（检测技术与自动化装置专业论文）基于高速以太网的现场总线协议研究与开发.pdf

浙江大学z - l - 学位论丈 基于高速以太圃的现场总线协议研究与开发 基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 摘要 当前，在工业控制领域，多种现场总线标准并存的局面使得入们把以太网技 术纳入了现场总线标准化工作的范畴，人们试图用以太网统一现场总线标准。以 太网应用于工业控制网络需要解决的关键技术问题成为了研究热点。 本文以现场总线基金会发布的高速以太网( h s e ，h i g hs p e e de t h e m e t ) 现场 总线协议为研究对象，对h s e 的通信机理、管理机制、通信调度机制以及可靠 传输机制进行了深入研究。提出了一种基于以太网的工业控制网络实时通信模 型，并对h s e 的功能块调度机制进行了改进。本文还给出了实现h s e 协议软件 的方法。 本文首先介绍了现场总线标准的最新进展情况，分析了以太网应用于工业控 制网络中的关键技术问题，并详细介绍了以太网的通信过程和实时通信性能。接 着，本文以工业控制网络的特点为入口，结合以太网的通信特性，提出了一一种基 于以太网的工业控制网络实时通信模型。现场总线基金会发布的高速以太网协议 是本文的研究重点，在此基础上，本文对高速以太网协议进行了软件设计和实现， 包括高速以太网单元模块的设计、h s e 协议软件的接口设计、h s e 协议软件的 集成设计以及报文处理流程。 接下来，本文提出了一种构建基于h s e 的现场总线控制系统的方案，包括 控制系统的组态、系统的启动过程。最后，本文对项目的工作进行了总结，并对 后期工作进行了展望。 【关键字】以太网高速以太网工业控制网络协议软件 堂、兰_ 欠兰墨主兰! ! 垒墨 墨! 壹堡坚查翌竺墨兰：查垒垫型：翌壅皇垄墅 a b s tr a c t c o e x i s t i n go f s e v e r a lf i e l d b u ss t a n d a r d si nc u r r e n tc o n t r o lf i e l dl e a d st op e o p l e a d o p te t h e r n e t i n t of i e l d b u ss t a n d a r d i z ew o r k p e o p l ea t l e m p tt ou s ee t h e m e t t ou n i f y f i e l d b u ss t a n d a r d k e yt e c h n o l o g yp r o b l e m sw h e nu s i n ge t h e r n e ti ni n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r kb e c o m et h es t u d y i n gh o t s p o t h i g hs p e e de t h e m e t r e l e a s e db yf i e l d b u sf o u n d a t i o ni su s e da st h es t u d yo b j e c t i nt h i sp a p e r t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e dt h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，m a n a g e m e n t m e c h a n i s m ，c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l em e c h a n i s ma n dr e l l a b l et r a n s m i tm e c h a n i s mo f h s e ar e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nm o d e l sf o rc o n t r o ln e t w o r kb a s e do ne t h e m e ti sp u t f o r w a r di nt h i sp a p e r t h ef u n c t i o nb l o c ks c h e d u l em e c h a n i s mo fh s ei sa l s o i m p r o v e do ni s t h i s p a p e r t h em e t h o dt oi m p l e m e n th s ec o m m u n i c a t i o ns t a c k s o f t w a r ei sa n o t h e r p a r t o f t h i sp a p e r f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h el a t e s ti n f o r m a t i o no f f i e l d b u ss t a n d a r d sa n d p u t f o r w a r dt h e k e yp r o b l e m t ou s ee t h e m e