（控制理论与控制工程专业论文）基于internet的多现场总线统一平台的研究.pdf

武汉理：i ：大学硕士学位论文 摘要 现场总线控制系统( f c s ) 是自动化领域的一次大的变革，有巨大的优越 性，但市场上的现场总线有数百种，不同类型的现场总线采用完全不同的通 信协议，不同类型厂商的产品不能相互替换，不利于现场总线广泛推广应用。 在各种现场总线产品标准不可能统一的情况下，其解决方案只能是将各种不 同的现场总线连接到统一的网络平台。另一方面，随着网络技术的不断发展， i n t e r n e t 技术已经渗透到日常生活和工业生产的各个领域，这使得远程监控 工业自动化生产成为可能。 基于这样的背景，本论文通过理论研究和工程实践，在讨论各现场总线 的基础上，来进行基于i n t e r n e t 统一平台的试验研究，讨论了从底层节点到 配置到网络监控的完整过程。 本文提出了多现场总线统一平台的解决方案，对其中涉及到的底层控制 网络协议分析、配置监控、数据库和w e b 服务器等方面的问题进行了研究， 针对每个问题提出了解决方案。在控制协议分析方面，本文引入了0 p c ( 应 用在过程控制中的o l e ) 的概念，对o p c 的数据存取服务器进行了分析，并 对o p c 客户程序进行了实现：在配置监控方面，给出了具体的配置实现，并 分析讨论了o p c 服务器的自动识别和配置，以及监控程序的具体设计和实现； 在数据库方面，给出了数据库的数据结构；在w e b 服务器方面，给出了基于 j a v a 语言所设计的服务器端程序的功能和实现方法。 本系统实施可以解决在各种现场总线产品标准暂时或根本不可能统一 的情况下，为了充分发挥各种产品在各自领域的优点，同时又能连接到统一 的网络平台。使得工厂的管理可以深入到控制现场，不仅扩大现场总线的应 用领域，而且基本解决过去管理上层与控制现场信息集成的瓶颈问题。 关键字：现场总线、统一平台、o p c 、配置、数据库、w e b 服务器 武汉理丁大学硕士学位论文 a b s t t a c t t h ee m e r g e n c eo ff i e l d b l l sc o n t r o l s y s t e m ( f c s ) i sab i gr e p l a c i n g i n a u t o m a t i o nr e a l m f c sh a sg r e a ts u p e r i o r i t y , b u tt h e r er r eh u n d r e d so fk i n d so f f i e l d b u s e so n 也em a r k e tn o w d i f f e r e n tf i e l d b u su s ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，a n d d i f f e r e n t p r o d u c t s m a d eb yd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sc a n tb e d i s p l a c e d ，s oi t sd i f f i c u l tt oe x p a n dt h eu s eo f f c s i nt h a tc a s e ，t h es o l u t i o nc a n b et ol i n kd i f f e r e n tf i e l d b u s e st oau n i t e dn e t w o r kp l a f f o r m o nt h eo t h e rh a n d ， a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r kt e c h n i q u e ，t h et e c h n i q u eo fi n t e m e th a s s e e p e df r o mt h ed a i l yl i f et oe a c hr e a l mo fi n d u s t r yp r o d u c e t h i sm a k e s r e m o t e m o n i t o r i n ga n d c o n t r o lp o s s i b l et ot h ei n d u s t r ya u t o m a t i o n p r o d u c e a c c o r d i n g t os u c hb a c k g r o u n d ，t b j st h e s i sd i s c u s s e ss e v e r a lf i e l d b u s e s ，a n d p r o c e e d sw i t h t h es t u d y o f t h eu n i t e dn e t w o r k p l a t f o r m a n dp r o v i d et h ec o m p l e t e c o n t r o lp r o c e s s t h i st h e s i s p u tf o r w a r dt h e s o l u t i o no f 也ei n t e r a c t - b a s e dm u l t i - f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m ，a n d d i s c u s s e 。s f o u r q u e s t i o n s ：t h e ：f i r s t f l o o rc o n t r o l n d w o r kp r o t o c o l s ，c o n f i g u r ea n dc o n t r o l ，d a t a b a s ea n dw e bs e r v e r t h e ng i v e e a c hq u e s t i o nas o l u t i o n o nt h ef i r s tq u e s t i o n ，t h e 。