（控制科学与工程专业论文）罗克韦尔网络结构仿真研究及其嵌入式从节点实现.pdf

摘要 罗克韦尔网络结构仿真研究及其嵌入式从节点实现 摘要 罗克韦尔网络( n e t l i n k ) 是一种新型的基于生产者消费者模式的 满足工业实时性的高速总线网络。论文主要研究了n e t l i n k 中的控制 层和设备层网络。 控9 1 j 曝j ( c o n t r o l n e t ) 属于n e t l i n k 三层网络体系的中间控制层。由 于c i p 协议所定义c o n t r o l n e t 具有显性报文与隐性报文相结合的通讯特 点，其配置的网络参数往往会影响网络的性能，为了获得最优性能，对 c o n t r o l n e t 的c t d m a 算法及a p i 优化进行了研究。利用了s i m u l i n k 中的s t a t e f l o w 工具建立c o n t r o l n e t 协议数据链路层m a c 子层的仿真模 型，并针对不同网络参数，进行c o n t r o l n e t 总线通信实时性、确定性和 带宽利用率分析。仿真结果较好的验证了c o n t r o l n e t 在合理配置参数下 的通信实时性和带宽利用率方面的优势。获得了如何正确配置网络参数 的相关结论。所建立的仿真模型以及获得的仿真数据都可以为 c o n t r o l n e t 总线在可靠性、实时性要求较高的实时通讯环境的使用提供 有益参考。本文同时也分析了设备网( d e v i c e t n e t ) 的协议，d e v i c e t n e t 属于n e t l i n k 三层网络的设备层。d e v i c e t n e t 底层使用c a n 技术。通 过采用嵌入式系统为平台，结合c a n 控制器芯片，依据c i p 定义的 d e v i c e t n e t 通讯原理，采用面向对象编程方法，实现了嵌入式从节点的 d e v i c e t n e t 协议栈。通过构建实验室测试环境，测试并验证了d e v i c e t n e t 北京化工大学硕士学位论文 从节点的功能。 关键词：通用工业协议；控制网协议；设备网协议；嵌入式系统。 i i a b s t r a c t s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho nr o c k w e l ln e t w o r ks t r u c t u r ea n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ee m b e d d e ds l a v en o d e a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o d u c e r s c o n s u m e r sm o d e ，r o c k w e l ln e t w o r ks t r u c t u r e ( n e t l i n k ) i san e wh i g h s p e e dn e t w o r k ，w h i c hc a ns a t i s f yt h ed e m a n do n t h er e a lt i m eo ft h ei n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho n t h ec o n t r o ll a y e ra n dd e v i c el a y e n c o n t r o l n e ti st h ec o n t r o ll a y e ro ft h en e t l i n kn e t w o r k b e c a u s eo fi t s c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e , i ti sn e c e s s a r y t of i n dar e a s o n a b l ec o n f i g r a t i o n f o c u s i n go nt h ef e a t u r eo fs c h e d u l e da n d u n s c h e d u l e dc o m m u n i c a t i o n ，t h i sp a p e rm a d et h er e s e a r c ho nt h ec t d m a ( c o n c u r r e n tt i m ed o m a i nm u l t i p l ea c c e s s ) a l g o r i t h ma n da p i ( a c t u a l p a c k e ti n t e r v a l ) t h e nc r e a t e dam a c s u b l a y e rs i m u l a t i o nm o d e li nd a t a l i n kl a y e ro ft