（系统分析与集成专业论文）基于工业以太网的液位变送器的研制.pdf

南京信息工程大学硕士论文 基于工业以太网的液位变送器的研制 摘要 液位变送器是工业制造领域常用的测量仪器，在各方面有着广泛的用途。工 业以太网为近年来发展迅猛的一种用于工业现场控制级的通讯方法。它以“e ” 网到底为目标，通过对原有办公领域以太网的继承和发展，实现了通信的实时性 和确定性，从而为企业信息化道路开辟了一条崭新的实现途径。本课题通过对这 两类技术的整合，开发了一种适合于工业现场领域的新型仪器仪表。为新技术的 具体应用拓展了空间，改善了传统仪器仪表的通讯手段，符合该类技术总的发展 方向。 本文设计了超声波的发射、接收及放大电路，并采用高速模数转换电路数字 化超声波接收回波。利用基于a r m 7 t d m i - s 内核的l p c 2 2 1 0 低功耗微控制器，通 过数字信号处理来求取超声波传输时间，从而换算成液位测量值。在计算过程中， 通过对相关误差的修正提高了结果的精确度。利用d m 9 0 0 0 a 设计了以太网接口电 路，进行了u c l i n u x 嵌入式操作系统的移植，并在此基础上采用s o c k e a ta p i 网络编程方法设计了符合工业以太网技术的u d p 通信程序，实现了液位变送器的 联网，使液位测量数据进入互联网进行远程监测及数据共享成为可能。另外，键 盘和液晶显示屏提供了良好的人机交互界面，j t a g 调试接口作为一种新型的片 上程序调试技术，提高了系统最后软件的调试效率。在系统的整个设计过程中注 意了软硬件开发时间的调配，使设计更具合理性。 关键词：工业以太网，液位变送器，超声波，l p c 2 2 1 0 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太网的液位变送器的研制 a b s t r a c t l i q u i dl e v e lt r a n s m i t t e ri sak i n do fm e a s u r e m e mi n s t r u m e n t sw i d e l yu s e di n t h ef i e l do fi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e i n d u s t r i a le t h e r n e ti st h ec o m m u n i c a t i o np a t hu s e d i nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yi ns e v e r a l y e a r s i t so b j e c ti st h a ti n t e r n e tc a nb eu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e ，i t r e a l i z e st h ec o r r e s p o n d e n c et i m e l i n e s sa n dd e t e r m i n i s m ，t h o u g hd e v e l o p st o t h e o r i g i n a le t h e r n e ti n h e r i t a n c e ，a n do p e nan e ww a y f o re m e 印r i s ei n f o r m a t i o n i z a t i o n a n e wk i n do fa p p a r a m sh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nb o t ho ft h e s et w ot e c h n o l o g i e si n t h et h e s i s 。w h i c ha m e l i o r a t e st h ec o m m u n i c a t i o nm e a n so ft h ei n d u s t r i a l m a n u f a c t u r e i ta c c o r d sw i t ht h e d e v e l o p i n g d i r e c t i o no fi n d u s t r i a lp r o c e s s c o n t r o l ，a n dm a k e sn e wt e c h n o l o g yc o m et u r ei nt h ea p p l i c a t i o n n l eu l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n g ，r e c e i v i n ga n da m p l i f y i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e di nt h i s t h e s i s ，a n dt h eu l t r a s o n i cw a v ei sd i g i t a l i z e db yt h eh i g hs p e e da d c o n v e r t e r p r e c i s i o ni si n c r e a s e di nt h ew a yo fm o d i f y i n ge r r o r s t h el p c 2 210l o w p o w e r m i c r o c o n t r o l l e rb a s e do na r