（机械电子工程专业论文）omron可编程序控制器两级网络架构应用技术的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机信息网络技术的飞跃发展，以可编程序控制器口l c ) 为核心的工业控制 系统正朝着大规模、开放式、网络化方向发展。各plc 生产企业都开发有自己的网络 产品，并不断增强其网络的连接能力。 殴姆龙( o m r o n ) 的工业控制网络产品很丰富，可以构成各种档次的网络系统，以 适用于各种层次的工业自动化网络的不同需求。其最具代表性的三种网络为面向管理层 e t h e m e t 网( 以太网) ，面向控制层的c o n t r o l l e rl i n k 网和面向设备层的d e v i c e n e t 网 络。 本论文在o m r a n 公司提供的实验设备的基础上，主要完成了以下工作： 首先，在c x - p r o g r a n m l e r 应用环境中，为c p m 2 a 编制转速测试、目标值比较、中 断计数实验程序；同时为c j i m c p u 2 3 可编程控制器编制了运动控制原点搜索( 又称 定义原点) 和输出固定脉冲数实验程序。 其次，在n sd e s i g n e r 6 0 应用环境中，对该实验中n s 8 系列可编程终端( p t ) 创 建屏幕数据。实现针对设备层c p m 2 a 可编程控制器测速显示控制和对c j i m c p u 2 3 可 编程控制器运动控制功能。 最后，为实现由可编程终端( p t ) 监控底层可编程控制器( p l c ) 的测控实验方 案，架构了c o n t r o l l e rl i n k 和d e v i c e n e t 两级总线控制网络。实现监控实验通信网 络具体连接方式为：n s 8 系列可编程终端( p t 与c j l m - c p u 2 3 可编程控制器之阃通 过r s 一2 3 2 c 串行通信，c j l m c p u 2 3 可编程控制器与c j l m c p u l 3 可编程控制器之间 采用c o n t r o l l e rl i n k 网络连接，c j i m c p u l 3 可编程控制器与c p m 2 a 可编程控制器之 间采用d e v i c e - n e t 网络连接。这样，从控制层到设备层的网络通信控制硬件连接就建立 起来，然后分别利用各自的配置软件对两级总线进行软件设置实现通信控制要求。 在实验室中，将实验设备网络化，工控网络设备层和控制层实验就可在实验室内完 成。实验设备组网后成为一种网络化的实验设备，它既可以单机编程，又可以连网调 试；既可做网络实验，又可做机械控制实验。实验设备的组网，克服了在学习工控网络 知识时，只有理论教学没有实践机会的弊端，提高了学生的动手能力，培养了学生的务 实精神，同时先进的实践手段又促进了理论知识的更新。 关键词：可编程控制器、可编程终端、通信网络、架构 q 坚垦坠! 里塑堡壁笙生! 矍堕塑旦塾塑塑室旦垫查塑塑塞 s t u d y o n a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo f t w ol e v e l sn e t w o r k c o n s t r u c t i o nf o r o m r o n p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r a b s t r a c t w 池恤m 曲。s p e e dd e v e l o p m e n t o f t h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t e c h n o l o g y ， t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sf o c u si np r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rd e v e l o p sb y w a y o f l a r g es c a l e ，o p e n i n g ，n e t w o r k e a c hp l cc o r p o r a t i o nr e s e a r c h e si t so w nn e t w o r kp r o d u c t s ，a n d e n h a n c e si t sn e t w o r k c o n n e c t i o n s a b i l i t yc o n t i n u a l l y t h e r ea r ea b u n d a n ti n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k p r o d u c t i o n si no m r o nc o m p a n y ，w h i c h c a nc o m p o s eo f v a r i o u sn e t w o r k s y s t e m s t of i tv a r i o u sd e m a n d so f i n d u s t r i a la u t o m a t i cn e t w o r k 髓er e p r e s e n t a t i v et h r e ek i n