t h e s i sl e di n t ot h ec o n c e p to f o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，p r o c e e d e dt h ea n a l y s i so f 也eo p cd a ma c c e s s s e r v e r ，a n dt h er e a l i z a t i o no fo p cc l i e n t ；o nt h es e c o n dq u e s t i o n ，g i v e st h e c o 曲g u r a t i o na n ds e l f - r e c o 豇i z eo ft h eo p c s c r v 翻fa n dt h ec o n t r o ls y s t e m ：o nt h e t l l i r dq u e s t i o n , g i v ead a t af o rd a t a b a s ec o n s t r u c t i o n ；t h el a s t q u e s t i o n g i v et h e d e s i g no f t h ew e b s e r v e rw h i c hi sp r o g r a m m e d b y j a v al a n g u a g e t h i s s y s t e m c a ns o l v et h e p r o b l e mo ft h ec o m m u n i c a t i o no fd i f f e r e n t f i e l d b u s a n ds ot h ef i e l d b u sc a l le a c hd e v e l o pi t so w n a d v a n t a g e t h i sc a nm a k e t h em a n a g e m e n to f t h e f a c t o r yg od e 印i n t ot h ec o n t r o lf i e l d k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，u n i t e dn e t w o r k p l a t f o r m ，o p c ，d a t a b l e ，c o n f i g u r e ， w e bs e r v e r 武汉理l ：人学硕士学位论文 第1 章引言 这篇文章提出的原因是着眼于当前工业控制网络的发展趋势，这种 趋势应该是从多种现场总线共存、多种系统的集成和多种技术的集成， 最终走向统一。以太网具有这方面的潜质，它的低成本、开放性、广泛 的开发和应用软、硬件的支持，使之成为目前应用最广泛的网络技术。 如果工业控制网络采用以太网，可以使工业控制网络纳入计算机网络技 术的发展主流但必须采用一定技术有效提高网络的实时性和可靠性。 本文试图从传统现场总线型控制网络和以太网技术特点入手，对工 业以太网的体系结构的设计和网络管理方法进行分析讨论了它们的实 施和规划方案。 1 1 控制网络的发展概述 控制刚络“”是指川于完成自动化任务的刚络系统，岂的网络节点除 了常规微机、工作站以外，更多的是具有计算与通信能力的智能仪表。 控制网络广泛地应用于对生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检 测、监视或控制，技术上要求具备高度的实时性、安全性、可靠性，数 据传输量一般较小。 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是 针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和 市场竞争两大外因的推动下l ! i 领市场的，卜导地位，现场总线控制系统的 产生也不例外。 控制系统的发展历程如下： 1 1 1 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统“1 于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模 拟信号精度低，易受干扰。 武汉理 人学硕士学位论文 1 1 2 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统“于七八十年代占主导地位。采用单片机、p l c s l c 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模 拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。 集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断， 在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控 制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统 任务增加时，、控制器的效率和可靠性将急剧下降。 1 1 3 集散控制系统( d o s ) 集散控制系统”d c s ) 于八、九十年代占主导地位。其核心思想是 集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理 功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间 用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制 系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力 和可靠性要求高的缺陷。 