（电力系统及其自动化专业论文）基于以太网开放式监控系统的分析设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 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 d u s t r i a la u t o m a t i o n ，t h et r a n s m i s s i o na m o n gt h e s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) s y s t e mi si n c r e a s i n ga n d t h ee x c h a n g e dd a t ab e c o m em o r ec o m p l e xy e t t h eo p e n n e s s ，i n t e r l i n k a g e ， n e t w o r kb a n d w i d t ha n dt h es p e e do fc o m m u n i c a t i o n sb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t d u e t oi t sl o w s p e e d ，h i g h c o s ta n d m u l t i p l es t a n d a r d ，t h e f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) h a r d l yc o m e su pw i t ht h er e q u i r e m e n t a so n e o ft h e r a p i dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e s ，e t h e r n e t h a sb e c o m et h ep r e f e r r e d n e t w o r ks o l u t i o nf o rt h es c a d a s y s t e mb e c a u s eo f i t su b i q u i t o u sa p p l i c a t i o n ， l o w c o s t ，h i g hs p e e da n da b u n d a n ts o f t w a r ea n d h a r d w a r er e s o u r c e s t h et y p i c a la p p l i c a t i o nf o r mo fe t h e r n e ti se t h e r n e t + t c p ip t h a ti st o c o m b i n eav e r s a t i l e ，s c a l e a b l e ，a n du b i q u i t o u sp h y s i c a l n e t w o r k ( e t h e r n e t ) w i t hau n i v e r s a ln e t w o r k i n gs t a n d a r d ( t c p i p ) ，w h i c hm a k ei t e x t r a o r d i n a r i l y e a s yf o re t h e r n e tt oi n t e g r a t ei n t ot h ei n f o r m a t i o nn e t w o r kr e p r e s e n t e dw i t ht h e i n t e r n e ta n dt h ew e bt e c h n o l o g y t h e r e f o r , s c h n e i d e re l e c t r i ci n t r o d u c e d e t h e r n e t b a s e dt r a n s p a r e n tf a c t o r ya u t o m a t i o ns o l u t i o n s ，t h ec o r eo fw h i c hi s e t h e r n e ta n dt c p i pu s i n gt h ei n d u s t r i a ld ef a c t os t a n d a r dm o d b u s p r o t o c o l i n a p p l i c a t i o nl a y e r , t r a n s p a r e n tf a c t o r yi s a no p e na u t o m a t i o nf r a m e w o r k b a s e do ni n t e r n e tt e c h n o l o g i e st h a tp r o v i d e ss e a m l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p l a n tf l o o r a n db u s i n e s ss y s t e m s t h i sp a p e r , t o g e t h