（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式web的实时以太网分布式控制系统.pdf

a b s t r a c t t h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： 1 、t h ea p p l i c a t i o no f i n t e g r a t i n ge t h e r n e ta n dw 曲t e c h n o l o g i e s i n t oc o n t r o ls y s t e m s i sb r i e f l yd e s c r i b e d t h ec h a r a c t e r i s t i e so fd c s s 、f c s s 、e t h e m e t - b a s e dc o n t r o l s y s t e m sa r ec o m p a r e di nd e t a l i s i ti sp o i n t e do u tt h a tt h ea p p l i c a t i o no f e t h e m e t t oi n d u s t r i a lc o n t r o li sa ni m p o r t a n tt r e n d a 1 1t h ep r o b l e m sw h i c ht h et h e s i sw i l l s o l v ea n dt h eb a s i cc o n c e p t sa r el i s t e di no r d e rt oh e l pr e a d e r st ou n d e r s t a n d 2 、t h ep e r f o r m a n c eo fe t h e m e ta p p l i e dt oa u t o m a t i cc o n t r o li st h ef o c u sd i s c u s s e d b ye n g i n e e r s a n d r e s e a r c h e r s t h r o u g hs i m u l a t i o n s ，t h ec o m p a r i s o n o ft h e p e r f o r m a n c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s o fe t h e m e t 、c o n t r o l n e ta n dd e v i c e n e ta r e g i v e n 3 1t h et r a d i t i o n a le t h e m e tb a s e do ns h a r e dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si sn o ts u i t a b l e f o rh a r dr e a l t i m ec o n t r 0 1s y s t e m s s os e v e r a lt e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e dt os o l v e t h ep r o b l e m t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d e ss w i t c h i n g f i l l l 一d u p l e xc o m m u n i c a t i o n m o d e ，v l a na n dq o s ，w h i c ha r eu s e dt om a k et h ee t h e m e tr e a l t i m e 4 ) b e c a u s eo f t h eo p e n n e s sa t t r i b u t e ，t h es y s t e ms e c u r i t yi sc h a l l e n g e d t oi n c r e a s e t h e s y s t e ms e c u r i t y , t e c h n o l o g i e s s u c ha sd a t ae n c r y p t i o n ，d i g i t a l s i g n a t u r e ， a u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g y , a c c e s sc o n t r o le t e a r ed i s c u s s e d 5 ) a f t e rc o m p a r i n ge t h e m e t - b a s e dc o n t r o ls y s t e m sw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m s ， i ti so b v i o u st h a tt h es y s t e mw ed e s i g n e di so fs i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ho f c o m p u t e ri n t e g r a t i n gp l a n ta u t o m a t i o n ( c i p a ) s e v e r a lm e t h o d so fi n t e g r a t i n g c o n t r o ln e t w o r k sw i t hi n f o r m a t i o