h ec o n t r o l n e tp r o t o c o li nt h es t a t e f l o wt o o l so fs i m u l i n k w i t h m u l t i p a r a m e t e rc h a n g e di nt h em o d l e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er e a l - t i m e ， d e t e r m i n i s t i c ，a n db a n d w i d t hu t i l i z a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a t c o n t r o l n e th a v em u c ha d v a n t a g ei nr e a lt i m ea n db a n d w i d t hu t i l i z a t i o n r a t i ow i t har e a s o n a b l ec o n f i g r a t i o n f i n a l l yg o ts o m ec o n c l u s i o na b o u th o w t oc o n f i g u r en e t w o r kp a r a m e t e r sr e a s o n a b l y b o t ht h ec o n t r o l n e ts i m u l a t i o n m o d e la n dt h es i m u l a t i o nd a t ac a l lp r o v i di m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o r c o n t r o l n e tb u sw h i c hw i l lb ea p p l i e di nt h er e a l t i m ec o n t r o le v i r o n m e n t r e q u i r i n gc e r t a i n t ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e d i i i 北京化工大学硕士学位论文 d e v i c e t n e t d e v i c e t n e ti si nt h ed e v i c el a y e ro ft h en e t l i n kn e t w o r k i t b a s e do nc a np r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o np r i n c i p l eo f d e v i c e n e td e f i n e db yc i p , m a d eu s eo ft h eo b je c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g m e t h o d ，a n dt h e nr e a l i z et h ed e v i c e n e ts t a c kb a s e do nt h ee m b e d d e d s y s t e ma n dc a n c o n t r o l l e r t e s t e da n dv e r i f i e dt h ef u n c t i o no fd e v i c e n e t s l a v en o d ei nl a b o r a t o r yt e s te n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：c o m m o ni n d u s t r i a lp r o t o c o l ，c o n t r o l n e tp r o t o c o l ，d e v i c e n e t p r o t o c o l ，e m b e d d e ds y s t e m 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导卜， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引崩的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：宝坠眺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名：z 呈壁立立! 日期： 日期： 型! ：兰：刁 第一章绪论 第一章绪论 1 1 罗克韦尔网络结构的产生背景 微电子学的飞速发展的今天，工业现场已经开始广泛使用含有微处理器的智能 化变送器、智能化控制器和集散控制系统。智能化的现场仪表可以不经过人工干预， 而是通过预定编程实现各种简单或者是复杂控制功能，这是智能化仪表的最具有优 势的方面。