e rw i t ht h ec o m m u n i c a t i o nf e a t h e ro fs c a d a s y s t e m ， s t u d i e st h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l eo fe t h e r n e t ，a n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g i e s o fi n d u s t r i a le t h e r n e ta n dt h e p e r f o r m a n c e o ft h ee t h e r n e t - b a s e do p e n s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n t h ei m p l e m e n t a n d p e r f o r m a n c e o ft h e o p e ns u p e r v i s o r ye x p e r i m e n t a ls y s t e m b a s e do n t r a n s p a r e n tf a c t o r y d e m o n s t r a t e st h a t i n d u s t r i a ie t h e r n e tc a nm e e tt h e r e a l t i m et r a n s m i s s i o nw e l lf o rt h es c a d a s y s t e ma n d t h es y s t e mi so p e n s o t h ei n d u s t r i a le t h e r n e tw i l lb et h ef i e l d b u s sd e v e l o p m e n tt r e n d k e yw o r d s ：s c a d a ；e t h e r n e t ；t r a n s p a r e n tf a c t o r y 西南交通大学石页士研究生学位论文第l 贾 1 1 问题的提出 第一牵绪论 融合了诗葵枧控剑技术翻网终通信技术为一体的监控系统，楚技术防菠 和科学管理的辅助设备，已经成为支撑现代工业生产和社会生活的纂础设施。 目l i 广泛应用于电力、高速公路、众融系统、军事、铁路等监控以及各釉公 共强所等。随着讦赣视网络技术的发展，魏何充分她利薅这些软酸件资源， 在控制局域网内更加有效地、高效地传递信息是当前监控系统的个研究热 点。 传统的脓控系统和其它工业控制系统样，大部只是在企业内部管理层 采用默太网技术，麓在现场控制网络层烈袋用冬季孛不固豹溪场总线技术，麴 l o n w o r k 总线、基会会现场总线、c a n 总线及p r o f i b u s 总线等。擞然现场总 线投术的发展已经极大地改变了各籼控制系统的结槐，它具有玎放、分教、 数字化、互操作往等特点。但是就秘前情况来看，现场总线技术的发展还存 在诸多需要解决的问题，最主要的是没有一个统一的国际标准( 目前的现场 总线霉舔稀猿i e c 6 1 1 5 8 ，瓴含了8 释不鬻类墅酶溉场总线，静静虢h l ， c o n t r o ln e t ，p r o f i b u s ，i n t e r b u s 。p - n e t w o r l d f i p ，s w i f t n e t ，f f 之高速 e t h e r n e t 帮h s e 。搽准繁多) ，莠虽国予支持各秘憨线豹集耀润熬利益冲突等 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 协议鸯很大差异，簧实现不曩总线产晶闻的互联较复杂，费用也魄较毫，闲 为要实现不| 弼现场总线间的互联不但需要增加网桥和网关搏设备。而且对维 护人员的培训费用墩会增加，加大了系统的投资；对系统的维护也比较麻烦， 维护人员需溪熬悉多种不同的现场总线标准。因魏给现场总线技术的推广以 及工业控制系统的应用带来不利的影响。此外，现场总线技术大多都采用了 i s o 参考搂凝中躲穆瑾屡、数据键潦层、瘦弱凄菝及援吴将毽静麓户层，绩 输速度较低，无法满足对日髓增长的控制实时性要求。 当健统豹工业瑗场总线技零戆发震遇到阻碍馨雩，驻太阙( e t h e r n e t 技 术则以其成熟的技术、低廉的网络产品、丰富的开发工具及技术支持等优点 。迅遮占有工m k 控制领域的市场。以太网技术是目裁应爱最为广泛的计算机网 络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语富都支持以太嗣的应粥开 发，如j a v a 、v is u mc 十+ 、v i s u a lb a s i j 等。因此，如果浆用以太网作为现 场憨线，霹黻绦涯磷多羁t 开发工具摹酲开发环境供遮铎。敬太弼或_ 搴麴低豢氇 匿南交滋失学硕士醑究生攀僚论文第2 页 是它能谶军工业控制领域的主要原因，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 左右，而胤随着集成电路技术的发展， 其价格逐会下降。