（检测技术与自动化装置专业论文）多参数差压变送器工业以太网接口的研究及开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 以太网在信息共享和交换的办公环境中大受欢迎，组成了企业网的主体。而 其优良的性价比、通用性以及与标准p c 机和w i n d o w s 操作系统的兼容性，不断 地促使人们考虑其应用到工业测量控制现场，特别是将适用于工业应用的以太网 接口集成或直接嵌入到测量仪表、数据采集设备、工业i o 系统中。这样，以太 网将不仅仅是商用的办公网络，而是从上到下贯穿整个工业信息网络系统。将以 太网加以改进，使之适用于严酷的现场级工业环境，称之为工业以太网。开发符 合工业以太网接口的底层现场仪表适应工业控制系统的发展要求。 本文主要是研究和开发带有工业以太网接口的多参数变送器： 1 、分析了国内外差压质量流量计的研究现状，介绍了现场总线技术和工业 以太网技术，阐明了本课题的来源、研究内容和意义。 2 、设计了变送器的简单工业以太网接口电路。硬件平台由a v r 单片机、网 络接口控制器r t l 8 0 1 9 a s 、以太网供电控制器等核心芯片组成。由单片机实现 串口数据的收发、对数据进行工业以太网格式的封装以及对网络接口控制器的驱 动。详细分析了设计原理，给出了设计原理图，完成了电路板的设计和调试。 3 、对工业以太网协议进行了研究分析，并按需要裁剪了t c p i p 协议栈。设 计了以太网驱动、精简t c p i p 协议栈、工业以太网协议以及串口通讯模块等。 并用v b 语言实现了监控和组态的上位机界面。 4 、完成了节点的功能和性能测试。通过对通讯过程中报文的分析，验证了 开发的节点完全符合m o d b u s t c p 应用层规约，实现了最小可用类别的功能。 研制的具有工业以太网接口的差压质量流量计产品样机，通过了m o d b u s i d a 测试程序的一致性测试，并通过了上海仪器仪表自控系统检验测试所和国家级仪 器仪表防爆安全监督检验站的流量测试、防爆等级测试和防护等级测试。 关键词：差压质量流量计工业以太网m o d b u s t c p 网络接口控制器网络供电 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e t h e r n e te n j o y sw i d e s p r e a du s a g ei nt h eo f f i c eo n v i r o n m e n tf o ri n f o r m a t i o n s h a r i n ga n de x c h a n g e ，a n dm a k e su pt h em a i nb o d yo ft h ee n t e r p r i s e w i d en e t w o r k t h e p o p u l a r i t y 、p e r f o r m a n c e 、c o s ta n df a m i l i a r i t yo fe t h e r n e t ，a l o n gw i t hs t a n d a r d i z e d p ca n dw i n d o w sc o m p a t i b i l i t y , h a v ep r o m p t e di t si n c r e a s e dc o n s i d e r a t i o na n du s a g e i ni n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la p p l i c a t i o n s i np a r t i c u l a r , e t h e r n e ti sb e i n g i n t e g r a t e d ，o re m b e d d e d ，d i r e c t l yi n t om e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t s ，d a t aa c q u i s i t i o n d e v i c e s ，a n di n d u s t r i a li os y s t e m s w h e r ee t h e m e t w a so r i g i n a l l yu t i l i z e de x c l u s i v e l y f o rl a nc o n n e c t i o n so fb u s i n e s sc o m p u t e r s ，e t h e m e ti si n c r e a s i n g l yb e i n gm o v e d d o w nt ot h ei n s t r u m e n t a t i o nc o m m u n i c a t i o n sa n dc o n t r o ll a y e r so ft h ei n d u s t r i a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e i n d u s t r i a le t h e m e t ，嬲t h ei m p r o v e de t h e r n e t ，i ss u i t a b l ef o rt h e c r i t i c