但是由于大范围大量使用智能化现场设备，造成了现场设备与中央控制 室当中的自动化设备之间所需要传输的信息量陡然增加。般情况下4 - - - , 2 0 m a 标 准模拟信号只可以在一根两芯电缆中单向传送一个数值。这种信号标准已经远远不 能满足当前数据量的要求，制约了当前控制系统的发展。因此在现场设备和控制系 统之间，需要一种高带宽的、数字化的、双向的通信方式来替代传统的4 - - - 2 0 m a 模拟单变量、单向传输方式。世界各国自动化厂商为此都进行了大量的研究工作， 它们各自采用了不同的手段、不同的信号标准来制造自己的设备，结果导致不同品 牌的智能化工业控制仪表出现了兼容性问题。由于出现了这种情况，国际电工技术 委员会制订了“f i e l d b u s ”，也就是现场总线。这是智能现场仪表和中控室自动化设备 间的国际通用通信标准。f i e l d b u s 标准的出现预示着全数字化的现场控制系统即将 全面替代由数字量与模拟量混合使用的分散型控制系统，现场总线将成为今后工业 自动化系统结构向前迈进的基础，现场总线技术将被广泛应用。因此以现场总线为 基础的全数字化控制系统是当今世界在工业自动化领域关注的热门领域。初期使用 的工业现场总线在通信速度、网络模型、软硬件架构多方面都有着不足，并且由于 各国自动化巨头的自身保护，他们都推出了各自推崇的总线技术，这也造成了在工 业现场总线的应用领域中存在着多种互不兼容的协议标准，如p r o f i b u s ，i n t e r b u s ， m o d b u s 等百家争鸣。但是这些现场总线的网络结构类型大多是采用源目的地 ( s o u r c e d e s t i n a t i o n ) 模式。在这种源目的地模式中，虽然在经过长期的算法改善和 发展后，取得了比较大的迸展，各节点访问总线可以更公平，但由于先天缺陷，该 种模式的响应时间仍然会因受到网络负载数量、传送距离长短等因素的影响而难以 确定，因此信息的同步传送这个很关键的问题很难实现。目前工业现场复杂程度、 控制精度程度日趋变高，系统对i o 数据的实时刷新以及控制器间的信息互锁提出 了更苛刻的要求。旧有模式更是捉襟见肘。基于此方面的需求，1 9 9 7 年r o c k w e l l 自动化公司推出了罗克韦尔网络结构( r n a 或者称为n e t l i n k ) u 】。 n e t l i n k 技术采取一种创新的通信模式，用生产消费者模式去取代旧有的源 目的模式。它不仅支持传统的点对点通讯，而且支持单个节点同时与多个节点传递 信息。n e t l i n k 中的控制层c o n t r o i n c t 的生产消费者模式使用了时间片算法，这 北京化工大学硕士学位论文 种算法能够保证网络节点之间的信息同步，也能对网络的带宽高效利用。与传统控 制体系相比，r o c k w e l l 自动化系统提供的n e t l i n k 网络结构更加高效、开放。它 将工业系统分化为信息层( e t h e m e t i p 工业以太网) 、控制层( c o n t r o l n e t 控制网) 、设 备层( d e v i c e n e t 设备网) 的三层结构。最底层是连接传感器开关和设备一级的网络 ( d e v i c e n e t ) 。与其上两层相比，设备层需要传送的数据零散，只需要安装方便，经 济合理。中问的层是控制层，是过程控制的关键层，该层常常需要传送大量的i 0 报文以及对等通讯信息，该层对高确定性和可重复性提出了要求，是连接控制器和 i o 的网络。大量的数据也对c o n t r o l n e t 提出了的高速性、准确性要求，它的最大 网络传输速度可达到5 m b s ，它除了要可以对隐性i o 报文进行传输外，对于显性报 文也必须很好的传输，可以说它是当前工业控制层最可靠的协议。最上层是信息层， 一般情况都下都是使用以太i 两( e t h e r n e t ) ，使用t c p i p 协议。以太网可以传递大量 信息，并且通讯距离很远，通用性也很好【2 1 。 在通信网络中存在着一个难题：需要在有限的时间内保证传送数据具有可靠 性。不可靠的信息、传输延时过大都会逐步导致系统性能下降、出错直到系统崩溃。 为解决限时性和可靠性之间的矛盾，网络采用了各种解决机制，如c s m a i c d 、令 牌总线、令牌环和c s m a m p 。在控制系统中常用的总线中，l o n w o r k s 是基于 c s m a c d 的改进总线，而p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 是令牌总线。d e v i c e n e t 是基于 c s m a a m p 的改进型总线，多用于设备层，有时候也用于区域性控制。 ( 1 ) 以太网e t h e r _ n e t 以太网在通信信道占用上采用c s m a c d ( 载波侦听冲突检测) 的机制。 c s m a c d 规定当一个节点准备发送报文时，首先要侦听通讯信道，只能够在信道 空闲时发送，假如出现有多个节点都侦听到信道空闲，但是同时发送数据，就会出 现总线冲突，数据紊乱，这时这些发送节点必须立即停止传送，要等待一段随机时 间后才能够重新发送。