（控制理论与控制工程专业论文）基于ethernetip的网络控制系统实验平台设计.pdf

| i i ir i 1lr ll l l ll ll ll li 18 4 4 6 61 a t h e s i s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g d e s i g no f n e t w o r kc o n t r o l s y s t e mt e s t p l a t f o r mb a s e do ne t h e r n e t i p b yz h a n gj u a n j u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rg ud e y i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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谢 ：匕 思。 学位论文作者签名：琢妒酗噶 日 期：少o 。b f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半d两年口 学位论文作者签名：洲 导师签名：础缘 签字日期。叫 签字嗍加吕c ，7 u 东北大学硕士学位论文 摘要 基于e t h e r n e t i p 的网络控制系统实验平台设计 摘要 针对网络控制系统的特点和现状，本文设计了基于e t h e r n e t i p 的网络控制系统，将 目前最流行的工业以太网e t h e r n e t i p 应用于过程控制中进行流量控制，并将具有单神经 元p i d 控制器应用于此控制系统中。 本文的主要思路为通过工业以太网协议( e t h e r n e t i p ) ，对工业现场中的工业控制设 备p l c 和变频器等节点进行通信，实时传递数据，进行数据处理。具体实施为将水泵 的流量采集到m i c r o l o g i x l 5 0 0 p l c 中的模拟量模块中，然后进行参数整定，将其整定在 一个可以控制的整数范围内，将该数据进行处理，然后进行网络传输，传到 c o n t r o l l o g i x 5 5 5 0 p l c 中。这个过程是通过罗可韦尔有名的e t h e r n e t i p 协议进行通信， 最后将该数据传到p o w e r f l e x 4 0 变频器中，通过调节频率进行数据的二次控制，最后将 数据反馈到模拟量模块中，进行闭环控制。结果表现为控制速度快，而且准确率高。能 很快达到控制要求，随意加入扰动后，也能快速恢复到初始状态。最后用m a t l a b 语言 中的s i m u l i n k 工具箱对控制器进行了加入神经元p i d 算法改进的仿真。得到了明显的控 制效果。 论文的主要技术体现在数据的神经元p i d 控制上和工业以太网的数据传输上。加入 了带神经元的p i d 算法后，控制结果明显改善，同时，由于采用了罗可韦尔e t h e r n e t i p 协议进行数据传输，使得数据传输过程中出现的传输错误、时延、数据包大小等问题都 得到了明显的改善。 关键词：e t h e r n e t i p ，网络控制，过程控制，p l c ，变频器 一n i a b s t r a c t d e s i g no fn e t w o r k c o n t r o ls y s t e mt e s t p l a t f o r mb a s e do ne t h e r n e t i p a b s t r a c t a i m i n gt os p e c i a l t y a n da c t u a l i t yo fn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ，t h i sp a p e rw i l lh a v e d e s i g n e db a s e do nt h ei n d u s t r ye t h e m e tn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，w h i c ha p p l i e sa tp r e s e n tm o s t p o p u l a ri n d u s t r ye t h e m e te t h e r n e t i pi nt h en e t w o r kc o n t r o lc a r r y i n go nt h ef l u xc o n t r o l ，a n d w i l lh a v et h es i n g l en e u r o nn e t w o r kp i dc o n t r o l l e rt oa p p l yi nt h i sc o n t r o ls y s t e m t h e p a p e rm a i nm e n t a l i t yf o rt h r o u g ht h ei n d u s t r ye t h e m e ta g r e e m e n t ( e t h e r n e t i p ) ，t o i n d u s t r yp i t c hp o 缸a n ds oo ni ns c e n ei n d u s t r yc o n t r o ld e v i c ep l ca n df r e q u e n c yc h a n g e r c a r r i