a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt a s k si nt h eh a r s hi n d u s t r i a le n v k o n m e n t d e v e l o p i n gt h e f a c t o r yf l o o ri n s t r u m e n tw i t hi n t e r f a c eo fi n d u s t r i a le t h e r n e tm e e t st h ed e m a n df o r d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y sc o n t r o ls y s t e m t h em a i nr e s e a r c ha n ds o m er e s u l t so fm u l t i - p a r a m e t e rt r a n s d u c e rw i t hi n d u s t r i a l e t h e m e ti n t e r f a c ea r el i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u so fm a s sf l o w m e t e ri s a n a l y z e d f i e l d b u sa n di n d u s t r i a le t h e r n e ti si n t r o d u c e da n dt h eo r i g i n ，c o n t e n ta n d s i g n i f i c a n c eo ft h i sp r o j e c ta r ec l a r i f i e d s e c o n d l y , ai n d u s t r i a le t h e r n e ti n t e r f a c eo ft r a n s d u c e rw a sd e v d o p e da sat h i n s e r v e r t h ed e s i g no fh a r d w a r ei n c l u d e sm c u ，n i c ( n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) ， p o ec h i p ，e t c m c ui su s e dt oc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o n t r o l l e ro fm u l t i p a r a m e t e r s e n s o rt h r o u g ht h es e r i a lp o r t ，d r i v et h en i c ，a n de n c a p s u l a t et h ed a t aa c c o r d i n gw i t h t h ef o r m a to fm o d b u s t c e t h ed e s i g np r i n c i p l ei sa n a l y z e di nd e t a i la n dt h ed e s i g n a n dd e b u g g i n go fc i r c u i ta r ec o m p l e t e d t h i r d l y , t h et a i l e dt c p i pp r o t o c o l s t a c ka n dm o d b u s t c pp r o t o c o lw e r e a c c o m p l i s h e di nt h es o f t w a r ep r o g r a m t h er o u t i n em o d u l e si n c l u d es e r i a lm e s s a g e s r e c e i v i n g s e n d i n gs u b p r o g r a m ，t c p i pa n dm o d b u s t c pp r o t o c o l sa n dt h e n i c d r i v e r t h ec o n f i g u r a t i o na n dm o n i t o ri n t e r f a c ew a sr e a l i z e dw i t hv b i i 上海大学硕士学位论文 f i n a l l y , t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c et e s t sf o rt h es e n s o rw i t hi n d u s t r i a le t h e r n e t a l ec a r d e do u to nt h ee t h e r n e te n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h e c o m m u n i c a t i o np a c k e t s ，t h et e s tn o d ei si nf u l lc o m p l i a n c ew i t ht