随机等待时间的计算采用标准二进制指数退避算法。这个算 法规定在i 次冲突后，等待时间为0 到2 i 1 时间间隙随机数。但是，如果还是总线 依旧不断出现冲突，一直到达1 0 次，随机等待的时隙数就会强制等于1 0 2 3 。如果 出现1 6 次冲突，之后控制器将停止，并向处理器报告发送失败，何时恢复发送需 等待上级指令1 3 】【4 】。 ( 2 ) 令牌网t o k e n b u s p r o f m u s ，c o n t r o l n e t 都是典型的令牌传递总线控制网络。令牌网是确定性 的网络，因为节点发送消息的最大等待时间能够通过令牌循环时间进行精确的预估 算。令牌总线网络中的全部节点构成逻辑环，逻辑环必须能动态增加和删除节点。在 通讯中，只有持有令牌节点能够发送信息。在该节点信息发送完成或节点发送已经超 过令牌持有时间，令牌将会传递给其逻辑环中的后序节点。如果节点没有信息发送， 则直接将令牌传递给其逻辑环中的后项节点。由于令牌仅有一个，则同一时刻仅一个 2 第一章绪论 节点传送数据，通信不会出现冲突。但是必须规定节点最大占有时间，令牌不能长期 占用，如果持有令牌节点传送报文后没有将令牌往后传递，则网络能够重新生成新令 牌传送f 2 1 。 ( 3 ) 控制区域网络总线c a nb u s d e v i c e n e t 是基于c a n 的协议，它采用c s m a a m p ( 载波侦听信息优先级仲裁) 机制来解决网络信道冲突。c s m a a m p 规定，各个节点在起始位开始进行同步，总 线在发送报文时对报文仲裁场进行逐位仲裁。仲裁时，网络上各发送节点都将自身发 送的位电平和监控总线电平进行比较，相同则继续发送。仲裁场包括各报文唯一的标 识符和报文中代表数据类型的r t r 位。仲裁时标识符的最高位首先传送，r t r 位最后 发送，标识符和r t r 位数值最小者优先级别最高。 n e t l i n k 三层网络分为信息层、控制层和设备层，它们的任务分别对应为信息 的采集、控制的操作和i o 数据的交换。r o c k w e l l 自动化将c i p ( c o m m o ni n d u s t r i a l p r o t o c o l 通用工业协议) 作为n e t l i n k 网络顶层公共规范，它是高于物理媒体和数据 链路层的面向对象协议，由对象建模、协议、通信对象、对象库、设备描述、设备配 置和数据管理等组成。使用该c i p 可以实现三层网络的互相连接，见图1 1 。 用户设备行熳 建豫层 传输层 阿络层 数据链珞层 物瑗堪 l 半导体卜动阀门l 位霞控翱i 驱动嚣l 其他 、 l c i p 应用层应用对象岸 l i c i 瞰据管理服务显链掇文l ，o 报文 c 静报文雅径链接管理 r c 明心黼1 ) e v i c e n e t 1 疆脚 传输层传输层 i p i c a n l ic o 啦t m l n e tl i 毫蝴l ic s m m n b al lc t d m ai lc s 啪i r 。1 广。1f _ _ - _ - - 1 i 龇n 默l ic o 赶t r o i n e ti ie t h e r n 翻i l 物理罄 | l 物理层| | 翰毽层 f 图1 - 1 n e t l i n k 结构 f i g 1 - 1n e t l i n ks t r u c t u r e c i p 协议支持多处理器协同工作，网络上任何一个处理器都有属于自己的输入 北京化工大学硕士学位论文 输出，但又同时监控网络上所有其它处理器的输入输出状态。这样网络上所有的设 备能够更好的完成实时互锁或进行报文传送时更具有实时性【5 1 。 1 2 罗克韦尔网络结构的优势 现今的工业自动化网络中主要应用两种网络模型：比较久远的源目的地模型 ( s o u r c e d e s t i n a t i o n ) 和新发展的生产消者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模型【6 j 。 当今现场总线采用源目的地模型的有i n t e r b u s ，r e m o t ei o ，m o d b u s ，m e l s e n e t ， p r o f i b u s 等等，标准的源目的地模型的报文数据如下所示： l 源地址 l目的地址l报文数据l循环冗余检验码c r cl 这种网络模型，所使用的报文它在数据帧的开头设定好了数据是从一个什么站 点发送，要传递到哪一个目的地。假如说要给多个站点传送相同的数据，则需要依 次发送同样的数据，所以这种网络模型的网络中存在很多的冗余信息，节点多的时 候会浪费大量带宽，网络效率较低。节点数量增减、拓扑结构的改变、通讯任务量 的增减，都会直接影响网络响应的时间，可见网络数据传送的确定性、可重复性、 实时性都比较差。 