革，控制系统将向信号数字化、控制智能化、通信网络化的开 放性系统方向发展。现场总线与工业以太网技术在工业控制领域应用越来越广 泛，但二者在其技术应用上，各自存在不足之处，如何融合二者的技术优势，使 其技术优势互补，将是控制领域一个新的发展方向。 本课题在此背景下，利用网络协议的开放性，在剖析研究现场总线 p r o f i b u s d p 与以太网的协议原理及实现过程的基础上，设计开发现场智能测 控单元，技术上融合p r o f i b u s d p 和以太网二者的优势，使其满足新型网络控 制系统对现场设备的技术要求。测控单元采用了模块化的结构设计，电源、主控 卡、各个功能模块相对独立，通过母板连接，支持“即插即用”功能。主控卡的 接口设计时，使用西门子公司的协议控制芯片s p c 3 设计p r o f i b u s d p 接口， 可接入标准格式的p r o f i b u s d p 总线控制网络；使用以太网控制器r t l 9 0 1 9 a s 设计以太网通信接口，遵循标准的t c p i p 协议。测控单元主控卡主要完成与系 统及功能模块的通信，与功能模块通信结构采用了流行的“a l l - i n - o n e ”通信模 式。另外，主控卡可根据各个功能扳卡的有效数据，对整个测控单元进行优化控 制，突出了集中控制功能，完善了以往分布式系统的集中控制功能。功能测控模 块的设计包括数字量输入( d i ) 、数字量输出( d o ) 、模拟量输入( a i ) ，模拟量 输出( a o ) 、毫伏级模拟量输入( 如热电阻测量信号、热电偶测量信号等) 及协 议转换桥等。可方便地对工业现场的信号进行测控工作，并具有良好的系统扩展 性，方便第三方设备的接入。功能模块完成工业现场信号的采集，处理转换、故 障报警、信号掉线检测等功能。每个模块上都设计了隔离保护措施，以保护模块 上的c p u 不受工业现场的干扰，同时具有程序自动复位功能，保证系统的运行 可靠。论文中给出了测控单元在新型控制系统中的应用，并分析了p r o f i b u s d p 和以太网协议接口工作的实时特性，得出相应的结论，为构建工业实时系统提供 山东大学硕士学位论文 了理论基础。最后，论文中给出了人机界面( h m i ) 的简单开发过程。 关键词：现场总线以太网测控单元p r o f i b u s - d p t c p ，i p 分布式测控系统 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l d b u si so n eo ft h ea c t i v et o p i c so ft h ec u r r e n tt e c h n i c a ld e v e l o p m e n ti n a u t o m a t i cf i e l d , w h i c hi sw h o l es c a t t e r e d , i n t e l l i g e n t , b i d i r e c t i o n a l ，i n t e r c o n n e c t e d , m u l t i v a r i a b l ea n dm u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki su s e db e t w e e nl o c a lm e t e r , c o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o lr o o m p r o f i b u si sa no p nb u ss t a n d a r d , w h i c hc a nb e a p p l i e ds p r e a d l yi nm a n ya s p e c t ss u c ha sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , p r o c e d u r ei n d u s t r y a n db u i l d i n ga u t o m a t i o n i na d d i t i o n , p r o f i b u s - d pi sa p p l i e dm a i n l yi nh i g h - s p e e d t r a n s m i s s i o na m o n gl o c a ld e v i c e s n 圮c y c l et r a n s m i s s i o ni sp e r f o r m e dt h r o u g h h i g h - s p e e ds e r i a lb u sa m o n gm c u a n dl o c a ld e v i c e s ( s u c ha si o ，d r i v e r s ，v a l v e se t c ) i n d u s t r i a le t h e r n e th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa p t l y r a gw i d e l y , l o w e rp r i c e , h i 曲 b a u d r a t e ，e t e ，w h i c hc a nb ea p p l i e di nr e s o b l o 七m a n a g el a y e ra n dm a n u f a e t u rl a y e ro f t h ei n d u s l r i a lt o t a la u t o m a t i cs y s t e m - w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l ，ad e e pt e c h n i q u e c h a n g ei st a k i n gp l a c ei nc o n t r o ld o m a i n c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p i n gt o w a r d st h e s i g n a ld i g i t a l ，c o n t r o li n t e l l i g e n t , c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko p e ns y s t e m f i e l d b u sa n d i n d u s t r i a le t h c q - n e ta r cm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di ni n d u s t yc o n t r o la r e a , b u tt h e y b o t hh a v ed i s a d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，h o wt oa m a l g a m a t et h e i r 孤i v a n t a g e st om a k e t h e mu pw i l lb ean e wd i r e c t