m 7 t d m i si su s e dt oc a l c u l a t et h et i m et r a n s m i t t e di n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，s ot h el i q u i dl e v e lv a l u ei sa c h i e v e d t h ec i r c u i to f e t h e r n e ti n t e r f a c ei sd e s i g n e dw i t l ld m 9 0 0 0 aa n du c l i n u xi si m p l e m e m e dt oa r m 7 s u c e s s f u l l y , s ot h el e v e lt r a n s m i t t e rc a nb ec o n n e c t e dt ot h ei n t e m e tb ys o c 玎a p i p r o g r a m m i n gb a s e do nu d pt e c h n i q u eo fi n d u s t r i a le t h e m e t ，a n dl o n g - d i s t a n c e d e t e c t i o na n dd a t as h a r eb e c o m ep o s s i b l e k e y s e t sa n dl c ds c r e e np r o v i d eag o o d w a yo f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu s e r sa n da p p a r a t u s j t a gi sak i n do fn e w t e c h n o l o g i e su s e di nd e b u g g i n g ，i ti m p r o v e st h ee f f i c i e n c yi nt h es o f t w a r ed e s i g n i n g r i g h tp l a no ft i m e u s e di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r em a k e s t h ep r o j e c tm o r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ，l i q u i dl e v e lt r a n s m i t t e r ，u l t r a s o n i c ，l p c 2 2 1 0 1 1 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意 一，叫 作者签名：萃】! 名2 日 期：2 q q 2 ：芝：2 d 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论 文在解密后适用本规定。 _ 1幽 作者签名：剑! 压 e l期：2 2 垒l 三：29 南京信息工程大学硕士论文 基于工业以太网的液位变送器的研制 1 1 本课题的技术背景 第一章绪论 进入2 l 世纪，信息化逐渐成为世界发展的主流，随着控制、计算机、通信、网络等技术的 发展、相互渗透和结合，信息技术不断改变着社会的方方面面人类正在步入信息社会，信息 已经成为一项重要的生产力要素在社会备行各业的生存与发展中发挥着越来越大的作用，世界 各国的许多大企业都把加强信息基础设施建设放在了企业经营发展战略的重要位置，力求加快 自身信息化建设的步伐企业信息化是企业迈向信息经济的必由之路，信息经济是以信息为主 导的全面经济活动，而企业信息化就是企业用信息化的功能去推动企业的管理、生产和销售 工业控制网络的长足发展便是企业信息化的一个重要组成部分。工业控制网络是随着控制 系统的变革而发展起来的控制系统经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪 表控制系统、集中式数字控制系统，集散控制系统c s ) 、现场总线控制系统等控制系统的发展 阶段i l 】基地式气动仪表控制系统和电动单元组合式模拟仪表控制系统只是驱动方式的改变， 两类控制系统只能对单一回路进行控制，而各个回路之间不能够交换信息，并不属于网络的范 畴；随着计算机引入控制系统，逐渐形成了计算机集中控制系统该系统尽管将计算机引入控 制系统，使得一些高级控制算法得以实现。但随着生产过程的复杂化，软件方面需要很大开销， 并且复杂的软件结构使系统的升级能力较弱计算机工作需要集中控制几十个，甚至上百个回 路，这就使得系统的实时性、可靠性得不到保证；2 0 世纪7 0 年代中期，出现了第一代计算机 网络控制系统：集散型控制系统它是随着网络技术的发展而发展起来的，可以看作是工业网络 控制系统的雏形。d c s 的特点是“集中管理，分散控制”，这些系统完整地体现了分散化和分层 化的思想目前所使用的d c s 有环形、总线形和分级式几种，其中分级式应用最为普追然而， 集散控制系统也有其明显的缺点：首先，结构是多级主从关系，现场设备之间相互通信必须经过 主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；其次。它还使用 大量的模拟信号，很多现场仪表仍然使用传统的4 2 0i l i a 电流模拟信号，传输可靠性差，不 易于数字化处理；再有，各系统设计厂家的d c s 制定独立的标准，通讯协议不开放，极大地制 约了系统的集成与应用，不利于现代跨国公司的进一步发展。