。 在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的 发展和应用。遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其 通讯控制网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之间以及 d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息 共享，因此集散控制系统从这个角度来看，实质是一种封闭、专用、不 具备可互操作性的分布式控制系统，且d c s 价格昂贵。在这种情况下， 用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。 1 1 4 现场总线控制系统( f c s ) f c s 于是应运而生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作性的 网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统。同时它 将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s 2 武汉理 ：人学硕士学位论文 的愿望是实现一种开放的、具备可互操作性的、彻底分散的分布式控制 系统，但是稍后会看到，因为各种原因，这种理想的愿望没有成为现实。 1 2 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线”( f i e l db u s ) 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，遵循i s o 的o s i 开放系统互连 参考模型的全部或部分通讯协议，其基础是智能化仪表。分散在各个工 业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器 和监视器一起共同构成现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ， f c s ) 。 f c s 是一种实时的网络控制系统，它综合了数字通信技术、计算机 技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上 突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性， 构成种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通 信与控制系统。 1 2 1 现场总线的特点m f c s 把传统d c s 的控制功能进一步下放到现场智能仪表，即把原先 d c s 系统中处于控制室的控制模块、各个输入输出模块置入到现场设备 中，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等 功能。d c s 控制站中原有庞大的i o 插件系统将被很少量的现场总线通 信卡取代。 在f c s 系统构成中，除现场智能仪表外，软件占的比重大大增加， 系统将具有更灵活的组合性和开放性，系统还将提供对现场智能仪表工 作状况的监视或维护功能。 现场仪表的数据( 包括采集的数据和诊断数据) 通过现场总线传到 控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行 状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的 高级控制功能。 武汉理工人学硕士学 _ ) = 论文 另外，f c s 还可通过网关和企业的上级管理网络相连，以便企业管 理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场总线具有以下突出特 点： ( i ) 开放性 现场总线控制系统( f c s ) 采用公开化的通信协议，遵守同一通信标 准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。用户可以灵活选用 不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集 成。开放性意味f c s 将打破d c s 大型厂家的垄断，给中小企业发展带来 了平等竞争的机遇。 ( 2 ) 互操作性 互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统 一组态，接现同一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的 设备可以互换。从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 ( 3 ) 灵活的网络拓扑结构 现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑 结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从 而从根本上改变了d c s 的集中与分散相结合的体系结构，形成了一种全 新的分布式控制系统，从而实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系 统的可靠性，简化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断开后仍 可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。