通信速率离比其它现场总线占有更大的优势，目时以太网 静通信逮警为l o m b s ，l o o m b s 涎抉速双太鄹已经广泛应蠲。逶傣遮率豹提 赢藏意昧饕曼高静带宽。然嚣嚣疰l 予以太霹采藤瓣c s m a c d ( c a r r i e r s e n s e m u lt i p l ea c c e s sw i t hc o l lis i o nd e t e c t i o n 带冲突检测的载波侦听多路访 问) 1 力、议怂一种非确定性( n o n d e t e r m i n i s m ) 网络通信方式。在安时性要求 较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延迟。这在工业控制中是一 大忌。傻随着数掘交换技术的快速发展，把交换技术应用于以太网中便产生 了交换式瑷太弱，交敦式以太嘲减枣了渖突域，袋褥多令疆土设餐之闲弱辩进 行通信辩冲突减少。大大消除了以太网应嗣予掩零领域的障碍。 1 2 国外研究现状 对以太网在控制中的应用较早的是用于电力系统的监控。2 0 0 1 年6 月份， 国际i e c 惦会远动专委会t c 5 7 通信专业囱全球颁布了一个重要的最麟国际标 准：i e 6 1 8 5 0 。该标准海汰了不能透鞠实霹、蚕嚣赦豹各穆瑷场总线式逶穰 协议，丽融提出了新的指罨性意见，印采丽开放驰高速实时静王娩以太嘲逶 信方式。i e c 6 1 8 5 0 认为，通过采用高速开放的通信协议，使全局系统的i o 透明，上级监控层计算机和镎理调度计算机能奠好实现控制和管理、生产决 策，方便系统建模，易实现如运行设备的点检、d o w n t i m e 绩效分析以及被资 源生产裁众渡十分重视豹捡潍分氍和管臻诊断功能等。1 。 銎蘸，蛰夕 对鞋太溺终为羧稍总线熬疆究跫获瑾论除毅过渡剥开发冷羧。 惠瞽公司成用i e e e l 4 5 1 2 标准，生产嵌入式以太网控制器，具有l o b a s e t 以太网接口，运行f t p t t p ，r c p u d p 协议，应用于传感器和驱动器瓣现场设 备。 传统的d c s 生产厂商也推出了相应的以太网产品。法国s c h n e i d e r 电气 公司接浅了完全| 奠e t h e r n e t 为基礁豹“透明工厂”瑟凌穷寨，该方寰采弱 t c p i p 透信协淡，配备徽w e b s e r v e r 功髓浚溯藏p l c 内容；提供瑶场总线缀 e t h e r n e t i o 网络和支持e t h e r n e t 的i o 模块，并提供整套工业e t h e r n e t 设备，包括工业用集线器、黛换机、收发器和电缆o ”。而r o c k w e l l 自动化公 司推出了世界领先的符合微软公司提出的面向制造自动化的分布式网络结构 ( r n a ) ，幽d e v i c e n e t ( 设锯滕) 、c o n t r o l n e t ( 控制层) 、e t h e r n e t ( 信息层) 弱要联网缀裁。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 国内研究现状 在国内也有不少单位致力于以太网代替传统现场总线的研究。南京东大 金智电气自动化公司是从事电力系统自动化及相关产品的研究和开发的单 位，开发了一系列具有国际国内先进水平的自动化产品。其中d c a p 一4 0 0 0 是 一套基于标准以太网和t c p i p 通信协议的发电厂电气监控系统。浙大中控自 动化有限公司长期致力于自动化领域现场总线技术的开发和研究，出色地完 成了国家“九五”重点科技攻关项目“现场总线控制系统”的开发和研究， 在h a r t 、f f 、p r o f i b u s 、i i s e 、e p a ( e t h e r n e tf o rp r o c e s sa u t o m a t i o n ) 等方面，取得了一系列的研究和应用成果，其中j x 一3 0 0 x 是一套基于以太网 的集散控制系统，系统的通信网络采用总线形或星形拓扑结构，曼彻斯特编 码方式，遵循开放的t c p i p 协议和i e e e 8 0 2 3 标准。其特点是可靠性高、纠 错能力强、通信效率高，通信速率为l o m b p s 。真正实现了控制系统的开放性 和互连性。 但是，和国外相比，我国对以太网作为现场总线的研究还只是处于初级 阶段，还需要不断地学习国外的先进技术和经验才能赶上他们的水平，甚至 超过他们。 - 1 4 本论文的主要任务 本文从监控系统的通信特点出发，研究以太网( e t h e r n e t ) 技术及其通 信原理，分析以太网应用于监控系统中的关键技术和实现方法，同时分析了 施耐德电气公司的基于工业以太网的“透明工厂”策略，并对基于以太网的 丌放式监控系统( e t h e r n e t b a s e do p e ns u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，e o s c a d a ) 的性能进行分析研究，最后设计和实现了一个基于 “透明工厂”策略的开放式远动监控( s c a d a ) 实验系统，验证了基于工业 以太网的监控系统具有实时性和开放性，是现场总线未来的发展趋势。 西南交通大学硕士研究生攀缘沦文辩4 页 第二章以太网的发展及应用 2 ， 以来网技术 2 ，1 1 以太网技术简介 以太网是最早的局域网，也是匿自孽最常见、激爨毒代表性的髑蠛羼。