d so fn e t w o r k sa r ec o n t r o ll a y e ro r i e n t e de t h e m e t , m a n i p u l a t i v e l a y e ro r i e n t e dc o n t r o l l e r l i n kn e ta n dd e v i c e l a y e r o r i e n t e dd e v i c en e t i ti sb a s e do nt h el a b o r a t o r i a ld e v i c e sw h i c ha r ep r o v i d e db yo m r o n c o m p a n y ，t h et a s k i sa sf c l l o w s ： f i r s t l y ，t h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a m so fm e a s u r i n gr o t a t es p e e d ，c o m p a r i n gt a r g e tv a l u ea n d i n t e r r u p t i n gc o u n t a r ed o n ef o rc p m 2 ai nc x - p r o g r a m m e r a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n a tt h es a m e t i m e ，t h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a m so fl o c a t i n g 耐g 血a n do u t p u t t i n gf i x e da m o u n t so f i m p u l s e sa r e w o r k e do u t s e c o n d l y ，s c r e e nd a t aa r ee s t a b l i s h e df o rn s 8 s e r i e sp r o g r a m m a b l et e r m i n a l ( p t ) i nn s d e s i g n e r 6 0a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n i tr e a l i z e st h em e n s u m t i n gs p e e dd i s p l a yc o n t r o lf o rd e v i c e l a y e rc p m 2 ap r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra n dt h em o v e m e n t c o n t r o lf u n c t i o nf o rc j l m c p u 2 3 p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r f i n a l l y ，c o n t r o l l e r l i n ka n dd e v i c e n e tt w ol e v e l so fb u sc o n t r o ln e t w o r k sa r e c o n s t r u c t e dt oi m p l e m e n tt h es c h e m eo fp r o g r a m m a b l et e m f i n a lm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g b o t t o m p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r t h es p e c i f i cm e t h o d i sa sf o l l o w s ：n s 8s e r i e sp r o g r a m m a b l e t e r m i n a l ( p t ) c o m m u n i c a t e s w i t hc j l m - c p u 2 3 p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e rb yr s - 2 3 2 cc j l m c p u 2 3p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rc o n n e c t sw i t hc j l m - c p u l 3p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ri n c o n t r o l l e rl i n kn e t w o r kc o n n e c t i o n c j l m - c p u l 3p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rc o n n e c t sw i t h c p m 2 a p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e ri nd e