h ei n d u s t r i a le t h e m e t m o d b u s t c pp r o t o c o l ，a n dh a sa c h i e v e dt h em i n i m u mc o m m a n d so fc l a s s0 t h ed e s i g n e di n d u s t r i a le t h e m e ti n s t r u m e n th a sp a s s e dt h em o d b u s t c p p r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s to fm o d b u s i d a ，t h ef l o wt e s to ft h es i p a ii n s p e c t i o na n d t e s t i n gi n s t i t u t eo fi n s t r u m e n t sa n da u t o m a t i o ns y s t e m sa n dt h ee x p l o s i o np r o t e c t i o n l e v e lt e s to ft h en a t i o n a ls u p e r v i s i o na n di n s p e c t i o nc e n t e rf o re x p l o s i o np r o t e c t i o n a n ds a f e t yo fi n s t r u m e n t a t i o n k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a lp r e s s u r em a s sf l o w m e t e r , i n d u s t r i a le t h e m e t ，m o d b u s t c p ， n i c ，p o e i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：毽蝈凌e t 期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：秘豳旌导师签名：遁日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机技术、通讯技术和微电子技术的有机结合和迅速发展将人类带入了信 息社会，同时工业生产也步入了信息时代。仪器仪表作为信息工业的源头，以微 处理器技术为核心技术，以计算机、网络、系统、通信、图像显示、自动控制理 论为共性关键技术也在快速发展。这些技术的综合运用促成仪器仪表产品升级为 智能仪器仪表，向着智能化、微型化、网络化和虚拟化方向迅速迈进。 1 1 课题研究背景 仪器仪表行业近几年来呈现出高速发展的态势。一份来自中国仪器仪表协会 的统计数据表明，中国仪器仪表行业产销在持续两年高位增长后继续上升，2 0 0 7 年上半年中国仪器仪表工业总产值1 3 3 5 亿元，同比增长2 9 1 ；产品销售收入 1 2 8 9 亿元，同比增长3 0 7 ，均处历史高位；利润同比增幅在4 0 以上，资产 总值同比增幅在1 8 左右，行业整体上处于良性发展阶段。更可喜的是，国家 发改委、科技部等主管部门按“十一五”规划及国务院8 号文件精神，对仪器仪表、 控制系统、智能化等高新技术及其产业化的支持力度不断加强。大型火电d c s 、 大型石化d c s 、核电用仪表、高精度压力差压变送器等项目已批实施或已报待 批。科技部多项智能化仪表、控制系统、无线通讯、科学仪器的研发项目己立项， 有的已付诸实施。国电集团、中石化、中石油、兖矿集团等有重大影响的单位都 在积极采取措施，推进国产仪器仪表和控制系统在重大工程的应用，并研究加大 投入力度，支持其研发和产业化。目前，现场总线技术发展非常迅速，被认为是 新一代自动化设备的标志性技术，也是我国改造传统工业的有力工具，是信息化 带动工业化的重点方向。 当前网络技术的迅速发展，给制造业带来了新的变化和重大影响。网络向控 制领域的渗透引起了控制结构的改革，提高了控制效果，相应的也进一步促进了 网络技术的发展。网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称n c s ) ，即信 号经过网络进行传输的闭环控制系统，是计算机技术、通信技术与控制技术发展 和融合的产物，体现了控制系统网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋 上海大学硕士学位论文 势【1 3 1 。 工业以太网是由需求的转变而产生的。在大型控制系统中，大多采用专门为 控制系统而设计的实时控制网络，称为现场总线系统( f c s ) 。f c s 是顺应智能 现场仪表而发展起来的，它的初衷是用数字通讯代替4 - - - 2 0 m a 模拟传输技术， 但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化( 仪表调校、控制组态、诊断、报警、 记录) 的发展，使f c s 在控制领域内引起了一场前所未有的革命。在过去的十 几年间，在工厂自动化和过程自动化领域中，f c s 是现场级通信系统中的主流解 决方案。