为了克服d c s 系统的技术瓶颈， 满足工业现场的需要，现场总线网络作为一种全数字、全分散、互可操作、开放式的互联网络， 逐步被广泛采用1 2 j 。 液位有浮子式、压力式、电容式、激光式、超声波式等测量方法。按测量液位的感应元件 与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类接触型液位测量方法主要 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太网的液位变送器的研制 有：人工检尺法，浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等它们 的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数 带有可动部件因此存在一定的磨损且容易被液体玷污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有 较大的安装空间。不方便安装和检修非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位 计、射线液位计以及激光液位计等四顾名思义，这类测量仪表的共i 司特点是测量的感应元件 与被测液体不接触因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较 为广泛，可用于接触型测量仪表不能使用的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性严重、易 结晶的介质 1 2 工业以太网的概述 企业信息化网络可以分为三层，从上到下依次为信息管理层、过程监控层和现场设备层示 意图如下； 圈i - - i 企业信息化同络示意图 其中，信息管理层处在最上层，它主要用于企业的生产调度、计划、销售、库存、财务、 人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。管理层上各终端设备之间一般以发送电子邮件， 下载网页，查询数据库，打印文档，读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息的交换， 数据报文通常都比较长，传输的信息量比较大，而且数据通信的发起是随机的，无规则的，因 此要求网络必须具有较大的带宽目前企业管理网络主要由快速以太网( 1 0 0 m 、1 0 0 0 m 、i o g 等) 组成中间的过程监控网络主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库，进行先进控制、 优化计算、集中显示、过程数据的动态趋势与历史数据查询，报表打印。这部分网络主要由传 输速率较高的网段( 如1 0 、1 0 0 m 等) 组成而最底层的现场设各层网络则主要用于控制系统中 大量现场设备之间测量与控制信息以及其他信息( 如变送器的信息收发、伺服器的开关控制、重 要突变信息的实时报送等) 的传输这些信息报文的长度一般都比较小，通常仅为几位( b 妨或几 2 南京信息工程大学硕士论文 基于工业以太网的液位变送器的研制 个字节( b y e ) ，因此对网络传输的吞吐量要求不高，但对通信响应的实时性和确定性要求很高 目前现场设备网络主要有现场总线，如：阡、p r o f i b u s 、w o r l d f i p 、1 ) e v i c e n e t 、p - n e t 等低速、 高效网络组成 但是现场总线( f c s ) 也有许多瓶颈问题；首先，现有的现场总线标准种类繁多，各有自己的 优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；其次，由于体系结构的不同，现场设备层 的f c s 很难做到与上层以太网的无缝集成，它们之间的通信往往要借助特殊的网关才能够实现， 增加了网络设计的复杂性，从而无法做到真正的企业管控一体化；另外在本质安全、系统可靠 性、数据传输速度等方面存在一些技术关口不符合现代企业对信息的要求川事实上，各种控 制系统存在缺点的最根本原因在于控制系统的开放性差或者开放性是有条件的、不彻底的 以太网( e t h e r n * t ) 由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通讯领 域和过程控制领域中上层的信息管理与通信。并且有进一步直接应用到工业现场的趋势。与现 场总线相比较，以太网具有以下几个方面的优点： ( 1 ) 兼容性好，有广泛的技术支持。基于t c p i p 的以太网是一种标准的开放式网络，适合 于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作问题，不同厂商的设备很容易互联，能实现办 公自动化网络与工业控制网络信息的无缝集成 ( 2 ) 易于与i n t e m e t 连接以太网支持几乎所有流行的网络协议，能够在任何地方通过 i n t o m e t 对企业进行监控，便捷地访问远程系统，共享，访问多数据库 ( 3 ) 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，有多种硬件产品供用户选择。而且由于大规模生产使用，硬件价格也相对低廉目前 以太网网卡的价格只有现场总线的十几分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进 一步下降 ( 4 ) 可持续发展潜力大由于以太网的普遍应用，使它的发展一直受到广泛地重视和吸引大 量的技术投入。并且，在信息瞬息万变的时代。