v i c e - n e tn e t w o r kc o n n e c t i o n i nt h i sw a y ，t h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lh a r d w a r ec o n n e c t i o nf r o mc o n t r o ll a y e rt od e v i c el a y e ri se s t a b l i s h e d t h e n ，i tu s e si t s o w nc o n f i g u r e ds o f t w a r et os e ts o r w a r ef o rt w ol e v e l so fb u st or e a l i z e c o m m u n i c a t i o nc o n t r o ld e m a n d 大连理工大学硕士学位论文 1 1 1t h ei a b t h el a b o r a t o r ya p p a r a t u sa r en e t w o r k e da n dt h e nt h ee x p e r i m e n t so fi n d u s t r i a l c o n t r 0 1n e t w o r kd e v i c el a y e ra n dc o n 仃o ll a y c ra r ec o n d u c t e d t h el a b o r a t o r ya p p a r a t u sb e c o m e n e t w o r k e d w h i c hc a np r o g r a r nw i t ho n ec o m p u t e ra sw e l la sc o r l l - i e g tw i t hn e t w o r kt od e b u g n 坞y c a r lu s et on e t w o r ke x p e r i m e n t sa sw e l la sm a c h i n ec o n t r o le x p e r i m e n t s a st h el a b o r a t o r y a p p a r a t u sb e i n gn e t w o r k e d ，t h ed i s a d v a n t a g e t h a tt h e r ei so n l yt h e o r yt e a c h i n gw i t h o u tc h a n c e t op r a c t i c ei sa v o i d e dw h e ns t u d e n t s1 e a r l lt h ek n o w l e d g eo f i 1 1 d u s 晡a lc o n 廿o ln e t w o r ko no n e h a n d ，i tc a ni m p r o v et h ea b i l i t yo fp r a c t i c ea n dm es p 砷o fd e a l i n gw i t hc o n c r e t em a t t e r s r e l a t i n gt ow o r k o n t h eo t h e rh a n d ，t h ea d v a n c e d p r a c t i c ew a y s c a n u p d a t e t h e t h e o r y k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，p r o g r a m m a b l et e r m i n a l ，c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ， c o n s t r u c t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：过篷韭一日期：亟釜牟埠 大连理工大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 概述 随着全球工业自动化的发展，工厂里车间的面貌日新月异。在过去，面对的是起重 机和电动车辆；而现在，就要和网络技术打交道了。从电流环到r s 4 8 5 ，从m o d b u s 到d e v i c e - n e t 和p r o f i b u s ，到处充斥着协议、技术和标准。 目前，在可编程控制器口l c ) 控制的生产车间里，一个完整的工业自动化控制网络 系统按照其结构可用一个“金字塔”来表示，分成三层：即管理层、控制层和现场层。 这三层结构完成了工业生产对自动化控制系统提出的全部要求。计算机技术、通讯技术 以及以太网技术不断地被引入自动化系统，使得这三层结构中通讯、与以太网的连接以 及控制的方法得到了根本上的变革。 一个自动化系统的目的是实现从生产到储运互动式的管理体系，以先进的作业方式 实现管理和生产的信息平台，从而支持企业系统资源计划和融合。通常做法是采用生产 和管理两大部分集成化作业思想，即：集物采购、报验、配送和储运等部门管理于一身 迅速反映生产体系的思想。用生产拉动物料的配送，合理利用各方面的资源，节约成 本；在企业内部实现全信息化管理，自动化系统必须和内部信息交换网络( 管理网) 紧 密结合，形成一个统一的“金字塔”。