但是，传统现场总线的多样性和上层控制网络的纵向不一致性阻碍了它 的应用，用户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通 信方案，这样可以大大简化工厂控制系统的结构，节约系统实施和维护的成本。 基于这样的需求，以太网技术( e t h 睨 a e t ) 开始逐渐从工厂和企业的信息管理层 向底层渗透，以太网技术开始应用于工厂的控制级通信。为了满足过程控制领域 的要求，具有工程实用价值的新型以太网工业以太网得以诞生并迅速得到各 大厂商的支持，发展极其迅速。工业以太网的发展也依赖于大量具有工业以太网 接口的底层仪表的支持，而现场仪表的网络化发展也将目光放在工业以太网上 面，正是基于这样的现实情况，对现场仪表的工业以太网接口进行了研究和探讨。 1 2 质量流量计的现状和发展趋势 随着系列国家重点工程项目的实施，一直被冷落的仪器仪表行业日益得到政 府的重视和扶持，抓住机会开发符合仪表行业发展趋势的仪器仪表已成为一个重 大课题。 1 2 1差压质量流量计的现状 随着工业生产的发展，需要测量的流体日趋多样化，对流量测量的准确度和 范围的要求越来越高。在现有测量流量的仪表中，传统的采用差压原理的流量计 有着使用寿命长，应用范围广，标准化程度高，尤其是不必实流标定等特点，而 且在价格上还有优势，所以使用量在各类流量仪表中一直占居首位。 早期的差压变送器体积大、结构复杂、可靠性差、精度低，经过几十年的发 2 上海大学硕士学位论文 展，新一代差压变送器结构简单、体积小、精度高、可靠性好。进入9 0 年代后， 由于电子技术、计算机技术的高速发展以及微电子机械技术的出现，差压变送器 越做越小，功能却越来越强，向微型化、高精度、智能化、数字化方向快速发展。 由于差压变送器应用范围广、用量大，所以当前制造厂商也特别多。较有竞争力 的有美国r o s e m o u n t 公司的以电容式传感器为主的1 1 5 1 系列和3 0 5 1 系列；美国 h o n e y w e l l 公司的以扩散硅复合传感器为主的s t 3 0 0 0 9 0 0 系列；美国f o x b o r o 公 司扩散硅式传感器的8 4 0 8 6 0 系列和多晶硅固态传感器的i a s 系列；日本 y o k o g a w a 公司的以单晶硅谐振式传感器为主的e j a 系列；日本f u j i 公司的硅微 电容传感器为主的f c x 系列；法国e l s a g b a i l e y 公司的电感式p t s 系列；英国 a e b k e n t - t a y l o r 公司浮动双电感传感器6 0 0 t 系列；英国m o o r e 公司双硅电容 式x t c 系列；德国s i e m e n s 公司的扩散硅式t m f 系列；德国e + h 公司陶瓷 电容式p m c p m d 系列等。 我国差压变送器起步相对较晚。由于工业基础相对落后，自主开发微位移电 子式差压变送器较为成功的企业较少，大多采取了引进技术或合资组装生产为 主。如西安仪表厂、北京远东仪表厂在8 0 年代，上海自动化仪表厂在9 0 年代初， 均从美国r o s e m o u n t 公司引进1 1 5 1 系列电容式差压变送器；1 9 9 5 年四川仪表七 厂与日本y o k o g a w a 引进合资e j a 系列差压变送器等。上海光华仪表厂依靠自己 力量于1 9 8 1 年成功开发了相当于1 1 5 1 系列的c e c 系列电容式差压变送器。该 厂不仅能生产常规差压变送器，而且是国内唯一能生产符合核电站要求的c e c ( h ) 系列核安全级差压变送器。我国目前差压变送器年需求量在3 0 万台左右，其中 智能差压变送器高档产品几乎被国外产品所垄断，国内产品主要是常规的中、低 端产品【4 1 。 1 2 2 仪器仪表的发展趋势 2 1 世纪是信息化、网络化和智能化的时代，智能化、网络化成为工业控制 与自动化当前和今后的发展动向之一，也给仪器仪表技术带来了前所未有的发展 空间与机遇。目前，现场总线已成为自动化技术的热点，现场仪表服务于工业自 动化系统，因此网络化、智能化也成为仪器仪表的发展趋势，网络化是大势所趋。 网络化仪器是指人们从任何地点、在任何时间都能够远程操控、获取相关信 3 上海大学硕士学位论文 息的仪器。网络化仪器可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时地获 得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，可对远程仪器的功能加以控制，状态 进行检测；能将远程仪器测得的数据通过网络迅速传递给本地计算机。与传统的 仪器相比，网络化仪器具有无可比拟的优势：( 1 ) 功能分散、危险分散、地理分 散、管理集中；( 2 ) 通信功能强，网络隔离度高，分布广泛；( 3 ) 系统操作简单， 人机界面友好；( 4 ) 便于扩展和维护；( 5 ) 通信标准的公开、一致，使仪器具备开 放性，仪器间具有可互操作性等。网络化仪器的概念并非建立在虚幻之上，已经 在现实广泛的测量与测控领域初见端倪。网络化流量计、网络化传感器、网络化 示波器、网洛化逻辑分析仪和网络化电能表等都已成为人们的新宠。用户可通过 网络浏览器对它们进行远程配置和操控，网络化仪器可将测试数据传送到指定计 算机的指定文件里，电子邮件服务器可将仪器状态或报警信息发送给指定收信 人。维护人员收到报警信息后，可利用该仪器的互联网地址做远程登录，运行适 当的诊断程序、重新进行配置或下载新的固件以排除故障。 目前实现网络化、智能化的仪表己越来越多。