i o ni nc o n t r o la r e a u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , m a k i n gu s eo ft h eo p e n n e s so fn e t w o r kp r o t o c o l ，o nt h e b a s eo f a n a l y s i n gt h ep r o t o c o lt h e o r ya n dr e a l i z a t i o no f p r o f m u s - d pa n di n d u s t r i a l e t h e m e t , t h i st a s kd e s i g n sal o c a t ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i t , w h i c h i n t e g r a t e st h ea d v a n t a g e so fp r o f i b u s - d pa n di n d u s t r i a le t h e m e tt of u l f i l lt h e t e c h n i cr e q u i r e m e n to fl o c a t ei n s t r u m e n t sa m o n gt h en e wn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 叻em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i tu s e sb l o c k i n gs t r u c t u r e , t h ep o w e rs u p p l y , m a i n c o n t r o lb l o c ka n do t h e rf u n c t i o nb l o c k sa r er e l a t i v e l ys e p a r a t e ，c o n n e c t e da n d c o m b i n e dv i am o t h e r b o a r d ，a n ds u p p o r tt h ep l u ga n dp l a yf u n c t i o n m a i nc o n t r o l b l o c ki l s e ss i e m e n sp r o f i b u sc o n t r o l l e r ( s p c 3 ) t od e s i g np r o f i b u s d p i n t e r f a c e , w h i c hc a nb ec o n n e c t e dt os t a n d a r dp r o f i b u s - d pc o n t r o ln e t w o r k ；u s e s e t h e r n e tc o n t r o l l e rr t l 8 0 1 9 a st o d e s i g n e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c c ， f o l l o w i n gs t a n d a r dt c p i pp r o t o c 0 1 m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i tc o m m u n i c a t e s w i t hs y s t e ma n df u n c t i o nb l o c k s t h ec o m m u n i c a t i s t r u c t u r eo f w h i c hu s e sp o p u l a r a l l - i n - o n em o d e f u r t h e r m o r e , m a i nc o n 打o lb l o c kc a l lm a k eo p t i m i z ec o n t r o lo f m e a s 嘲e n ta n dc o n t r o lu n i ta c c o r d i n gt h ee f f e c td a t ao fe a c hf u n c t i o nb l o c k , s oi t g i v e sp r o m i n e n c et oc e n t r a l i z e dc o n t r o lf u n c t i o n , a n dm a k ep e r f e c tt h ec e n t r a l i z e d i i i 山东大学硕士学位论文 c o n t r o lf u n c t i o no ff o r m e rd i s t r i b u t e ds y s t e m t h ef u n c t i o nd e s i g no fm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lb l o c kc o n t a i n sd i g i t a li n p u t ( d i ) ，d i g i t a lo u t p u t ( d o ) ，a n a l o gi n p u t ( a o ， a n a l o go u t p u t ( a o ) ，a n a l o gm v - s i g n a li n p u t ( t h e r m o r e s i s t a n c e m e a s u r e s i g n a l ， t h e r m o c o u p l em e 勰u r es i g n a l ，e t c ) a n dp r o t o c o lc o n v e r s i o nb f i d g e e t c ，t h e yc a l l n l e a s u r ea n dc o n t r o li n d u s t r i a ll o c a l s i g n a le x p e d i e n t l ya n dh a v eg o o ds y f t e m e x p a n s i b i l i t y , m a k i n gt h i r dp a r td e v i c ec o n v e n i e n t l y f u n c t i o nb l o c k st u ns a m p l e , p r o c e s sa n dc o r t v e r tt h el o c a ls i g n a l s ，c a nd e t e c ts i g n a ld r o pa n de t c e a c hb l o c k h a s b e n ni s o l a t e ds a f e g u a r dt om a k es u t h ec p un o tb ei n t e r f e r e db yl o c a li n d u s t r y , a n d h a sp r o g r a ma u t o m a t