高度的分散性 意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建， 且易于维护。 ( 5 ) 现场设备的高度智能化 传统的d c s 使用相对集中的控制站，其控制站由c p u 单元和输入 输出单元等组成。现场总线控制系统则将d c s 的控制站功能彻底分散到 现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如 数据采集与补偿、p i d 运算和控制、设备自校验和自诊断等。系统的操 作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数，还 能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。 ( 6 ) 对环境的高度适应性 4 武汉理1 ：人学硕士学位论文 现场总线是专为工业现场设计的，这也是“现场”一词的基本含义。 它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据， 具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉价的双绞线，并且允许 现场设备利用数据通信线进行供电，还能满足本质安全和防爆要求。 ( 7 ) 低成本 衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系 统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对d c s 而言，f c s 开放的体系结构将大大缩短开发周期，降低开发成本；彻底分散的分布 式结构将1 对1 的模拟信号传输方式变为l 对n 的数字信号传输方式， 在节省d c s 系统中模拟信号传输过程所需的大量a d 、d a 转换装置的 同时，也节省了布线安装成本和维护费用。因此从总体上来看，f c s 的 成本要大大低于d o s 。 1 2 2 现场总线与普通局域网的区别 现场总线连接自动化系统最底层的现场控制器和现场智能仪表设 备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信 息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制 - 网络。 局域网用于连接区域内的各台计算机，网上传输的是大量的数据和 数字化信息，如文件、声音、图像等，传输速率高，但不要求很强的实 时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。 就实现方法而言，两者在传输介质和通讯协议上也有较大差别。 1 2 3 现场总线控制系统体系结构 以现场总线为基础的控制网络系统的体系结构如图1 1 所示。 最底层的i n f r a n e t 控制网即f c s ，各控制器节点分散下放到现场， 构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构灵活多样，可以为 总线形、星形、环形等。通讯介质可使用双绞线、电力线、无线、红外 线等各种形式。由f c s 构成的i n f r a n e t 控制网通过网关与i n t r a n e t 企 武汉理：i ：大学硕士学位论文 业内部网以及i n t e r n e t 相连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。 图1 1 现场总线为基础的网络系统 在f c s 中，系统的基本结构为：工控机或商用p c 、现场总线主站接 1 ：3 卡、现场总线输入输出模块、p l c 或智能设备、n c c n c 实时多任务 控制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、 ；熨据库组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、 实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、 数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制 和人机接1 ：3 等各个方面，从而实现控制集中、危险分散、数据共享、完 全开放的控制要求。 1 2 4 现场总线的发展现状 现场总线发展迅速，世界上己经出现2 0 0 多种现场总线技术，其中 有十几种在不同的领域得到了广泛应用。由于各种现场总线代表着不同 6 武汉理 ：大学硕士学位论文 公司多年的研发投资和市场利益，不同总线的技术侧重面不同，各有特 色，各有相应的应用领域，而且就目前各种现场总线技术来看，没有哪 种现场总线能够完全适用于所有的应用领域。同时从现场总线国际标准 制定过程的激烈竞争情况也可以看出这点。在无奈和妥协中，8 种现场 总线同时成为i e c 6 1 1 5 8 “1 现场总线国际标准的子集。有些未成为国际标 准的现场总线，同样已经占有很大的市场份额，如l o n w o r k s ，它们可能 在某一个或者某几个领域占有主导地位。 1 9 9 9 年底i e ct c 6 5 ( 负责工业测量和控制的第6 5 标准化技术委员 会) 通过的8 种类型现场总线分别为： 类型l ：f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 现场基金会总线) 的h l 类型2 ：c o n t r o l n e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) 类型3 ：p r o f i b u s ( 德国西门子公司支持) 类型4 ：p - n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) 类型5 ： f fh s e ( 即原f f 的h 2 ，f i s h e r r o s e m o u n t 公司支持) 类型6 ：s w i f tn e t ( 美国波音公司支持) 类型7 ： w o r l df i p ( 法国a 1 s t o m 公司支持) 类型8 ：i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 再加上i e ct ci ? b 通过的3 种现场总线国际标准，它们分别为 s d s ( s m a r td i s t r i b u t e ds y s t e m ) 、a s i ( a c t u a t o rs e n s o ri n t e r f a c e ) 与d e v i c e n e t 。