企业的生存与发展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，保证了以太网 技术的持续发展。 ( 5 ) 通信速率高。目前以太网的通信速率为i o m 、l o o m ，1 0 0 0 m 的快速以太网已经始使用， 更高速1 0 0 以太网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的更高 要求。 因此，以太网在工业控制领域的应用可以解决现场总线游离于计算机网络技术发展主流之 外的问题，从而使企业信息化网络的三个层次无缝衔接，简化了相互问的操作难度，降低了企 业整体运作成本。在i n t e m e t 大展其道的今天，以太网的引入为“e ”网到底创造了条件，有利 于网络技术的不断整合与发展，也为“透明化工厂”这个概念的实施打下了坚实基础 3 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太两的液位变送器的研制 1 3 本课题研究的内容和主要工作 本课题的主要研究内容分为两大部分，第一是超声波液位变送器硬件电路的设计，第二是 基于工业以太网协议的接口的硬件电路设计和软件系统设计整个系统的核心部分是以p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 0 芯片为c p u ，在嵌入式操作系统u c l i n u x 上构建的。在此基础上研制满足工 业现场设备要求的液位变送器系统。其中，主要难点在于超声波液位变送器前端发射，接收电路 的设计和调试，以及应用s o c k e t 鼹络编程在原有以太网的基础上进行改进，编写出符合实时 通信要求的代码，从而使整个系统达到设计应用指标 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 前期的准备工作：介绍现有几种工业以太网的工作原理，分析它们的优缺点，着重于弄 清传统以太网在实时通信方面的不足通过对i s 0 o s i 参考模型，以及工业以太网与传统以太 网之问异同点的深入学习，提出自己的设计改进方案，规划出整个系统软件中通信部分的框架 ( 2 ) 系统的总体分析验证：整个系统的设计工作分为硬件与软件两大模块，其中硬件部分的 重点为超声波接收发生模块，软件部分的重点为基于u c l i n u x 操作系统的s o c k e t 网络编程 ( 3 ) 系统的硬件部分：本系统以3 2 位删芯片l p c 2 2 1 0 为核心。液位测试以超声波为媒介， 通过硬件电路的转换。信息最终由网络接口芯片i t 9 0 0 0 a 传送出去 “) 系统的软件部分：通过硬件电路传输到来的信号计算出超声波传输时间，进而计算出液 位高度，再通过基于u c l i n u x 系统的s o c k e t 网络程序的传输，以符合工业现场级通讯的标准 发送到网络上 ( 5 ) 系统总结：分别对课题的理论创新点、应用创新点和实际完成的任务进行介绍，并通过 对实际系统运行的检测来验证系统整体设计的完善与否 4 南京信息工程大学硕士论文基于工业姓太网的液位变送器的研制 2 1 现场总线技术 第二章工业以太网技术 现场总线是一种应用于工业控制与现场级的网络通信技术，开发始于2 0 世纪8 0 年代。是 随着微处理器，计算机技术、通信与控制模块化集成等技术发展而出现的新兴技术翔现场总 线技术将专用微处理器置入传统的测量仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力， 成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点嘲它们分别通过普通双绞线等多种传输介质 进行信息传输联络，把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统通过公开、规 范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控， 管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统 简而言之，它就是把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自控任务的网络系统与 控制系统 2 1 1 现场总线的特点 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室的控制模 块、各输入输出模块置入现场设备中，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现场总线控制系统o c s ) 与传统控制系统( 如d c s ) 结 构对比如图2 - i 所示 传统的模拟仪表 图2 - 1f c s 与i ) c s 结构比较 由于采用数字信号替代模拟信号，因而现场总线控制系统可实现一对电线上传输多个信号， 5 南京信息工程大学硕士论文 基于工业以太网的液位变送器的研制 如运行参数值、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再 需要模拟数字、数字模拟转换器件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件 2 1 2 现场总线的缺点 然而，作为一种技术，现场总线并不是十全十美的，在实际的应用中会遇到各种各样的问 题，有些甚至很难解决。其中最突出的就是缺少统一的标准。