其 按，0 愚怒蹙篌爝共享翡公装嵇输痿道，这采源予爱藏夷大学兹a l o h a 无线潮 络。最晕的以太网是出美国旗乐公司( x e r o x ) 媳立的，其灵感来自“电磁辐 射是可以通过发光的以太来传播的”，这也是“以太网”的名字的由来。以太 网逐步标凇化后形成了8 0 2 3 协议规范，定义了c s m a c d ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，骷冲突检测的载波侦听多路 访阕) 憩线霹懿m a c 子屡都狻璎屡靛筑鳃。霪戴以太霹瓣薅络藉羚怒惑线垂 ( b u s ) 麓。盈然我稻霹麓会餐戮狡逮疆太礴麴貔壤辐豁影式为：璧蹩f s t a r ) 或环型( r i n g ) ，但在逻辑上仍采用总线型方式搽俸。这主要是由于单辫豹以 太网中所有节点都是用t 型接口刻板地接在电缆的一段之间的缘故m 。 2 1 2 以太网组成及介质访问控制规则 教太翳懿物理秘威缓鼹鸯翳辘电缓、分接头、浚笈器、控载鼗壤( 菝墨 板) 终璃黩鼯器及菇设备。熬中蛄设备指计算机、孛丁印机和文俘存撩器。其 特点是：1 ) 物理层。数据率1 0 m b i t s ，最大健输距离2 5 k m ，最雾站数为 1 0 2 4 个。传输介质：基带两辅f = 乜缆。拓扑：总线溅( b u s ) 。2 ) 数描键路层。 链路控制规刚：带有冲突检测的载波侦听多路访问( c s m a c d ) 的平镣浇争协 议。掇文协议：可变长疫黔竣及有效的传递4 1 。 浚太瓣遴捩i e e e 8 0 2 。3 豁猿，矮予多终谚溺( m u l t i p l ea c c e s s ) 覆络， 弼络孛静苇癔共享嗣一个遴楼分质，当蹋络牵的多个节点同时请求发送数据 时，就会技，生冲突，因此需鬻对通信介质的争j 鹊谶行仲裁。这种仲裁称为介 质访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 。介质访问控制协议是影响局域网数据 传输确定憔的屉主要因素0 1 。 计算枫嘲络一般采雳分燃的体系终梅，懿阁2 一l 骶示是开放系绞强联参 考模鍪( e ns y s t e m st n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c e 蜘如! ，簿藜然；参考 模型) ，介旗访问控铡璃于o s i 参考模鹫的数据镳貉层功能，在i e e e 8 0 2 局域 网标准中，o s i 的数据链路层细分为介质访问控制和逻辑链路控制两个子层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 以太网在m a c 层采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，带冲突检测的载波侦昕多路访问) 介质访问规则。当 一个站有数据要发送时，首先监听并检测网络上是否有其它的工作站在发送。 检测信道是否空闲采用的方法要根据网络是基带信号还是宽带信号来确定。 在宽带网络中，检测信道是否空闲可以使用载波监听的方法，即检测电缆上 是否有载波信号音。 o s i 参考模型i e e e 8 0 2 参考模型 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 逻辑链路控制 介质访问控制 物理层 图2 - io s i 模型与8 0 2 参考模型比较“1 和其它基带系统一样，以太网使用一个信道进行数据传输。并且不使用 载波信号。相反，在以太网中使用曼彻斯特编码对数据进行编码，该编码的 时序交换总是发生在每个比特的中点。尽管以太网不是通过载波传输数据的， 但连续传送的曼彻斯特编码可以被看作等价的载波信号。所以，在基带网络 中载波监听是靠监视线路是否处于活跃状态实现的。曼彻斯特编码用于数据 传输速率低于l o m b i t s 的以太网，而当数据高于l o m b i t s 时，则使用其它 高效编码技术，因为曼彻斯特编码效率这时只有5 0 。 在c s m a c d 网络中，如果信道忙。工作站将一直等到信道空闲才饯送数 据。由于存在两个工作站同时检测线路并发现信道空闲的可能，有可能出现 两个工作站同时发送数据的情况。一旦检测到冲突发生，将引入一个延迟算 法以防止冲突再度发生。一般情况下。每个工作站将等待一段随机生成或是 预定义的超利时间，然后再试图重发冲突的数据。这样就会造成一定不确定 的延迟m ，。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 3 交换式以太网 交换式以太网技术产生于1 9 9 2 年，主要是采用全双工传输模式和以太网 交换器( 交换型集线器) 来避免冲突的。 由于传统的共享式以太网受到c s m a c d 媒体仿问控制方式的约束下，以 太网的带宽只有l o m b p s n ，其中n 为站点数。随着网络应用深入开展，站点 数的增加将会影响所获得的带宽。因此人们把共享型集线器更换成交换型集 线器，也称以太网交换器，以其为核心连接站点或网段。如图2 2 所示，交 换器的各端口之间同时可以形成多个数据通道，端口之间帧的输入和输出已 不再受到c s m a c d 媒体访问控制协议的约束。图中在交换器上同时存在了4 个数据通道，它们可以是站与站、站与网段或者网段与网段之间。