e t h e r n e t i p ，c o n t r o l n e t ，d e v i c e n e t 都是属于应用c i p 的网络，c i p 采用 p r o d u c t e r c o n s u m e r ( 生产消费者) 的网络模型，它的标准报文如下所示： i 特定标识符 l 报文数据 l 循环冗余检验码c r c l 在报文里面并没有包含所要传送的目的地址。报文具体可以特别指定、也可以 不指定哪一个站点接收或消费。生产者是生产源，采用广播的方法，把数据传送出 去，数据放到网络里时，网络上的任意一个站点，只要它有需求，都可以同时接收 这个数据，也就是消费掉数据，而不需要额外的处理时间。报文仅需要广播一次， 多点消费，因此可以节省下宝贵的网络带宽，提高了网络效率。最重要的是，站点 的增加，并不会显著增加网络负担，而源目的地模型下的网络节点数量严重影响网 络性能，随着节点增加，网络负载会剧增，甚至崩溃。 可以采用一个例子说明，生产消费者模型的实时性，确定性的优势。比如网络 内有1 0 个节点，如果l 号节点想把自身当前的时间通知给剩余的9 个节点，假如 使用源目的模型，时间信息被依次通知给网络中剩余的节点，但在报文的逐次传输 时，时间已发生变化，因此时间数据在传给第2 号节点以后，传送给第3 节点就已 经就开始不准确。当系统节点数增加到1 0 0 时，总体通信时间将增加1 0 倍，偏差 就会越来愈大。如果使用生产消费模式，1 号节点时间数据被广播，同时发送到网 络剩余的节点，剩余节点可以同时侦测到网络上存在报文，有需求的节点则选择接 收，无需求节点则选择不接收，由于是同时进行的，就不会出现信息失真的现象， 网络节点数的增减也不会影响通讯效率，因而保证了实时性和确定性。 在r n a 结构中d e v i c e n e t ，c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p 之间采用c i p 进行通讯。 4 第一章绪论 可以使用信息层网络e t h e r n e t i p ，对几个c o n t r o l n e t 控制网络进行组态，同样也可 以通过c o n t r o l n e t 对几个d e v i c e n e t 网络组态。不需要逐个网络，逐台设备分别进 行组态，可以在一个操作点组建起整个完整的网络体系。这样可以节省大量时间， 也可以减少出错。 1 3 国内外研究现状 n e t l i n k 将以前从工厂到设备的五层结构简化为三层之后，国外许多机构以 及大公司都在积极的关注和研究这种先进的三层网络，并投入大量资金进行研发【_ 7 1 。 在e t h e r n e t i p 方面。国际上有许多组织从事e t h e r n e t i p 的研究工作，对其进 一步标准化。在国内，科技部也制定了工业以太网e t h e r n e t i p 研究目标：攻克工业 以太网e t h e r n e t i p 的一系列关键技术，其中包括攻克网络的实时性、一致性、可靠 性、抗干扰性和本质安全等难题，同时开始研制开发支持e t h e r n e t i p 的现场设备、 系统集成和应用系统软件。 在c o n t r o l n e t 方面。由于c o n t r o l n e t 技术相对比较新，是一个专门为工业过程 控制所设计的网络。恶劣复杂的工业环境、噪声干扰、系统稳定性、配置灵活性这 些都是需要考虑的工厂控制级所必须解决的关键问题。由于需求苛刻，以及应用场 合过于特殊化，c o n t r o l n e t 底层控制芯片都是针对不同要求进行特别的设计，设备 开发者按照设计要求可以从不同的原始设备提供商采购定制芯片。但是能够研制生 产出c o n t r o l n e t 控制器芯片的公司不多，除了r o c k w e l la l l e n - - - b r a d l y 正在继续研 制开发的l o g i x 系列控制器之外，h o n e y w e l l 公司也有相关支持c o n t r o l n e t 的产品， 德国赫优讯( h i l s c h e r ) 也成功研制出了非常适合c o n t r o l n e t 的n e t x 网络控制器家族 系列，并生产出c o n t r o l n e t 网关等等器件，能够使其和其他常用的网络互联，降低 升级网络成本，它们推出的控制器芯片性能也在不断提高。德国的倍加福 ( p e p p e r l + f u c h s ) 公司，瑞典的h m s 工业也有相关的网关，智能设备，芯片可以选用。 对于三层网络的中间层控制网在国内的研究才刚起步，但相对国外比较落后，设备、 产品都需要大量进口，目前急需要创新，提高技术水平。国内一些实力比较强的公 司也已经研制出相关的外围设备接1 3 模块，但是核心控制器技术依旧掌握在国外大 公司手中。 在d e v i c e n e t 方面。由于d e v i e e n e t 的数据链路层是基于c a n 协议的，c a n 总 线技术经过了二十多年的发展，已经逐步趋于完善。