ti ni n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k t h e n c o m m m f i c a f i o np r o c e s sa n dr e a l t i m ea b i l i t yo fe t h e r n e ti si n t r o d u c e di nd e t a i l i n s u c c e s s i o n ，t h i sp a p e ru s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ka sa n e n t r a n c e ，c o m b i n i n gt h ec o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe t h e m e t ，b r i n g sf o r w a r da f o rc o n t r o ln e t w o r kb a s e do ne t h e r n e t h s ep r o t o c o lr e l e a s e db yf i e l d b u sf o u n d a t i o n i st h ek e ys t u d yo ft h i sp a p e r h s eu n i tm o d u l ed e s i g n ，h s ec o m m u n i c a t i o ns t a c k i n t e r f a c ed e s i g n ，h s ec o n u n u n i c a t i o ns t a c ks o f t w a r ei n t e g r a t i o nd e s i g na n dm e s s a g e p r o c e s s f l o wa r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h e n ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sh o w t oc o n s t r u c taf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do n h s e t h i sp a r ti n c l u d e sc o n f i g u r a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，s t a r t u pp r o c e s so ft h e s y s t e m ，a tl a s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e s t h ew h o l ew o r ka n d p r o s p e c t s t h el a t e rw o r k 【k e y w o r d s e t h e m e t ，h i g hs p e e de t h e r n e t ，i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k ，p r o t o c o ls o l t w a r e 2 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 1 1 背景 第一章绪论 1 1 1 现场总线标准的最新进展 现场总线标准是当前工业控制领域中极为流行的数字通信技术标准。数字技 术的发展为工业控制领域带来了一场深刻的革命，数字技术标准的制定往往早于 产品的开发，标准决定着新兴产业的健康发展【1 】。正因为如此，国际电工委员会 极为重视现场总线标准的制定，经过长达十五年的制定经历，i e c 会员会推出了 i e c 6 1 1 5 8 现场总线国际标准。 i e c 6 1 1 5 8 包括8 种类型的现场总线，分别为：1 e c 6 1 1 5 8 技术规范、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p n e t 、f fh s e 、s w i f t n e t 、以及i n t e r b u s 。其中，p - n e t 和s w i f t n e t 是用于有限领域的专用现场总线，p - n e t 主要采用虚拟令牌的传递方式，主 要应用于啤酒、食品、农业和饲养业；s w i f t n e t 主要采用s t d m a ( s l o t t e dt i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的总线存取方式，协议只包括物理层和数据链路层， 是一种结构简单、实时性高的总线，主要应用于航空和航天等领域。c o n t r o ln e t 、 p r o f i b u s 、w o r l d f i p 以及i n t e r b u s 现场总线是由p l c 为基础的控制系统发展而来 的现场总线，从本质上讲它们以远程i o 总线技术为基础，通常不具各通过总线 向现场设备供电和本质安全性能。