nn e t w o r k sa r ed i s c u s s e d t h e s y s t e m w e d e s i g n e d i sd e s c r i b e di nd e t a l l 6 ) i t i ss h o w nt h a tt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rw e d e s i g n e di sav e r yi m p o r t a n td e v i c e w h i c hi sl i n k e dt ot l l ee t h e m e t b a s e dc o n t r o l s y s t e m i nt h i sc h a p t e rw eg i v e d e t a l l so ft h ec o n t r o l l e rd e s i g n n es t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r 、t h e s e l e c t i o no ft h ec o r ec h i p 、t h ed e s i g no fi n t e r f a c ec i r c u i ta n dt h er e a l i z a t i o no f e m b e d d e dw e bs e r v e re t c a r eg i v e ni nd e t a i l s 7 ) f i n a l l ys e v e r a lp r o b l e m s ，w h i c ha r ea l s oi m p o r t a n tt ot h ea p p l i c a t i o no fe t h e r n e t t oi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n ，a r eg i v e ni no r d e rt or e m i n dt h er e a d e r sw h oa r e i n t e r e s t e di nt h e t e c h n o l o g i e s o fe t l l e m e ta n di n t e m e t a p p l i e d t oi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，e t h e r n e t ，r e a l t i m e ，n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s u 绪论 第一章绪论 1 1 引言 在现代测量控制r | 1 ，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以 及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制内在地需要一种分布实时控制系 统来实现控制任务。通信网络的采用，为实现过程分布控制提供了现实可行的条 件峨 基于网络的控制系统经过近3 0 年的发展，从原来基于模拟信号传输的控制系 统d c s ，发展到数字化、智能化、全分散的现场总线系统，给工业自动化带来一 场深层次的革命。当初人们在开发这一白控设备间数据通信技术时，把注意力集 中在满足控制实时要求、工业环境下的抗干扰、总线供电等控制网络特点条件下 的需要”。由于传统控制网络中要传输的数据量不大，那时开发的现场总线的传 输速率大都较低，当时人们还没有意识到自控设备会有向网络发布网页信息的需 要与可能。而且现场总线的国际标准推出缓慢，现有的现场总线标准有许多种， 如f f 、p r o f i b u s 、w o r l d f i p 、p - n e t 、c a n 和l o n w o r k s 等3 1 。通信协议 的多样性使得不同总线产品间不能直接互连、互用和互可操作，没有真正体现现 场总线的开放性，控制网络的系统集成与信息集成面临困难的复杂局面。无论是 用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术发展的新动向，都在寻求高性能低 成本的解决方案。 随着i n t r a n e t i n t e m e t 等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理 层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架。传统上用于办公室 和商业的以太网逐渐进入了控制领域。w e bt e c h n o l o g y 可跨越诸多设备和系统在 硬件和软件产品间做到即连即用，只需用网上浏览器( w e b b r o w s e r ) 经由以太 网和t c p i p 便可访问各种信息。它使界面软件更加图像化、并具有互动性，数据 信息的存取和处理都由w e b 服务器完成，客户机只需通过浏览器提出信息要求， 并接受、显示信息。客户机可任意设置，只要能连上i n t e m e t 并有权访问w e b 服务 器，便可查阅现场有关生产信息，给维护和管理工作带来很大的方便州。随着自 动控制系统日益向开放性，技术标准化方向迈进，w c b 、e t h e m e t 和t c p i p 应用 于各类复杂工业控制系统和科学实验系统成为研究的热点。 本文所设计和研究的系统：基于嵌入式w e b 的实时以太网分布式控制系统， 绪论 第一章绪论 1 1 引言 在现代测量控制r | 1 ，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以 及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制内在地需要一种分布实时控制系 统来实现控制任务。