（系统工程专业论文）工业以太网集成现场总线的关键技术及应用研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了 工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层到控 制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术为 基础的企业信息化系统。工业控制网络直接面向生产过程，肩负着工业生产运 行一线测量与控制信息传输的特殊任务，因此它通常应满足强实时性、高可靠 性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。 控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放透明的通讯协议。以太网 正逐步向现场级深入发展，并尽可能和其他控制网络进行融合。但以太网和 t c p i p 协议原本就不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、 数据传输、应用软件、适用环境等诸多方面与成熟的自动化解决方案( 如p l c 、 d c s 、f c s 等) 相比有很大差异，要想做到完全意义上的融合是很困难的。因此， 其他控制网络与以太网保留各自优点并互为补充，是目前以太网进入控制领域 最常见的应用方案。 本课题研究的目的，是在对工业以太网的通信协议、网络模型、适用环境 等方面的研究基础上，重点研究工业以太网集成现场总线时面临的通信实时性、 设备互操作性等问题以及解决的关键技术。基于我国提出的e p a 工业以太网标 准，本文提出了一种新型工业以太网网络模型，从协议组成、控制运行和诊断 运行等几方面进行了讨论。根据工业现场的实际需求，本文设计了工业以太网 集成现场总线的系统架构方案，并对m o d b u s t c p 工业以太网和e p a 工业以太网 集成现场总线用实例加以验证。同时根据电力设备故障诊断系统的需求，提出 了一种基于工业以太网和现场总线的嵌入式数据采集与故障诊断系统的设计方 案，并用相应的实例加以验证。最后，本文讨论了将工业以太网应用于重型矿 山设备的嵌入式控制系统以及将p r o f i b u s 现场总线应用于d c s 控制系统上的解 决方案，并给出了相应的验证实例。本文的工作来源于实际的科研项目，对工 业现场应用有较高的参考价值。 摘要 关键词：工业以太网，现场总线，网络集成，通信实时性，设备互操作性 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo nc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n a n dn e t w o r k , i n f o r m a t i o ne x c h a n g eh a sc o v e r e dp l a n t ，e n t e r p r i s ea n dw o r l d w i d e m a r k e t i ti sn e e dt ob u i l dac o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o nn e t w o r kp l a t f o r m ，i n c l u d i n g i n d u s t r yf i e l dd e v i c el a y e r c o n t r o ll a y e ra n dm a n a g e m e n tl a y e r ，a n da ne n t e r p r i s e i n f o r m a t i z a t i o ns y s t e mb a s e do ni n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r kt e c h n o l o g y i n d u s t r i a l c o n t r o ln e t w o r ka sak i n do fs p e c i a ln e t w o r kd i r e c t l yf a c e sp r o d u c t i o np r o c e s sa n d u n d e r t a k e sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o li n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nt a s ko fi n d u s t r y p r o d u c t i o na n do p e a r a t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g , i ts h o u l ds a t i s f yh i g hr e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , a d a p t a b i l i t yo fs e v e r ei n d u s t r yf i e l de n v i r o n m e n ta n d b u sp o w e rs u p p l y t h et r e n do fd