i cr e s t o r a t i o nt om a k es u r et h es y s t e mw o r kn o m m l l y t i l i st h e s i s s h o w st h a tt h ea p p l i c a t i o no fm e 躺u n ta n dc o n t r o lu n i ti nn e wc o n t r o ls y s t e m , a n a l y s e st h er e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i co f p r o f i b u s - d pa n de t h e m e tp r o t o c o li n t e r f a c e ， a n dc o n c l u d e sc o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n , p r o v i d i n gt h e o r yb a s i sf o rb u i l d i n gi n d u s t r y r e a lt i m es y s t e m f i n a l l y , t h et h e s i sd e s c r i b e sas i m p l ed e v e l o p m e n to f h m i k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，e t h e m e t , m e 嬲u r e m e n ta n dc o n l r o lu n i t , p r o f i b u s - d p , t c p i p , d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何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 究作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：2 擘迎日 叩 ：伊臌绰龇 山东大学硕士学位论文 第一章现场总线与工业以太网概述 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字 化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的串行通信网络，被誉为自动化领 域的计算机局域网【l 】。随着计算机技术、通信技术、控制技术( 3 c 技术) 的发 展，控制领域正在发生深刻的技术变革，控制系统将向信号数字化、控制智能化、 通信网络化的开放性系统方向发展。 以现场总线技术为基础形成了一种新型的网络集成分散控制系统：现场总线 控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。在基于现场总线的控制系统f c s 中， 现场智能设备具备了网络通信能力，通过现场总线网络连接成控制系统，把d c s 控制系统中封闭、专用的通信解决方案变成了公开，标准化的解决方案f c s 适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，成为全球工业自动 化领域的热点之一踟。同时随着信息技术的进一步发展，企业要求从现场控制 层到管理层实现全面的无缝信息集成，但是目前的现场总线尚不能满足这些要 求，促使人们开始寻求新的解决方式，其中之一即将以太网技术用于工业控制领 域来实现企业控制网络与信息网络无缝连接，与现场总线技术相互结合，实现全 厂甚至世界范围内的信息共享，加速工业现代化的前进步伐，提高工业企业的综 合竞争能力和经济效益。因此工厂系统控制技术与i t 技术结合，实现企业无缝 信息集成，也将成为未来工业技术发展的方向之一【l 】【2 】。 1 1 现场总线概述 1 1 1 现场总线技术的特点 现场总线是3 c 技术( 计算机技术、通信技术和控制技术) 发展的产物，它 把先进的微处理器置入了现场设备，使其具备信息采集、显示、处理、数字计算 及优化控制等功能，提高了信息传输精度和传输速度，为控制系统的信息交换和 共享提供了必要的条件。简单的概括现场总线技术有如下特点【l 】： ( 1 ) 系统的开放性 系统的开放性是指通信协议公开，各不同厂家设备之间可进行互连并实现信 息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这 里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。 c 2 ) 系统互可操作与互用性 系统互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实现点 山东大学硕士学位论文 对点、一点对多点的数字通信；而互用性则是对不同生产厂家的性能类似的设备 可以互换，实现互用。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性 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，并通过现场总线将信息传送到控制 中心，进行统一的处理和存储，控制中心可随时在线诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的彻底分散 由于现场某些设备本身就是智能设备，可以完成自动控制功能，系统通过现 场总线构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，可由单个网络节点，或多个 网络节点共同完成所要求的自动化功能。从根本上改变了现有d c s 系统的集中 与分散相结合、主要通过主机进行现场设备的控制和信息交换的集散控制系统体 系，简化了系统结构，提高了可靠性，实现了控制彻底分散。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 现场总线是工作在现场设备前端，作为工厂网络控制底层的载体，是专为现 场环境工作而设计的。它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线和电力 线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与数据通信，而且有些现 场总线可满足本质安全防爆要求( 如p r o f i b u s p a 总线) 等。 