2 0 0 0 年初i e c 公布的i e c 6 1 1 5 8 国际标准，产生了h l ( f f ) 、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p n c t 、h s f f ) 、s w i r n e t 、w o r l d f i p 、i n t e r b u s 等8 种i e c 现场总线国际标准子集 7 1 巳c 现场总线国际标准制定的结果表明，在相当长的一 段时期内，将出现多种现场总线并存的局面，并导致控制网段的系统集成与信息集成面临困难 无论是最终用户还是工程集成商也包括制造商，都在寻求高性能、低成本的解决方案。8 种类 型的现场总线采用不同的通信协议，要实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的每 种现场总线都有自己最合适的应用领域，如何在实际中根据应用对象。将不同层次的现场总线 组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，对用户来说是比较棘手的 其次便是系统的集成问题一个大的系统很可能采用多种现场总线，特别是那些高速成长 的终端用户，而在企业的不同发展阶段和国际范围的跨国制造装备采购几乎不可能统一技术前 沿的现场总线如何把企业的工业控制网络与管理层数据网络进行无缝地集成，从而使整个企 业实现管控一体化，显得十分关键。现场总线系统在设计网络布局时，不仅要考虑各现场节点 的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等由于智能化现场仪 表的功能很强，许多仪表会有同样的功能块，组态时要仔细考虑功能块的选择，使网络上的信 息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要，要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡 这方面，现行的各种现场总线技术由于兼容性方面的问题，却很难做到。 由上可知，采用一种统一的现场总线标准对于现场总线技术的发展具有特别重要的意义 为了加快新一代控制系统的发展与应用，各大厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性 的问题业内人士把目光转移到了在商用局域网中大获成功的，具有结构简单、成本低廉、易 于安装、传输速率高、功耗低、软硬件资源丰富、兼容性好、灵活性高、易于与i n t e m e t 集成、 支持几乎所有流行的网络协议的以太网技术 2 2 以太网的发展 以太网是一种现今世界上应用非常广泛的局域网技术，它高效、低廉的组网方式对互联网 6 南京信息工程大学硕士论文 基于工业以太网的液位变送器的研制 的发展起了巨大的推动作用，技术上的不断进步又将使它在网络领域起到越来越重要的作用 以太网技术只对i s o o s i 模型的最底下两层作了定义，所以使得它具有很好的可塑性，同时具 备了非凡的生命力。以太网是计算机局域网的一种类型，是美国施乐( x e r o x ) 公司的p a l o a l t o 研究中心( 简称为p a r c ) 于1 9 7 5 年研制成功的阿那时，以太网是一种基带总线局域网。当时 的数据速率为2 9 4 弛s 以太网用无源电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传 播电磁波的以太( e t h e r ) 来命名经过不断修改，i e e e8 0 2 委员会的8 0 2 工作组于1 9 8 3 年制 定了第一个i e e e 的以太网标准，其编号为8 0 2 3 ，数据率为l o g b s 2 0 世纪9 0 年代以后，以 太网在局域网市场中取得了垄断地位，几乎成了局域网的代名词 以太网采用c s 凇c d 协议，它是属于m a c ( 媒体访问控制子层) 层的媒体访问控制协议 总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的传输资源就被占用因此，同一时刻只能允许一 台计算机发送信息，否则各计算机之间就会相互干扰，结果都无法正常发送数据c s m a c d 协 议就是以太网用来协调这种网络上产生的冲突驯即载波监听多点接入碰撞检测，下面 是该协议的要点 9 1 ( 1 ) 。多点接入”就是说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总 线上协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测” ( 2 ) “载波监听”是指每一个站点在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机 在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。其实质就是用电子技术检测总线 上有没有其他计算机发送的数据信号 ( 3 ) “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小当几个站点同时 在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大( 互相叠加) 。当一个站点检测到的信 号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站点同时在发送数据，表明产生 了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。在发生碰撞时 总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。