要构建一个完整的自动化管控网络可以使用多种 自动化解决方案，传统单一p l c 的形式显然已经存在诸多问题，显然满足不了当今工 业自动化的需要。当前，一般采用现场总线+ p l c + e t h e m e t 方式：由现场总线网组成 现场层，p l c 充当控制层的主角，向上利用e t h e m e t 接入管理层。但是，分析一下，可 以看到管理层、现场层均采用了计算机技术，它们和控制层的非计算机设备p l c 便存 在交互的界面，如何处理好这个接口问题，各p l c 厂家做了许多工作。当计算机引入 自动化系统以后，我们已经不再被兼容性所困扰，采用现场总线+ p l c + e t h e m e t 技术使 得这三层结构之间的通讯、以太网的连接以及控制的方法得到了根本上的变革，实现了 自上而下的统一“。 在计算机信息网络技术飞跃发展的基础上，以可编程序控制器( p l c ) 为核心的工业 控制系统正朝着大规模、开放式、网络化方向发展。各plc 生产企业都开发出自己的 网络产品，并不断增强其网络的连接能力。 本课题中所涉及的殴姆龙( o m r o n ) 工业控制网络产品很丰富，可以构成各种档次 的网络系统，以适用于各种层次的工业自动化网络的不同需求。其最具代表性的三种网 o m r o n 可编程序控制器两级网络架构应用技术的研究 络为面向管理层e t h e m e tn ( n 太网) ，面向控制层的c o n t r o l l e rl i n k 网和面向设备层 的d e v i c e n e t 网络。课题主要是在联合测控实验室现有设备的基础上架构了面向控制 层c o n t r o l l e rl i n k 网和面向设备层d e v i c e n e t 网的两级网络，从而实现由可编程终 端控制设备层的自动化控制过程。 1 2 工业控制现场网络的现状和发展方向 当今，在工业控制现场的网络应用一般有两种思路，其一为计算机一级的网络化， 即：所有的控制如逻辑、过程及运动控制皆由计算机完成，并由计算机联结成网络；其 二为控制装置一级的网络化，即：一台控制装置既具有逻辑控制功能、过程控制功能或 运动控制功能，还具有网络通信功能。d c s 系统就是前一种思路的发展，现场总线则是 后一种思路的发展。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟 仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 代替传统的 集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，实现现场通信网络与控制系统的集 成。 7 0 年代中期，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展到集散控制系统。其一 就是一对一的结构特点。现场总线的出现促进现场设备的数字化和网络化，并且使现场 控制的功能更强大。这一改进提高了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控 制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络口“1 。 1 2 1d e s 集散控制系统 集散控制系统又称为分散型控制系统，是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的，是以微 处理器为核心的新型计算机控制系统。d c s 是计算机技术、控制技术、通信技术和显示 技术( 即4 c 技术) 相结合的产物，它不仅具有过程控制、信息管理和操作显示的功 能，而且还具有很强的数据通信能力，是实现生产过程综合自动化的先进工具和手段。 1 集散控制系统的发展 集散控制系统自2 0 世纪7 0 年代推出以来，性能和结构不断完善，已被广泛地应用 于冶金、纺织、石油、化工、电力、食品等工业部门，具有广阔的发展前景。发展大致 经历了以下三个阶段： 1 9 7 5 1 9 8 0 年为诞生期 1 9 8 0 1 9 8 5 年为成熟期 1 9 8 5 至今为扩展期。 2 集散控制系统的基本组成 2 一 大连理工大学硕士学位论文 集散控制系统的品种繁多，但系统通常由过程控制单元、过程输入输出接口单 元、c r t 显示操作站、管理计箅机和高速数据通路五个主要部分组成。其基本结构如图 l l 所示。 图1 - 1d c s 集散控制系统 f i g 。l 一1 t h es y s t e mo fd c s 3 集散控制系统的特点 采用微机智能技术 采用分级递阶结构 丰富的功能软件包 采用局部网络通信技术 强有力的人机接口功能 采用可靠性的技术 4 集散控制系统的展望 目前，集散控制系统向着两个方向发展。个是向着大型化的计算机集成制造系统 ( c i m s ) 和计算机集成过程系统( c p s ) 发展，另一个是向着小型化的方向发展。 集散控制系统网络将是开放系统的网络，现场总线是集散控制系统向着全数字化系 统发展的结果，也是集散控靠4 系统向下开放的产物，它为系统的互操作性提供了基础， 是系统开放的一个重要方面；可编程控制器( p l c ) 系统和集散控制系统( d c s ) 不断地互相 渗透，两个领域最终可能达到完全的融合。另外，标准化与开放系统也有着密切关系， 3 o m r o n 可编程序控制器两级网络架构应用技术的研究 系统是开放的，则系统将是符合标准协议的。