此外，i s o 还有一个i s o1 1 8 9 8 的c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 。所以一共有1 2 种标准之多。 除了有1 2 种国际标准外，还有欧洲标准，有些国家还有其国家标 准，如英国的e r a 、挪威的f i n t 等，甚至一些大公司也推出自己的标准， 如日本三菱的c c - l i n k 、法国s h n e i d e r 公司的m o d b u s 等。 下面简要介绍最具影响力的5 种： ( 1 ) f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 现场基金会总线) 由美国仪器协会( i s a ) 1 9 9 4 推出、前身是以美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首的8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首联合欧 洲等地1 5 0 家公司制定的w o r l df i p 协议，主要应用于石油化工、连续 工业过程控制中的仪表。 f f 的特色是其通讯协议在i s o 的o s i 物理层、数据链路层和应用层 3 层之上附加了用户层，通过对象字典o d ( o b j e c td i c t i o n a r y ) 和设备 武汉理：大学硕士学位论文 描述语言d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 实现可互操作性。 目前基于f f 的现场总线产品有，美国s m a r 公司生产的压力温度变 送器，h o n e y w e i l l & r o c k w e i l 】推出的p r o c e s s l o g i x 系统， f i s h e r r o s e m o u n t 推出的p l a n t w e b 。 ( 2 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 由s i e m e n s 公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准 d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，是一种开放而独立的总线标准，在机械 制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。p r o f i b u s 由 p r o f i b u s p a ，p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 三个系列组成。p r o f i b u s 是种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i 0 1 3 ) 用于过程自动化的低速数据传 输，其基本特性同f f 的h l 总线，可以提供总线供电和本质安全，并得 到了专用集成电路( a s i c ) 和软件的支持。 p r o f i b u s d p 与p r o f i b u s p a 兼容，基本特性同f f 的h 2 总线，可 实现商速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传 输，用于连接p r o f i b u s p a 和加工自动化。 p r o f i b u s f m s 适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感 ， 器、执行器、电气传动、p l c 、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用 r s 4 8 5 通信标准，传输速率从9 6 k b p s 到1 2 m b p s ，传输距离从1 2 0 0 m 到 1 0 0 m ( 与传输速率有关) 。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方 式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。 ( 3 ) h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n d u c e r 可寻址远程传 感器数据通路) 美国r o s e m o u n t 公司1 9 8 9 年推出，得到8 0 余家著名仪表公司支持。 主要应用于智能变送器。 h a r t 为一过渡性标准，它通过在4 - 2 0 m a 电源信号线上叠如不圊频 率的正弦波( 2 2 0 0 h z 表“o ”，1 2 0 0 h z 表“1 ”) 来传送数字信号，从而 保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近2 0 年。 ( 4 ) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控制局域网络) 德国b o s c h 、m o t o r o a 、i n t e l 等6 公司1 9 9 3 年推出，应用于汽 车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性总线仲裁方 武汉理工人学硕士学位论文 式，大大节省了总线冲突仲裁时间，适用于实时性要求很高的小型网络， 且开发工具廉价。m o t o r o l a 、i n t e 、p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片 和带有c a n 接口的8 0 c 5 1 芯片，丰富廉价的c a n 总线器件进一步促进了 c a n 总线的迅速推广。 目前，c a n 不仅是应用于莱些领域的标准现场总线，它正成为微控 制器的系统扩展及多机通信接口。c a n 总线的代表产品有矗b 公司的 d e v i c e n e t 、台湾研华的a d a m 数据采集产品等。 ( 5 ) l o n w o r k s ( l o nl o c a lo p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) 美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出并由m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同 倡导，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。 l o n w o r k s 采用了i s o o s i 模型的全部7 层协议对应的子集l o n t a l k ， 面向对象的设计方法，以及网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了 通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。 e c h e l o n 公司推出的n e u r o n 神经元芯片是l o n w o r k 的核心，其实质 为网络型微控制器。该芯片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网 络通讯方式，大大降低了开发人员在构造应用网铬通讯方面所需花费的 时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制， 因此业内许多专家认为 l o n w o r k s 总线是一种很有希望的现场总线。 基于l o n w o r k s 的总线产品有美国a c t i o n 公词的f 1 e x n e t & f l e x l i n k 等。 1 3 工业以太网 所谓工业以太网简言之是指将以太网应用于工业控制和管理的局 域网技术。 以太网( e t h e r n e t ) 是最广泛安装的局域网技术。正如在i e e e8 0 2 3 标准中指出的，以太网一般使用同轴电缆、双绞线、光纤。最通常的以 太网系统是 o b a s e t ，它的传输速率可达l o m b p s 。以太网拓扑结构使 用基于竞争的访问方法，冲突采用c s m a j c d ( 多路存取载波侦听碰撞检测) 协议控制。 快速以太网( f a s te t h e r n e t ) 也是局域网l a n 的传输标准，它提供 武汉理工人学硕士学位论文 1 0 0 m b p s 的速率。i e e e 标准化组织使用两种方法提高以太网速度。一种 是在原来的以太网上提速，让它达到1 0 0 m 就行了，而保持原来的介质 访问控制机制c s m a c d 不变。这种方法产生的以太网就是l o o b a s e t 快 速以太网。 另一种方法是采用新的介质访问控制机制，一种基于h u b 的控制机 制，它是请求优先式的。这种机制下系统不但可以传输标准的以太帧， 还可以传输令牌环网的帧。这种方法现在被称为1 0 0 v g a n y l a n 。i e e e 为两种方法都创建标准，i o o b a s e - t 快速以太网标准是原来8 0 2 3 的一 部分，而1 0 0 v g a n y l a n 则是新的i e e e8 0 2 1 2 。 快速以太网主要用来局域网的主干系统，它向下支持带1 0 b a s e - t 网卡的工作站。更高速的千兆以太网提供的传输速度可以达到 1 0 0 0 m b p s ，万兆以太网也已出现。因为具有开放性、低成本、广泛应用 的软硬件支持等明显优势，以太网在与其他局域网标准竞争中胜出，成 为目前最流行的局域网体系结构。 最近十年来，以太网开始从不同的途径进入到工业自动化和过程控 制市场，应用范围有了很大的扩展，形象地说，以太网从“办公室”开 始走进“车间”。 1 3 1 以太网的优点 以太网最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p i p ，即灵活的e t h e r n e t 底层加上几乎已成通用标准的网络传输协议t c p i p ，使得以太网能够非 常容易地集成到以i n t e r n e t 和w e b 技术为代表的信息网络中。其具体 优势如下： ( 1 ) 具有相当高的数据传输速率( 目前已能达到1 0 0 0 0 m b s ) ，能提 供足够的带宽： ( 2 ) 能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共 网络平台或基础构架； ( 3 ) 在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术； ( 4 ) 沿用多年，己为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的 设置、维护和诊断工具，逐渐成为事实上的统一标准： ( 5 ) 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。 