因此，每一个正在发送 数据的站点，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网路资源，然后 等待一段随机时间后再次发送 显然，在使用c s 姒c d 协议时，一个站点不可能同时进行发送和接收因此使用c s h 协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信( 半双工通信) 另外，每一个站 点在自己发送数据之后的- 4 , 段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的， 它取决于另一个发送数据的站点到本站点的距离如果发生了碰撞，发送数据的站点就必须推 迟一段时间重新发送。因此，以太网不能保证一定在某时间之内能够将自己的数据帧成功的发 送出去( 因为还不知道会不会产生碰撞) 以太网的这一特点称为发送的不确定性如果希望在 以太网上发生碰撞的机会很小，必须使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率 7 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太网的液位变送器的研制 2 3 工业以太网的原理 所谓工业以太网，般来讲是指技术上与商用以太m ( m pi e e e s 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设 计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、互可操作性、可靠性、抗干扰性和本 质安全等方面能满足工业现场的需要。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 m 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 r n e t 通信的不 确定性、非实时性问题带来了希望，并使e t h e r n e t 全面应用于工业控制领域成为可能 2 3 1 传统以太网应用于工业现场的障碍 以太网应用于控制现场主要有以下三个方面的问题i i q l ： ( 1 ) 信息传输存在实时性差和不确定性。工业控制网络要求具有比较高的实时性和确定性， 确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的，实时性指网络分配给站点的服务时间和 间隔可以保证站点完成它确定的任务而以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议 ( c s m a c d ) v 以及二进制指数退避算法( b e b ) ，因此必然导致信息传送的滞后因其时间滞后是 随机的，这说明实质上以太网是一种非确定性的网络系统。因此，对于响应时间要求严格的控 制过程会存在产生碰撞的可能性，造成响应时间的不确定性，使信息不能按要求正常传递，无 法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性 ( 2 ) 以太网的可靠性差安装在工业现场的设备应该具有高可靠性，即能够抗冲击、耐振动、 耐腐蚀、防尘、防水以及具有比较好的电磁兼容性。而以太网所用的接插件、集线器、交换机 和电缆等是为普通应用而设计的。不符合工业现场恶劣环境的要求，在工厂环境中，e i h e m e t 抗干扰性能差。若用于危险场合，它不具备本安特性，也不具备通过信号线向现场仪表供电的 性能这会增加网络线缆。提高安装复杂性和费用，降低网络和系统的易维护性。 g ) 缺乏应用于工业控制领域的应用层协议以太网标准仅仅定义了i s o o s l 参考模型的物 理层和数据链路层，即使再加上t c p i p 协议也只是提供了网络层和传输层的功能。两个设备要 想正常通信必须使用相同的语言规则，也就是说还必须有统一的应用层协议且前，商用计算 机通信领域采用的应用层协议主要是兀p ( 文件传输协议) ，t c l n 似远程登陆协议) ，s m t p ( 简单 邮件传输协议) ，h t t p ( 超文本传输协议) 等这些协议所规定的数据结构等特性不符合工业控制 现场设备之间的实时通信要求因此，必须制定统一的适用于控制领域的应用层协议 s 南京信息工程大学硕士论文 基于工业以太网的液位变送器的研制 2 3 2 工业以太网在技术上的改进 随着信息技术的发展。以太网的发展也取得了本质的飞跃。再借助于相关技术，可以从总 体上提高以太网应用于工业控制中的实用性我们分以下几个方面分别阐n i l e “ 1 1 2 1 “ ( 1 ) 实时性、确定性方面的改进。随着互联网技术的发展和大面积推广应用，以太网也得 到了迅速的发展，使通信确定性和实时性得到了增强首先，在网络拓扑上，采用星型连接代 替总线型结构，使用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段( s e g m e n 0 。在每个网段上，以 一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接起来这样，挂接在同一网段上的所有设备 形成一个冲突j 或( c o l l i s i o nd o m a i n ) ，每个冲突域均采用c s m a c d 机制来管理网络冲突这种分 段方法可以使每个冲突域的网络负荷和碰撞几率都大大减小其次，使用以太网交换技术，将 网络冲突域进一步细化。