目前，在硬件方面，机架的标准化、板件 的标准化已在进行，与外部设备的连接信号的标准也己确认，基本的通信协议已为多数 厂商认可。在软件方面，采用u n i x 操作系统和w i n d o w s 窗口技术已为广大的制造 商和用户认定。但在不少方面，各制造商还在各走各的路，国际公认的标准还未建立口一 7 0 12 2f c s 现场总线控制系统 现场总线是当今自动化领域应用较为广泛的技术之一，被誉为自动化领域的计算机 网。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 ) 利用现场总线将现场各控制器 及仪表设备互连，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护的费用。因 此，f c s 实质上是一种开放的，具有一定互操作性、彻底分散的分布式控制系统。现场 总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备戡现场仪表互联的通信网络，是 现场通信网络与控制系统的集成。 一般来说，现场级的控制网络分为三个层次：s e n s o rb u s 、d e v i c eb u s 和f i e l d b u s 。其中s e n s o rb u s 面向简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交 换的数据单元是位( b i t ) ，传输速度快( m s 级) 、价格低，如a s i 等：d e v i c eb u s 是 面向模拟传感器和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校准与维护信息等，阿上 交换的数据单元是字节( b y t e ) ，速度较快( 1 0 m s ) ，价格适中，如d e v i c e - n e t 、 c o n t r o l l e rl i n k 等；而f i e l db u s 面向过程控制，除传输数字与模拟信号的直接信息外， 还可传输控制信息，网络交换的数据单元是帧( f r a m e ) 。图1 - 2 列出了几种现场级网络 及其在控制网络三个层次中所处的位置“。 图1 - 2 现场网络及其层次 f i g 1 2 f i e l dn e t w o r ka n dl e v e l s 4 设备类型 大连理工大学硕士学位论文 从世界范围来看，现场总线技术的发展已经进入一个群雄并起、竞争激烈的“战 国”时代，由于各具特色，短时间内不可能出现某一种现场总线独步天下的局面。 1 现场总线的概念 按i e c 和现场总线基金会的定义，现场总线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。有通信就必须有协议，从这个意义上讲，现 场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。 现场总线不仅是当今3 c ( c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nc o n t r 0 1 ) 技术发展的结合点， 也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，是信息技术、网 络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。 现场总线不单单是一种通信技术，它有效实现了智能仪表、通信网络和控制系统 的集成。现场总线的本质原理和技术特征集中表现在： 1 ) 现场通信网络，实现过程控制、加工制造现场仪表或设备的现场数字化通信。 2 ) 现场设备互连，仅仅用一对传输线( 如双绞线、同轴电缆、光纤或电源线等) 将传感器、变送器和执行器等现场仪表和设备互连起来。 3 ) 互操作性，现场仪表或设备品种繁多，不可能从一家制造公司购齐。在遵守同 一通信协议的前提下，现场总线允许选用各制造商眭能价格比最高的产品集成 在一起，实现对不同品牌的仪表或设备互相连接，统一组态。 4 ) 功能分散，将集散系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的3 级结构改革为 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 的2 级结构，废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，将控制功能分散到现场仪表，从而构成虚拟控制 站。因此现场仪表应是智能型多功能仪表。 5 ) 通信线供电，对于本质安全要求的低功耗现场仪表，允许直接从通信线上摄取 能源。 6 1 开放式互连，现场总线作为开放式互联网络，既可与同层网络互连，也可以通 过网络互联设备与不同层次的控制级网络和信息级网络互联，共享资源，统一 调度。 综上所述，现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实 时控制通信网络，它遵循i s o o s i 开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。 2 现场总线控制系统( f c s ) 一5 o m r o n 可编程序控制器两级网络架构应用技术的研究 现场总线控制系统正是顺应时代潮流而诞生，它用开放的现场总线通信网络，实现 将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连，组成实时网络控制系统。