e v e l o p m e n to fc o n t r o ln e t w o r ki so p e na n dt r a n s p a r e n tp r o t o c 0 1 e t h e r n e tg o e st oi n d u s t r yf i e l ds t e pb ys t e p ，w i t hi n t e g r a t i o no fo t h e rc o n t r o ln e t w o r k s b u te t h e r n e ta n dt c p i pp r o t o c o li sn o td e s i g n e df o rc o n t r o lf i e l d c o m p a r e dw i t h m a t u r ea u t o m a t i o ns o l u t i o n ，s u c ha sp l c ，d c sa n df c s ，t h e r ei sal o to fw o r kt od o i ns y s t e ms t r u c t u r e ，p r o t o c o lr u l e ，p h y s i c a lm e d i u m ，d a t at r a n s m i s s i o na n ds u i t a b l e e n v i r o n m e n t t h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tc o n t r o ln e t w o r k si sd i f f i c u l t s ot h e p r a c t i c a lm e t h o di st or e m a i nt h ea d v a n t a g e so fe t h e r n e ta n do t h e rc o n t r o ln e t w o r k s a n dd e p l o yh y b r i dn e t w o r k sa ti n d u s t r yf i e l d t h er e s e a r c h p u r p o s eo f t h i s s u b j e c ti s b a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e to n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，n e t w o r km o d e la n ds u i t a b l ee n v i r o n m e n t ，a n dm a i n l y r e s e a r c h e sk e yt e c h n o l o g ya n dp r o b l e mo fi n d u s t r i a le t h e m e ti n t e g r a t i n gf i e l d b u s ， i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o nr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dd e v i c ei n t e r o p e r a b i l i t y b a s e d o ne p ai n d u s t r i a le t h e r n e ts t a n d a r d ，t h i sp a p e r b r i n g sf o r w a r dan e wt y p eo fi n d u s t r i a l e t h e r n e ta n dd i s c u s s e si n p r o t o c o lc o m p o s i t i o n ，c o n t r o lp r o c e s sa n dd i a g n o s t i c s p r o c e s s a c c o r d i n gt op r a c t i c a lr e q u i r e m e n to fi n d u s t r yf i e l d ，t h i sp a p e rd e s i g n sa s y s t e m s t r u c t u r es c h e m eo fi n d u s t r i a le t h e r n e t i n t e g r a t i n gf i e l d b u s ，a n dg i v e s a p p l i c a t i o ne x a m p l e so fm o d b u s t c pi n t e g r a t i n gf i e l d b u sa n de p ai n t e g r a t i n g a b s t r a ( 了r f i e l d b u s m e a n w h i l e ，a c c o r d i n g w i t h r e q u i r e m e n t o fp o w e re q u i p m e n tf a u l t d i a g n o s t i c ss y s t e m ，t h i sp a p e rg i v e sad e s i