1 1 2 现场总线的优势 现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、调试到正常生产运行 及检修维护，都具有传统控制系统所无法比拟的优势主要体现以下几个方面 2 1 ： ( 1 ) 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控 制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算 单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复 杂接线，还可以用p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，同时由于控 制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多 个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的 工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连 接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型 试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上 2 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 节约维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相 关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断和维护信息， 以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简 化、连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口 而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了 测量与控制的准确度，减少了传送误差同时，由于系统的结构简化，设备与连 线减少，现场仪表内部功能加强；减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可 靠性。 1 1 3 现场总线的现状及发展 国际电工技术委员会国际标准协会( m c i s a ) 自1 9 8 4 年起开始现场总线 标准工作，但统一的标准至今仍未完成。同时，世界上许多公司也推出了自己的 现场总线技术。但存在太多差异的标准和协议，会给实践带来复杂性和不便，影 响开放性和互可操作性。因而在最近几年里开始标准统一工作，减少现场总线协 议的数量，以达到单一标准协议的目标。各种协议标准合并的目的是为了达到国 际上统一的总线标准，以实现各家产品的互操作性。 2 0 0 3 年4 月，i e c 6 1 1 5 8e d 3 现场总线标准第三版正式成为国际标准，该标 准由i e c s c 6 5 c m t 9 小组负责修订嘲。为了反映工业网络通信技术的最新发展， 新版标准规定了1 0 种类型现场总线依次是：t s 6 1 1 5 8 现场总线、c o n 缸5 0 l n e t 和 e t h e r n e t i p 、p r o f m u s 、p - n e t 、f fh s e 、s w i f i n e t 、w d r l d f i p 、玳t e r b i ，s 、 f f h i 和p r o f i n c t 。 每种现场总线都有其产生的技术背景和应用领域。由于不同领域的自动化技 术需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定的领域的 满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。 山东大学硕士学位论文 1 2 工业以太网概述 工业以太网技术的发展现状 随着互联网技术的发展与普及推广，e t h e m e t 技术也得到了迅速的发展， e t h e r n e t 传输速率的提高和e t h e r n e t 交换技术的发展，给解决e t h e m e t 通信的非 确定性问题带来了希望，并使e t h e m e t 全面应用于工业控制领域成为可能。目前 工业以太网技术的发展主要体现在以下几个方面嘲： ( 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系统对 实时性的要求，即信号传输要足够的快及满足信号的确定性。实时控制往往要求 对某些变量的数据准确定时刷新。由于e t h e m 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准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性 的网络。 然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，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 m e t 的通信速率从1 0 m 、 1 0 0 m 增大到如今的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，即网络碰撞机率大大下降。其 次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。e t h e m e t 交换机 由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓 冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段 内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它 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 得端口间两对双绞线( 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) ，或碰撞机率大大降低( 半双工) ，因此使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 m 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、 交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计 ( 如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等) ，故商用网络产品不能应用在有 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，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工 业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国s y n e r g e t i c 微系统公 4 山东大学硕士学位论文 司和德国h r s c h m a n n 、j e t t e ra g 等公司专门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，接插件采用牢固的d b 9 针接口。台湾四零四科技( 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 产品一m o x a e t h e r d e v i c es e r v e r ( 工业以太网设备服务器) ，特别设计用于连接工 业应用中具有以太网络接口的工业设备( 如p l c 、d c s 系统等) 。 ( 3 ) 工业以太网协议 由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，而且 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，往往还 需要根据所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点 协调完成自控任务，因而它需要在应用、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 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 据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p i p 协议为主( 己成 为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准) 。而对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间是通过f 口( 3 c 件 传送协议) 、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 w 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。 近年来，工业以太网的兴起引起了自动控制领域的重视，同时许多人担心工 业以太网标准的不统一会影响其渗透到自动控制网络的应用。现场总线标准争论 了1 0 年，工业以太网标准或许也会这样。目前i e c 6 1 1 5 8 标准中有1 0 种现场总 线，各有各的规范，互不兼容。下一步向工业以太网发展形成的4 类不同协议标 准，分别是由主要的现场总线生产厂商和集团支持开发的： f f 和w o r l d f i p 向f i e l d b u sf o u n d a t i o nh s e 发展； c o n 舡o l n e t 和d e v i e e n e t 向e t h e r n e t i p 发展； i n t e r b u s 和m o d b u s 向i d a 发展； p r o f i b u s 向p r o f i n e t 发展。 从目前的趋势看，以太网进入工业控制领域是必然的，但会同时存在几个标 准。现场总线目前处于相对稳定时期，已有的现场总线仍将存在，并非每种总线 都将被工业以太网替代。伴随着多种现场总线的工业以太网标准在近期内也不会 完全统一，会同时存在多个协议和标准。 1 2 2 工业以太网的主要标准 目前，主要的工业以太网标准除了在物理层和数据链路层都服从i e e e 8 0 2 3 山东大学硕士学位论文 外，在应用层和用户层协议均无共同之处。这主要是因为它们的应用领域和发展 背景的不同。如果我们把应用领域分为离散制造控制和连续过程控制，而又把网 络细分为设备层、i o 层、控制层和监控层，那么各种工业以太网及其相关现场 总线的应用定位一目了然，如图1 1 所示。其中主要用于离散制造领域且最有影 响的，当推m o d b u st c p i p 、e t h e r n e t i p 、i d a 和p r o f i n e t 。在全球p l c 市场 居领先地位的s i e m e n s 不遗余力地推动p r o f h l e t p r o f m u s 组合；r o c k w e l l a u t o m a t i o n 和o m r o n 以及其他一些公司致力于推进e t h e r n e v l p 及其基于c i p 的 d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t 网络；s c h n e i d e r 则加强它与i d a 的联盟。而在过程控制 领域只有f fh s e 一家。在监控级，o p cd x 可作为e t h e r n e t i p 、f fh s e 和 p r o f i n e r 数据交换的“软件网桥”。现场总线基金会f f 、o d v a 和p r o f i b u s i n t e r n a t i o n a l ( p d 这3 大国际性工业通信组织，合力支持o p c 基金会的d x 工 作组正在制订的规范。由于它们各有不同的侧重点，无法也不会愿意寻求统一的 协议。折衷的办法就是宣布支持o p cd x ，找到一种进行有效的数据交换的中间 工具软件网桥。 网 络 层 监控 控制 哟 设备 离散制造控制控制类型过程控制 由应用的角度对工业以太网的各种协议及其相关网络予以定位 图1 - 1 工业以太网与相关现场总线协议的应用定位 i n o n a ( 工业自动化联网联盟) 和o p c 基金会一直在试图缓和和调节这场 潜在的标准之争，但这场工业以太网协议之争，并未因此停息。工业以太网协议 之争与现场总线协议之争有许多相似之处，不同的是当年现场总线之争的焦点集 中在物理层和数据链路层，而当前工业以太网最大的差异，即竞争的焦点是集中 在应用层和用户层。 此外，还有一个显著的特点是一般工业以太网标准都有与之互补的设备层现 场总线，如表1 1 所示。 6 山东大学硕士学位论文 表l - l工业以太网标准和与其互补的设备层现场总线 工业以太网标准互补的设备层现场总线 e t h e r n e t i pd e v i c e n e t ，c o n t r o n q e l p r o f i n e tp r o f i b u sd p ，a s ip r o f t b u sp a f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s ef o u n d a t i o nf i e l d b u sh l i d a i d a ，m o d b t l st c p 仃p 其中最为简单、实用的是m o d b u s t c p i p 。它除了在物理层和数据链路层用 以太网标准，与m o d b u s 采用r s2 3 2 c 瓜s4 2 2 瓜s4 8 5 不同外，在应用层二者基 本是一致的，都使用一样的功能代码。它属于设备层中的工业以太网协议。目前 在m o d i c o n 的p l c 中用得很多。同时，由于大多数工业以太网的竞争者都有 与之互补的设备层网络，i d a 是后来的参与者，没有适合的设备层协议，所以它 增加了一个与m o d b u st c p i p 的接口，在其网络结构中采用m o d b u st c m p 作 为设备层。 1 2 3 工业以太网技术的发展趋势与前景 由于以太网具有应用广泛、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资源管理层、 执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。 未来工业以太网将在工业企业综合自动化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。