通信网络的采用，为实现过程分布控制提供了现实可行的条 件峨 基于网络的控制系统经过近3 0 年的发展，从原来基于模拟信号传输的控制系 统d c s ，发展到数字化、智能化、全分散的现场总线系统，给工业自动化带来一 场深层次的革命。当初人们在开发这一白控设备间数据通信技术时，把注意力集 中在满足控制实时要求、工业环境下的抗干扰、总线供电等控制网络特点条件下 的需要”。由于传统控制网络中要传输的数据量不大，那时开发的现场总线的传 输速率大都较低，当时人们还没有意识到自控设备会有向网络发布网页信息的需 要与可能。而且现场总线的国际标准推出缓慢，现有的现场总线标准有许多种， 如f f 、p r o f i b u s 、w o r l d f i p 、p - n e t 、c a n 和l o n w o r k s 等3 1 。通信协议 的多样性使得不同总线产品间不能直接互连、互用和互可操作，没有真正体现现 场总线的开放性，控制网络的系统集成与信息集成面临困难的复杂局面。无论是 用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术发展的新动向，都在寻求高性能低 成本的解决方案。 随着i n t r a n e t i n t e m e t 等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理 层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架。传统上用于办公室 和商业的以太网逐渐进入了控制领域。w e bt e c h n o l o g y 可跨越诸多设备和系统在 硬件和软件产品间做到即连即用，只需用网上浏览器( w e b b r o w s e r ) 经由以太 网和t c p i p 便可访问各种信息。它使界面软件更加图像化、并具有互动性，数据 信息的存取和处理都由w e b 服务器完成，客户机只需通过浏览器提出信息要求， 并接受、显示信息。客户机可任意设置，只要能连上i n t e m e t 并有权访问w e b 服务 器，便可查阅现场有关生产信息，给维护和管理工作带来很大的方便州。随着自 动控制系统日益向开放性，技术标准化方向迈进，w c b 、e t h e m e t 和t c p i p 应用 于各类复杂工业控制系统和科学实验系统成为研究的热点。 本文所设计和研究的系统：基于嵌入式w e b 的实时以太网分布式控制系统， 是针对当前流行的d c s 和f c s 两种工业控制系统存在着一定缺陷的情况下，以及 根据工业生产发展的实际需要而设计的一种新型工业控制系统，符合今后复杂工 业控制系统和科学实验系统发展的方向。 1 2 现代分布式控制所采用的系统 1 2 1 集散控制系统 过程控制对象的特点是控制回路多，有几十个甚至上百个之多。若采用集中 型计算机控制，则存在3 个主要问题：集中的脆弱性问题单台计算机控制 所有回路，则危险集中，一旦计算机发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪； 性能问题由于生产装置的控制点和运算量很大，用单台计算机则速度和容量 不够，负载过大，用多台计算机则要解决交换数据和控制信息的困难；开发周 期和人力的问题由于控制规模扩大，控制水平的提高，新的要求会不断提出， 使得软件越来越复杂、越来越庞大。造成开发周期的不断增加，而专业开发人员 又很短缺。 7 0 年代中期以后，集散系统的出现有效地解决了上述问题。集散型计算机控 制系统又称为分散型综合控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) 。简称集 散系统。集散系统是一种应用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。图 1 - 1 为目前集散系统组成的简图。图中c 是以微处理机为基础的过程控制单元， 具有几卜种或者上百种运算功能，可以独立地对回路进行各种复杂控制。它们按 地理位置分散于现场，分别独立地控制一个或数个回路。各控制单元通过通信系 图1 - 1d c s 系统结构简图 2 是针对当前流行的d c s 和f c s 两种工业控制系统存在着一定缺陷的情况下，以及 根据工业生产发展的实际需要而设计的一种新型工业控制系统，符合今后复杂工 业控制系统和科学实验系统发展的方向。 1 2 现代分布式控制所采用的系统 1 2 1 集散控制系统 过程控制对象的特点是控制回路多，有几十个甚至上百个之多。若采用集中 型计算机控制，则存在3 个主要问题：集中的脆弱性问题单台计算机控制 所有回路，则危险集中，一旦计算机发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪； 性能问题由于生产装置的控制点和运算量很大，用单台计算机则速度和容量 不够，负载过大，用多台计算机则要解决交换数据和控制信息的困难；开发周 期和人力的问题由于控制规模扩大，控制水平的提高，新的要求会不断提出， 使得软件越来越复杂、越来越庞大。造成开发周期的不断增加，而专业开发人员 又很短缺。 7 0 年代中期以后，集散系统的出现有效地解决了上述问题。集散型计算机控 制系统又称为分散型综合控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) 。简称集 散系统。集散系统是一种应用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。图 1 - 1 为目前集散系统组成的简图。图中c 是以微处理机为基础的过程控制单元， 具有几卜种或者上百种运算功能，可以独立地对回路进行各种复杂控制。