e so nt h ec o r r e s p o n d e n c e ，t h er d a l - t i m et r a n s m i s s i o nd a t a , c a r r i e so nt h ed a t ap r o c e s s i n g t h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o ni sw h i c hg a t h e r st h ew a t e rp u m pf l u xi nt h es i m u l a t i o n m o d u l ei nm i c r o l o g i xl5 0 0 ，t h e nc a r r i e so nt h ep a r a m e t e rs c o p e d ，i t ss c o p e di nt h ei n t e g e r s c o p ew h i c hm a yc o n t r o l ，c a r r y i n go nt h i sd a t ai nt h ep i dc o n t r o l ，t h e nt r a n s m i tt h ed a t at o c o n t r o l l o g i x 5 5 5 0s y s t e m t h i sp r o c e s si st h r o u g hr o c k w e l l se t h e r n e t i pa g r e e m e n tt o c a l t yt h ec o r r e s p o n d e n c e f i n a l l yp a s s e st h i sd a t at oi nt h ep o w e r f l e x 4 0f r e q u e n c yc h a n g e r t h r o u g ha d j u s tt h ef r e q u e n c yt oc a r r ys e c o n dc o n t r 0 1 f i n a l l yr e t u r n st od a t ai nt u r n f e e d s b a c kt ot h es i m u l m i o nq u a n t i t ym o d u l e ，c a r r i e so nt h ec l o s e d l o o pc o n t r 0 1 a sar e s u l t ， p e r f o r m a n c ei sc o n t r o ls p e e dq u i c k , m o r e o v e ra c c u r a t er a t ei sh i g h c a nv e r yq u i c k l ym e e t c o n t r o lr e q u i r e m e n t s j 0 i i l st h ep e r t u r b a t i o na tr a n d o m ，a l s oc a l lq u i c k l yr e s t o r et ot h eo r i g i n a l s t a t e t h ep a p e rm a i nt e c h n o l o g ym a n i f e s t si nt h ed a t an e u r o np i dc o n t r o la n di nt h ei n d u s t r y e t h e m e td a t at r a n s m i s s i o n a f t e rj o i n e dt h en e u r o np i da l g o r i t h m ，c o n t r o lr e s u l to b v i o u s l y i m p r o v e m e d a tt h es a m et i m e ，b e c a u s eo fi n t r o d u c e di nr o c k w e l le t h e r n e t i pa g r e e m e n t w h i c ht r a n s m i tt h ed a t a m a d et h et r a n s m i s s i o nw r o n g ，t i m ed e l a ya n dd a t ap a c k e ts i z ea n ds o o nw h i c hi nt h ed a t at r a n s m i s s i o np r o c e s sa l lh a di m p r o v e m e dd i s t i n c t l y k e yw o r d s ：e t h e r n e t i p ，n e t w o r k e dc o n t r o l ，p r o c e s sc o n t r o l ，p l c ，t r a n s d u c e r v 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 目录i 第1 章绪论。1 1 1 论文研究背景1 1 2 网络控制系统概述l 1 2 1 网络控制系统的特点1 1 2 2 网络控制系统的拓扑结构3 1 2 3 网络控制系统的研究内容3 1 2 4 网络控制系统的研究方法4 1 3 网络控制系统的研究现状和发展前景4 1 4 课题的主要研究内容4 第2 章e t h e r n e t i p 协议。