荷兰p h i l i p s 公司、美国的 m o t o r o l a 公司，m i c r o c h i p 公司，以及日本的f u j i t s u 公司等都依然在对c a n 总线积 极深入挖掘研究，并大量生产出c a n 相关器件，因此c a n 控制芯片十分便宜，比 如目前还在广泛使用的c a n 控制器芯片s j a l 0 0 0 ，m c p 2 5 1 5 等等。可见d e v i c e n e t 的研发门槛相对于c o n t r o l n e t 要低不少，现在一些国内的公司也开始研制d e v i c e n e t 设备。目前d e v i c e n e t 的研究应用正在朝直接连接e t h e r n e t 方向发展，由于e t h e r n e t 5 北京化工大学硕士学位论文 在计算机中已经十分普及，其网络应用成本较低、软件丰富，升级成本低。那么如 何使d c v i c c n e t 网络的设备可以更加直接地与e t h e r n e t 上的计算机以及其他控制设 备通讯也成为了业内关注的焦点。目前已经通过数据链路层协议转换。物理层转换 等方式，实现了d e v i c e n e t 到e t h e r n e t 的路由器、交换机等设备【8 】。 目前由于工艺流程复杂程度越来越高，因此控制精度、信息的实时性、确定性、 可重复性要求也越来越高，网络规划和网络优化问题不可避免【9 】。在工业现场节点 数日益膨胀的情况下r n a 三层网络结构也同样或多或少的存在着一些问题。现在 一些国内科研院所和重点院校成立了罗克韦尔自动化实验室，也在积极对 e t h e r n e t i p ，c o n t r l n e t ，d e v i c e n e t 分别展开规划研究。像清华大学、浙大中控、上 海电器科学所、哈尔滨工业大学等等，他们在r n a 网络方面都开展了进一步研究， 并取得了一定的成果。 1 4 课题的研究内容和意义 1 4 1 研究内容 本课题将对中间层的c o n t r o l n e t 协议建立模型，通过仿真实验，改变网络参数， 可得到多组有用数据，并且对这种协议的网络进行性能指标分析，从而可以和基于 其他协议的网络有一个比较直观的优劣评判比较。本课题同时对三层结构的底层 d e v i c e n e t 节点进行硬件架构设计，驱动设计以及对其面向对象模型的上层协议栈 进行设计。这都可以更好地了解三层网络的c i p 机制，为深度开发支持c i p 的设备 作基础。 1 4 2 研究重要意义 罗克韦尔公司凭借其先进的三层网络体系，打开了市场，规模不断扩大。其 c o n t r o l n e t 由于高性能，获得了工业控制企业的青睐，在国内外广泛使用，节点已 经超过百万。并且由于d e v i c e n e t 是基于c a n 总线的高层协议，d e v i c e n e t 的数据 链路层完全根据c a n 规范和c a n 控制器芯片实际特性来定义，在多年的改善和发 展之后，其在实时性和可靠性方面相对于其它总线具有较高的优势也得到了肯定， 并且c a n 控制器价格相对低廉，同时r o c k w e l l a l l e n - - - b r a d l y 公司在可编程控制 器p l c 和变频器方面有着较大的技术优势，从而使基于c a n 协议的d e v i c e n e t 得 到了迅速的普及。因此，r n a 在工业领域有广泛的应用前景。因此对其网络体系的 性能研究是非常有必要的，本文通过对该体系的c o n c t r o l n e t ，d e v i c c n e t 总线的协议 进行分析，对各项网络参数进行建模研究，熟悉他们的性能，通过性能分析，就能 6 第一章绪论 熟悉该网络协议的优缺点，在实际工程应用中才可以懂得如何去优化网络，应用网 络，使网络性能更高，经济效益更好。 国内在c o n t r o l n e t 设备的研制方面存在着很多空白，设备完全靠进口，核心技 术都被国外封锁，比如c o n t r o l n e t 的控制芯片，价格也很贵，只有分析研究它们的 通信机理，在实际研制中才可以懂得如何去开发芯片，开发支持该协议的网络设备。 d e v i c e n e t 在技术上比较领先，假如我国为了在设备级能够使用这种新技术，不需 要直接购买国外的昂贵设备，降低成本，使国产的传感器，执行器等做成智能节点 连接到d e v i c e n e t 上，就要去开发支持相应协议的接口，而接口包括硬件部分和软 件部分。国内由于现场总线使用的比较晚，而d e v i c e n e t 技术也比较新，因此我国 在这方面比较落后，无论是软件上还是硬件上，总体技术还是受制于国外，大部分 的国内开发者都是使用国外提供的开发软件包，扩展国外的硬件平台。在硬件方面， 控制芯片是非常便宜的广泛使用的c a n 控制器，这方面的成本压缩基本上已经是 毫无意义，而在软件方面，国外的软件包往往非常昂贵，占据了大部分的开发成本， 在不使用国外软件包的情况下，通过研究d e v i c e n e t 的协议标准规范，从最底层做 起，实现d e v i c e n e t 协议栈，这对压缩成本是有意义的。又由于目前国内鲜有能够 完成主站开发的厂商，而本文研究的仅仅是最基本的从站的协议栈的部分功能，而 主站的基本协议结构与从站类似，只是额外增加了一些功能，从站协议栈可以为主 站协议栈的实现打下基础。 