（计算机应用技术专业论文）基于以太网的工业网络控制系统研究.pdf

摘要 传统的工业控制网络是基于现场总线的。由于现场总线的通讯标准尚未统 一，使得现场总线的标准各种各样，这必将使以各自利益为目标的各厂商的仪表 设备难以在不同的现场总线控制系统( f c s ) 中兼容。此外，现场总线目前尚处 于低速阶段，难以满足数据高速传输的需要。因此，我们提出了本课题：基于以 太网的工业网络控制系统的研究。 基于以太网的工业网络控制系统具有数据传输率高、可靠性好、易维护、可 远程传输、互操作性好等优点。所以随着互联网技术的普及与推广、以太网通信 速率的提高、交换技术的发展，基于以太网的工业控制网络系统受到了全球的拥 护和软硬件支持，并得到了迅速发展和普及。因此，基于以太网的工业控制网络 是工业控制系统的发展趋势。 本课题系统介绍了工业网络发展的主要过程，比较了工业以太网与传统工业 网络的优缺点，从工业以太网的关键技术的入手，着重对工业以太网的“不确定 性”产生原因、如何提高通信响应实时性和安全性以及如何实现远程传输等问题 进行了深入的探讨、分析，给出了比较理想的工业以太网解决方案。根据工业控 制领域对网络支持系统的要求，借鉴商业以太网的设计原则和方法，设计了基于 分层结构化工业以太网结构，拟为工业控制系统提供了一个安全、稳定、互操作 性好的通信平台；同时，按照该设计思路和原则，我们设计了一个基于i n t e m e t 的工业以太网远程监控系统。该监控系统已经过测试，目前已在我校某部门投入 实际应用。 关键词：工业以太网现场总线实时性控制系统远程监控 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ln e t w o r ko fi n d u s t r y i sb a s e do nf i e l d b u s b u tt h e c o m m u n i c a t i o nc r i t e r i o no ff i e l d b u si sn o tu n i f i e d ，t h e r ea r ev a r i o u sc o m m u n i c a t i o n c r i t e r i o n so ff i e l d b u s ，s ot h ei n s t r u m e n t so fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e rc a nn o tb e c o m p a t i b l ei nd i f f e r e n tf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) i na d d i t i o n ，t h ef i e l d b u si s i n t h es t a g eo fl o ws p e e d ，w h i c hc a nn o ts a t i s f yt h ed e m a n do fh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o n ， s ot h es u b j e c t r e s e a r c ho fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mn e t w o r kb a s e do ne t h e m e ti s a d v a n c e d i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mn e t w o r kb a s e do ne t h e m e th a sm a n ya d v a n t a g e s s oa s h i g ht r a n s m i s s i o nr a t e ，g o o dr e l i a b i l i t y , e a s ym a i n t a i n ，r e m o t et r a n s m i s s i o n ，m u t u a l o p e r a t i o na n ds o o n w i t ht h ee x t e n s i o no fi n t e m e ta n dt h ea d v a n c e m e n to f c o m m u n i c a t i o nr a t eo fe t h e m e ta n dt h ed e v e l o p m e n to fe x c h a n g et e c h n o l o g y , t h e i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mn e t w o r kb a s e do ne t h e m e ti ss u p p o r t e di nt h ew o r l da n d d e v e l o p e dp r o m p t l y s ot h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mn e t w o r kb a s e do ne t h e m e ti s d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em a i nd e v e l o p m e n tp r o c e s so fi n d u s t r i a ln e t w o r k ，a n d c o m p a r e st h ei n d u s t r i a le t h e m e tw i t ht r a d i t i o n a li n d u s t r i a ln e t w o r k ，a n df r o mt h ek e y t e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e m o fr e m o t et r a n s m i s s i o na n dt h ep r o b l e m o fh o wt oa d v a n c et h er e a l - t i m ea n ds e c u r i t ya n dt h er e a s o no fi n d e t e r m i n a c yo f i n