由于 将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。 f c s 作为新一代控制系统，不仅突破了d c s 采用专用通信网络的局限，采用了基 于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；而且把d c s 集中与分 散相结合的系统结构，变成了新型全分布式结构。因此，开放性、分散性与数字通信是 现场总线控制系统最显著的特征。 图1 3 示意了现场总线控制系统的体系结构，最底层是现场控制层，各智能节点被 下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构。同时，由于控制网很容易与企 业内部局域网和i n t e m e t 网互连，从而便于构成一个完整的企业网络三级体系结构。基 于开放通信协议标准的现场总线，为控制网络与信息网络的连接提供了方便，因而对控 制网络与信息网络的融合和集成起到了积极的促进作用。 图1 3 现场总线控制系统体系结构 f i g 1 3 f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 3 现场总线的标准现状和最新进展 现场总线的国际枥准虽然从1 9 8 4 着手制订，期间经过长达1 5 年争论和9 次投票表 决，其中两次遭到否决，但经过有关各方的共同努力和协商妥协，终于在1 9 9 9 年年底 的投票表决中，使8 种现场总线协议的i e c 6 1 15 8 国际标准被正式获得通过。又在2 0 0 3 年4 月，由i e c s c 6 s c m t 9 小组负责修订的i e c 6 1 1 5 8e d 3 ( 现场总线标准第3 版) f 6 一 大连理工大学硕士学位论文 式成为国际标准，在新版本标准中规定了1 0 种类型的现场总线，以反映工业网络通信 技术的最新发展。 1 ) t y p e1 现场总线( t s 6 11 5 8 ) 在1 9 9 8 年之前，i e c s c 6 5 c 只推荐一种类型的现场总线，该总线主要采纳f f 总线 和w o r l d f p 总线基本技术，并严格按照e c 定义制定现场总线标准。由于种种原因， 经过多轮投票未获通过，只能按规定成为技术报告t s 6 1 1 5 8 ，咀此为基础形成现在的 t y p e1 现场总线。它能支持工业领域的信息处理、监视和控制系统。 2 ) t y p e2 现场总线( c o n t r o ln e t 和e t h e m e t i p ) t y p e2 现场总线得到c i ( c o n t r o ln e ti n t e r n a t i o n a l ) 组织的支持。c o n t r o ln e t 的基 础技术最早于1 9 9 5 年面世。该总线网络是一种用于对信息传送有时间苛刻要求的、高 速确定性网络；同时，它允许传送无时间苛求的报文数据。t y p e2 现场总线构成的系统 结构由信息层( e t h e m e t ) 、控制层( c o n t r o ln e t ) 和现场层( d e v i c en e t ) 组成。 e t h e m e t i p 以太网工业协议是种开放的工业网络，它使用有源星形拓扑结构，可以将 1 0 和1 0 0 m b p s 产品混合使用。该协议在t c p u d p i p 之上附加控制和信息协议 ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c o l ，c 印) ，提供一个公共的应用层。c i p 的控制部分用 于实时i o 报文，其信息部分用于报文交换。c o n t r o ln e t 和e t h e m e t i p 都使用该协议通 信，分享相同的对象库、对象和设备行规，使得多个供应商的装萤能在整个网络中实现 “即插即用”。 3 ) t y p e3 现场总线( p r o f i b u s ) 。 t y p e3 现场总线得到p r o f i b u s 用户组织p n o ( p r o f i b u sn a t i o n a l o r g a n i z a t i o n ) 的支持，已被采纳为欧洲e n s 0 1 7 0 标准的第2 部分。西门子公司则是 p r o f i b u s 产品的主要供应商。在该总线构成的系统体系结构中，将通信网络体系结构 分为4 级：执行器变送器级采用a s i 位总线( i e ct c l 7 b 标准) ；现场一级采用 p r o f i b u s d f 现场总线；车间单元一级采用p r o f i b u s f m s 总线；工厂一级采用工 业e t h e m e t 网络。p r o f i b u s 系列由p r o f m u s d p 、p r o f u s f m s 和p r o f i b u s p a 等3 个兼容部分组成。 t y p e4 现场总线( p - n e t ) t y p e4 现场总线由丹麦p r o c e s s d a t as i k e b o r ya p s 从1 9 8 3 年开始开发，主要应用于 啤酒、食品、农业和饲养业，现己成为e n 5 0 1 7 0 欧洲标准的第1 部分。