7 第二章c o n t r o l n e t 协议分析 第二章c o n t r o l n e t 协议分析 c o n t r o l n e t 是基于工业过程控制的需求而设计的网络，能够传输控制系统通信 的两大类信息，预定性( s c h e d u l e d ) 和非预定性( u n s c h e d u l e d ) 的报文。预定性 数据是对时间有苛求的控制信息和i o 数据，比如i o 的刷新与互锁。非预定性的 数据是对时间无太大苛求的信息，比如程序的上载和下载，配置更新。c o n t r o l n e t 是 在设各级别和信息级别中间的高速工业通讯网络，主要用于控制层内各控制器之间 的通讯，特别是远程i o 的控制。以c o n t r o l n e t 协议为基础的控制层特别适用于工 业过程，如：复杂协调传动、机器人动作、机械运动、机器视觉信息、复杂的批处 理和有大量控制信息数据传输需求的过程控制系统。这些都是对确定性、可重复性、 实时性、传输数据量要求高的场合【l 川。 2 1c o n t r o l n e t 总线特点 ( 1 ) 安装方式灵活：只要接上分接器，就可以在总线主干线上的任何位置进行 设备安装。 ( 2 ) 通讯设置灵活：c o n t r o l n e t 可以采用多种灵活的通讯方式，可以在各种不 同状况的应用中实现所需要的实时控制数据通讯，能依照需求对每一台设备的i o 的刷新频率分别进行设置。比如某个设备i o 刷新周期为4 m s ，其它的可以为2 0 m s 、 4 0 m s 。 ( 3 ) 结构分类多样化：支持单主站结构形式，多主站形式，点对点形式。在单主 系统中有一个主设备以及附属的多台从设备，从设备只能与主设备进行数据交换。 多主系统中系统有多个主设备，每一个主设备都有自身对应的一套从设备，隶属的 从设备只能和自己的主设备进行通讯。点对点系统中所有的设备都是平等的，设备 之间可以进行信息的自由交换。 ( 4 ) 联系关系多样化：支持一对一，一对多，一对全体。一对一的联系关系是 指在某个时间段内一个节点仅和另一个节点通讯，一般用于配置调试设备以及信息 数据为单个设备独享。一对多联系关系是指某一个节点可以同时与系统中的某几个 节点进行通讯，多台设备共享报文数据。一对全体联系关系是指一个节点可以同时 与系统中所有的设备进行联系，用于报文数据为网络共享，比如某些报警，出错等 情况。 ( 5 ) 一个c o n t r o l n c t 网络最多可达9 9 个节点，它是由一个或多个物理网段组成， 网络物理结构的基本单位是网段。其中定义了两种极端情况：一个网段的两端只接 两个节点情况下主干线电缆长度最长可达1 0 0 0 米；一个网段的节点最多可有4 8 个 节点，此时总电缆长度不能超过为2 5 0 m 。这是由于网段节点数目越多、通讯介质 长度越长所造成信号幅值的衰减就会越严重。因此网段长度就必须要随着节点的个 9 北京化工大学硕士学位论文 数增加而缩短，为保证信号的通讯质量，每增加一个站点，电缆的长度便缩短1 6 3 米。网段长度的极限距离= l o o o 1 6 3 x ( 总节点数- - 2 ) 。设备数量和通信距离关系 如图2 1 ，假如网络覆盖长度超过极限值，可以采用同轴电缆中继器或者使用光纤 中继器进行网络拓展，同轴电缆中继扩展可以达到5 k m ，光纤中继扩展可达3 0 k m 。 同 轴 电 缆 干 线 长 度 1 0 0 0 7 5 0 5 0 0 2 5 0 米 21 6 3 24 8 设备的数量 图2 - 1 设备数量和通信距离关系 f i g 2 - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a n t i t yo fe q u i p m e n ta n dt h ec o m m u n i c a t i o nd i s l a n c e ( 6 ) c o n t r o l n e t 属于三层结构的中间层也就是控制层，是c i p 网络的一部分，采 用模式为生产者消费者模型。 ( 7 ) c o n t r o l n e t 网络支持数据采集、控制、设备组态并行，原计划进行的控制流 程或者输入输出不会受到影响。c o n t r o l n e t 保证了整个网络通讯可以时刻按照计划 进行，不会因为需求改动、工况出现变化造成数据通讯中断或通讯时间产生变化， 这样就才能够保证高质量的通讯。 ( 8 ) 传统的控制层是不能实现i o 共享的，但在c o n t r o l n e t 网络上，每个控制 器p l c 处理器可以拥有隶属于它本身的f o ，也可以共同拥有共享的f o ，这也就 是说，一个i o 点是支持同时属于不同的p l c 处理器【i l 】【1 2 1 。 2 2c o n t r o l n e t 拓扑结构 c o n t r o l n e t 支持的拓扑结构有：总线型拓扑，星型拓扑，环形拓扑。并且支持 冗余。 拓扑结构中传输介质可以是屏蔽双绞线( 只能用于临时测试) ，同轴电缆或光 纤。