武汉理工大学硕士学位论文 这些突出优点，不仅使以太网占据局域网领域的统治地位，也促使 以太网广泛进入到工业领域。 1 3 2 进入控制领域的以太网 如图1 1 所示，企业网络大致可分为3 层：信息层、控制层和设备 层( 传感执行层) 。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控 制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。但目前，以太 网己经渗透到了控制层和设备层，现在的新型p l c 和远程i o 模块都开 始具备有支持t c p i p 的以太网接口的产品。 国际现场总线基金会f f 己经在2 0 0 0 年4 月发布高速以太网现场总 线h s e 的最终技术规范( f s i l o ) ，其他一些国际组织也在从事推动以太 网进入控制领域的工作，如i e e e ( 美国电气和电子工程师协会) 正在着手 制订现场总线和以太网通信的新标准：o d v a ( d e v i c en e t 供应商协会) 也发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的全球标准e t h e r n e t i p ， 它允许在开放的应用层中充分利用商业的以太网物理介质和元件，来实 现自动化领域中不同供应商的以太网产品之间可互操作特性；i a o n o ( 工 业自动化开放网络联盟) 最近与o d v a 和i d a ( 国际开发协会) 就共同推进 e t h e r n e t 和t c p i p 达成了共识。 所有这些，加上众多设备供应商围绕以太网开发的一系列新技术和 新产品，给以太网广泛进入实时控制领域创造了条件，以太网技术正成 为控制网络的一个重要发展和研究方向。三个主要原因是： ( 1 ) 低成本的刺激和速度的提高 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各种产品和标准对以太网的 支持是其成功的重要因素。2 0 世纪8 0 年代，1 0 m b s 的网卡售价近i 0 0 0 美元：现在1 0 0 l i l b s 的网卡售价仅为2 0 美元左右，而且很多p c 机己经 集成有以太网接口。 以太网最初的数据传输速度只有1 0 m b s 。随着1 9 9 6 年快速以太网 标准的发布，以太网的速度提高到了1 0 0 m b s 。现代以太网标准，比如 交换、全双工传输、实时数据的优先级、带宽由1 0 m b s 到1 0 0 m b s 乃 至1 0 0 0 m b s 的升级，使以太网和己有的自动化网络比较起来在很多方 面独树一帜。 武汉理。i ：火学硕士学位论文 ( 2 ) 现代企业对实时生产信息有越来越多的要求 企业活动已扩展到全球范围，生产系统中最主要的3 大要素：物质、 能源和信息之间的关系发生了巨大变化，信息己成为最活跃的主导性因 素。 为了提高生产的效率和效益，人们迫切需要了解生产过程的实时数 据，将实时生产信息与企业的e r p 系统结合起来。而企业的信息层大多 数采用了以太网的解决方案，当控制层和设备层都采用以太网时，则可 以实现各层之间信息的无缝连接，整个网络系统将是透明的。 ( 3 ) 以太网的开放性和兼容性 前已述及，现场总线林林总总的标准分别为不同的公司所拥有，并 与他们的产品捆绑在一起，相互之间兼容性很差。这给那些使用多家产 品的大型系统的集成和维护带来了很大的麻烦，因此迫切需要建立一个 统一、开放的通信标准。 工业以太网因为采用由i e e e 8 0 2 3 所定义的数据传输协议，它是一 个开放的标准，从而为众多厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还 具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接的传统以太网标准 ( 1 0 b a s e - t ) 的基础上发展起来的，但它的传输速度从l o m b s 提升到了 l o o m b s 。在大多数场合，它还可以使用现有的布线。此外，以太网还 允许逐步采用新技术。可以一步将整个网络升级，不必一次推倒重来。 1 4 本课题的研究背景 1 4 1 关于现场总线的标准之争 基于现场总线众多的优点，从1 9 8 4 年有关组织已开始着手制订现 场总线的国际标准，原以为现场总线的应用与推广为期不远。但是世界 上一些大公司和集团为了各自的利益，环绕着现场总线的国际标准进行 激烈争夺，结局导致了众多的标准的出现，多标准实际上就是没有标准。 回顾一下有关制订控制信号国际标准的历史。6 0 年代出现的电动单 元组合仪表，当时的信号制颇为混乱，有o - 2 0 m a ，4 - 2 0 m a ，5 2 5 m a ， 但到了1 9 7 5 年就定为4 - 2 0 m a 。这样，凡符合国际标准信号制的产品都 武汉理工人学硕士学位论文 可以互操作，使用非常方便。有了国际标准，这两类仪表当时都得到了 很快的发展。 现在的现场总线，标准如此之多，但没有一种能覆盖所有的应用面。 因为目前现场总线有着3 个层次，即传送数据宽度以位( b i t ) 计的传感 器总线、宽度以字节( b y t e ) 计的设备总线( d e v i c eb u s ) 和宽度为数据流 ( b 1 0 c k ) 的现场总线。其应用范围不尽相同，在每个层次中都存在着两 个以上的竞争对手，使得用户无从选择。 1 4 2 关于开放性 一般认为，d c s 和p l c 是属于封闭性的控制系统，而f c s 是开放性 的系统。但事实上，在1 2 种国际标准的后面，那些支持它们的公司中 不乏制造d c s 或p l c 的大厂商。这两者到底有多大区别? 能轻易下结论 前者属于封闭，而后者属于开放吗? 