而f fh s e 总线是由传统的d c s 控制系统发 展而来的现场总线，它基于标准的以太网技术，充分考虑向现场仪表两线制供电 和本质安全要求，功能多而且复杂。 在介质访问控制上，i e c 6 1 1 5 8 中的8 种类型的现场总线采用完全不同的控制 协议。i e c 6 1 1 5 8 技术规范采用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 通信模式；c o n t r o l n e t 采用并行时问域多路存取( c t d m a ) 方式和p r o d u c e r c o n s u m e r 通信模式； p r o f i b u s 采用令牌环和主从式的通信方式；p - n e t 采用虚拟令牌的传递方式；f f h s e 采用c s m a c d 方式；s w i f t n e t 采用槽路时间片多路存取方式( s t d m a ， s l o t t e d t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ；而w o r t d f t p 采用总线裁决方式；i m e r b u s 在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 ) 方式传输周期过程数据和 非周期数据2 】+ 1 7 1 。由此可见，要实现这些总线的相互兼容和互操作，几乎是不可 6 - 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 能的。 我国在现场总线标准的制定上起步晚，目前还没有拥有自主知识产权的现场 总线标准。但是，当前国际上多种现场总线标准并存的局面以及以太网技术的迅 速发展也为我们制定拥有我国自主知识产权的现场总线标准提供了枧遇。 1 1 2l 麸太网成为工业控制领域研究热点 以太网最初为办公室网络所设计，具有通信速率高、成本低、实现简单的特 点。随着工厂自动化信息集成程度的日益增强，人们试图将以太网直接应用于工 厂自动化系统的过程监控层和现场设备层，以便于工厂信息共享和集成。为此， 许多自动化公司、高校研究所以及标准化组织开始研究将以太网应用于工业现场 所存在的问题，以及如何解决这些问题，并取得了一定的成果。一些基于以太网 的现场总线协议开始崭露头角，如基金会现场总线提出的高速以太网( h s e ， h i g hs p e e de t h e r n e t ) ，e t h e m e t l p 、c o n t r o l n e t 等总线标准。以太网成为工业控制 领域研究热点。我国在工业以太网和实时以太网的研究上并不落后于西方发达国 家。经过多家单位近两年的合作攻关，初步提出了拥有自主知识产权的基于以太 网的现场总线协议草案，使得我国在国际标准化组织上第一次有了真正的发言 权。 1 2 目标 本文就是通过深入研究和开发基金会现场总线提出的高速以太网现场总线 协议，掌握高速以太网现场总线协议的通信枫理，功能块调度方式，结合当今控 制领域实际应用情况，制定拥有我国自主知识产权的、用户易开发和实现的基于 以太网的现场总线协议。 1 3 问题 以太网的自身特点决定了其应用于工业控制领域存在一些关键问题，具体表 现在： ( i )以太网的c s m a c d 介质访问机制无法保证通信的确定性和实时性 浙江是学硕士学位论丈基于高速以太网的现场总线掷议研完与开发 ( 2 ) 仅仅使用以太网无法保证每次通信的可靠性，需要定义应用层协议： ( 3 ) 商用以太网无法保证可靠性，不适合在恶劣环境下的工业现场应用； ( 4 ) 本质安全和总线供电问题； 以上问题都是将以太网应用于工业现场必须解决的关键技术闯题。其中，前 两个问题属于通信协议问题，而后两个问题则更多涉及以太网通信介质的物理属 性。 1 4 论文任务和结构 本文主要针对以太网通信的确定性、实时性以及可靠性问题，通过研究现场 线基金会发布的高速以太网协议，提出一些基于以太网的工业控制网络实时通信 模型，通过改进高速以太网现场总线协议的通信调度方式，提高基于以太网的工 业控制网络的通信实时性，并给出实现高速以太网现场总线报文可靠传输的机制 和方法。 本文共分七章。第一章对当前现场总线标准发展状况进行了概述；第二章详 细介绍了以太网的发展和应用现状；第三章介绍了工业控制网络的特点，并提出 了基于以太网的工业控制网络实时通信模型；第四章对高速以太网协议进行了详 细研究和分析，包括高速以太网协议模型、管理机制、通信机理、通信调度以及 可靠传输机制，并对高速以太网通信调度方式进行了改进；第五章介绍了开发高 速以太网协议栈的方法；第六章简单描述了如何构建并组态一个基于高速以太网 的控制系统；第七章对后期需要开展的工作进行了展望。 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 2 1 以太网历史 第二章以太网 1 9 7 5 年，美国施乐( x e r o x ) 公司的p a l 0a 1 t o 研究中心研制成功 m e t c 7 6 ， 该网采用无源电缆作为总线来传输数据帧，故以传播电磁波的“以太( e t h e r ) ” 命名。1 9 8 1 年施乐公司、数字装备公司( d i g i t a l ) 以及英特尔( i n t e l ) 公司 联合推出以太网( e t h e r n e t ) 规约 e t h 8 0 。1 9 8 2 年，第二版以太网规约d i x e t h e r n e tv 2 公布。