它得到p n e t ( p r o c e s sa u t o m a t i o n n e t ) 用户组织的支持。 5 ) t y p e5 现场总线( h s e ) 7 o m r o n 可编程序控制器两级网络架构应用技术的研究 t y p e5 现场总线即为i e c 定义的 垃总线，它由f i e l d b u sf o u n d a t i o n ( f f ) 组织负 责开发，并于1 9 9 8 年决定全面采用已广泛应用于i t 产业的高速以太n ( h i g hs p e e d e t h e m e t ，h s e ) 标准。该总线使用框架式以太网( s h e l fe t h e m e t ) 技术，传输速率从 1 0 0 m 到1 0 b p s 或更高。h s e 完全支持t y p e9 现场总线的各项功能，诸如功能块和装 置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与h l 装置相连接。连接到 一个连接装置上的h 1 装置无须主系统的干预就可以进行对等层通信；连接到一个连接 装置上的h l 装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的h 1 装嚣直接进 行通信。 6 ) t y p e6 现场总线( s w i f t - n e t ) t y p e6 现场总线由美国s h i ps t a r 协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主 要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时| 生高的总线，协议仅包括物理 层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。 7 ) t y p e7 现场总线( w o r l df 研 成立于1 9 8 7 年的w o r l df 职协会制定并大力推广t y p e7 现场总线。w o r l df i p 协议 是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的第3 部分，物理层采用厦c 6 1 1 5 8 2 标准，其产品在法国占有 6 0 市场，在欧洲市场占有大约2 5 份额。它们被广泛应用于发电与输配电、加工自动 化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。w o r l df i p 现场总线体系结构分为过程级、 控制级和监控级等3 级，其协议由物理层、数据链路层和应用层组成。它能满足用户的 各种需要，适合于集中型、分散型和主站从站型等多种类型的应用结构。用单一的 w o r l df i p 总线可满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统的需要。为适应低成本 要求所开发的d e v i c ew o r l df i p ( d w f ) 总线，其实是装置一级的网络，它能很好地适 应工业现场的各种恶劣环境，并具有本质安全防爆性能，可以实现多主站与从站的通 信。 8 1t y p e8 现场总线0 1 t e rb u s ) t y p e8 现场总线由德国p h o e n i xc o n t a c t 公司开发，得到i n t e rb u sc l u b ( 俱乐部) 支持。它是一种串行总线系统，适用于分散输入输出，以及不同类型控制系统间的数 据传输。协议包括物理层、数据链路层和应用层，它已成为德国d i n l 9 2 5 8 标准。i n t e r b u s 总线可构成主从式和环型拓扑网络，传输速率为5 0 0 k b p s ，采用r s 4 8 5 屏蔽双绞 线电缆。数据链路层采用整体帧协议( t o t a lf r a m ep r o t o c 0 1 ) 方式传输循环过程数据和 非循环数据，共有1 6 个二进制过程数据同时被集成在循环协议中；应用层服务只对主 8 大连理工大学硕士学位论文 站有效，用于实现实时数据交换、v f d 支持、变量访问、程序调用和l2 个相关的服 务。i n t e rb u s 总线对单主机的远程i o 具有良好的诊断能力。 t y p e 9 现场总线( f f h l ) f fh i 现场总线是由f f 现场总线基金会负责制定的。f fh 1 现场总线协议由物理 层、数据链路层、应用层、以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层 组成。物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能，以便在数据链路实体之间建立、 维护和拆除物理连接。直接支持的介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质。现场 总线按照传输速率和功能又分为m 低速总线和h s e 高速现场总线。h l 总线主要用于现 场级，其速率为3 1 2 5 k b p s ，负责两线制向现场仪表供电，并能支持带总线供电设备的 本质安全；h s e 总线主要面向过程控制级、远程i o 和高速工厂自动化的应用，其速率 为1 m 、2 5 m 和1 0 0 m b p s 。 