比如安捷伦科技有限公司几年 前就将联网功能作为其i n f i n i u m 系列数字存储示波器的标准性能，又研制出了具 有网络功能的1 6 7 0 0 b 型逻辑分析仪一网络化逻辑分析仪；横河公司的 d x a d v a n c e d 新型网络无纸记录仪，应世界工业领域的需求，增强了测量、显示、 存储、网络等各项功能，是新一代的网络数据采集站。它具有以太网接口，支持 m o d b u s 协议、w e bs e r v e r s 、s m t p 、s n t p 、d h c p 等最新网络功能，可通过 m o d b u s t c p 连接d a q m a s t e rm w l 0 0 等作为外部输入单元。我国天津求精科 技发展有限公司新近推出液晶显示、薄膜按键的网络化仪表一包括网络化数据采 集巡检仪、强力超声多普勒流量传感器、超声液位计、超声多普勒流量计、超声 时差流量计、电磁流量计、涡轮流量计等，它们都有可选的电话线联网的功能。 另外也有已经开发的工业以太网接口。如瑞典h m s 工业网络公司开发的 a n y b u s s1 0 1 0 0 m 工业以太网接1 3 模块。该模块为1 0 1 0 0 m b i t s 接口并内嵌完 整的t c p i p 协议栈，支持既成事实的标准协议包括m o d b u s t c p 和e t h e r n e t i p ， 并可以通过透明的s o c k e t 接口实现t c p 或u d p 服务。它还具有一些r r 功能， 例如f t p 、e m a i l 以及一个动态集成的w e b 服务器【5 1 。 利用i n t e m e t 网络设施，网络化传感器已应用到分布式测控系统中，简化了 4 上海大学硕士学位论文 系统建设和设备维护，降低了费用并提高了系统性能。利用网络实现远程数据采 集、测量、监控、故障诊断、医疗等的范围和广度，一定将以更快的速度发展。 随着计算机技术、网络通信技术的迸一步发展，2 1 世纪的仪器将是一个开放的 系统概念。仪器直接上网、组建大规模分布式测控网络、共享信息资源和远程操 控已成为现代仪器仪表发展的突出方向。与各行各业一样，测控技术与仪器也必 将在网络时代发生革命性的变化【6 】。 1 3 现场总线及其发展 1 3 1 现场总线技术及其特点 工业自动化依靠工业通讯，在过去1 5 年里，这主要通过现场总线来完成。 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现 场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点通 信的数据总线。上世纪8 0 年代末工业现场的首要任务是把现场总线作为电缆替 代品，如今已经发展成为自动化系统，其功能和应用已远远超过最初的设想。现 场总线的产生，是计算机技术、通讯技术和控制技术在工业控制领域相结合的产 物，它将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和 数字通讯能力，把原来单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽 带，把它们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。 以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场总线控制系统( f c s ) 。 现场总线代表了一种具有突破意义的控制思想，改变了原有的控制体系结 构，使模拟与数字混合的分散型控制系统( d c s ) 更新换代为全数字的现场总线 控制系统，真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。基于现场总线 的自动化监控及信息集成系统有如下的特点与优点： 1 增强了现场级信息集成能力t 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息， 能够更好的满足工厂自动化及大规模的工业生产过程控制中系统对信息集成的 要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4 2 0 m a 信号，还可实现设备 状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。 2 系统的开放性和互用性：不同厂家的设备之间，不同系统之间，只要遵 5 上海大学硕士学位论文 从相同的公开通讯协议标准就可进行互连并实现信息交换，不同生产厂家的性能 类似的设备可以互换互用。 3 设备的智能化：现场设备自身能够实现测量、补偿、组态、控制等部分 或全部原来由系统完成的功能。 4 系统结构的分散性：现场总线构成一种新的全分布式控制系统的体系结 构，一般称为f c s 系统，较之d c s 系统大大简化了系统结构，提高了可靠性。 5 对环境的适应性：现场总线是专为现场环境下工作的设备而设计的，可 支持双绞线、同轴电缆、光缆、电力线等多种介质，具有较强的抗干扰能力，有 总线供电能力，甚至可以采用双线实现供电与通讯，并可满足本安防爆要求等。 1 3 2 现场总线标准及发展 在h a r t 总线协议之后，出现了多种全数字，完整意义上的现场总线。