d u s t r i a le t h e m e t ，t h e na d v a n c e sa ni d e a ls o l u t i o no fi n d u s t r i a le t h e m e t a c c o r d i n g t ot h ed e m a n d i n go fn e t w o r ks u p p o r ts y s t e mi nt h ed o m a i no fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，a n d r e f e r r i n gt ot h ed e s i g np r i n c i p l eo fc o m m e r c i a le t h e m e t ，t h i sp a p e rd e s i g n ss t r u c t u r e o fi n d u s t r i a te t h e m e tw h i c hi sb a s e do nd e l a m i n a t e ds t r u c t u r ea n da f f o r da c o m m u n i c a t i o np l a t f o r mw h i c hi ss e c u r ea n ds t a b i l ea n dm u t u a lo p e r a t i o nf o r i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ，a tt h es l i m et i m ed e s i g n sar e m o t em o n i t o rs y s t e mo f i n d u s t r i a le t h e r n e tw h i c hi sb a s e do ni n t e r n e t t h i sr e m o t em o n i t o rs y s t e mh a sp a s s e d t e s ta n di sr u n n i n gi no b ru n i v e r s i t y k e yw o r d ：i n d u s t r i a le t h e m e t ，f i e l d b u s ，r e a l t i m e 。 i n d u s t r i a l s y s t e m ， r e m o t em o n i t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丢洼王些盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 学位论文作者签名：莠矗j 签字日期：西年月7 l ；日 厂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云鎏王些太堂有关保留、使用学位论文的髋定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者签名- 秀荔，感 签字日期：，年了月6 日 导师签名：丽拟纫 签字r 期：年月同 学位论文主要创新点 一、在网络通信t c p ，i p 协议基础上又增加了应用层协议。通过协议中数据 报头的信息来确认传输数据的类型以及处理进程，保证对现场设备操作信息的优 先级。同时，增加的应用层协议也为以后数据信息的变化带来了较好的扩展性。 二、使用x m l 技术作为一个分布式组件模式，利用其独立于平台、强大而 精巧的技术，处理用户任何异构网络环境( h e t e r o g e n e o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t s ， h n e ) 。 第一章绪论 第一章绪论 在这一章里，我们将说明以太网技术在工业网络控制系统中应用现状，并由 此引出了本课题：基于以太网的工业网络控制系统研究。 1 1网络控制系统简介 由于计算机技术及控制技术的发展，特别是9 0 年代以来，以i n t e m e t 为代表 的计算机信息产业和数据通信网络蓬勃发展，对工业自动化领域形成了强大的冲 击：工业自动化水平也随之提高到一个崭新的高度。 网络控制系统( n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 是指用于完成自动化任务的 网络系统，它的网络节点除了常规微机、工作站等必备的网络设备以外，更多的 是具有计算与通信能力的智能设备。控制网络系统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。 控制系统的结构从最初的计算机集中控制系统( c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m ， c c s ) ，到第二代的集散控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，发展到目前 比较流行的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 2 ，它经历了从简 单到复杂，从低级到高效，极大地提升了自动化控制水平。 网络控制系统( n c s ) 又称为控制网络，这个名词于1 9 9 8 年出现在马里兰大 学g cw a l s h 等人的论著中，但并没有给出确切的定义。只是用图说明了网络控制 系统的结构，如图i - i 所示。 图l - i 网络控制系统的结构 在该系统中，控制器与传感器通过网络形成闭环。网缮控制系统有狭义和广 义之分。狭义的网络控制系统是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备 第一章绪论 和通信线路的集成。用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的设备 和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统不仅包括狭义的网络控制 系统还包括通过企业信息网络对工厂车间、生产线甚至现场设备的监控调度、 优化等。 网络控制系统的突出特点是控制网络中传送的数据包通常较短、发送，接收频 率高，因此有限的网络带宽就使数据传输过程中不可避免地存在着延迟，而且随 着网络协议、网络负载等诸多延时因素的影响，该延迟会随机变化。