l o ) t y p e1 0 现场总线( p r o f i n e t ) p n o 组织于2 0 0 1 年8 月发表的p r o f i n e t 规范，是用于p r o f i b u s 纵向集成的、 开放的、一致的综合系统解决方案。p r o f i - n e t 将工厂自动化和企业信息管理层i t 技术 有机地融为一体，同时又完全保留了p r o f l b u s 现有的开放性。p r o f i n e t 特别重视有 关保护投资的要求，以确保现有工厂的继续运行，同时还要求现有的系统可以集成已经 安装的系统。 综上所述，在上述1 0 种类型现场总线中所采用的通信协议不同。如t y p e9 采用 l a s 方式和p u b l i s h e r s u b s c r i b e r 模式；t y p e2 使用c t d m a 方法和p r o d u c e r c o n s u m e r 模式；t y p e3 是令牌环和主站从站方式；t y p e4 通信采用虚拟令牌传递方式；t y p e5 为c s m a c d 方式；t y p e6 总线使用t d m a 多路存取方式；t y p e7 使用总线裁决方 式：t y p e8 则采用整体帧协议。由此可见，要实现这些总线的相互兼容和互操作，还有 许多问题需要研究，并得到解决。 作为市场，当然迫切需要一个统一标准的现场总线控制系统。实践证明，统一的 t c p e p 协议使得i n t e m e t 网络高速发展；统一的超级v c d 标准解决了c v c d 和s v c d 之争，带来了市场的繁荣。现场总线协议长期争论不休，使得f c s 系统的发展相对缓 慢。为了加快新一代系统的发展，人们开始寻求新的出路。 近年来，现场总线开始转向在i t 领域广泛应用的、开放的、常年来发展最为成功 的e t h e m e t 网络技术。目前，p p o f i b u s 、d e v i c e - n e t 、c o n l r o l - n e t 和l o n - w o r k s 等都 打算使用e t h e m e t 。这些公司都在研究通过一种称作管道( t u n n e l ) 的简单传递机构， 使用e t h e m e t 网络传送它们的报文。这种方法简单可行，现场装置保持不变，仅需要一 。9 一 o m r o n 可编程序控制器两级网络架构应用技术的研究 个专用的e t h e m e t 网络接口就可完成与以太网的连接。与此同时，美国电气工程师协会 ( 正e e ) 正着手制定现场装置与e t h e m e t 通信的新标准，该标准能够使网络直接“看 到”对象( o b j e c t ) 。这些工作均为e t h e m e t 进入工业自动化的现场级打下了基础【9 l 。 1 3 选题背景 近几年随着工业自动化技术的发展，急需培养大批懂得网络自动化控制的人才。实 验是学生综合技能训练的一个必需的环节，将机电实验设备通过工控网络连接起来，具 有和生产实际紧密相联的特点，是一种浓缩的现场设备。学生通过网络化实验设备的训 练，可以综合和巩固所学知识，提高自己的实践技能和动手能力。经过我院努力，在工 程训练中心与o m r o n 上海分公司的共同合作下，成立了大连理工大学一一殴姆龙联 合测控实验室。 在联合测控实验室中，所有的自动化设备全部为当今比较热门的自动化设备制造商 o m r o n 公司提供的。此实验室共分为三个实验台，分剐为测速实验台、运动控胄蟒图 像识别实验台和d e v i c e - n e t 实验台。；9 1 4 控实验室技术路线框架如图1 - 4 所示： 1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 图i - 4 测控实验技术路线框架 f i g 1 4s e n s i n g c o n t r o le x p e r i m e n tt e c h n i cr o u t ef r a m e 1 4 课题主要任务 为使实验设备具有较好的柔性，在各个单独模块上可以进行单机调试，执行简单的 控制要求，容纳较多的学员同时学习。在各个基本单元模块练习完成以后，又可以将各 个基本控制单元采用两级网络连接起来，使实验人员可以更好的实践锻炼工业控制系统 的编程、装配和调试技术。此实验室建立可以给实验人员提供涉及诸如电机驱动、机械 传动、p l c 、传感器、网络等多种技术，提供了一个典型的综合技术环境，使实验人员 在此可以得到全面认识、综合训练和相互提升。本人主要做了以下工作： 1 针对各个工控自动化设备，查阅大量相关资料。通过从o i v i r o n 上海分公司技 术支持网站下载资料和随机附送的硬件说明书，熟悉测控联合实验室中o m r o n 公司提供的各种工控设备使用 2熟悉o m k o n 公司提供的p l c 编程应用软件c x p r o g r a m m e r ，编制针对 o m r o n 可编程序控制器两级网络架构应用技术的研究 c p m 2 a 可编程控制器的高速计数、目标值比较和中断计数的实验程序，编制 对于具有内置输入输出的c j l m c p u 2 3 可编程控制器的运动控制和原点搜索实 验程序。 3 针对该实验设备中使用的n s 8 系歹0 可编程终端( p t ) ，熟悉o m r o n 公司p t 应用软件n sd e s i g n e r 6 ，0 ，创建针对c p m 2 a 实验的高速计数显示和控制屏幕 数据。 4熟悉c o n t r o l l e r “n k 和