它们按 地理位置分散于现场，分别独立地控制一个或数个回路。各控制单元通过通信系 图1 - 1d c s 系统结构简图 2 是针对当前流行的d c s 和f c s 两种工业控制系统存在着一定缺陷的情况下，以及 根据工业生产发展的实际需要而设计的一种新型工业控制系统，符合今后复杂工 业控制系统和科学实验系统发展的方向。 1 2 现代分布式控制所采用的系统 1 2 1 集散控制系统 过程控制对象的特点是控制回路多，有几十个甚至上百个之多。若采用集中 型计算机控制，则存在3 个主要问题：集中的脆弱性问题单台计算机控制 所有回路，则危险集中，一旦计算机发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪； 性能问题由于生产装置的控制点和运算量很大，用单台计算机则速度和容量 不够，负载过大，用多台计算机则要解决交换数据和控制信息的困难；开发周 期和人力的问题由于控制规模扩大，控制水平的提高，新的要求会不断提出， 使得软件越来越复杂、越来越庞大。造成开发周期的不断增加，而专业开发人员 又很短缺。 7 0 年代中期以后，集散系统的出现有效地解决了上述问题。集散型计算机控 制系统又称为分散型综合控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) 。简称集 散系统。集散系统是一种应用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。图 1 - 1 为目前集散系统组成的简图。图中c 是以微处理机为基础的过程控制单元， 具有几卜种或者上百种运算功能，可以独立地对回路进行各种复杂控制。它们按 地理位置分散于现场，分别独立地控制一个或数个回路。各控制单元通过通信系 图1 - 1d c s 系统结构简图 2 绪论 统集叫1 到【_ | _ 1 央控制站一p ，实现全系统的综合管理。管理要集中，控制要分散。这 一实际需要极大地推动了集散控制系统的迅速发展。集散控制系统是作为过程控 制领域的一种工程化产品提出来的。目前在运动控制与逻辑控制领域，工程化的 计算机控制系统也在发展，而且相互融合，形成了综合自动化系统。和传统的集 中型计算机控制系统相比，集散系统具有以下十分显著的特点【5 1 ： 1 自主性：系统中各工作站独立自主地完成合理分配给自己的规定任务，并通 过网络接口链接起来。系统的控制功能分散，负荷分散，从而危险分散。 2 协调性：各工作站通过通信网络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统 的总体功能和优化处理。 3 友好性：集散系统采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示，具有 实时的菜单功能，密封方便的操作器( 如键盘、鼠标等) 。 4 适应性：硬件和软件均采用开放式、标准化和模块化设计，系统积木式结构， 具有灵活的配置，可以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统 的大小配置。在工厂改变生产工艺、生产流程时，只需要改变某些配置和控 制方案。以上的变化均不需要修改或者重新开发软件，只是使用组态软件填 写一些表格即可。 5 在线性： 通过人机接口和i o 接口，可对过程对象进行实时采集、分析、纪 录、监视、操作控制，并对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在 线维护等，提高了系统的可用性。 6 可靠性：集散系统中广泛使用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、 自检查、自修理功能，故障出现时还可以自动报警。由于采用了种种有效措 施，使得集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。 d c s 尽管在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步， 可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在d c s 系统形成的过程 中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成 系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围 信息共享的网络系统存在很多困难。 1 2 2 现场总线控制系统 绪论 统集叫1 到【_ | _ 1 央控制站一p ，实现全系统的综合管理。管理要集中，控制要分散。这 一实际需要极大地推动了集散控制系统的迅速发展。集散控制系统是作为过程控 制领域的一种工程化产品提出来的。目前在运动控制与逻辑控制领域，工程化的 计算机控制系统也在发展，而且相互融合，形成了综合自动化系统。和传统的集 中型计算机控制系统相比，集散系统具有以下十分显著的特点【5 1 ： 1 自主性：系统中各工作站独立自主地完成合理分配给自己的规定任务，并通 过网络接口链接起来。系统的控制功能分散，负荷分散，从而危险分散。 2 协调性：各工作站通过通信网络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统 的总体功能和优化处理。 3 友好性：集散系统采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示，具有 实时的菜单功能，密封方便的操作器( 如键盘、鼠标等) 。 4 适应性：硬件和软件均采用开放式、标准化和模块化设计，系统积木式结构， 具有灵活的配置，可以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统 的大小配置。