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在 以下几个方面l l j ： ( 1 ) 工业以太网与现场总线相结合 工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注。而现场 总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，并且 形成了一定的市场。就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一 步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的 系列产品。 ( 2 ) 工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋 随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通 信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间 通信的主要障碍，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。 ( 3 ) 发展前景 据美国权威调查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 报告指出，今后 e t h e m e t 不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市 场，也必将领导未来现场总线的发展，e t h e m e t 和t c p p 将成为器件总线和现 7 山东大学硕士学位论文 场总线的基础协议。e t l l e m e t 在工业控制领域市场占有率的增长也越来越快，将 从2 0 0 0 年的l l 增加到2 0 0 5 年的2 3 。 由于以太网有“一网到底”的美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制 层，完成整个企业管理控制系统信息的无缝连接，所以被人们普遍认为是未来控 制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为新型网络控制系统中的主流技术。 1 3 课题方案设计 1 3 i 任务分析 课题主要研究p r o f i b u s 总线与工业以太网在新型控制系统中的应用原理， 进而使用p r o f i b u s - d p 子协议与工业以太网协议开发基于p r o f i b u s d p 总线 与工业以太网的智能测控单元及相应的各种功能模块，如数字量输入模块、数字 量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、热电偶信号输入模块、热电阻 信号输入模块、其它通信协议转换桥模块等，并以此为基础构建和应用基于 p r o f i b u s - d p 与以太网的新型控制系统。 p r o f i b u s - d p 总线与其它现存总线相比，通信速度更快，距离更远，运行 更可靠，抗干扰能力更强。但是也有它的缺点，即一般方案在构建控制系统网络 时必须使用国外公司提供的智能从站和为数不多的主站通信卡作为网络的主站， 这样系统造价就比较高。 课题主要任务即根据p r o f i b u s d p 子协议与工业以太网协议的开放性，融 合二者的技术优势，使其技术互补，研究开发智能现场测控单元，测控单元整体 结构如图1 2 所示。 8 供主测控功能模块如d i d o , a i a o 等 电控 电制 源卡 图l - 2 测控单元结构图 山东大学硕士学位论文 1 3 2 系统设计 智能测控单元集中性能，比较控制，相对于各个分散的终端功能模块，控制 单元可以根据整个系统的性能，对各终端性能采样比较，突出了集中控制功能， 完善了以往分布式的集中控制功能，体现了“智能控制模式”。作为整个测控单 元的核心部分，主控卡不但要完成与控制系统及功能模块的实时数据通信，更是 整个智能测控单元的实现集中控制的“大脑”，下面给出主控卡的设计框图如图 1 3 所示，具体电路图将在以后章节给出。 与功能测控模 块数据通信 图l - 3 测控单元主控卡结构框图 智能测控单元的主要技术特点及优点； ( 1 ) 借鉴计算机主板p c i 插槽扩展设计思想，智能测控单元整体结构采用“模 块插槽式”结构，有利于测控单元功能模块的扩展，支持模块热插拔“即 插即用”功能，主控卡自动识别功能模块槽位及模块类型。远程访问数据 交换时，测控单元的数据处理采用了“a 1 1 i n - o n e ”结构。 ( 2 ) 智能测控单元功能模块c p u 中嵌入相应的控制算法，来完成测控单元的 信息管理、数据通信、在线诊断等功能，与主控卡通信采用u a r t 方式， 通信数据以固定格式打包、校验，保证通信可靠性。 ( 3 ) 在智能测控单元的设计中，功能模块共用主控卡上的通信协议芯片和来 完成远程数据通信，改变了原来的每个模块上均有协议芯片模式，减少了 系统站点，增加了测控系统的信号接入数量，降低了系统的成本。 ( 4 ) 智能测控单元可以通过跳线在线设置远程系统通信方式，主控卡通信协 议可以为p r o f i b u s d p 协议、以太网协议或同时工作于两种协议格式， 实现。一卡双控”模式。 ( 5 ) 智能测控单元双路电源冗余供电，主控卡及各个功能模块均具有系统故 障自复位功能，保证了整个测控单元的运行可靠性。 9 山东大学硕士学位论文 第二章p r o f i b u s d p 总线协议与t c p i p 协议 p r o f m u s 聊现场总线作为一种国际主流现场总线产品，速度快、适用范 围广、功能强，在提高系统性能同时，降低工程造价，具有较高的性能价格比， 在当今的过程控制中越来越受到重视。而工业以太网同样具有自身技术优势，它 能提供一个开放的基础构架，使企业从现场控制层到管理层实现全面的无缝信息 集成，解决由于网络协议上的鸿沟导致的“自动化孤岛”问题。二者的技术优势 融合，正在成为控制系统研究的一个新方向。 2 1p r o f i b u s 简介 2 1 1p r o f i b u s 的发展 过程现场总线( p r o c e s sf i d d b u s ，p r o f i b u s ) 系统能够提供制造业、楼宇和 过程自动化的统一解决方案，最初在1 9 8 7 年由s i e m e n s 公司等1 3 家企业和5 家 研究机构联合开发，经过十几年的发展壮大，现在已经成为现场总线国际标准 i e c 6 1 1 5 8 ( 2 0 0 3 年) 的类型3 。另外，基于p r o f i b u s 技术的p r o f i n e t 协议 也成为现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 的类型l o 。 p r o f i b u s 定义了各种数据设备连接的串行现场总线的技术和功能特性，现 场设备可以广泛分布在控制底层( 如传感器、执行器层等) 和控制中心( 如车间 级) 。p r o f i b u s 系统连接的设备由主站和从站组成。主站能控制总线，当主站 得到现场总线控制权时可以主动向从站和其它的主站发送信息；从站为控制的外 围设备( 如智能传感器、执行器等) ，没有总线的控制权，仅对接收到的信息予 以执行，或当主站要求数据时回送主站相应的信息 7 1