用交换式集线器代替共享式集线器，使交换机各端口之间可以同时形 成多个数据通道，正在工作的端口上的信息流不会在其他端i i 上广播，端口之问信息报文的输 入和输出己不再受到c s m a c d 介质访问控制协议的约束因此，在以太网交换机组成的系统 中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离再则，采用全双工通信技 术，可以使设备在端口间两对双绞线( 或两根光纤) 上同时接收和发送报文帧，从而不再受到 c s m a c d 的约束，这样，任一节点发送报文帧时就不会再发生碰撞，冲突域就不复存在 总之，采用星型网络结构、以太网交换技术。可以大大减少( 半双工方式) 或完全避免碰撞( 全 双工方式) 。从而使以太网的通信实时性与确定性得到了大大增强，并为以太网技术应用于工业 现场控制清除了主要障碍 ( 2 ) 可靠性方面的提高为了解决在不问断的工业应用领域，在极端条件下以太网也能稳 定工作的问题，美国s y b 洲c 微系统公司和德国h i r s c h m m m 、j c 慨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 结构。台湾四零四科技( m o x at e l m o l o g i c s ) 在2 0 0 2 年6 月推出工业以太网产品一 m o x ae t h e r d e v i c es e r v e r ( t 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e l 的工业设备( 如p l c 、i - i m 、d c s 系统等) 在新发布的i e e e 8 0 2 3 a f 标准中。对e t h e r n e t 的总线供电规范也进行了定义此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连 接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可以采用冗余网络技术。以此提高网络的抗干扰能 力和可靠性 ( 3 ) 工业以太网协议。类似以上的这些新技术给以太网进一步渗透到控制现场的底层带来了 契机，国际上也出现了很多工业以太网协议，如h s e 、p r o f l n e t 、e t t l e r n e t i p 等它们都是在 e t h e m e t + t c p i p 协议上。建立完整的、有效的通信服务模型。制定有效的实时通信服务机制， 协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，而形成的为广大工控生产厂商和用 9 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太尉的液位变送嚣的研制 户所接受的应用层、用户层协议，详见下表： 表2 - 1 工业以太用和预期互补的设备层现场总线 工业以太网 互补的设备层现场总线 e t h e r n e t i p d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t p r o f i n e t p r o f i b u sd p 、a s ip r ( ) f i b u sp a f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s e f o u n d a t i o nf i e l d b u sh 1 i n i d a 、m o d b u st c p i p 我国也自主研发了工业以太网协议e p a ( e t h c m e ! t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) ，它是在国家科技部 “8 6 3 一计划的支持下，由浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、大连理 工大学、清华大学等单位联合组成的以浙江中控技术股份有限公司总裁金建祥教授为组长的标 准起草工作组起草用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范已经通过了 1 1 c 1 2 4 s c 4 的技术审查，成为我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准，并将提交i e c 作为f a s 标准予以发布同时，该标准也被正在制定的实时以太网国际标准i e c 6 1 7 8 4 - 2 收录 这是我国工业自动化领域第一个被国际认可和接受的标准”4 j 1 0 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太网的液位变送器的研制 第三章系统的总体设计 本课题的任务便是完成构建“基于工业以太网的液位变送器”这样一个系统，该系统有两 大任务，即液位测量和网络通信。这两个任务都有各自的硬件部分和软件部分来实现，它们通 过微控制器模块联系在一起而成为一个整体，从而完成数据测量、数据发送和信号接收一系列 相应任务。所以本系统总体上有三个模块：液位测量模块、网络通信模块、微控制器模块这 三个模块加上人机交互接口和调试接口，便构成了整个系统。可以看出，我们构建的是一个多 任务系统，所以在设计之初便要考虑到加入一个嵌入式操作系统的可能性两大任务中，网络 通信是重点，工业以太网协议与传统工业仪表的结合应用也是本课题突出的地方。符合工业以 太网协议的通信实时性要求是非常高的，所以在为系统选取m c u 时便要充分考虑到它处理的能 力与速度 3 1 液位测量模块 本系统采用的液位测量方式为超声波液位测量，属于非接触型测量方式，所以对于液位测 量模块，我们需要注意的是硬件的抗干扰能力和软件的数值运算，硬件方面需要我们在p c b 板 的设计过程中考虑好各相关元器件的捧列与相互之间的走线。