要根据实际应用的需求，在前期进行网络规划的时候才能决定具体要使用什么 类型的拓扑，要使用什么样的介质进行连接，网络接入多少个节点设备，计算网络 的总长度，使用何种类型的中继器扩展，网段的长度，网段的数量等等，这些都是 需要综合考虑的。在一般应用中常常采用总线型的拓扑结构，并在主干线上引出支 线的结构。 l o 第二章c o n t r o l n e t 协议分析 总线拓扑结构是使用同一种类型的中继器连接起来的，设备用分接头可直接接 入到主干线上，可以使用适配器接出作为支线的网段，在网络的终端，如果没有新 的支线网段需要扩展，则要在两端接上终端电阻，见图2 2 。 终端 电阻 终端 电阻 图2 - 2 总线拓扑 f i g 2 2t h et o p o l o g yo f b u s 星型拓扑，需要使用到h u b 作为中心节点，然后从中心向外扩展节点的结构， 见图2 3 。 冗余系统一般会存在有两个完全一致对称的网络，一个网络工作，一个网络为 备份。环形拓扑实际上也是一种比较特殊的冗余网络，c o n t r o l n e t 的环形拓扑只能 使用光纤连接，对设备有特殊要求，必须支持双向传输。假如在传输时，其中某一 根光缆中断，另一条相反方向通路仍然在可以传送信息，环形拓扑限制最大2 0 个 节点【1 3 】。 星翌拓扑 环形拓扑 图2 - 3 星型拓扑和环形拓扑 f i g 2 - 3s t a rt o p o l o g ya n da n n u l a rt o p o l o g y 在多网段的扩展中，使用中继器的数量也有限制，不能无限扩充，一个 c o n t r o l n e t 的网络最多可以串联使用5 个中继器，并联使用4 8 个中继器。 2 3c o n t r o l n e t 分层结构 o s i 标准模型为网络各层提供了参考，但是并非一成不变，可以依据实际整合与 删减。c o n t r o l n e t 协议分层模型与o s i 标准参考模型的各层比较如图2 4 所示。由该图 可见，c o n t r o l n e t 并没有o s i 七层模型中的会话层，c o n t r o l n c t 的对象和对象模型相当 1 1 囤 园 j 匕京化工大学硕士学位论文 于o s i 的应用层，数据管理作用相当于o s i 的表示层，报文路由传输与连接管理作用 相当于o s i 的传输层和网络层。 0 s ic o h t r o l 胃e t l 应用层l 对象模型f l 表示层l数据管理l l 会话层 l i f f 传输层 输连接管理 l 网络层 卜 1 l l c i 数据链路层l ； 1 p l s - m a c i 物理层 l i p m a 1 介质 c i p j 图2 - 4o s i 和c o n t r o l n c t 分层比较 f i g 2 - 4c o m p a r et h eo s ia n dc o n t r o l n e t 2 3 。1 物理层 传输介质子层定义的是连接介质，网络拓扑结构等。p m a 子层定义的是硬件 设备内的物理部件，定义内容为收发器，连接器等。物理信号子层p l s 用来定义与 物理信号有关的内容，包括波特率，信号编码。c o n t r o l n e 信号编码采用的是曼彻 斯特编码，实际就是判断跳变，把一个位时间平分为两半。定义从高电平变为低电 平表示为1 ，从低电平变为高电平为0 ，个位时间内电平必须变化，不变化是错 误的【1 2 1 。 2 3 2 数据链路层 c o n t r o l n e t 的数据链路层分为两部分：逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制 子层( m a c ) 。 l l c 子层主要任务是进行差错控制和数据流控制，这样才可以在不可靠的物理 链路上进行可靠的数据传输。l l c 子层给网络层的数据传输提供三种服务：( 1 ) 不可 靠的数据报服务； ( 2 ) 确认的数据报服务；( 3 ) 可靠的面向连接服务。 m a c 子层主要任务是解决一个网络上的所有节点共同使用一个信道所出现的 信道征用问题，c o n t r o l n e t 的媒体访问控制子层( m a c ) 采用了c t d m a 算法解决信 道征用问题。m a c 还需要把传输的数据封装成协议固定帧结构。c o n t o l n e t 采用的 报文帧格式如图2 5 ，报文帧包括前导码( p r e a m b l e ) ，开始分隔符( s t a r to f d e l i m i t e r ) ， 结束分隔符( e n dd e l i m i t e r ) ，c r c 校验区域，s o u r c em a ci d ( 这是传递隐性令牌的 标识符) 以及数据区。数据区可以包含一个或者多个l i n kp a c k e t ，每一个l p a c k e t 1 2 第二章c o f l 仃o l n e t 协议分析 中都带有一个c o n n e c t i o ni d ，c o n n e c t i o ni d