7 2 1e t h e r n e t i p 概述。7 2 2e t h e r n e 乞，i p 原理。7 2 2 1t c p i p 协议9 2 2 2 通用工业协议c i p 1 0 2 3e t h e r n e t p 优点1 2 第3 章e t h e r n 咖p 网络控制系统实验平台设计1 3 3 1e t h e r n e t i p 网络系统实验平台设计1 3 3 1 1 基于e t h e r n e t i p 网络系统设计方案13 3 1 2 实验平台1 6 3 1 2 1 现场试验平台16 3 1 2 2 系统试验平台1 8 3 2c o n t r o l l o g i x5 5 5 0 和m i c r o l o g i x l5 0 0 介绍l8 3 2 1c o n t r o l l o g i x 5 5 5 0 特性简介1 9 3 2 1 1c o n t r o l l o g i x5 5 5 0 特点1 9 3 2 1 2c o n t r o l l o g i x 5 5 5 0 性能19 3 2 2m i c r o l o g i x l 5 0 0 特性简介2 1 3 3p o w e r f l e x 4 0 变频器的e t h e r n e t i p 网络控制2 1 一v n 东北大学硕士学住论文目录 3 3 1p o w e r f l e x 4 0 变频器特性简介。2 1 3 3 2p o w e r f l e x 4 0 变频器的e t h e r n e t i p 参数设置2 3 3 4 流量控制系统2 5 3 4 1 水循环系统2 5 3 4 2 流量闭环控制系统2 5 3 5 系统实验组态和编程与通信。2 6 3 5 1 系统实验组态2 6 3 5 2 系统实验的编程与通信2 7 第4 章基于单神经元p i d 控制器的设计3 9 4 1p i d 控制的特点及其与神经元网络的结合3 9 4 1 1 传统p i d 控制的特点3 9 4 1 2 神经元网络和p i d 控制相结合的研究现状4 0 4 2 单神经元p i d 的结构和算法4 0 4 2 1 单神经元p i d 结构4 0 4 2 2 单神经元p i d 算法4 0 第5 章控制系统仿真4 3 5 1m a t l a b s i m u l i n k 简介4 3 5 1 1 模型定义4 4 5 1 2 神经元p i d 仿真效果。4 6 5 1 3 传统p i d 控制效果4 7 5 2 仿真结果比较与分析4 8 第6 章结论与展望51 6 1 工作总结5l 6 2 工作展望5 2 参考文献5 3 致i 身j 5 5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 随着网络技术的发展，i n t e m e t 正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起 来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。在此基础上，传统的工业控制领域也正经 历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展，形成了新的控制网络。控制系统结构 从最初的c c s ( 计算机集中控制系统) ，到第二代的d c s ( 集散控制系统) ，发展到现 在流行的f c s ( 现场总线控制系统) 。而新一代的网络控制系统( n c s ) 又将引起工控 领域新的变革。 网络控制系统的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。以太网 具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行 的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近些年来，随着网络技术的发展，以太网 进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向 分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。目前，现场总 线由于种类繁多，互不兼容，尚不能满足这一要求。而以太网t c p i p 协议的开放性使 得在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。 1 2 网络控制系统概述 1 2 1 网络控制系统的特点 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 ) 即控制回路通过实时网络闭合的反馈控 制系统【1 1 。该词最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学q c w a l s h 的论著中，但未给出明确的 含义，只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在该系统中控制器与传感器通过串 行通信形成闭环【2 】。本文采用网络控制系统这个术语。网络控制系统主要是通过网络将 信息( 参考输入、对象输出和控制输入等) 在控制系统中各个部件( 传感器、控制器和 执行器等) 之间进行交换。网络控制系统在网络中传输的不仅有简单的开关信号，而且 还可以包含实时的传感器信号和控制量信号，这些信号主要分为实时数据和非实时数 据。非实时数据在数据交换中没有时间限制，但需要保证传输的可靠性和准确性【3 】。