由于设计中使用两个换能器来进 行超声波测量，它们之间产生相互干扰的可能性必须引起重视。软件方面我们需要选取合适的 数学工具，以尽可能增加第一回波判断的正确率 3 1 1 超声波液位测量 超声波液位测量法是7 0 年代发展起来的一种新型液位测量方法，该方法利用了超声波在相 同的介质中传播速度不变的原理。超声波是一种机械波，其最明显的一个特征是方向性好，能 够定向传播，当碰到障碍物时能够反射回来 在超声波测量技术中，主要是利用超声波反射、折射、衰减等一些物理性质来实现检测的 目的超声波测量方法有很多，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等，其中应用最 广泛的是超声波脉冲回波法它的工作原理是：声波发射传感器由脉冲信号激励发出超声波， 通过传声媒介传到被测液面，形成反射波；反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器 把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间。再根据超声波在介 质中传播的速度，利用公式 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太嗣的液位变送嚣的研制 s ；堡 2 ( 3 - i ) 计算出液位高度式3 1 中的v 对于液介和气介方式，分别是液体和气体媒质中的声速；对于 固介的方式，它是所选用的声波波形( 纵波、横波、弯曲波、扭转波等) 在传声固体中的传播速 度。通过超声波脉冲传播的时间来确定液位的测量方法都必须已知传声媒介的声速然而，对 于气介式和液介式超声波液位测量，声速会随媒质的组成、温度，压强的变化而变化。在固介 中不同波形也有不同的传播速度因此，只有当测试条件比较理想，媒质的成份、温度、压强 等参数没什么变化，才可以把传声媒质的声速看成不变，直接由测量的声波传输时间来确定液 位，否则就应该对传声媒质的声速进行校正所以在设计过程中应该考虑增加相应参数的测量 传感器，以通过计算来修正周围环境变化所带来的测量上的误差 3 i 2 液位计算 液位高度的获得是通过对超声波渡越时间的计算完成的。超声波的渡越时间即从超声波发 送到接收之问的时间差的大小整个过程包括：c u 发出指令，超声波发射探头发出超声波，定 时器开始计时，接收探头接到超声波，定时器中断，计算液位高度。超声波传感器的设置方式 有单探头自发自收式和双探头一发一收式。比较而言，单探头式的液位计算简便，系统的设计、 安装、维护也比较简单，但是其发射的余震比较严重，会影响到整体测量的精确性，所以本系 统采用双探头式设计。具体测量示意图如下： 发射传 田3 - 1 液位测量示意圈 根据图3 - 1 可知，由公式3 - i 所计算得劐的传播距离s 并非实际的液位，s 应为s 1 与s 2 之和 其中，s l 为超声波从发射传感器传送到液面的距离，s 2 为超声波从液面传送到接收传感器的距 离这里设传感器到液面的高度为h ，s 和h 的换算关系为： 卜jlhi1；上 南京信息工程大学硕士论文 基于工业以太两的液位变送器的研制 h = s c o s c a ) ( 3 2 ) 所求得的h 是实际液位。其中，口是发射超声波的入射角。设超声波发射传感器和接收传感器 之间的距离为m ，则液位的计算公式为： = 詈( 咖孕( 3 - 3 ) 由此可得，本系统用来进行液位计算的公式即为式3 - 3 ，其中，m 为传感器之间距离，v 为超声 波在传输媒介中的传播速度，t 为超声波渡越时间 3 1 3 初始回波的判定问题 由公式3 _ 3 可知，m 参数是常量，v 参数会随着外界环境的改变而改变，但是在某一次应 用中对它进行修正之后，也可以把它看成常量那么，唯一决定计算结果的便是超声波的渡越 时间t 了。舟f ，f ，其中“为超声波发射的时刻，如为超声波第一回波到达时刻，即超声波接收到 的时刻定时器开始计时的时间与发射超声波脉冲的时间同步，这一点由电路的同步信号保证 如的确定却是一件比较麻烦的事情，如果不存在噪声，则直接通过零电压比较器的跳变来停止 定时器计时，即可方便确定如所在时刻但是，这只是一种理想的情况，在实际环境中是由噪 声存在的，这样如果我们仍想使用电压比较器的跳变来确定回波到达时刻，则必须设定法阈值 电压，这样就又会产生一个问题超声波的回波波形不是一成不变的，它会随着实际传输的距 离、反射面的介质以及传输媒介的变化而不同，这样就为闽值的准确选取带来困难。这里考虑 使用软件信号处理的方法来确定回波到达的时刻，具体为先根据测距仪的实际使用范围确定定 时器的计时时间，当定时器计时结束后，产生中断，调用软件程序分析接收到的回波波形，继 而在时间轴上确定回波到达时刻。这种方法具有硬件上设计简单、精度高、环境适应性强等优 点，具体的信号处理方法可以使用数学工具来进行，如：傅立叶变换、阈值方法、神经网络分 析法以及小波理论等 3 1 4 测量中的误差 超声波是一种机械波，它的传输媒介( 空气) 会随着周围环境的变化而改变自身的参数，从 而导致超声波在空气中传播速度的改变如果我们计算时不考虑这一点，而是仍用固定的速度 参数，就会造成实际测量的误差另外，由于测量的需要，超声波的发射探头和接收探头相离 较近。当发射传感器发射超声波时，接收传感器可能会直接接收刚发出的超声波，即直达波 这也是实际测量中产生误差的主要原因之一 1 3 南京信息工程大学硕士论文基于工业以太罔的液位变送器的研制 超声波在空气中的传播速度是一个关于温度t 的函数，如不考虑其他影响因素的话( 影响程 度远低于温度) ，以下分别是测量的温度一声速图和温度声速增量