网段即是 多个站构成一个共享媒体的集合，一般是一个共享型集线器连接若干个站构 成一个网段。 幽2 - 2 以太网交换器内部数据通道 既然是不受c s m a c d 的约束，在交换器内同时存在多个通道，那么就系 统带宽来说就不再是只有l o m b p s ( i o b e s a t 环境) 或l o o m b p s ( i o o b a s e t x 环 境) 。而是与交换器所具有的端口有关。可以认为，若每个端口为l o m b p s ， 则整个系统带宽可达i o m n ，其中r l 为端口数，若n = l o ，则系统带宽可达 l o o m b p s 。因此，拓宽整个系统带宽是交换式以太网的最明显的优点。 当系统中包括多个工作群组的情况下，可以让每个群组单独构成一个网 段，然后用一台交换器连接多个网段。每个独立网段上每个群组业务的运作 绝大部分时间是独立的，虽然用交换器连接了这些网段，但不会像共享型集 线器那样，各网段上的信息流在各端口上到处广播，以致大大影响到其他网 段上群组的运作。交换器可以隔离各个独立网段的运行，使信息流不会在各 西南交通大学硕士研究擞学位论文第7 页 个端口u 匕广播。另外一方而，当2 个独立群组需要有业务往来时，交换器也 能在2 个独立群组所在网段连接的端口阿建立一条临时的数据通道，一旦业 务往束缝柬，该通道随即断开。因此，交换器具有既能隔离刚段又熊连接鼹 骏豹功篷，霖谖了系缓掘宠蘩宽，又实臻了系统熬羹三豢运 擎搿。 常规共享式戳太掰怒以半双工模式工作的，网络在问一糖闽要么发送数 据，蒙么接收数据。而众双工以太网则可同时发送和接收数据，通信双方同 时进行双向传输信息，两个传输方向完全独立如图2 - 3 所示，站点发送和接 收数掘各有一条独立的通道，通信两端可以同时向对端发送和接收对方的数 摄，放两不秀受至c s m a c d 靛约隶，任懿点发送数据时都不会发生碰撞， 狰突域氇裁不复存在 只鬻奎鑫点满是i 您裁剿，嚣令旗点在铙籍瓣娱惩要发 送都可以发送。全双工技术也使网段允许的介质长度增加，闲为此时介质长 魔仪仅受到数字信号在介质上传输衰变的影响，而不象传统以太网还要受到 冲突城的约束。 在交换式以太网中聚餍全双工方式侮输数据时，已经摆脱受传统以太网 c s m a c d 分震访闻控戮换议静终寨，发送巍接受数据司辩遴穆，网络懿荣宽 将怒藤寒豹两倍，弼终传输麓确定淫胃酸褥鄹保证。 圈2 - 3 端口问仝烈工传输 综上所述，交换式以太网系统与共享式以太网系统比较舆肖如下优点： ( 1 ) 交换器每个端e t 上可以连接站，也霹以遽攘一个网段。誉论是站还是鼹 羧均缝独占1 0 m b p s ( 竣1 0 0 m b p s ) 懿謦宽； ( 2 ) 系统的最大带宽可以达到交换器端磁带宽的l q 倍，其中n 为端口数，n 越大，系统能达到f | 勺带宽越高； ( 3 ) 变抉器连接多个网段。网段的运作都媳独立的、被隔离的。但如果需要 的话，2 个独立的网段通过其端口也可以建立暂时的数据邋遂； ( 4 狻交换器隔离豹独立潮段上数握流信慧不会在其熟端日上广攒，吴有一 定数据安全毽； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( 5 ) 若端口上支持全双工传输方式，则端口上媒体段的长段不受c s m a c o 制约，可以延伸距离。若端口上只支持半双工传输方式，则交换器的作 用是连接网段( 即是连接碰撞域) 以扩展网络的覆盖范围“+ 。 2 2 以太网在工业中的应用 2 2 1 工业控制领域需要以太网 信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网 络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这形式发展起 来的新技术。然而由于现场总线没有真f 统一的通信标准，导致不同厂商的 仪表设备在不同的现场总线系统中兼容性问题得不到解决；而且随着仪器仪 表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，未来传输的数据可能已不满 足于几个字节，几幅w e b 网页了，所以网络传输的高速性在工业控制中也变 得越来越重要了，而现场总线标准的特点是通信速率比较低。如基金会现场 总线f f 的h 1 和p r o f i b u s p a 的传输速率只有3 1 2 5 k b p s 。因此，世界各 大厂商纷纷寻找其它途径以解决工业控制网络的的高速传输和系统的扩展性 及兼容性问题，于是在信息网络中广泛应用的以太网成为首选的目标。这是 由于以太网具有以下一些优点n - ： ( 1 ) 基于t c p i p 的以太网是一种标准的jr 放式网络，不同厂商的设备很容 易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作 的问题： ( 2 ) 以太网能便捷地访问远程系统，共享访问多个数据库； ( 3 ) 易于与i n t e m e t 连接，能够在任何城市、地方通过i n t e r n e t 对企业进行 监控，是提离生产效率的有效手段： ( 4 ) 能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资等； ( 5 ) 以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。 