实 时数据则需要保证在数据交换中到达目的地址的时间，因此，设计网络数据必须考虑实 时数据传输的实时性要求。 ( 1 ) 实时性。传统以太网采用的是一种随机访问协议带冲突检测的载波侦听 多址访问( c s m a c d ) 介质访问控制协议 4 1 ，对于响应时间要求严格的控制过程会产生 一1 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 冲突。近些年来出现了快速交换式以太网技术，采用全双工通信，可以完全避免 c s m a c d 中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和 最好的实时性能。 ( 2 ) 透明t c p i p 协议。t c p i p 通讯协议已是国际通用的标准，t c p i p 协议极其 灵活，几乎所有的网络底层技术都可用于传输t c p i p 通信【5 1 。应用t c w i p 协议的以太 网已成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。t c p i p 进入 工业现场，使得工厂的管理可以深入到控制现场，是i n t r a n e t 延伸到现场设备的基础， 是通过i n t e m e t 远程监控工业生产过程和远程系统调试设备故障诊断的基础。具有 t c p i p 接口的现场设备可以无须通过现场计算机，直接连接i n t e m e t ，达到远程监控或 远程维修的功能。 为此目前许多厂商采用的方案是：现场总线协议与e t h e m e t t c p i p 协议的整合网。 包括：m o d b u s 厂r c p ，c o n t r o i n e t ，d e v i c e n e t 和e t h e r n e t 推出的( c o n t r o la n di n f o r m a t i o n p r o t o c a l ) 、f i e l d s b u s 推出的h s e ( h i g h s p e e d e t h e m e t ) 、p r o f i b u s 推出的p r o f i n e t ；还有 一些现场总线本身就是与e t h e m e t 功能接近的l a n ( 局域网) ，因此它们不经过e t h e m e t 而直接与t c p i p 推出，例如w o r l d f i p 推出的w o r l d f i pt c p i p 。 其中r o c k w e l l a u t o m a t i o n 推出的包含c i p 的e t h e m e t i p ，结构如图1 1 所示。它采 用通常所说的“包裹法 ，即把c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t 和e t h e m e t i p 报文作为“用户数 据 嵌入t c p 舢d p 的数据帧，然后在e t h e m e t 上发送。 图1 1 应用c i p 的e t h e m e t l p f i g 1 1u s i n gc i pe t h e m e f f i p ( 3 ) 资源共享。采用t c p i p e t h e m e t 架构，则无论是c a b l e 、c o n n e c t o r 、s w i t c h i n g 、 h u b ，网络接口至软件开发环境皆与主流市场相同，很容易达到资源共享。 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 网络控制系统的拓扑结构 在网络控制系统中，处于工业现场检测、控制和操作的设备都具备串行数字通信接 口，直接与数字通信网络相连接。所有设备共享一个信号传输通道，能够实现设备间的 数据通信、资源共享和相互协作1 7 1 。 现有的网络控制系统主要指现场总线控制系统和工业以太网系统，除此之外，基于 i n t e m e t 和无线通信网络的控制系统也属于网络控制系统的范畴。 在基于工业以太网的网络控制系统中，传感器和执行器都直接连接在通信网络上， 控制器通过网络与传感器和执行器一起构成闭环控制系统【8 】，所有的控制信号和反馈信 号都在网络上传输。控制系统各节点分布在不同的地点，相互之间通过网络互连。系统 运行时，控制器通过网络从传感器获得系统输出值，计算得到控制信号后，再通过网络 发送到远程的执行器，从而实现对远程系统的直接控制，其结构如图1 2 所示。 图1 2 网络控制系统拓扑结构 f i g 1 2 n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mt o p o l o g y 1 2 3 网络控制系统的研究内容 由于在闭环中引入了通信网络，使网络控制系统的分析和设计变得复杂。需要考虑 的问题有网络时延，数据包丢失、网络带宽分配和调度问题、多包传输等问题【9 】，下面 就网络控制系统中最重要的网络时延和数据包丢失问题作简要分析。 ( 1 ) 网络时延 网络控制系统通过串行数字链路实现数据通信，各节点之间竞争公共网络资源，不 可避免引入网络时延【1 0 】【1 。网络协议中的数据链路层协议直接决定了网络时延的产生方 式和特性。采用令牌总线和令牌环方式，时延往往是周期性的、定常的。而采用随机访 问机制的以太网，其网络时延则表现为很强的不确定性。网络节点由于需要竞争网络资 源，竞争失败就必须等待一定的随机时段后重复竞争，这个随机的时段也就构成了随机 网络时延。即使采用交换式以太网，交换机的存储转发机制和访问端口冲突同样会导致 网络时延的产生。