现场总 线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵 守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能 按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上著名自 动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成 企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极 支持国际标准组织制定现场总线国际标准。而历史经验证明：国际标准都是采用 一个或几个市场上最成功的技术为基础。经过长时间的争论，i e c 6 11 5 8 用于工 业控制系统的现场总线国际标准于2 0 0 0 年初终于获得通过。为了进一步完善 i e c 6 11 5 8 标准，i e c s c 6 5 c 成立了m t 9 现场总线修订小组，继续这方面的工作。 m t 9 工作组在原来8 种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2 0 0 1 年8 月制 定出由1 0 种类型现场总线组成的第三版现场总线标准，它们是：t y p e lt s 6 11 5 8 现场总线、t y p e 2c o n t r o l n e t 和e t h e m e t i p 现场总线、t y p e 3p r o f i b u s 现场总线、 t y p e 4p - n e t 现场总线、t y p e 5f fh s e 现场总线、t y p e 6s w i f t - n e t 现场总线、 t y p e 7w o r l d f i p 现场总线、t y p e 8i n t e r b u s 现场总线、t y p e 9f fh l 现场总线 以及t y p e l 0p r o f i n e t 现场总线，该标准于2 0 0 3 年4 月成为正式国际标准。1 0 种类型现场总线采用完全不同的通信协议。t y p e l 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 e 2 c o n t r o l n e t 使用c t d m a 方法和 6 上海大学硕士学位论文 p r o d u c e r c o n s u m e r 模式，e t h e r n e t i p 使用e t h e r n e tt c p i p 协议；t y p e 3 是令牌环 和主站从站方式；t y p e 4 通信采用虚拟令牌传递方式；t y p e 5 采用c s m a c d 方 式和e t h e r n e tt c p i p 协议；t y p e 6 使用t d m a 多路存取方式；t y p e 7 使用总线 裁决方式；t y p e 8 采用整体帧协议；t y p e 9 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 e l 0 使用e t h e r n e tt c p i p 协议。可以看出，十种类型现场总线体系结 构和通信协议都不相同，但对e t h e m e tt c p i p 即工业以太网技术用于h 2 高速现 场总线基本达成共识，e t h e r n e t i p 、f fh s e 和p r o f i n e t 工业以太网技术事实上 已成为国际标准。现场总线的长期争论使人们逐渐认识到，数字技术的统一完全 不同于模拟技术，现场总线控制系统的统一之路应该充分吸收i n t e r n e t 技术实现 统一的成功经验，面向市场，不断创新，建立一个具有互操作性的工业以太网网 络，最终为工业自动化创建一个统一的信息平台【7 】【1 7 】【1 8 】。 1 4 工业以太网简介 由于现场总线协议标准长期争论不休，使得f c s 系统发展缓慢。为了加快新 一代f c s 系统的发展，人们不得不寻求新的出路。开放的以太网是2 0 多年来发展 最成功的网络技术，并导致了一场信息技术的革命。正如当年p c 机进入工业自 动化领域一样，积极采用以太网技术是现场总线的发展趋势，以太网一定会延伸 到现场总线的最底层【1 9 】。随着互联网技术的发展与普及推广，以太网技术也得到 了迅速的发展。其传输速率的提高和交换技术的发展，为解决以太网通信的非确 定性问题带来了希望，并使以太网全面应用于工业控制领域成为可能。 工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( 且i i e e e 8 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、可互操作性、 可靠性、抗干扰性甚至本质安全等方面能满足工业现场的需要，因此工业以太网 技术有其自己的特点。 对应于i s o o s i 七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数 据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p i p 协议为主。由于工 业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借 助网络完成控制功能的自控系统，它除了完成数据传输之外，还需要依靠所传输 的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任 7 上海大学硕士学位论文 务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互 操作条件。