g ns c h e m eo fe m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o n a n df a u l td i a g n o s t i c ss y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e ta n df i e l d b u s ，a l s ow i t h a p p l i c a t i o ne x a m p l e s a tl a s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o w t oa p p l yi n d u s t r i a le t h e r n e tt o h e a v ym i n i n gm a c h i n e r yc o n t r o ls y s t e ma n da p p l yp r o f i b u st od c sc o n t r o l s y s t e m ，a n da l s og i v e sa p p l i c a t i o ne x a m p l e s t h i sp a p e r sw o r ki so r i g i n a t e df r o m p r a c t i c a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t sa n dh a sh i g hp r a c t i c a lv a l u ea ti n d u s t r yf i e l d k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ，f i e l d b u s ，n e t w o r ki n t e g r a t i o n ，c o m m u n i c a t i o nr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，d e v i c ei n t e r o p e r a b i l i t y 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：私事 臼多年弓月吖日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者虢铆 衫年弓月群日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 工业控制网络发展概况 工业控制网络是近年来发展形成的自动控制领域的网络技术，是计算机网 络、通信与自动控制技术结合的产物。随着自动控制、计算机、通信、网络等技 术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、 经营管理的各个层次以及原料采购、生产加工的各个环节，并将一直延伸到成品 储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用 需求。企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、对底层控制网络的功能及 性能都提出了更高的要求。工业控制网络技术正是在这种形势下逐渐发展形成的 1 - 3 j o 工业控制网络是近些年发展形成的。应该说，工业数据通信是控制网络的基 础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。在这个意义上也可以把工业数 据通信与控制网络一并称为控制网络。相对早期集散控制系统( d c s ) 也可认为 是工业控制网络，但d c s 系统比较封闭，不同厂家的设备互连十分困难，因此 不能归为开放式控制网络。 信息网络的特点是数据包大，发送频率相对比较低，经常是瞬问传送大量数 据，要求以高传送速率来传输数据比较大的文件，但对实时性没有苛刻的要求。 相对来说，控制网络对实时性要求比较高，往往在许多结点之间高频率发送大量 比较小的数据包来满足实时性的要求。另外，控制网络要求数据的确定性的可重 复性。确定性是指数据有限制地延迟和有保证地传送，也就是说报文需要在可预 测的时间内成功发送出去。从传感器到控制器的报文不成功的传送或者不可接受 的延迟都会影响网络的性能。可重复性是指网络的传输能力不受网络上结点的动 态改变( 增加或者删除结点) 和网络负载改变的影响。对于离散的连续控制的应 用场合均有对网络传输数据确定性和可重复性的功能要求【铀】。 工业控制网络发展至今，现场总线作为其热点技术，已经为业内人士广泛认 知，逐渐成为工业控制网络的代名词。按照i e c ( 国际电工委员会) 对“现场总 线一词的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备 与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。这是由正c 厂r c 6 5 负 第1 章绪论 责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的s c 6 5 印g 6 定义的。因此，现 场总线 一词被定位于生产现场的数据通信技术。 随着现场总线技术的不断发展和其内容的不断丰富，各种控制功能、应用功 能与网络管理、系统管理等内容的不断扩充，现场总线走出了原有的定位范围， 不再只是通信标准与通信技术，而成为网络系统与控制系统。