当网络控制系统跨越多个局域网时，除了局域网内节点间的竞争和冲 3 一 东北大学硕士学位论文 笫1 章绪论 突会引起网络时延外，数据包在局域网间的传输也会由于引入了路由器等网络设备引入 更多环节的网络时延【1 2 1 。除此之外，网络上层协议的定时未达、重传等机制也会加重数 据包所经历的网络时延【1 3 1 。时延的引入会直接影响到网络控制系统的控制性能，严重时 会引起系统不稳定。研究网络时延的产生机理，从而分析网络时延对控制系统性能的影 响，是网络控制系统设计与综合的核心问题。 ( 2 ) 数据包丢失 在实际网络传输过程中，通信网络是不可靠的，不可避免会出现数据包丢失。根据 产生的机理【1 4 1 ，数据包丢失分成两种情况：一种是因网络带宽有限，负载较大时，数据 碰撞、网络拥塞和节点失败发生的可能性增大，尽管大多数通信协议有重发机制1 1 5 1 ，但 在一定时间内未发送出去的数据包将被丢弃，引发丢包；另一种是在实时控制系统中， 系统对数据包传输的实时性要求很耐1 6 】【1 7 1 ，延迟几十微秒的数据包就有可能失去意义， 因此往往是将一定时间未到达的数据包主动丢弃，直接发送新数据，以保证信号的及时 更新和采样数据的有效性。 1 2 4 网络控制系统的研究方法 网络控制系统是将网络引入控制系统，因此对它的分析也从两个角度进行【1 8 l 。一类 是对网络的控制，从网络角度设计一种网络通信协议，来减少网络时延、数据丢失等这 些问题对控制系统的影响；另类是对基于网络系统的控制，从控制的角度，把现有的 网络结构、协议当作既定条件，在此基础上设计控制系统的结构、控制算法等，来补偿 或减少网络时延、数据丢失等问题对控制系统的影响。本文是基于目前流行的工业以太 网e t h e r n e t i p 的网络结构协议为既定条件下设计系统，集中了目前最新的以太网技术和 控制技术的优势，达到良好的控制效果。 1 3 网络控制系统的研究现状和发展前景 从目前趋势来看，基于工业以太网的网络控制系统进入现场控制级毋庸置疑。但至 少现在看来，它还难以完全取代现场总线，作为实时控制通信的单一标准，已有的现场 总线仍将继续存在【1 9 1 ，最有可能的是发展一种混合式控制系统。 1 4 课题的主要研究内容 本文主要利用基于e t h e r n e t i p 工业以太网的控制进行工业系统的设计和研究。 第一章：绪论。介绍网络控制系统的发展、特点和原理等。 第二章：主要介绍了e t h e r n e t i p 的原理、t c p i p 协议等。 一4 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第三章：介绍了基于e t h e r n e t i p 的网络控制系统的平台设计，给出了系统中所需的 各种硬件的设计和软件设计说明。将该网络控制系统应用于实验平台的工业控制中，实 现了完整的基于工业以太网的设计。 第四章：主要介绍了单神经元p i d 网络控制的结构和算法。以及加入了神经元p i d 算法后，控制系统性能的提高。 第五章：主要介绍了利用m a t l a b 语言对所作的系统和算法进行仿真，得出了加入 新的神经元p i d 算法后和以前普通的p i d 算法的不同之处和新的优秀指标。 第六章：论文总结。 东北大学硕士学位论文 第2 章e t h e r n e t i p 协议 第2 章e t h e r n e t i p 协议 2 1e t h e r n e v i p 概述 由于e t h e m e t 技术和应用的发展，使其从办公自动化走向工业自动化。首先是通信 速率的提高，e t h e m e t 从1 0 m 、1 0 0 m 到现在的1 0 0 0 m 、1 0 g ，速率提高意味着网络负荷 减轻和传输延时减少，网络碰撞几率下降；其次由于采用全双工星形网络拓扑结构和 e t h e r n e t 交换技术，使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受c s m a c d 机制的制约，避免了冲突；再加上全双工通信方式使端口间两对双绞线( 或两根光缆) 上分别同时接受和发送数据，而不发生冲突。这样，全双工交换式e t h e m e t 能避免因碰 撞而引起的通信响应不确定性，保障通信的实时性。同时，由于工业自动化系统向分布 式、智能式的实时控制方向发展，使通信成为关键，用户对统一的通信协议和网络要求 日益迫切。这样，技术和应用的发展使e t h e m e t 进入工业自动化领域成为必然。 所谓工业以太网j 1 2 0 1 ，一般来讲是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 ) 兼容，但 在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及及时性、可互操作性、可靠性、 抗干扰性和本质安全性等方面能满足工业现场的需要。 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 业以太网的标准或许也会这样。目前i e c 6 1 1 5 8 标准中有8 种现场总线，这8 种现场总 线各有各的规范，互不兼容【2 1 1 。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： ( 1 ) c o n 臼- 0 l n e t 和d e v i c e n e t 向e t h e r n e t i p 发展； ( 2 ) p r o f i b u s 向p r o f i n e t 发展； ( 3 ) i n t e r b u s 和m o d b u s 向d a 发展； ( 4 ) f f 和w o d d f m 向f i e l d b u sf o u n d a t i o nh s e 发展。 