因此在工业控制领域中应用以太网将为工业控制网络添加新的活力。 然而，由于以太网最初是为办公自动化而设计的，人们对它能否应用于工 业控制领域中产生怀疑。下面就以太网应用于工业控制领域的可能性和可 行性进行分析。 2 2 2 以太网应用于工业控制领域的可能性及可行性 以太网最初是为商业网络而设计的，因此过去人们认为以太网在工业控 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 制领域中只能得到有限的应用。这是因为：( 】) 以太网采用c s m a c d 碰撞检 测方式，在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，网络通信时延的确定性未能满足 工业控制的实时性要求。( 2 ) 以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆 等都是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。( 3 ) 在工 厂环境中，以太网抗干扰性能较差。若用于危险场合，以太网不具备本质安 全性能。( 4 ) 以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。但是随着 以太网技术的不断改进和发展，上述的各种问题也正在逐渐得到解决。 ( 1 ) 通信实时性及确定性。在工业控制中最重要的是确保重要信息的实时传 输，以太网技术的不断发展，使得以太网的c s m a c d 介质访问机制导致的非 确定性逐步得到改善。 首先是以太网技术得到了较大的改进，以太网的通信速率得到了很大的 提高，从l o m b s 到1 0 0 m b s ，目前1 0 0 m b s 以太网已在局域网、城域网中普 遍应用，1 0 0 0 m b s 以太网也逐渐成熟。因此，同样的通信量，通信速率的提 高意味着网络的负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着降低冲突率提高确定 性，有人作过试验在网络负荷不超过3 6 的情况下，以太网发生碰撞的可能 性不超过1 。 其次交换式以太网技术的发展和应用，提高了以太网的确定性，使以太 网应用于工业控制领域系统成为可能。 以太网交换机采用存储转发的工作方式，从一个输入端口收下一个帧， 暂存后即根据目的地址转发到适当的输出端口。这就相当于点对点的连接， 不会出现碰撞。通过优先权或其它机制来安排数据包在交换机中的发送顺序， 提高系统的确定性。 采用交换式以太网把冲突域分割，有效地把网络通信限制在各冲突域内。 而且可以连接不同速率的以太局域网，保持与低速网的相容性。目前大多数 交换机都具有1 0 0 m b p s 的端口，通过与之相对应的l o o m b p s 的网卡接入到服 务器上，暂时解决了1 0 m b p s 的瓶颈，成为网络局域网升级时首选的方案。 此外，也可通过在工业以太网协议中加入实时功能。例如应用程序提供 实时性保证的上层网络协议r t p s ( r e a l - - t i m ep u b l i s h s u b s c r i b e ) 协议 也可以在以太网上获得通信时间确定性。对于紧急事务信息，则可以根据 i e e e 8 0 2 3 p & q ，应用报文优先级技术，使优先级高的报文先进入排对系统， 先接受服务。通过这种优先级排序，使工业现场中的紧急事务信息能够及时 成功地传送到中央控制系统，以便得到及时处理。 ( 2 ) 硬件产品适应性。工业以太网硬件产品的研究开发极大地促进了以太网 嚣赢交遴必学硕士研究皇攀位论文繁10 页 在工业中的应用。 要将工业以太网应用于工业控制中，必须解决网络硬件的可靠性问题。 为此，备制造商纷纷研究适应于工业环境的以太网产品、控制器并搬供以太 网接日。始s c h n e i d e r 公司撼出的基予工避戳太嬲“透臻工厂”髂抉方案， 其产燕镪锾豢嵌入式w e b 瑕努器戆憝| 萋器、良太瓣簸入瓣逡溪块及工遭鍪网 络集线器、收发器、溺褫、交羧枫和电缆等c o n n e x i u m 以太网电缆逢接系统， 这些产品能适应恶劣的工业环境，安装在标准d i n 导轨上，并提供冗余电源： 支持l o p s 或1 0 0 f 【b d s 的以太网传输速度，将设备级上的所有设备熊成到控 制局域嗣上。r o c k w e l l 公司推出一个基于e t h e r n e t i p ( 以太网的旗子主机 客户掇鹣控割帮缤息魏议c i p ) 豹工篷叛太鄹解决方案，帮繁3 伐 a l l e n b r a d l e y 产箍，蕾先在淤太霹主安琥实露控镪凌麓，可在 c o n t r o l l o g i x ，p r o c e s s l o g i x 总线上提高到i o o m b p s 的传输速度。w o o d h e a d c o n n e c t i v i t y 提供了一种熬于微型化r j 一4 5 技术的特殊封装的抗污染、抗震 动、防止误接的工业以太网接插件r j t u x xi p 6 7 ，它兼容l o b a s e t 和 l o o b a s e - t 系统并能与商用r j q 5 和其它工业以太嗣产鼹一起使用。 