一般，“以太网”特指d i xe t h e r n e tv 2 所描述的技术。1 9 8 3 年，美国电器和电子工程师学会i e e e8 0 2 委员会以d i xe t h e r n e tv 2 为基础推 出了i e e e8 0 2 3 。i e e e8 0 2 3 又叫做具有c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检 测) 的网络。因此，i e e e8 0 2 3 以“以太网”为技术原型，本质特点是采用c s m a c d 的介质访问控制技术【l 】。 2 2 以太网发展和应用现状 e t h e m e t ( 以太网) 网络出现于1 9 7 5 年，随后3 c o m 公司致力于使以太网的 使用成为一个多供应商标准，并于1 9 8 2 年制定成为i e e e8 0 2 3 标准的第一版本。 1 9 9 0 年2 月，该标准被国际标准化组织采纳，正式成为i s o i e c8 8 0 2 3 国际标 准。在这期间，e t h e m e t 从最初1 0 m p b s 以太网，过渡到l o o m p b s 快速以太网和 交换式以太网，直至发展到今天的千兆以太网、吉比特以太网以及光纤以太网。 e t h e m e t 的迅速发展和广泛应用有力地推动了高技术芯片和系统的开发，从 而极大提高了网络性能，降低了系统成本。目前，e t h e m e t 以其廉价、易用和开 放的特性，正广泛应用于商用办公室网络。 过去人们一直认为，e t h e m e t 是为i t 领域应用而开发的，不适合在工业控制 领域中应用，这是因为 8 】： ( 1 ) e t h e m e t 采用c s m a c d 的介质访问控制方式，在网络负荷较重( 大 于4 0 ) 时，网络的确定性( d e t e r m i n i s m ) 不能满足工业控制的实 时要求； ( 2 ) e t h e m e t 所用的接插件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用 浙江太学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 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，e t h e r n e t 抗干扰性能较差，若用于危险场合，以太网 彳i 具备本质安全性能； ( 4 ) e t h e m e t 不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。 然而，随着网络技术的发展，上述问题正在不断得到解决。可以预见，像当 年p c 机进入工业自动化领域一样，e t h e r n e t 将会十分迅速地进入工业控制系统 的各级网络。 2 3 以太网通信过程和实时性能分析 2 3 1 以太网通信过程 以太网在m a c 层采用带冲突检测的载波监听( c s m a ，c d ) 协议，各个节点 采用1 坚持的b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k - o f f ) 算法处理冲突，具有冲突时延 不确定的缺陷，无法在工业实时网络中得到有效应用。c s m a ，c d 的处理流程如 图2 1 所示。 当一个站需要发送数据时，它首先监听信道，若信道忙就持续等待，直到它 监听到信道空闲时，就将数据发出。如果两个或多个站点都在监听和等待发送， 然后在信道空闲时决定立即( 几乎同时) 开始发送数据，这时就发生冲突。如果 一个站在传输期间检测出冲突，则立即停止传输，并向信道发出一个“拥挤”信 号，以确保所有其它站也发现该冲突。 图2 1c s m a c d 介质存取方法流程 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 2 3 2 以太网实时性能分析 由于以太网采用b e b 算法处理冲突产生不确定的重新发送延迟，所以当 个数据帧产生冲突时，其等待时间具有不确定性。 b e b 算法的不确定性还会引发另一个现象，不公平性。不公平性表现为某个 节点独占信道，进行连续的数据发送，而其它节点得不到信道。不公平性体现在 独占效应和饥饿效应上。独占效应指的是当整个系统处在高负荷时，某个节点不 会理会其它节点对信道的请求，独占信道，连续发送数据。饥饿效应是独占效应 的直接结果，指得是某些节点无法正常获得信道，并导致无法及时发送信息。连 续冲突数将超过1 6 ，并且遭到抛弃【1 0 】【l l 】。 2 4 以太网实时通信能力的改进 为了提高以太网通信的确定性和实时性，使其满足工业控制网络对通信实时 性的要求，人们提出了很多改进以太网通信确定性和实时性的方法。根据各种方 法的实现方式，大致可以将这些方法分为以下四个方面：通过更改以太网m a c 协议来实现以太网通信的确定性；在以太网上增加流量控制；通信量整形；采用 交换式以太网旧i 。 2 4 1 以太网m a c 协议的改进 通过对传统以太网的m a c 协议进行改进，可以改善以太网通信的确定性问 题。c s m a d c r 是最具有代表性的一种改进方法。当冲突发生时，采用确定性 的二叉树寻址方法，c s m a d c r 依照节点地址采取先序遍历的方式解决冲突。 