为满足工业现场控制系统的这些要求，必须在e t l l 锄e h _ t c p 口协议之 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，形成为广大工控生产厂商和 用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组 织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和t c p 口技术， 以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议。 目前，工业以太网技术主要有4 个竞争者，它们是：m o d b u s d a ( m o d b u s p r o t o c o lo nt c p ) i 业以太网、e t h e r n e t i p ( t h ec o n t r o l n e t d e v i c e n e to b j e c t so n t c p p ) i 业以太网、f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) - l - 业以太网和 p r o f i n e t ( p r o f i b u so ne t h e m e t ) 工业以太网。 很多国际化大公司都在逐步加强工业以太网方面的技术研究和应用推广。西 门子公司正大力推行p r o f i n e t ；r o c k w e l l 、o m r o n 等公司支持e t h e r n e t i p ；f f 制定的高速以太网协议h s e 受到了f o x b o r o 、h o n e y w e l l 等一些大公司的支持； s c h n e i d e r 公司发布了m o d b u s t c p 工业以太网协议。因此工业以太网方面也存在 着激烈的竞争。 1 5 课题来源、意义和研究内容 本课题来源于上海市科委科技开发专项课题( 编号：0 5 d z 5 2 0 2 8 ) 。该项目 主要任务是研制开发适用于工业过程控制的具有工业以太网接口的多参数差压 质量流量变送器。 其中本课题的主要研究内容有：实现工业以太网接口卡与多参数差压传感器 基于串口的连接；实现现场仪表与上层网络基于工业以太网的互通互联，使网络 上任何节点可以对流量计进行远程数据访问；信息实时发布与共享以及对流量计 的在线编程和组态；通过一致性测试。 依据课题的研究内容，论文共分为七章： 第一章介绍了课题研究背景，质量流量计和工业以太网的现状和发展，以及 课题的来源和研究内容。 第二章对工业以太网进行详细的分析，为其嵌入式实现提供指导。 上海大学硕士学位论文 第三章介绍了总线接口的硬件设计，包括各器件的选型以及局部电路的设 计，完成了p c b 板的整体设计。 第四章论述了系统的软件设计。主要包括整体结构设计、主程序设计、网卡 驱动设计、串口模块设计、t c p p 协议栈设计等。 第五章对整个系统进行了实验和测试。 第六章是对本课题的总结及研究工作展望。 网络化传感器与网络化仪器构成了网络化测控系统的最基本部分。它是在传 统的测控仪器、传感器的基础上，利用网络技术改造而成的带有本地微处理器和 通信接口的现场数据采集设备，设备的网络接口允许通过t c p i p 协议进行远程 控制和信息共享。本课题的研究目的在于使用简单、低廉的硬件接口方法设计电 路，通过代码的移植，可以快速完成对原有设备的改造。具备工业以太网接口的 仪表易于与上层网络集成，随着i n t e m e t 遍及世界的每一个角落，企业管理者可 以在任何地方了解底层设备的运行情况，这必将对自动化控制领域产生深远的影 响，所以本课题的研究具有较高的实用价值。 9 上海大学硕士学位论文 第二章工业以太网协议研究分析 2 0 世纪9 0 年代中后期，国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太 网，推出了基于以太网的d c s 、p l c 、数据采集器，以及基于以太网的现场仪表、 显示仪表等产品。随着网络和信息技术的日趋成熟，在工业通信和自动化系统中 采用以太网和t c p i p 协议作为最主要的通信接口和手段，向网络化、标准化、 开放性方向发展将是各种控制系统技术发展的主要潮流。现在所有国际自动化厂 商的控制器皆提供e t h e m e tt c p i p 接口，美国最大的测控仪器厂商n a t i o n a l i n s t r u m e n t ( n i ) 和o p t 0 2 2 ，最近也推出了e t h e m e ti o 产品。国际半导体协会s e m i 所订的半导体设备标准通讯协议s e c s ( s e m ie q u i p m e n tc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ) 也从r s 2 3 2 实体层改建在e t h e r n e tt c p i p 之上，称之为h s m s ( h i g hs p e e d m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。