与互联网的结合使 控制网络以进一步拓宽了视野和作用范围，不再受限于本地现场网络。此时，现 场总线一词无论从中文还是从英文的角度，都难以完整地表达控制网络现今的技 术内涵，因此人们逐渐提出了工业以太网、工业无线网络等新的概念【7 1 0 l 。由于 工业以太网源于现场总线，且在许多国际标准和应用场合里没有严格的界限，因 此对现场总线和工业以太网只作基本概念的区分，不作应用场合的区分。 工业控制网络将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作 为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把 现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系 统。简单控制网络是一个位于生产现场的网络系统，网络在各控制设备之间构筑 起沟通数据信息的通道，在现场的多个测量控制设备之间以及现场控制设备与监 控计算机之间实现工业数据通信。它又是一个以网络为支撑的控制系统，依靠网 络在传感测量、控制计算、执行器等功能模块之间传递输入输出信号，构成完整 的控制系统，完成自动控制的各项任务。 相对于普通的计算机网络系统而言，控制网络的组成成员比较复杂。除了作 为普通计算机通信系统成员的各类计算机、工作站、打印机、显示终端之外，大 量的网络节点是各种可编程控制器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。其中 大部分节点的智能程度远不及计算机。有的现场控制设备内嵌有c p u 或其他专 用芯片，有的只是功能相当简单的非智能设备【1 1 以5 1 。控制网络是一类特殊的网络 系统，其应用领域涉及离散和连续制造业、交通、环保、化工、电力、楼宇，甚 至农、林、牧、渔等各行各业。 通信系统用于设备与设备、设备与人、人与人之间的信息传递。而在工业生 产过程中，除了计算机及其外围设备，还存在大量检测工艺参数数值与状态的变 送器和控制生产过程的控制设备。这些设备的各功能单元之间、设备与设备之间 以及这些设备与计算机之间遵照通信协议，利用数据传输技术传递数据信息的过 程，它与普通计算机通信、电报与话务通信有较大区别。因而可以认为，它是自 动化领域的通信技术。 工业数据通信系统的规模从简单到复杂，从两三个数据节点到成千上万台设 备，各类应用俱全。在工业数据通信领域，人们通常按通信帧的长短，把数据传 输总线分为传感器总线、设备总线和现场总线。传感器总线属于数据位级的总线， 2 第1 章绪论 其通信帧的长度只有几个或十几个数据位，比如a s i ( a c t u a t o rs e n s o ri n t e r f a c e ) 总线。设备总线属于字节级的总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节， 比如c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线。而现场总线则属于数据块级的总线， 它所能传输的数据块长度可达到几百个字节，当要传输的数据块更长时，可支持 分包传送。但现场总线中传输的与控制相关的数据帧的长度一般也只有几个或几 十个字节，比如m o d b u s 、i n t e r b u s 、p r o f i b u s 等【幡冽。不过在许多应用 场合，人们还是习惯于把这几种长度不一的总线统称为现场总线，也许是因为它 们都位于生产现场的缘故。目前最新的发展状况，一是将以太网应用于工业现场， 即所谓的工业以太网：二是将无线技术用于工业现场，即所谓的工业无线网络。 早期的控制网络在网络规模、节点种类、通信帧长度、工作环境、通信参数 等方面，都区别于电话网络和计算机网络。早期的控制网络大多采用专有通信技 术，自成系统，不具备开放性，不同生产商的产品之间不能相互通信。技术的发 展与用户需求促进了开放总线的诞生。“开放意味着通信协议与规范公开统一， 不同制造商生产的产品能在同一通信网络系统中互联互操作。 控制网络的出现导致了传统控制系统结构的变革，形成了网络集成式控制系 统的新型结构，或称之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 ) 。这是继 基地式拨动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制 系统、集散控制系统之后控制系统的新型结构形式。 2 0 世纪5 0 年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展 的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产现场、只具有简单测控功能的基地式气 动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给其他仪表或系统，即各测 控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息。操作人员只能通过对生产现场的 巡视，了解生产过程的状测2 卜2 引。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要 同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了集中控制室。