为了馁逶戮太弱在王效镬域熬痤臻，毽豁上成立了工韭激太瓣镑会 ( i n d u s t r i a le t h e r n e ta s s o c i a t i o n ) ，并与荧鬣a r ca d v i s o r yg r o u p 矗拣 r e s e a r c h 研究中心和g a r t e rg r o u p 等机构合作开展工业以太网关键技术的 研究。 另外，o b v a ( t h eo p e nd e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 日前宜稚js e m i 组织( t h es e m i c o n d u c t o re q u i p m e n ta n dm a t e r i a l si n t e r n a t i o n a l ) 已经 接受e t h e r n e t i p 终为萁建戆鼗总线弼终逶谊舔壤翡标礁之一。e t h e r n e t i p 进入s e m i 传感器总线标准意味稽戬太网对机器擦涮的影响越来越大。 ( 3 ) 总线 烛电。所谓总线供电怒指连接至q 现场设铸的线缆不仅传送数据信号， 还能给现场设备提供工作电源。 7 采用总线供电可以减少网络线缆。降低安装楚杂性和费用，提高网络和 系统的易缕护性。特别是在环境恶劣与危险场念，总线供瞧具有十分蒸簧豹 意义。蠢予叛太璃鞋蘸至委瘸子褒建诗冀橇逶镲，一般鹃设备窝王佟瓣本身 已具备电源供电，没有总线供f 毽的要求。两要把以太网应用于工业中，需要 提供总线供电。最近推出的i e e e 8 0 2 3 a f 标准对总线供电进行了规范。 对现场设备的总线供电w 以采用如下的方法：在目前以太网标凇的基础 上适当修潋物理层的技术规藕，将以太网的曼彻嫩特信号调制到一个誊流或 低频交漉魄源上，在现场竣镶螭霉褥这嚣鼹绩譬凳蒜出慕。采臻这秘方法虽 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll 页 然必须增加额外的的转接设备才能实现与传统以太网设备( 如计算机的以太 网卡) 的连接，但实现了与传统d c s 以及f f 、p r o f i b u s 等现场总线所采用的 总线供电方法一致，做到了一线二用，节省了现场布线。 目前，许多公司纷纷推出以太网供电产品。3 c o m 公司同前在北京宣布推 出最新的使用以太网供电( p o e ，p o w e ro v e re t h e r n e t ) 技术的交换机。德 州仪器公司( t i ) 凭借领先的系统电源管理技术，面对新兴的“以太网供电” 市场推出首款电源管理集成电路( i c ) 。这款新型i c 通过一条标准的以太网 线缆即可提供直流电源( d c ) 并传输数据，不仅极大降低了系统成本，而且 为以太网系统设备_ 丌发人员提供了更强功能与更高可靠性，完全符合即将认 可的i e e e 8 0 2 3 a f 标准。 ( 4 ) 远距离传输。由于通用以太网的传输速率比较高( 1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 m b i t s ) 。 考虑到信号沿总线传播时的衰减与失真等因素，以太网协议( i e e e 8 0 2 3 协 议) 中对传输系统的要求作了详细的规定，如每一段双绞线( 1 0 b a s e t ) 的 长度不得超过l o o m ：使用细同轴电缆( 1 0 b a s e - 2 ) 时每段的最大长度为1 8 5 m ； 而使用粗同轴电缆( 1 0 b a s e 一5 ) 时，每段的长度也仅为5 0 0 m ：对于距离较长 的终端设备，可使用中继器( 但不超过4 个) 或者光纤通信介质进行连接。 然而，在工业生产现场中，由于生产装罱一般都比较复杂，各种测量和 控制仪表的空间分布比较分散，彼此间的距离较远，有时设备与设备间的距 离长达数公里。对于这种情况，如遵照传输的方法设计以太网，使用l o b a s e t 双绞线就显得远远不够，而使用l o b a s e 一2 或l o b a s e - 5 同轴电缆则不能进行 全双工通信，而且布线的成本也比较高r 因此，在网络设计时，可以将控制 室与各个控制领域之间用光纤连接成骨干网，这样不仅可以解决骨干网的远 距离通信问题，而且由于光纤具有较好的电磁兼容性，因此可以大大提高骨 干网的抗干扰能力和可靠性。通过光纤连接，骨干网具有较大的带宽，为将 来网络的扩充、速度的提升留下了很大的空间。各控制域的主交换机到现场 设备之间可采用屏蔽双绞线，而各控制域交换机的安装位置可选择在靠近现 场设备的地方。 ( 5 ) 网络生存性。所谓网络生存性，是指以太网应用于工业现场控制时，必 须具备较强的网络可用性。在工业生产现场中，如果任何一个系统组件发生 故障，都会导致操作系统、网络、控制器和应用程序以致于整个系统的瘫痪。 会造成巨大的经济损失。因此，以太网应用于工业现场中必须要保证系统的 可靠性、可恢复性和可维护性。 可靠性。在基于以太网的控制系统中，网络成了相关装置的核心从 西南麓通大学硕士研究生学位论文 第12 磷 i o 功能模块到控制器中的任何一部分都是网络的一部分。网络硬件把内部 系统总线和外部世晏连成一体，同时网络软件驱动程序为软传酌应用提供必 誓的逶辑涎遥。系统和潮络魏结台镶褥可靠往成了蠡动纯设备铡造裔匏设计 重点。 可恢复性。