在工厂改变生产工艺、生产流程时，只需要改变某些配置和控 制方案。以上的变化均不需要修改或者重新开发软件，只是使用组态软件填 写一些表格即可。 5 在线性： 通过人机接口和i o 接口，可对过程对象进行实时采集、分析、纪 录、监视、操作控制，并对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在 线维护等，提高了系统的可用性。 6 可靠性：集散系统中广泛使用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、 自检查、自修理功能，故障出现时还可以自动报警。由于采用了种种有效措 施，使得集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。 d c s 尽管在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步， 可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在d c s 系统形成的过程 中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成 系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围 信息共享的网络系统存在很多困难。 1 2 2 现场总线控制系统 随着自动化技术的迅速发展，新型的现场总线控制系统突破了d c s 中通信 由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷。把基于封闭、专用的解决方案变成 了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范 的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同 时把d c s 集中与分散相结合的集散控制系统结构，变成了新型全分布式结构， 把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术，它是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是计算 机网络技术在工厂底层的延伸，更是现场通信网络和控制系统的集成。现场总线 的节点是现场设备或现场仪表，如执行器、传感器、变送器和编程器等。现场总 线技术是计算机技术、网络技术和控制技术相结合而产生的。 现场总线系统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、马达之间均为一对一的物理 连接。现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 中位于控制室 的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场 的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不 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。图 1 - 2 为现场总线控制系统的结构示意图。 现场总线系统在技术上具有以下特点【3 】： ( 1 ) 系统的开放性：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。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。用户可按自己的需要和考虑，把来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：互可操作性，是指实现互连设备问、系统间的信息 传送与沟通；而互用意味着不同生产厂商的性能相似的设备可实现相互替 换。现场设备的智能化与功能自治性，它将传感测量、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。 绪论 图1 2 现场总线系统结构示意图 ( 3 ) 系统的结构高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统结 构，从根本上改变了现有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。 ( 4 ) 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总 线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、 红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通 信，并可满足本质安全防爆要求等。 尽管现场总线控制系统由于其特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方 向之一。然而就目前情况看，现场总线技术的发展还存在诸多问题，最主要的是 没有一个统一的国际标准( 目前的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，包含了8 种不 同类型的现场总线，因此可以说没标准) ，并且由于支持各总线的集团间的利益 冲突等原因，近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于不同现场总线的通 信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互连非常困难。