生产现场各处的参数 通过统一的模拟信号，例如0 0 2 - 0 1 m p a 的气压信号，o l o m a 、4 一- - 2 0 m h 的直 流电流信号，o - 5 v 、0 i o v 的直流电压信号等，送往集中控制室，在控制盘上 连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，并可以把各单元仪表 的信号按需要组合，连接成不同类型的控制系统。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程 控制器( p l c ) 以及由多个计算机构成的集中与分散相结合的集散控制系统 ( d c s ) 。在d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数 字混合系统。这种系统在功能和性能上较模拟仪表和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 3 第1 章绪论 的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭的缺陷影响，各厂家的产品自 成系统，不同厂家的设备不能互连，所以难以实现互换与互操作，因而组成更大 范围信息共享的网络系统十分困难。 控制网络则突破了d c s 系统中因专用网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、 标准化的解决方案，把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备连接成控 制网络，组合成各类控制系统，实现综合自动化的各种功能。这就是新型的网络 集成式控制系统。它改变了d c s 系统中模拟、数字信号混合，一个简单控制系 统的信号传递需历经从现场到控制室，再从控制室到现场的往返专线传递过程。 由于控制网络中的作为节点的现场仪表具备通信与数字计算能力，依靠位于生产 现场和控制设备之问的数据通信便可支持多种控制功能，因而这种在控制网络支 持下完全在生产现场形成的控制系统结构，又称为全分布式控制系统 1 4 - 2 6 1 。 控制网络改变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，按控制回路的信号传递需要连线。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。 控制网络采用总线式串行通信，为提供更为丰富的控制信息内容创造了条 件。网络除了传输测量控制的状态与数值信息外，还可提供模拟仪表接线所不能 提供的参数调整、故障诊断、阀门开关的动作次数等信息，便于操作管理人员更 好、更深入了解生产现场和自控设备的运行状态。智能现场设备作为网络节点， 具备数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、控制和传输精度。同时具备 把控制模块、各输入输出模块转入现场设备的条件1 2 7 删。 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运 行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转 换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线 供电等特殊要求和特点。 工业企业综合自动化系统是以工业控制网络为基础，从结构上看可分为三个 层次，即管理层、监控层和设备层，如图1 1 所示。 图1 1 工业企业综合自动化层次结构图 4 第1 章绪论 最上层是企业管理层网络，主要用于企业的计划、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、数据库查询、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，吞吐量较大，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。管理层网络主要由 快速以太网( 1 0 0 m 、1 g 、1 0 g ) 组成。 中问的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特 点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有 较大的带宽，以前由专用网络如令牌网组成，如今这一层网络则主要由传输速率 较高的网段( 如1 0 m 、1 0 0 m 的以太网) 组成。 最底层的设备层网络则主要用于变送器、执行机构等现场设备之间、以及现 场设备与控制室仪表之间的信息传输。目前现场设备层网络主要由低速现场总线 网络组成。 在图1 1 的层次结构中，工业控制网络一般指监控层和设备层网络，本文的 讨论重点也是这两层网络。 1 1 2 现场总线和工业以太网国际标准化进程 如果把d c s 列为一类非丌放性系统，那么可以认为控制网络技术起源于现 场总线。现场总线技术产生于2 0 世纪8 0 年代，但对它的研究开发之热却是近年 之举。这一方面是因为信息时代各项技术的发展对造化系统提出了新的要求，促 进了该领域的网络化、信息化进程；另一方面也是由于它本身所蕴涵的技术经济 潜力。欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力研究开发该项技术。 