更不要说那些为数众多的各国标准 和一些大制造商的企业标准有多少真正开放的成分了。 1 4 3 关于互操作性 ， 现场总线的另一主要特点是可互操作性，但现有的1 2 种现场总线 国际标准中，异种现场总线之间是完全不能直接进行互操作的。此外， f c s 的传输速率也不尽人意，一般在卜2 m b p s 之间，这在有些场合下无 法满足实时控制的要求。 信息网络( i n t r a n e t 、i n t e r n e t ) 的飞速发展，要求企业从现场控制 层到管理层能实现全面、无缝的信息集成，而不同标准的多种控制网( 包 括现场总线) 互不兼容，与信息网络之间更存在协议上的鸿沟，导致这 一要求难以实现。为解决这种“自动化孤岛”现象，人们开始寻求新的 出路，并关注到以太网以及上层的网络集成。 在这样的情况下，着手研究多现场总线统一平台解决方案。 武汉理_ = i 大学硕士学位论文 第2 章多现场总线统一平台方案论证 2 1 控制网协议分析与设计 随着计算机技术的发展，微处理机在工业控制领域得到越来越广泛 的应用，但是存在不同厂商提供的过程控制设备和商业应用软件之间不 能自由通信的局面，从而使过程控制和生产自动化中硬件、软件的选择 受到很大的限制。造成这种情况的关键因素是因为没有一种统一的接口 标准可依。于是一个具体的硬件制造商的产品必需有一个专门的驱动程 序才能和具体的一种应用进行通信，而且这个驱动程序一般不适用于其 它的应用软件。这样，硬件制造商将不得不再为其它的应用开发一个驱 动程序，从而造成了重复劳动。 另外，相对特定应用的驱动程序一般并不支持硬件特点的变化，而 事实是，硬件产品在不停的更新换代。从而，硬件产品的变化必将导致 应用软件必须进行大的改动。还有，在同一时刻，两个客户应用一般不 能对同一个设备进行数据读写。因为它们拥有不同的相互独立的驱动程 序，同时对同一个设备进行操作，可以引起存取冲突，甚至导致系统崩 溃。 这些问题的解决，要求控制过程中使用的硬件设备和软件产品可以 方便的组合应用，这就需要制定统一的工业控制标准。于是以m i c r o s o f t 的o l e c o m 技术为基础的o p c “”( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术规范 应运而生。 自o p c 提出以后，这个问题终于得到解决。o p c 规范包括o p c 服务 器和o p c 客户两个部分，其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立 了一套完整的“规则”，只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是 透明的，硬件供应商无需考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件开 发商也无需了解硬件的实质和操作过程。0 p c 是过程控制领域的基于 m i c r o s o f t 公司c o m d c o m 连接技术的新一代工业自动化控制软件部件， 为基于客户机服务器结构体系的工业自动化过程控制设备和系统与工 业控制人机界面软件之间的数据信息交换提供了标准接口，目前o p c 已 武汉理 ：大学硕士学位论文 被确定为全球事实性的工业标准，得到过程控制设备制造商和工业控制 软件开发商的支持。 通常来说，o p c 提供了对不同厂商的设备和软件包进行内部连接的 能力，在o p c 诞生以前，企业中的应用程序与设备的i o 驱动软件 ( s o f t w a r ed r i v e r ) 之间的关系如图2 1 所示。 图2 1o p c 诞生以前的应用程序与i o 驱动软件之间的关系 在图2 1 中，不同的应用程序和不同的厂商的硬件的驱动程序之间 存在着大量的连接问题，需要开发各种特定的通信程序。 图2 2o p c 诞生以后应用程序与y o 驱动软件之问的关系 o p c 标准的制订，使得所有的通信连接问题变得简单，它提供了一 种软件的总线形式，如图2 2 ，使得应用变得简单、轻巧、易于使用。 应用程序只需知道如何从o p c 数据源获取数据( o p cc 1 i e n t ) ，设备的驱 动程序只需知道如何以简单的格式提供数据( o p cs e r v e r ) 即可进行通 武汉理工大学硕十学位论文 信。 另一方面，虽然o p c 解决的问题主要是i 0 驱动程序，然而从图2 3 中也可以看到它不仅应用在设备和s c a d a 、s o f t p l c 和d c s 系统之间， 同时也应用在s c a d a 、s o f t p l c 或d c s 内核以及h m i 、趋势和报表等需要 使用o p c 数据的高端应用程序之间，在这样的结构中，s c a d a 、d c s 、 s o f t l o g i 系统，变成了一个“智能”设备。 图2 3o p c 应用与高端应用程序之间 采用o p c 规范设计系统的好处： 采用标准的w i n d o w s 体系接口，硬件制造商为其设备提供的接口程 序的数量减少到一个，软件制造商也仅需要开发一套通讯接口程序，即 有利于软硬件开发商，更有利于最终用户。 o p c 规范以o l e d c o m 为技术基础，而o l e d c o m 支持t c p i p 等网络 协议，因此可以将各个子系统从物理上分开，分布于网络的不同节点上。 o p c 按照面向对象的原则，将一个应用程序( o p c 服务器) 作为一 个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用 这个方法，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发 中脱离出来。 o p c 实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的分布无关， 便于系统硬件配置，使得系统的