这不但使f c s 的 开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，而且确实给用户的使用带来很大 的不便，因此给现场总线技术的推广以及现场总线控制系统的应用带来不利的影 响。 1 2 3 基于e t h e r n e t 的控制系统 与上述形成鲜明对比的是，以太网( e t h e m e t ) 技术在没有任何标准化组织 绪论 图1 2 现场总线系统结构示意图 ( 3 ) 系统的结构高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统结 构，从根本上改变了现有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。 ( 4 ) 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总 线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、 红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通 信，并可满足本质安全防爆要求等。 尽管现场总线控制系统由于其特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方 向之一。然而就目前情况看，现场总线技术的发展还存在诸多问题，最主要的是 没有一个统一的国际标准( 目前的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，包含了8 种不 同类型的现场总线，因此可以说没标准) ，并且由于支持各总线的集团间的利益 冲突等原因，近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于不同现场总线的通 信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互连非常困难。这不但使f c s 的 开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，而且确实给用户的使用带来很大 的不便，因此给现场总线技术的推广以及现场总线控制系统的应用带来不利的影 响。 1 2 3 基于e t h e r n e t 的控制系统 与上述形成鲜明对比的是，以太网( e t h e m e t ) 技术在没有任何标准化组织 支持的情况下却发展得非常迅速。以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低 廉等特点，不但基本垄断了商业领域的网络市场，而且在工业控制领域( 主要在 企业管理层) 也得到了大规模的应用。目前许多大公司的工业控制系统都是采用 以太网来统一一管理层的通信，而且各种现场总线也开发出以太网接口，因此可以 说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。 与目前的现场总线相比，以太网具有以下特点【6 】o ( 1 ) 应用广泛：以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技 术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a 、v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 等。这些编程语言由于得到广泛使用，并受到软件开发 商的高度重视，具有很好的开发前景。 ( 2 ) 成本低廉：由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的 高度重视与广泛支持，已有多种硬件产品可供用户选择，并且硬件价格也 相对低廉。目前以太网网卡的价格只有p r o f i b u s ，f f 等现场总线网卡的 1 1 0 ，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。 ( 3 ) 通信速率高：目前以太网的通信速率为1 0 m b s ，1 0 0 m b s 的快速以太网 已开始广泛应用，1 0 0 0 m b s 以太网技术也逐渐成熟，1 0 g b s 以太网亦正 在研究。其速率比目前的现场总线快得多，以太网可以满足对带宽有更高 要求的需要。 ( 4 ) 软硬件资源丰富：由于以 太网已应用多年，人们对 以太网的设计、应用等方 面有很多经验，对其技术 也十分熟悉。大量的软件 资源和设计经验可以显著 降低系统的开发和培养费 用，从而可以显著降低系 统的整体成本，并大大加 快系统的开发和推广速 图1 - 3 基于e t h e m e t 控制系统结构图 自 ( 5 ) 可持续发展潜力犬：由于以太网的广泛应用，使它的发展一点受到广泛的 关注藕大最的技术投入；箍且，在这信息瓣息万交的时代，企业的生存与 发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通 信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太硎技术不断地持 续向前发展。 因此，如果工业控制系统、科学实验系统等采用以太网作为现场设备之间的 通信网终平台，可以避免现场总线技术游离予计冀钒网终技术的发展主流之羚， 从而使现场总线和一般网络技术相互促进，共同发展，并保证技术上的可持续发 展，在按本势级方瑟无嚣攀独的磺究投入。这一点是 壬 霉瑷有理场憨线技术熙无 法比拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更 好熬性筑，逶结协议有雯态静灵活往。这整要求叛太丽都能镶妊璁满足。 