出现了现场总线技术与产品百花齐放、兴盛发展的态势。例如丹麦p r o c e s sd a t a 公司1 9 8 3 年推出的p n e t 、德国s i e m e n s 公司1 9 8 4 年推出的p r o f i b u s 、德国 p h o e n i xc o n t a c t 公司1 9 8 4 年推出的i n t e r b u s 、法国a l s t o n 公司1 9 8 7 年推出 的f i p 等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术1 3 1 。3 5 1 。 伴随技术的发展，形成了各式各样的企业、国家、地区及国际现场总线标准。 单就国际标准而言，国际标准化组织i s o 、i e c 都卷入了该标准的制定。最早成 为现场总线国际标准的是c a n ，它属于i s o l l 8 9 8 标准。 i e c 厂r c 6 5 负责测量和控制系统数掘通信国际标准化工作的s c 6 5 c 厂w g 6 ，是 最先开始现场总线标准化工作的组织。它于1 9 8 4 年就丌始着手总线标准的制定， 致力于推出世界上单一的现场总线标准，也因此而历经坎坷。作为一项数据通信 技术，单从应用需要与技术特点的角度考虑应该统一通信标准。但由于行业、地 域发展历史和商业利益的驱使以及各种经济社会的复杂原因，总线标准的制定工 5 第1 章绪论 作并非一帆风顺。i e c 现场总线物理层标准i e c 6 1 1 5 8 2 诞生于1 9 9 3 年，从数据 链路层开始，标准的制定一直处于混乱状态。在历经了多年的艰难历程之后，经 过多方妥协，i e c 于1 9 9 9 年年底通过了包含八种总线的i e c6 1 1 5 8 标准，即由 原有的i e c 6 1 1 5 8 、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p n e t 、h i g hs p e e de t h e r n e t 、s w i f t n e t 、 w o r l d f i p 及i n t e r b u s 共8 种现场总线标准共同构成i e c 现场总线国际标准子 集。这一结果违背了当初制定世界上单一现场总线标准的初衷，不免令人无奈与 失望。 顺带提及一下，相比而言i e c 1 7 b 的工作要顺利得多。它负责制定的低压开 关装置与控制装置用控制设备之音质接口标准，即i e c6 2 0 2 6 国际标准已获通过。 该标准包括第2 部分a s i 、第3 部分d e v i c e n e t 、第4 部分智能分布式系统s d s 和第5 部分s e r i p l e x 。 长期以来，由于人们在现场总线的标准问题上争论不休，互连、互通与互操 作问题很难解决，于是现场总线开始转向以太网。使用以太网最明显的好处就是 以太网的开放架构，一旦选择以太网及其产品之后，用户不需要担心受限于产品 制造商的专属的网络与协议架构。如此一来，经由同一个网络，许多不同型态的 设备可以非常容易地连接在一起，大幅度地简化了使用者的工作。经过近几年的 努力，以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。为了满足高实时性能应用的 需要，各大公司和标准组织纷纷提出了各种提升工业以太网实时的解决方案，从 而产生了工业实时以太网( r e a lt i m ee t h e r n e t ，简称r t e ) 。2 0 0 3 年5 月德国1 e c 委员会向l e c s c 6 5 c 提交了一份新项目建议i e c 6 5 c 3 0 6 n p ，定义了r t e 和一 般需求，提出制订实时以太网标准。i e c s c 6 5 c 采纳了德国i e c 委员的新建议， 并立即成立了相关标准的制订工作组。其中，w g l l 负责制订i e c 6 1 7 8 4 2 实时 以太网标准；w g l 2 负责制订i e c 6 1 7 8 4 3r t e 功能安全标准；w g l 3 负责制订 i e c 6 1 7 8 4 4 通信信息安全标准；以及j w g l 0 负责制订工业网络电缆和 i e c 6 1 7 8 4 5 安全装行规标准。 表1 1 中的t y p e l 是原i e c 6 1 1 5 8 第一版技术规范的内容，由于该总线主要 依据f f 现场总线和部分吸收w o r l d f i p 现场总线技术制定的，所以经常被理解为 f f 现场总线。t y p e 2c i p ( c o m m o ni n d u s t r yp r o t o c 0 1 ) 包括d e v i c e n e t ，c o n t r o l n e t 现场总线和e t h e m e t i p 实时以太网。t y p e 6s w i f t n e t 现场总线由于市场推广应用 很不理想，在第四版标准中被撤销。t y p e l 3 是预留给e t h e r n e tp o w e r l i n k ( e p l ) 实时以太网的，提交的e p l 规范不符合i e c 6 1 1 5 8 标准格式要求，在此之前还没 有正式被接纳。 