是指当以太网系统中任一设备或网段发生故障而不能正常 工终对，系统能壤靠事悫设幸 豹自动泼夏翟彦将鼗嚣秘潺终耋毅链接起来， 并将故障避行隔离，蔽便任一届豁故障不会影嘲熬个系统静鹰鬻运行，更不 会影响生产装置的正常生产。同时，系统能自动定位故障，以使故障能够得 到及时修复。 霹缓妒蛙。对予瑷场没蠢束滋，在线维护怒爱受关注鼹焦煮之一。遇 过对系统和黼络的在线缎护，可以延长系统和设备的寿命”。 因此，在进行基于以太网的控制系统设计时，可以按照自律分布系统 ( a u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e ds y s t e m ，简称a d s ) 的系统概念进行设计。囱 律分布系绞楚近年寒杰逐灏爱震起瓷瓣令藜熬系统凝念。它突破了骧柬终 统集中式分布式的c s 模型，建立了企新的系统模型。在这獠统中所有黥 泳元( 子系统) 都是独立平等的，它们之间不存程任何隶属关系。各个单元 都能独立完成各自的任务蔼不受其他单元的于预。同时各个单元之间也能协 调工俸寒寞疆整个系绕瓣运行。这藏楚垂律癸毒系统豹蘧大褥毪：叁律按 性和自律可协调性。实现这系统模型的关键概念是数据域和广播的通信方 式。系统中的每个单元酃主动地向数据域广播其内部处理信息同时根掘各自 妁嚣求从数据域中接收偿息。各个予系统都只网数掇域打交邋，它们襁互之 溺没有壹羧的藕台关系，这魏保证髓较好途实瑗羧鬣系统匏程绫扩震、在凌 维护及在线容错，从而保证系统的可靠性、可後簸性及可维护性。 西南交通大学颂士研究生学位论文第3 页 第三章“透明工厂 概念 3 1 施耐德公司的“透明工厂”策略 3 ，1 1 “透明工厂”的产生 弓| 入以太鄹已经成为蕊爨总线技术发藤静个必然麓势，臻为全球鬣大 的自动化厂商之一，s c h n e i d e r 电气公司予】9 9 8 年推出了綦于以太网的“透 明工厂”嫩略，为王业岛动纯指暖了刨数貔遂鼹。 “透鳃工厂”怒施耐穗电气公司的一个注册商标，是繁于m o d b u st c p i p 实现工业自动化且具有可伸缩性和高性能价格比的一耪瓣决方案，“透明工 厂”楚耱开攘瀚弱动纯系统褪聚“”。它的密现怒为了簸巍管控一体化的趋 势。建立在t c p i p ( 传输控制协议和互联网协议) 、互联网技术及面向对象 敦传憋基礁土，为生产工翼蠡动稼及经营管理提供浑蒸一幸奉静逶髂系统。“透 明工厂”的策略主疆包含三方丽的内容：以太网连接、丽向对象的软件和 w e b 技术。( 如图3 。l 蹶示) 。 “透嚼工厂”策略是个面向工业自动化的以太网解决方案，其核心是 以太网和t c p i p 。施耐德电气公司窭先将符含i e e e 8 0 2 3 规定的以太弼应震 于工泣鑫动仡，觚褥打破了自动化网络与信息网络阳疆界。施耐德电气公司 更首先推出了工业以太网的标准：m o d h u s t c p i p ，它是擞t c p t i p 标准中， 瘦爱层采瑙互控器攀实标凇m o d b u s ( 螽国3 - 2 掰拳) 。在工娩自动纯领域巾， “遴明工厂”方案疑有很高的性能价格比。是一种真正丌放的理想解决方棠。 3 1 2m o d b u st o p p “透明工厂”采用基予以太嬲鲍t c p i pm o d b u s 瓣繁晦，成必一令完全 歼敞的礴络。以太阐具有速度快、成本低和可靠性高等特点，是目前应用很 广泛的网络，以太隅一天安装的结点数比其它任傅专有现场总线嘲络一年螅 安装霆要多褥多。这静广泛豹支持，加上已棱用律信息革命中的攥体，。确保 了以太网会襁速度、安全性和可靠性方面的不断改进而且交换式以太网的 浚髑，霹以减少净突酶发玺，这正妻 霹瑟瓣决工数疆域中静实时稳 藏题。两 f c p i p 是一个适用于所有计算机需求的全球化网络协议，目前世界上9 3 的 巧放昱弋网络表s 采用p i p 协议，t c p i p 适惩于多秘乎台，势憩 乍必 疆p 、 v l o d b u s 、f t p 和许多其它协议的载体，另外t c p p i p 可以问时满足控制和文 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 0 s i 模型 图3 - 1施耐德公司的透明j r 厂网络结构 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 m o d b u st c p i p 图3 - 2m o d b u st c p i p 与o s i 及t c p i p 比较 西南交通大学硕士研究生学位论文笫l b 负 件传输的需要。在应用层采用事实上的标准m o d b u s ，给系统提供了真正的_ 丌 放性。m o d b u s 技术已成为一种工业标准。它是由m o d i c o n 公司制定并丌发的。 在实际应用中，可以采用r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 、m o d e m 加电话线和t c p i p 来联网。 它为用户提供了一种丌放、灵活和标准的通信技术，降低了开发和维护成本。 1 、m o d b u s 协议简介 m o d b u s 协议是应用于电予控制器上的一种通用语言。是一种全开放的、 免费提供的，非常容易理解和实施的协议，从1 9 7 9 年开始就已经在工厂自动 化中使用。通过此协议，控制器相互之间、控制器