这4 种工业以太网标准，都有其支持的厂商并且目前已有相应的产品，一些国际组 织也在积极推进以太网进入控制领域：美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 正在着手制 定现场总线和以太网通信的新标准。 2 2e t h e r n e t i p 原理 e t h e r n e t i p ( e t h e r n e ti n d u s t r yp r o t o c a l ) 是适合工业环境应用的协议体系 2 2 1 。它是 由两大工业组织o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r sa s s o c i a t i o n ) 和c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章e t h e r n e t i p 协议 所推出的新成员，和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n c t 一样，他们都是基于c i p ( c o n t r o la n d i n f o r m a t i o np r o t o c a l ) 协议的网络。它是一种面向对象的协议，能够保证网络上隐式的 实时i 0 信息和显式信息( 包括用于组态、参数设置、诊断等) 的有效传输。 e t h e r n e t i p 采用和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n e t 相同的应用层协议c i p ( c o n t r o la n d i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) ，因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一 致性。e t h e r n e t i p 采用标准的e t h e r n e t 和t c p i p 技术来传送c i p 通信包，这样，通用 并且开放的应用层协议c i p 加上已经被广泛使用的e t h e r n e t 和t c p i p 协议，就构成 e t h e r n e t i p 协议的体系结构圆。协议的各层结构如图2 1 所示。 用户设备行规 习 圃e 囹 回巨匦 应用层 二二二二二二二二二二至垂至巫e 】至垂委垂e 二二二二二二二 ( 会话层) i c i p 报文路径连接管理 传输层圈圈 陌萧i 丽r 1 颢砭研 网络层i 链路层 链路层 l c t d m a 趔l 圈 丑 妇 妇 需e t n e r n e t 圈 i 舟他川迈悍i 广t 玎淹亓硼 l物理星 c i p 图2 1 应用c p 的e t h e m e t i p f i g 2 1a p p l y i n gc i p e t h e m e t i p 从图2 1 中可以看到e t h e r n e t i p 和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n c t 采用了相同的应用层 c i p 协议规范，只是在o s i 协议7 层模型中的低4 层有所不同，e t h e r n e t i p 在物理层和 数据链路层采用e t h e r n e t 技术，在传输层和网络层采用t c p ( u d p ) i p 技术。 图2 2 为e t h e r n e t i p 协议的报文封装示意图。c i p 协议报文经封装之后，在通讯时 又逐层被封装上了t c p 、i p 、e t h e m e t 报头。 e t h e m e t 报头i p 报头t c p 报头c i p 报文 c r c 1 4 个字节2 0 个字节2 0 个字节封装 图2 2e t h e r n e t i p 协议的报文封装 f i g 2 2t e l e g r a ms e a lo fe t h e r n e t i pa g r e e m e n t 东北大学硕士学位论文第2 章e t h e r n e t i p 协议 2 2 1t c p i p 协议 对应于国际标准化组织开放系统互联参考模型，i s o o s i 七层网络体系结构，以太 网技术规范只对应于其中的物理层和数据链路层，对物理传输介质和介质访问控制、逻 辑链路控制、数据包帧格式作了相关技术规定。对于网络层、传输层到应用层等，以太 网技术规范没有涉及，因此以太网上可以运行多种通信协议，如t c p i p 、n o v e l l i p x 、 d e c n e t 等。其中t c p f i p 协议是互联网中所有计算机都使用的通信协议，随着互联网的 推广使用，t c p i p 协议得到广泛应用，成为以太网传输层和网络层“事实上 的标准【2 4 】。 t c p 佃协议( t r a n s f e r c o n t r o l p r o t o e o l i n t e m e t p r o t o e 0 1 ) ，传输控制协议网间协议，实际 上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如远程登录、文件传输和电子邮件等， 而t c p 协议和p 协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议，所以通常说t c p i p 是i n t e m e t 协议族【2 5 】。