当冲突发生时，低优先级的节点停止对信道的竞争，而高优先级的节点继续竞争 信道，直到成功传输。这种修改以太网m a c 协议的方式虽然可以极大的改善以 太网通信确定性的问题，却是以更改以太网固件( 以太网控制器硬件和软件) 为 代价的，很难与商用以太网兼容，并且提高了开发成本。 浙江大学硕士学位论文 基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 2 4 2 在以太网上层增加传输控制机制 这种方法在以太网之上增加一个层次，控制消息的传输时间，以减少甚至完 全避免冲突。这种方法的一个好处就是可以在节点中使用标准的以太网硬件。目 前存在着几种传输控制方法。 主从式( m a s t e r s l a v e ) 传输控制方式：这是一种集中式的传输控制方式，刚 络中至少有一个主设备和多个从设备。从设备只有在收到来自主设备的控制报文 之后，才可以发送数据。这种主从式传输控制方式的优点是可以保证每个从设备 都有发送数据的机会。缺点是无法处理突发性通信( 比如工业控制网络中的报警 信息) 。 基于令牌( t o k e nb a s e d ) 的传输控制方式：节点之间的信息传递通过令牌实 现同步。只有当前持有令牌的节点才可以发送数据。令牌持有时间具有一个上限 值。这种传输控制方式的优点是可以保证每个节点都有确定的发送时间。缺点是 通信效率低( 令牌需要占用一定的网络带宽) ，支持周期性通信的能力差，令牌 一旦丢失会导致所有节点都无法访问信道。 时分多路访问( n ) m a ) ：时分多路访问为每个节点分配一定的带宽，每个 节点在固定的时间片内发送信息，以保证每个节点的信息具有确定的发送时间。 由于t d m a 不需要传输额外的控制信息，使得网络带宽的利用率比较高。但 t d m a 是基于节点的方法，不能反映每个节点的实际带宽需求，而且，每个节 点之间需要严格的时间同步。 虚拟时间协议( v i r t u a lt i m ep r o t o c 0 1 ) ：虚拟时间协议实质是信息延迟发送， 信息延迟发送时间是该信息某个时间参数的函数值，例如截止期、松弛期和优先 级等，而函数即可以是非线性形式，也可以是简单的线性形式。当函数采用线性 形式时，比例参数的选择是关键。虚拟时间协议存在无法记录过去信息发送状态 的缺陷。 窗口协议( w i n d o w p r o t o c o l s ) ：窗口协议改善了虚拟时间协议中无法记录过 去信息发送状态的缺陷。在窗口协议中，每个节点都具有全网段相同的窗口，只 有当信息落入窗口中，该信息才可以发送。通过在全网段采取完全一致的放大、 缩小和移动窗口等行为，可以有效地限制同时发送信息的个数，进而减少、避免 或者解决冲突。 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 2 4 3 通信量整形 通信量整形的方法建立在信道利用率和冲突发生的概率之间的统计关系的 基础匕。通信量整形保证在信道利用率小于给定的阈值的情况下，得到较小的冲 突发生的概率。通信量整形实际上是在t c p ( u d p ) i p 与以太网之间加入一个通 信量平滑层。通信量平滑层为每卜节点的实时信息分配比非实时信息高的优先 级，通过平滑非实时信息流以减少和实时信息的冲突，在减小实时信息时延的同 时，实现非实时信息更大的吞吐量。 2 4 4 交换式以太网 用以太网交换机替代传统的共享式h u b ，就可以构建一个交换式以太网。 以太网交换机的各个端口之间同时可以形成多个数据通道，端口之间帧的输入输 出已不再受c s m 刖c d 的约束，交换机内同时存在多个数据通道，系统带宽与交 换机所具有的端1 3 数有关。可以认为，若每个端口为l o m b p s ，则整个系统的带 宽可达i o m b p s n ，其中n 为端1 3 数。交换式以太网同传统的共享式以太网相比， 具有以下优点【6 2 】： ( 1 ) 每个端口上既可以连接站点，也可以连接一个网段。不论站点和网段 都独占1 0 m b p s 或1 0 0 m b p s ； ( 2 ) 系统的最大带宽可以达到端口带宽的n 倍，其中n 为端口数。n 越大， 系统能达到的带宽越高； ( 3 ) 交换机连接了多个网段，网段上的运作都是独立的，但也可以根据要 求建立临时的数据通道； ( 4 ) 被交换机隔离的独立网段上数据流信息不会在其它端口上广播，具有 一定的数据安全性； ( 5 ) 若端口上支持全双工传输方式，则端口上媒体段的长度不受c s m a c d 制约，可以延伸距离。 由于交换式以太网可以将冲突域减小为两个节点，可以避免冲突的发生，极 大地提高了以太网通信地确定性和实时性。 基于高速雎太同的现场总线协议研究与开发 2 5 高速以太网( h s e ，h i g hs p e e de t h e r n e t ) 协议 虽然卜述几种改进以太网实时性通信能力的方法极大提高了以太网通信的 确定性，但都是在较低层次或者以改变以太网具体结构来实现的。这些方法在具 体实现时，涉及到以太网等底层协议的更改和优化，实现复杂，开发成本高，目 前还未在实际中得到广泛应用。现场总线基金会f f 提出了一种以标准以太网+ t c p ( u d p ) 协议为底层通信平台的现场总线协议标准高速以太网协议。 在高速以太网协议中，实时信息通过u d p 和以太网协议发送，因为u d p 是 一种无需确认的传输协议，没有链接建立和关闭过程，适合于实时通信；而非实 时协议则通过t c p 协议传输。