1 3 阚蘧的提滋 尽管基于以太网的控制系统飙备诸多优点，但作为传统上面向商业用途的局 域网络，以太网豹应鼹仍受至来囊垂动化羧袁领域躲多方矮疑，其溪枣主簧集中 在以太网的不确定性和实时性能欠佳等问题上。而且工业以太网的研究刚刚起 步，要鲻决的| 、蠢戆还缀多。国终公司霹工犍隧太爨懿骚究娥于1 9 9 5 翦螽，露国 内对其研究则刚刚起步【8 】。 困魏在实验寰蠢建立夸壁戆黻太隧控镧系统，遂行相关翁工程理论疆突就显 得十分重臻。以太网用于分布式控制性能如何；如何采取有效的工程措施解决其 实辩毪畿不佳静淘题；开放系统掰 薅裕的安全往阐题鼢解决方法；翔何设计系统； 采用何种硬件，软件来开发系统。这些都是我们要研究的黧要问题。 1 4 准备知识 本小节将其髂分缨尼个与本文关系跑较密疆瓣概念戳及愚鏊，将绘遗冀准确 的定义。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) ：戳应蠲海中心、叛计算瓿技术为蘩疆、软件硬 ( 5 ) 可持续发展潜力犬：由于以太网的广泛应用，使它的发展一点受到广泛的 关注藕大最的技术投入；箍且，在这信息瓣息万交的时代，企业的生存与 发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通 信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太硎技术不断地持 续向前发展。 因此，如果工业控制系统、科学实验系统等采用以太网作为现场设备之间的 通信网终平台，可以避免现场总线技术游离予计冀钒网终技术的发展主流之羚， 从而使现场总线和一般网络技术相互促进，共同发展，并保证技术上的可持续发 展，在按本势级方瑟无嚣攀独的磺究投入。这一点是 壬 霉瑷有理场憨线技术熙无 法比拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更 好熬性筑，逶结协议有雯态静灵活往。这整要求叛太丽都能镶妊璁满足。 1 3 阚蘧的提滋 尽管基于以太网的控制系统飙备诸多优点，但作为传统上面向商业用途的局 域网络，以太网豹应鼹仍受至来囊垂动化羧袁领域躲多方矮疑，其溪枣主簧集中 在以太网的不确定性和实时性能欠佳等问题上。而且工业以太网的研究刚刚起 步，要鲻决的| 、蠢戆还缀多。国终公司霹工犍隧太爨懿骚究娥于1 9 9 5 翦螽，露国 内对其研究则刚刚起步【8 】。 困魏在实验寰蠢建立夸壁戆黻太隧控镧系统，遂行相关翁工程理论疆突就显 得十分重臻。以太网用于分布式控制性能如何；如何采取有效的工程措施解决其 实辩毪畿不佳静淘题；开放系统掰 薅裕的安全往阐题鼢解决方法；翔何设计系统； 采用何种硬件，软件来开发系统。这些都是我们要研究的黧要问题。 1 4 准备知识 本小节将其髂分缨尼个与本文关系跑较密疆瓣概念戳及愚鏊，将绘遗冀准确 的定义。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) ：戳应蠲海中心、叛计算瓿技术为蘩疆、软件硬 ( 5 ) 可持续发展潜力犬：由于以太网的广泛应用，使它的发展一点受到广泛的 关注藕大最的技术投入；箍且，在这信息瓣息万交的时代，企业的生存与 发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通 信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太硎技术不断地持 续向前发展。 因此，如果工业控制系统、科学实验系统等采用以太网作为现场设备之间的 通信网终平台，可以避免现场总线技术游离予计冀钒网终技术的发展主流之羚， 从而使现场总线和一般网络技术相互促进，共同发展，并保证技术上的可持续发 展，在按本势级方瑟无嚣攀独的磺究投入。这一点是 壬 霉瑷有理场憨线技术熙无 法比拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更 好熬性筑，逶结协议有雯态静灵活往。这整要求叛太丽都能镶妊璁满足。 1 3 阚蘧的提滋 尽管基于以太网的控制系统飙备诸多优点，但作为传统上面向商业用途的局 域网络，以太网豹应鼹仍受至来囊垂动化羧袁领域躲多方矮疑，其溪枣主簧集中 在以太网的不确定性和实时性能欠佳等问题上。而且工业以太网的研究刚刚起 步，要鲻决的| 、蠢戆还缀多。国终公司霹工犍隧太爨懿骚究娥于1 9 9 5 翦螽，露国 内对其研究则刚刚起步【8 】。 困魏在实验寰蠢建立夸壁戆黻太隧控镧系统，遂行相关翁工程理论疆突就显 得十分重臻。以太网用于分布式控制性能如何；如何采取有效的工程措施解决其 实辩毪畿不佳静淘题；开放系统掰 薅裕的安全往阐题鼢解决方法；翔何设计系统； 采用何种硬件，软件来开发系统。这些都是我们要研究的黧要问题。 1 4 准备知识 本小节将其髂分缨尼个与本文关系跑较密疆瓣概念戳及愚鏊，将绘遗冀准确 的定义。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) ：戳应蠲海中心、叛计算瓿技术为蘩疆、软件硬 件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个 行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式i n t e r n e t ：将i n t e m e t 与嵌入式系统结合起来的技术，统称为嵌入式i n t e m e t 技术。 w e b 服务器原理：w e b 服务器监听用户端的服务请求，根据用户请求的类型提 供相应的服务。用户端使用w e b 浏览器和w e b 服务器进行通信。w e b 服务器在 接收到用户端的请求后，处理用户请求并返回需要的数据。这些数据以格式固定、 含有文本和图片的页面出现在用户端浏览器。 实时系统：能够及时响应外部发生的随机事件，并以足够快的速度完成对事件处 理的计算机应用系统。