更随着i n t e m e t 、家庭网络( h o m e - n e t w o r k i n g ) 、信息家电 i a ( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 等快速发展，可以很肯定地说不论是办公室自动化 ( o a ) 、工厂自动化( f a ) 、大楼自动化( b a ) 、社区自动化( c a ) 或是家庭自动化 ( h a ) ，上至通讯网路，下至各类现场设备，t c p i p 网络将一统天下。 2 1 工业以太网的提出 以太l 网( e t h e r n e t ) 最早来源于x e r o x 公司于1 9 7 3 年建造的网络系统，是一种 总线式局域网，以基带同轴电缆作为传输介质，采用c s m m c d 协议。1 9 8 0 年 x e r o x 、d e c 和i n t e l 公司联合起草了以太网标准。1 9 8 5 年，i e e e 8 0 2 委员会吸 收以太网为i e e e 8 0 2 3 标准，并对其进行了修改。以太网标准和i e e e 8 0 2 3 标准 的主要区别是以太网标准只描述了使用5 0 欧同轴电缆、数据传输率为1 0 m b p s 的总线局域网，而且以太网标准包括i s o 数据链路层和物理层的全部内容；而 i e e e 8 0 2 3 标准描述了运行在各种介质上的、数据传输率从1 m b p s 1 0 m b p s 的所 有采用c s m a c d 协议的局域网，而且i e e e 8 0 2 3 标准只定义了i s o 参考模型中 的数据链路层的一个子层( 即介质访问控制m a c 子层) 和物理层，而数据链路层 的逻辑链路控制l l c 子层由i e e e 8 0 2 2 描述。该规范规定采用载波侦听多路访 1 0 上海大学硕士学位论文 问冲突( 碰撞) 检测c s m a c d ( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ) ，信 号以1 0 m b p s 速率在同轴电缆上传输。按照i s o 的o s i 七层结构，以太网标准只 定义了数据链路层和物理层，作为一个完整的通信系统。 以太网在成为数据链路和物理层的协议之后，就与t c p i p 紧密地捆绑在一 起了。由于后来国际互连网采用了以太网和t c p f l p 协议，人们甚至把如超文本 连接h t t p 等t c p i p 协议组放在一起，称为以太网技术；t c p i p 的简单实用已 为广大用户所接受，不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络、监 控层网络也都广泛使用了以太网技术。 几年前，当各种现场总线激烈竞争时，传统上用于办公室和商业的以太网却 悄悄地进入了控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速。其原因主要有两 点：一方面是随着现场设备智能程度的不断提高，控制变得越来越分散，工业自 动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展。分布在工厂各处的智能设备 之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制数据，这使得现场设备 之间数据的交换量飞速增长。其中，通信己成为关键，用户对统一的通信协议和 网络的要求日益迫切。另一方面，i n t r a n e t y i n t c m e t 等信息技术的飞速发展，要求 企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础 构架。企业也希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中，信 息管理系统需要读取现场的生产数据，并通过工业通信网络实现远程服务和维 护。因此，纵向一致性也成为热门的话题，用户希望管理层和现场级能够使用统 一的、与办公自动化技术兼容的通信方案，这样可以大大简化工厂控制系统的结 构，节约系统实施和维护的成本。但目前的现场总线尚不能满足这些要求。多种 现场总线的互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输 等因素促使人们开始寻求新的出路，寻找一种统一的控制平台。 基于这样的需求，以太网技术( e t h e r n e t ) 开始逐渐从工厂和企业的信息管理层 向底层渗透，开始应用于工厂的控制级通信。不过，将以太网技术应用于工厂的 生产控制过程中并不是一个简单的移植过程。在将以太网技术引入到控制级通讯 的过程中，为了满足工业控制系统的特殊需求，如现场环境、拓扑结构、可靠性 等要求，需要对普通的办公室以太网作出了许多重要的调整和补充，以保证以太 网技术在工业现场应用的可靠性，即我们常说的工业以太网。目前，在控制级通 上海大学硕士学位论文 讯网络领域中，工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和接受，企业和工厂 也充分享受到了高性能的通讯网络带来的便利和收益。尽管如此，工业以太网技 术在向最底层的现场级控制系统渗透时遇到了难以克服的障碍一通讯的实时性 和确定性。传统以太网是为面向办公自动化等实时性要求不高的领域而设计的， 它采用总线式拓扑结构和多路存取载波侦听碰撞检测( c s m c d ) 通讯