但由于u d p 本身不提供可靠传输机制，所以，高 速以太网协议详细定义了应用层协议以实现实时信息的可靠传输，而且，高速以 太网还在用户层采用了基于时间的功能块调度机制，多个功能块在不同的时间段 发送信息，减少了在以太网上产生冲突的概率。 高速以太网协议的核心在于应用层和用户层规范，以及系统管理和网络管理 机制。其目标是将标准的商用以太网应用于工业控制网络的过程监控层。 浙江大学硕士学位论丈 基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 第三章工业控制网络 3 1 工业控制网络发展现状 3 1 1 控制系统网络化的发展背景 在一个现代化工厂环境中，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散 性，以及控制与监控等任务对实时胜的要求，工业控制内在的需要一种分布实时 控制系统来实现控制任务。在一个自动化工厂中，有着很多的通信任务请求，为 了满足这些通信任务的需要，传统的工业控制网络一般采用分层的体系结构。根 圈3 1 工j 自动化的分层模型 据网络的地域大小，连接的设备的数量，网络的速度，网络的响应时间和有效负 荷的大小，传统的工业控制网络一般分为现场级，过程监控级和工厂管理级，如 图3 1 所示i ”l 。 现场级和过程监控层所组成的系统主要完成现场数据采集、存储、运算以及 特定的控制功能，对通信的响应时间要求较高，虽然在这两个层次所传输的数据 量都不大，但传输频率较高。传统的现场级和过程监控级大多采用基于p c 、p l c 以及d c s 的分布式控制系统。其主要缺点是：信息集成能力不强；系统不够开 放，可集成性差，不易保证可靠性；可维护性不高。 3 1 2 基于现场总线的工业控制网络 8 0 年代末，9 0 年代初发展形成的现场总线技术使得工厂自动化中的现场级 和过程控制级发生了革命性的变化。现场总线是专门用于现场仪表与控制系统和 控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 系统，具有可靠性高、稳定性好、抗丁扰能力强、通信速率快以及开放性等诸多 优点。基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使得工厂自 动化中三个层次之间的信息交互更加方便、快捷、可靠，极大地增强了现场级信 息的集成能力。现场总线的互可操作性的特点给了用户在同一个系统中选择不同 厂家提供的产品的可能【l j 。 现场总线是当今世界各国关注的热点问题，以现场总线为基础的全数字控制 系统是2 1 世纪自动化控制系统的主流。目前，世界发达国家的自动化公司都以 巨大的人力和财力投入，全方位地进行现场总线技术研究和实际应用，以期待成 为市场的主宰者。商业利益的原因使得现场总线标准化工作变得十分复杂，导致 了工业控制领域中多种现场总线标准并存的局面。国际电工委员会i e c 提出的 i e c 6 1 1 5 8 标准中就包含了8 种现场总线技术。我国在现场总线技术上，一直是 跟随着国外技术的发展，没有拥有自主知识产权的现场总线标准。 3 1 3 以太网成为工业控制网络的研究热点 在现场总线标准化进程中，以太网技术逐渐成为研究热点。我国在工业以太 网技术上的研究处在世界的前列，首次提出了将以太网直接应用于工业现场的思 想，并归纳出将以太网应用于工业现场所要解决的关键性技术，使得我国在现场 总线国际标准化工作中有了自己的观点。 3 。2 工业控制网络特点 3 2 1 概述 工业控制网络是连接工业现场测量控制设备的一类特殊通信网络。它不但要 完成非实时信息的通信，而且还要求支持实时信息的通信。其区别于一般商用网 络的特殊性具体体现在：信息长度小、周期和非周期性信息同时存在，信息的流 向具有明显的方向性，并且信息的传送具有一定的先后顺序( 例如在一个p i d 控制回路中总是a i 先传送采集的数据，经过p i d 处理之后，才发送到a 0 ) 。 其中的周期性信息是系统各控制点的状态和参数信息( 如功能块的输入、输出数 据) ，属于实时信息，为了达到实时控制的要求，必须反复、快速地传送周期信 1 6 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 息。周期信息对传送的快速性、时问的确定性、可靠性都有较高的要求，但内容 比较简单，一般不要求应答。而非周期性信息大多为非实时的组态信息( 如程序、 数据的上下载信息，对变量的读写信息) ，这类信息的数据量和使用频率很不确 定，也不要求时间的确定性，往往采用请求应答的通信方式。 s 3 2 2 工业控制网络的实时性要求 工业控制网络是连接工业现场测量控制设备的类特殊通信网络。它不但要 完成非实时信息的通信，而且还要求支持实时信息的通信c 1 4 1 。其区别于一般商 用网络的特殊性具体体现在： ( 1 ) 信息长度较小； ( 2 ) 周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息( 如过程 测量与控制信息、监控信息等) 较多，而非周期信息( 如突发事件报警、程序上 下载等) 较少； ( 3 ) 有限的时间响应； ( 4 ) 信息流向具有明显的方向性，如测量信息由变送器向控制器传送，控 制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操作站传 送，程序下载由工程师站向现场仪表传输等。 ( 5 ) 测量控制信息的传送有一定的顺序性，如测量信息首先需要传送到控 制器，由控制器进行控制运算，发出的控制信息传送给执行机构，控制相关阀门 的动作。 要满足上述工业通信系统的特殊要求，客观上要求工业控制网络协议能够处 理上述特点带来的新问题，具备以下几个功能： ( 1 ) 网络通信在时间上的确定性，即在时间上，任务的行为可以预测； ( 2 ) 实时响应适应外部环境的变化，包括任务的变化、网络节点的增减、 网络失效诊断等； ( 3 ) 简单的网络通信方式，可以减少通信处理延迟。 浙江大学硕士学位论文 基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 要实现上述功能，必须对工业控制网络通信协议进行深入分析，建立合适的 通信模型。 3 3 以太网应用于工业控制网络存在的问题 以太网最初是为办公自动化设计的，它应用于工业自动化控制时存在以下主 客观障碍1 6 ”： ( 1 ) 以太网通信存在不确定性，不能满足强实时通信响应要求 以太网采用的介质访问控制方式是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 s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，冲突检测载波监听多路访问) ，决定了以太网通信具有 不确定性。 在以太网络中，每个设备可以在任何时候发送数据。发送站在发送数据之前 先要检测通信信道中的载波信号，如果没有检测到载波信号，说明信道上没有数 据，该站可以发送。否则，等待一个随机的时间后再重复检测，直到能够发送数 据为止。 由于数据在网中的传输需要时问，总线上可能会出现两个和两个以上的站点 监听到总线上没有数据而发送数据帧，因此就会发生冲突。数据发送站一边将信 息输送到传输介质上，一边从传输介质上接收信息，然后将发送出去的信息和接 收的信息进行按位比较。如果两者一致，说明没有冲突；如果两者不一致，则说 明总线上发生了冲突。一旦检出冲突以后，立即停止数据帧的发送，并向总线发 送一串阻塞信号，让总线上其他各站均能感知冲突己经发生。总线上各站点“听” 到阻塞信号以后，均等待一段随机的时间，然后再去重发受冲突影响的数据帧。 重发前的时间在0 ( 2 1 1 ) 之间的时间片中随机选择( 此处i 代表被节点检测到 的第i 次碰撞事件) ，一个时间片为重发循环所需的最小时间。但是，在1 0 次碰 撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片( 即1 0 2 3 ) 上，1 6 次碰撞后，控制器 将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。 当网络负载较重的时候，e t h e m e t 上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它 极大地影响了e t h e r n e t 的数据吞吐量和传输延时，并导致e t h e m e t 性能的下降。 由于在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到 保障。e t h e m e t 的这种c s m a c d 介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应 浙江大学硕士学位论文 基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 的“不确定性”，并成为它应用于工业自动化控制网络的主要障碍。 ( 2 ) 以太网的可靠性不高，不适用于环境恶劣的工业生产现场 由于工业生产现场环境与一般商业环境不同，如温度与湿度变化范围大，空 气污浊、粉尘污染大，振动、电磁干扰大，并常常伴随有腐蚀性、有毒气体等等。 由此，要求工业控制网络必须具有机械环境适应性( 如耐振动、耐冲击) 、气候 环境适应性( 工作温度要求为4 0 8 5 。c ，至少为2 0 7 0 。c ，并要耐腐蚀、防尘、 防水) 、电磁环境适应性或电磁兼容性e m c 等要求，并具有很高的可靠性。 ( 3 ) 安全性和总线供电 对于现场设备层网络，一般还要求具有向现场仪表提供电源的能力，即“总 线供电”；在易爆或可燃场合，控制网络还需要解决防爆( 包括隔爆、本质安全 等) 问题。 ( 4 ) 微处理器功能简单，不能适应以太网通信处理要求 作为工业现场智能设备的核心组成部分一微处理器( 单片机) ，在2 0 世纪 8 0 年代时还处于初期发展阶段，功能简单，数字处理能力不强，不能处理e t h e r n e t 上“捆绑”使用的t c p i p 协议。 ( 5 ) 早期以太网优势并不明显 由于以太网发展之初，其通信控制：芯片价格昂贵，应用不广，人们对它的熟 悉程度非常有限，各种软硬件技术资源缺乏，以太网的优势并不明显。 3 4 基于以太网的工业控制网络实时通信模型 一种基于以太网的实时通信层次模型如图3 2 所示。在传输层采用t c p 和u d p 协议。u d p 是一种无连接的传输协议，位于i p 协议的上层。u d p 采用 简单的校验和技术进行差错控制，不处理流量控制。同t c p 协议相比，u d p 传 输不需要建立连接，u d p 报文简单，传输的额外负载非常小，使得数据传输效 率非常高，适用于实时通信。