6 第1 章绪论 t y p e l t y p e 2 t y p e 3 t y p e 4 t y p e 5 t y p e 6 t y p e 7 t y p e 8 t y p e 9 t y p e l 0 i e c 6 1 1 5 8 现场总线 c i p 现场总线 p r o f i b u s 现场总线 pn e t 现场总线 f fh s e 现场总线 s w i f t n e t 被撤销 w o r l d f i p 现场总线 盯e r b u s 现场总线 f fh 1 以太网 p r o f i n e t 实时以太网 t y p e l l t y p e l 2 t y p e l 3 t y p e l 4 t y p e l 5 t y p e l 6 t y p e l 7 t y p e l 8 t y p e l 9 t y p e 2 0 t c n e t 实时以太网 e t h e r c a t 实时以太网 e t h e m e tp o w e r l i n k 实时以太网 e p a 实时以太网 m o d b u s r t p s 实时以太网 s e r c o si 、i i 现场总线 咂唧p 实时以太网 c c i j i l l 【现场总线 s e r c o s i i i 现场总线 h a r t 现场总线 i e c6 1 1 5 8 第四版由多个部分组成，主要包括以下内容： 1 ) i e c 仃r6 1 1 5 8 1 总论与导则 2 ) i e c6 1 1 5 8 2 物理层服务定义与协议规范 3 ) i e c6 1 1 5 8 3 0 0 数据链路层服务定义 4 ) i e c6 1 1 5 8 4 0 0 数据链路层协议规范 5 ) 正c6 1 1 5 8 5 0 0 应用层服务定义 6 ) i e c6 1 1 5 8 6 0 0 应用层协议规范 用于工业测量与控制系统的e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) ，其系统结 构与通信规范是由浙江大学浙江中控技术有限公司、中科院沈阳自动化所、重庆 邮电学院、清华大学、大连理工大学等单位联合制订的用于工厂自动化的实时以 太网通信标准。e p a 标准在2 0 0 5 年2 月经国际电工委员会i e c t c 6 5 s c 6 5 c 投 票通过已作为公共可用规范( p u b l i c a v a i l a b l es p e c i f i c a t i o n ) i e c p a s6 2 4 0 9 标准 化文件正式发布，并作为公共行规( c o m m o np r o f i l ef a m i l y1 4 ，c p f l 4 ) 列入正 在制订的实时以太网应用行规国际标准i e c 6 1 7 8 4 2 ，2 0 0 5 年1 2 月j 下式进入 i e c 6 1 1 5 8 第四版标准，成为i e c 6 1 1 5 8 3 1 4 4 1 4 5 1 4 6 1 4 规范。 该标准第6 章定义了e p a 系统结构，其充分吸收新信息技术的实用技术， 采用现代软件工程和现代控制工程的新概念，不断创新，构建了一个覆盖工业自 动化技术各个方面的e p a 体系结构平台。 顺应最新发展，e p a 系统采用分布式结构，它利用i s o i e c 8 8 0 2 3 、 i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 5 等协议定义的网络，将分布在现场的若干个设备、小 系统以及控制监视设备连接起来，所有设备一起运作，共同完成工业生产过程 7 第1 章绪论 和操作中的测量和控制任务。 如前所述，i e c 6 1 1 5 8 系列标准是概念性的技术规范，它不涉及现场总线的 具体实现。因而，在该标准中只有现场总线的类型编号，不允许出现具体现场总 线的技术名或商业贸易用名称。为了使设计人员、实现者和用户能够方便地进行 产品设计、应用选型比较、以及实际工程系统的选择，i e c s c 6 5 c 制订了 i e c 6 1 7 8 4 系列配套标准，该标准由以下部分组成： 1 ) i e c 6 1 7 8 4 - 1 用于连续和离散制造的工业控制系统现场总线行规 2 ) i e c 6 1 7 8 4 2 基于i s o i e c 8 8 0 2 3 实时应用的通信网络附加行规 3 ) i e c 6 1 7 8 4 3 工业网络中功能安全通信行规 4 ) i e c 6 1 7 8 “工业网络中信息安全通信行规 5 ) i e c 6 1 7 8 4 - 5 工业控制系统中通信网络安装行规 i e c 6 1 7 8 4 1 和i e c 6 1 7 8 4 2 包括几个通信行规族( c p f ) ，它规定一个或多个 通信行规( c p ) 。其中，i e c 6 1 7 8 4 1 规定现场总线通信行规，如表1 2 所示。 正c 6 1 7 8 4 2 提供实时以太网的通信行规。 表1 2i e c 6 1 1 5 8e d 4 现场总线类犁 通信行规给出了现场总线设备中可互操作性特征与选项的详细说明。 i e c 6 1 7 8 4 的通信行规具体说明设备在网络通信方面的能力和详细的通信功能。 i e c 6 1 7 8 4 2 通信行规具体规定实时以太网传递时间、终端节点数、基本网络拓 扑、终端节点间交换机数、r t e 流通量、r t e 宽带、时间同步精度、以及冗余 恢复时间。这些行规能帮助正确地说明r t e 通信网络与i s o i e c 8 8 0 2 3 的一致性， 避免出现偏差，妨碍其理解与使用。 