在实时系统中，系统的正确性不仅取决于系统计算的正确 性，而且还取决于正确结果产生的时间。其中根据结果未按确定时间完成所产生 结果的严重度，又可分为硬实时系统和软实时系统。 网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ：广义地讲任何控制系统有一条共 用的总线结构形式，均可称为n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s s ) 。 1 5 本文的内容安排 本文章节的总体安排如下： 第一章首先介绍了研究背景，分别综述了现代分布式控制所采用的系统，具 体阐述了其结构、优缺点。引出基于e t h e r n e t 的分布式控制系统研究的意义，以 及所要解决的问题。对一些常用的概念做了解释并简要介绍了论文的内容安排。 第二章对人们普遍关心的以太网用于分布式控制的性能做了详细的分析，重 点比较了以太网( e t h e m e t ) 与控制网( c o n t r o l n e t ) 、设备网( d e v i c e n e t ) 在不 件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个 行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式i n t e r n e t ：将i n t e m e t 与嵌入式系统结合起来的技术，统称为嵌入式i n t e m e t 技术。 w e b 服务器原理：w e b 服务器监听用户端的服务请求，根据用户请求的类型提 供相应的服务。用户端使用w e b 浏览器和w e b 服务器进行通信。w e b 服务器在 接收到用户端的请求后，处理用户请求并返回需要的数据。这些数据以格式固定、 含有文本和图片的页面出现在用户端浏览器。 实时系统：能够及时响应外部发生的随机事件，并以足够快的速度完成对事件处 理的计算机应用系统。在实时系统中，系统的正确性不仅取决于系统计算的正确 性，而且还取决于正确结果产生的时间。其中根据结果未按确定时间完成所产生 结果的严重度，又可分为硬实时系统和软实时系统。 网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ：广义地讲任何控制系统有一条共 用的总线结构形式，均可称为n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s s ) 。 1 5 本文的内容安排 本文章节的总体安排如下： 第一章首先介绍了研究背景，分别综述了现代分布式控制所采用的系统，具 体阐述了其结构、优缺点。引出基于e t h e r n e t 的分布式控制系统研究的意义，以 及所要解决的问题。对一些常用的概念做了解释并简要介绍了论文的内容安排。 第二章对人们普遍关心的以太网用于分布式控制的性能做了详细的分析，重 点比较了以太网( e t h e m e t ) 与控制网( c o n t r o l n e t ) 、设备网( d e v i c e n e t ) 在不 同情况下的性能指标，最后给出模拟仿真结果，得出各种网络的优缺点。 第三章针对以太网用于工业控制的局限性一实时性能差，提出相应的工程解 决方案。重点是解决工业控制中硬实时性的要求。 第四章对于以太网控制系统具备开放性后所面临的安全性问题，提出了一些 常规的解决方案，以及解释了安全性问题的一些工程理论依据。 第五章提出了对系统的总体设计做了阐述，具体说明了设计系统的意义、设 计方案的选择、以及系统的总体结构和特点。 第六章对以太网分布式控制系统的重要接入设备一嵌入式控制器的设计做 了详细说明。内容主要为：控制器硬件总体结构、核心芯片的选取及芯片介绍、 接口电路设计、嵌入式控制器软件设计等。 第七章为结束语部分，总结了本文的主要研究工作，指出不足以及以后需要 进一步研究的问题和方向。 第二章分布式控制网络的性能评估 第二章分布式控制网络的性能评估 以太网用于控制性能如何，这是很多关心其应用前景的人普遍提出的问题。在本节 中，比较三种用于控制系统的网络：以太网总线，带冲突检测的载波侦听多路访问 ( c s m a c d ) ，令牌总线( 如控制网c o n t r o l n e t ) ，和控制器区域网络( c a n ) 总线( 如 设备网d e v i c e n e t ) 2 1 o 研究各网络的介质访问控制( m a c ) 子层协议。从信息传送， 到信息接收之间的全部通信延迟，称作端对端的通信延迟，它主要包括产生延迟、排队 延迟、传输延迟和发送延迟四方面的因素。其中，排队延迟由通信网络的m a c 层决定 将被详细讨论。对每个协议，研究相应网络用于控制环境的关键参数，包括网络利用率， 预期时间延迟的大小和时间延迟特性。一些不同设定的仿真结果将被举出，并会总结每 个网络的优势与不足。 2 1 性能目标 分布式系统包括大量的互联的设备以便在很大的覆盖区域内执行期望的操作；例子 包括工业自动化，建筑自动化，办公及家庭自动化，智能交通系统以及先进飞机和太空 船【2 2 】_ 2 6 1 。数据网络和控制网络都可能会被使用到，具体取决于数据交换的要求。数据 网络特征表现在大的数据包，相应的很少的爆发传送，高的数据传输率；一般没有严格 的实时限制。与之对比的，控制网络必须传送大量的相关节点中的无数很小但是频繁发 出的包来满足实时控制的需要。区分控制网络与数据网络的关键就是支持实时或严格时 间标准的应用的能力2 ”。 应用n c s s ，决断和控制功能( 包括信号处理) 可以被分配给网络上的控制器。然 而，设计n c s s 时，新的限制是必须适应通讯网的有限带宽。有效的网络带宽被定义为 每单位时间内可被传输的最大实际数据，除去数据头，其他填充数据等；这与传统的网 络带宽定义，单位时间内传输的全部的比特，形成对比。四个要素影响了网络带宽的可