但u d p 无法解决以太网本身通信不确定性和冲突 的问题。这些问题可以通过结合两种方法来实现：( 1 ) 在底层采用交换式以太网 技术；( 2 ) 在应用层采用实时通信协议。 浙江大学硕士学位论文 基于高速以太网的现场善线协议研究与开发 l 应用层非实时协议应用层实时协议 l t c pu d p l i p l交换式以太网 图3 2 基r 。以太网的实时通信模型 基于c s m a c d 的以太网在通信的确定性和冲突等方面的问题，可以通过使 用最新的以太网交换技术来解决。在物理连接上，用交换机替代传统的共享式 h u b ，就可以构建一个交换式以太网。图3 3 是一种基于全双工通信的以太网交 换机模型。交换机的n 个物理端口工作在全双工模式下，逻辑上可以获得n 个 输入通道和n 个输出通道。这样，连接在交换机上的n 个设备即使同时发送和 接收数据也不会发生冲突。交换式以太网的核心技术就是把冲突域最小化，使得 每个冲突域只包括一个点对点的连接，这样就避免了冲突的发生。在交换式以太 网中，网络通信的速度和效率取决于交换机的速度。 n 图3 3 以太网交换机模型 为了减少交换机对整个以太网通信速度和效率的负面影响，在组网时要尽量 避免跨多个交换机的通信。在工业控制网络中，设备之间的通信往往在系统组态 时就已经确定下来，我们可以把经常交换数据的设备放在一个网段，这样可以最 大限度地减少跨交换机通信情况的出现。 3 5 工业控制网络应用层实时协议 传统的控制网络中，应用层实时协议可以基于两种通信模型来实现，一种是 基于令牌的通信模型，另一种是生产者消费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模型。 浙江大学硕士学位论丈基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 3 5 1 基于令牌的实时通信模型 基于令牌的通信模型要求网络上有一个( 至少有一个) 主设备一总线仲裁 者，和多个从设备。每个从设备通过从主设备获取令牌周期性地发送数据。通常， 没有主设备的允许，网络上的从设备不能占有网络。基于令牌的通信模型如图 3 4 所示。基于令牌的通信模型是一种集中式的媒体控制机制，它可以保证网络 上的每个节点在时间上的通信确定性。但集中式控制的缺陷也是很明显的，一旦 发送令牌的总线仲裁者发生故障，网络上所有节点的通信就会发生混乱，导致整 个系统的瘫痪。 图3 4 基于令牌的实时通信模型 3 5 2 生产：昔消费者实时通信模型 带有总线仲裁者的生产者消费者通信模型如图3 5 所示。在生产者消费者通 信模型中，变量之间通过一个标识符来相互区别。每个变量只能由一个生产者生 图3 5 生产者消费者通信模型 2 1 浙江大学硕士学住论文基于高速以太网的现场总线协议研究与开发 成，但可以被多个消费者查询。生产者消费者通信模型主要用于周期性信息的 传输，它可以根据网络上的总线仲裁者的调度来实现，总线仲裁者根据一个周期 性的表格请求生产某个变量，生产该变量的设备收到请求后，就在网络上发稚指 定的变量。如果网络上没有总线仲裁者，那么可以在系统组态时就确定每个节点 发送周期性信息的时问顺序，各个节点按照事先组态好的顺序独立执行。生产者 消费者模型的缺点是无法处理突发性信息( 如报警和事件通知) 。 3 5 3 基于以太网的应用层实时通信模型 工业控制网络是一种典型的实时应用系统，其中的任务( 如功能块的执行) 通常按照一定的时间间隔触发，并且对任务的执行时间具有截止期要求。这种任 务称为周期性任务。实时应用系统中还有一种任务，这种任务只有在特定的事件 触发下才出现，例如报警处理。这类任务称为非周期性任务。非周期性任务是随 机触发的。这两种任务反映在工业控制网络的通信上，就是两类通信信息：周期 性通信信息和非周期性通信信息。周期性通信信息和非周期性通信信息具有不同 的时间特性。一旦系统组态完成，周期性通信信息的发送就具有时间确定性。而 非周期性通信信息往往是突发信息，在时间上是不确定的。 基于以太网的工业控制网络同样包含这两类通信信息。而且，以太网上各个 节点的通信都具有时间不确定性。对于周期性信息，根据组态好的节点执行顺序， 采用生产者消费者通信模型来管理信息的通信，可以实现信息的实时传输。而 对于发生在周期信息通信间隙的非周期信息的通信，可以采用令牌的方式来管理 信息的实时传输。基于上述分析，我们可以把上述的两种应用层实时通信模型结 合起来，形成一个适用于基于以太网的工业控制网络的应用层实时通信模型 仲裁者生产者消费者模型，以管理信息的实时通信。 3 5 3 1 仲裁者生产者消费者模型 在仲裁者生产者消费者模型中，生产者发送过程变量，消费者接收过程变 量，负责周期性信息的发送。仲裁者负责协调不同设备之州的生产者在处理非周 期性信息时对总线的需求。每个过程变量只有一个生产者，却可以有多个消费者。 凡是提供过程变量的节点都必须提供生产者功能，并且能够在已经组态好的执行 浙江大学硕士学位论文基于高速蹦太网的现场总线协议研究与开发 顺序下，将该过程变量传送到它的消费者所在的节点中。例如，把传感器变量传 送到控制器、把控制器的结果传送到执行器以及把过程变量传送到历史数据库 等。生产者的i p 数据报文中，源地址为生产者自己的i p 地址，目的地址则是一 个组播或广播地址。在消费者所在的设备上储存它所需要的生产者的i p 地址， 利用这些地址，各个节点都具备过滤功能。 3 5 3 2 周期性信息通信过程 在仲裁者