现在几乎所有的操作系统都支持t c p f l p 协议【2 6 】。 对应o s i 参考模型，根据t c p i p 协议族中协议的功能提出t c p i p 模型，t c p i p 由四个层次组成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。 t c p 和u d p 协议是两种著名的传输层协议，二者在网络层p 协议上实现。 ( 1 ) t c p 是一种可靠的面向连接的协议，它允许将一台主机的信息无差错传送到 目的主机。t c p 协议采用“三次握手 方式来建立连接，对连接的存在和连接建立之后 数据包分组传送进行确认。t c p 协议中用一个发送方的序号和一个接收方的序号合起来 唯一地标识一条连接。通信双方在进行数据交换之前，首先建立连接，连接成功t c p 协议处理数据包分组的打包、解包、检错、重发和错误报告，数据包通过虚电路，即连 接建立时确定的数据传输经过节点的固定路径。 ( 2 ) u d p ( u s e rd a t a g r a m p r o t o e 0 1 ) 协议，用户数据报协议，它是一种不可靠的无 连接的协议，数据包分组传输顺序检查和排序由应用程序完成众多的客户服务器模式 的网络应用都需要使用u d p 协议，u d p 协议从问世至今已经被使用多年，但即使现在 u d p 仍然不失为非常实用和可行的网络传输层的协议。 u d p 协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式。一个典型的数据报就 是一个二进制数据传输单位。每一个数据报的前8 个字节用来表示报头信息，剩余字节 就是具体的传输数据。u d p 报头由4 个域组成，其中每个域各占用2 个字节，具体如下： 源端口号 目标端口号 数据报长度 东北大学硕士学位论文第2 章e t h e r n e t i p 协议 校验值 其中伪首部是为了计算检验而设置的，伪首部包含口报头一些字段，目的是两次 检查数据是否已经正确到达目的地。 u d p 协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道，端口是一种抽象的 软件结构，包括数据结构和f o 缓冲区，进程和某一端口建立连接后，进程和网络的信 息交换通过该端口接收或输出；数据报长度是指包括报头和数据部分在内的总的字节数， 因为报头的长度是固定的，所以数据报长度主要用来计算可变长度的数据部分，即数据 负载；u d p 协议使用报头中的校验值来保证数据的安全，校验值在数据发送方通过特殊 的算法计算，传送到接收方再重新计算，检查校验计算值是否相同。 u d p 是一种不可靠的网络协议，在有些情况下u d p 协议非常有用，因为u d p 具有 t c p 无法企及的速度优势。虽然t c p 协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执 行的过程中会占用大量的系统开销，使速度受到严重的影响。u d p 由于排除了信息可靠 传递机制，将安全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度 得到了保证。总的说来，u d p 协议以实现效率为首要目标，具有良好的实时性，提供无 连接、不可靠的传输服务，会出现分组丢失、重复、乱序，需要应用程序负责传输可靠 性方面的所有工作。u d p 协议的另一个特点就是它的应用程序可以同时作为客户方和服 务器方。 2 2 2 通用工业协议c i p 在n e t l i n x 架构中，根据不同设备对网络的不同要求，可以直接采用的通讯网络有 d e v i c e n e t 设备网、c o n t r o l n e t 控制网和e t h e r n e t i p 工业以太网【2 7 】。为了实现信息在网 络间的无缝路由和集成，网络应用层中采用了统一的协议，即控制和信息协议( c ) 。 通过该协议【2 引，使得在n e t l i n x 架构中的信息服务与物理介质无关。三种c i p 网络的网 络模型和i s o o s i 参考模型对照如图2 3 所示。 n e t l i n x 网络协议可分为3 层：物理层、数据链路层和c i p 公共规范n e t l i n x 体 系结构的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 p3 层网络的物理层与数据链路层都是独 立的，但均使用c i p 作为顶层协议 2 9 1 1 3 们。c i p 实现n e t l i n x 三层网络的实时通信、信 息管理和各种应用功能。 东北大学硕士学位论文 第2 章e t h e r n e t i p 协议 i s o o s id e v i c e n e tc o n t r o l n e te t h e r n e t i p 图2 3 三种c i p 网络模型 f i g 2 3t h r e ec i pn e t w o r km o d e l s c i p 协议由对象建模、信息协议、通信对象、对象库、设备描述、设备配置方法和 数据管理等部分组成【3 n 。c i p 是独立于物理媒体和数据链路层的面向对象的协议，可实 现不同网络的互连，提供工业现场设备( 如传感器、执行器) 和高端设备( 控制器) 之 间的通信。c i p 支持多处理器结构，且任何一个处理器既可“拥有 自己的i o 或设备， 又可监听网