1 1 3 工业控制网络的发展趋势 以下五个方面应该是工业控制网络的发展趋判3 删： 1 分布式自动化 提高生产率和降低成本是推动工业自动化系统变革的主要动力，随着1 1 r 信 息技术由上而下向工业自动化领域渗透，这种变革正在不断加速。传统的工业自 8 第1 章绪论 动化系统都采用具有集中运算能力的中央控制器，按照传统的软件技术，软件程 序是面向过程的，编制面向过程的程序十分复杂，需要做大量程序编制开发工作； 与此同时，还要编写现场设备与控制系统、管理层的通信程序，在一个复杂的系 统结构中，这样的通信程序往往比实际的控制程序要大得多，增加了整个系统的 开发成本，使得程序开发成本在整个项目费用中占有不相称的比例。 为此，人们寻求更为有效和更为廉价的技术方案。理想的自动化解决方案的 设计目标应该不关注独立控制单元的编程，而集中关注工厂或机械设备面向功能 的自动化。现代软件工程适应上述需求，采用面向组件和面向对象方法。面向对 象的程序设计技术以对象为核心，其程序由一系列对象组成，对象是由描述内部 状态、表示静态属性的数据，以及可以对这些数据施加的操作，封装在一起所构 成的统一体。对象之间通过传递信息相互通信。事实上，对象是组成面向对象程 序的基本模块。软件的模块化使得系统更为开放、支持即插即用、无需通信编程、 使用通用工具实现统一通信、并且解决方案独立于设备制造商。 由于计算机网络通信技术的快速发展，特别是现场总线、工业以太网和实时 以太网走向实际应用，给工业自动化的体系结构带来巨大变化。随着分散设备处 理能力的增强，智能式变送器和智能式执行机构的推广应用，系统应该允许应用 程序不一定集中常驻在单个硬件设备中，允许软件对象模块分散于不同的硬件设 备中，这些对象模块通过网络通信方式互相连接，构成一个完整的应用控制程序。 这就意味着分布式设备、工具和应用所具有的性能起着与集中式应用一样的作 用，因而系统中的所有对象和数据在任何时间都能被任何设备访问。分布式自动 化大大提高了系统的开放性、一致性和适用性，使系统具有统一的工程和数据模 型，从而大大降低了工程项目从系统设计、系统集成、交付投运、开车运行、直 至技术维护阶段的成本。 2 多现场总线并存转向工业以太网 多现场总线并存而且相互竞争的局面由来已久，随着工业通信技术的发展， 这种局面非但没有统一，反而有愈演愈烈的趋势。因此，在未来相当长的时期内， 这种多现场总线的局面还将继续。从技术因素方面讲，工业自动化设备从简单的 传感器、执行器，到较为复杂的驱动设备、仪表，以至控制器，不同类型的设备 对信息要求有很大差异。另外，自动化技术也分为很多领域，包括离散自动化、 过程控制、运动控制、楼宇自动化等，不同领域对总线的要求都不相同。这就决 定了不可能由一种或少量几种现场总线来满足自动化领域对通信的全部需求。同 时，商业因素对多种现场总线标准形成起了更为重要的作用。工业网络被称之为 自动化的“神经系统”，很多情况下网络的选择决定了系统的设备的选型。为此 大型自动化企业都投入巨大的资源进行总线的开发和市场推广，目的是使自己的 9 第1 章绪论 系统在激烈的市场竞争中处于有利地位。例如s i e m e n s 公司主推p r o f i b u s 和 p r o f i n e t ，r o c k w e l la u t o m a t i o n 提出c i p 网络概念，包括e t h e m e t i p 、c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 三层网络，s c h n e i d e re l e c t r i c 的“透明工厂 解决方案是m o d b u s 和m o d b u s t c p ，以太网实现数据在系统中的透明传输。这些大型自动化公司 都拥有自己的产品线，在特定的和行业上有各自的优势，相互之间竞争激烈，在 网络标准上也是互不相让，在客观上造成了多种现场总线共存的局面。 离散行业和流程行业对现场总线的要求是不同的。离散行业对于控制的实时 性要求较高，而流程行业对实时性要求相对较低，但对本质安全、防爆等方面有 严格要求。p r o f i b u sp a 、f f 和h a r t 属于流程行业的总线标准，p r o f i b u s d p 、i n t e r b u s 、d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、c c l i n k 和大多数工业以太网多应用 于离散行业。现场总线技术经过多年的发展，相同层面的技术差距并不是很大， 即使有也是各有千秋。 3 多网络集成 多种现场总线技术并存的状况不会在短期内消失，而随着工业以太网的不断 发展和完善，更有可能的趋势是现场总线与工业以太网的相互集成。目前来看， 主要有以下三种集成方式： 1 ) 多现场总线集成 这种集成方式是将成熟的现场总线技术相互集成在一起，发挥各自的特长， 努力使全厂的设备由一个大的系统控制完成，多用于旧有的现场总线设备改造， 其优点是成本低，缺点是集成后的系统现场总线种类繁多，不易管理。 2 ) 现场总线与工业以太网集成 这种集成方式是将现有的现场总线控制系统集成到工业以太网控制系统中， 由工业以太网完成现场控制和管理功能，并向管理层传输现场数据。工业以太网 的选择与原有现场总线尽可能兼容。其优点是技术上障碍较少，缺点是不易于使 用其他类型的工业以太网。 3 ) 多种技术集成 这种集成方式包含众多成熟的技术，包括设备互操作性技术、o p c 技术以 及以太网和t c p