这就容易导 致较大的超调量和较长的调节时间，严重影响生产过程的控制品质，而且会大大 降低系统的稳定性。 1 2网络控制系统研究现状 1 2 1 集散控制系统( d c s ) 集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m s ，t d c s ) ，简称集散系统。它是一种应用于过程控制的工程化的分布式计 算机控制系统。 d c s 在功能与性能上较模拟仪表及集中式数字控制系统有了很大的进步，可 在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。近年来，为了使d c s 更加适用于工 业生产现场，新代d c s 还进一步做出一些改进，比如系统开放化、采用通用工 作站、超大型化和微型化、通信介质多样化、d c s 与p l c 相互融合以及软件的不 断丰宿等等。但是，在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系 统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连，难 以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难4 。 1 2 2 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线是网络集成式全分布控制系统，是对d c s ( 集散控制系统) 的拓展， 控制功能由过去的控制室设备变为智能现场仪表来承担，由于控制功能的分散化 及全数字化，就有可能组成大型的开放式控制系统。进而实现从最高决策到最低 设备层的综合管理和控制。现场总线的有关规范一经国际公认，通过功能模块参 数标准化，用户可以实现不同厂家产品的互操作择优集成。突破了d c s 相对封闭 的限制，它将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂 的优化和先进控制的功能。 现场总线的技术特点包括： 1 ) 分散功能块：f c s 把传统的d c s 控制站的控制、报警、趋势分析等功能块 第一章绪论 分散地分配给各现场仪表，从而构成虚拟控制站，简化了上层系统； 2 ) 现场设备互连：各种现场设备( 传感器、变送器、执行器、智能仪表和p l c 等) 通过一对传输线互连，成为现场总线的各个节点； 3 ) 开放式系统：现场总线为丌放式互连网络，它实现自动化仪表技术从模拟 数字混合向全数字的转变，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可 以实现网络数据库共享； 4 ) 通信线供电：支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等， 具有较强的抗干扰能力，能采用两线制，实现送电与通信，允许现场仪表直接从 通信线上摄取能量，并可满足本质安全防爆要求等，对现场环境具有较强的适应 性： 5 ) 互操作性：允许使用相同通信协议的不同厂商的现场设备既可互连也可互 换，并可以统一组态构成用户所需要的性能价格比最优的控制回路； 但是，现场总线通信协议的多样性使得不同总线产品间不能直接互连、互用 和互可操作，没有真正体现现场总线的开放性。这不但使f c s 的优点难以体现， 而且给用户的使用带来很大的不便，不利于现场总线技术的大面积推广和应用。 1 2 3 工业以太网 ：亡业自动控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂。内 部的连接越来越高速化与紧密化。尽管现场总线有其突出的优点，但也有其明显 的不足之处。 以太网的早期开发工作是位于加利福尼亚的施乐帕鲁- 阿图研究中心完成的。 据说是因为电磁辐射波可以在以太这种物质中传播而给系统命名为“以太网”。后 来美国施乐公司、d e c 公司和i n t e l 公司联合开发了以太网“蓝皮书标准”。i e e e 根据“蓝皮书标准”第二版制定了8 0 2 3 带冲突检测的载波侦听多路访问( c a r r i e r s e n s em 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 ，c s m m c d ) 的网络标准，它是目前 世界上应用最广泛的局域网。以太网的传输速度从最早的l o m b p s ，到现在的 1 0 0 0 m b p s ，传输媒体根据情况可以选择同轴电缆、双绞线、光纤和无线等，网络 机理从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，网络接口的工作方式从单工发展 到全双工。 工业以太网技术主要有4 个竞争者5 ，它们是：m o d b u s - i d a ( m o d b u s p r o t o c o o nt c p i p ) 工业以太网、e t h e m e t i p ( t h ec o m r o l n e t d e v i e e n e to b j e c t so nt c p i p ) 工业以太网、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 r n e t ) 工业以太网和 p r o f i n e t ( p r o f i b u s o n e t h e m e t ) 工业以太网。 ( 1 ) m o d b u s i d a 工业以太网 塑= ! 堕丝 i d a ( i n t e r f a c ef o rd i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ) 组织是由德国p h o e n i xc o n t a c t 公司 和法国s c h n e i d e r 电气公司等多家公司于2 0 0 0 年3 月联合成立的，该组织提出一 套基于e t h e r n e tt c p i p 用于分布式自动化的接口标准，利用这个接口标准，可以 建立基于e t h e m e t 和w e b 的分布式智能控制系统。i d a 组织开发的工业以太网的 主要定义是：协议、方法和用于节点间实时和管理通信的对象结构；为了实现不 同生产商设备问的对象交换，使用基于x m l 的对象描述和交换机制；通过定义一 个安全层，将大大增强网络的安全性；为了同步设备的时钟，定义了高精度同步 方法；定义了设备描述、i p 寻址和设备映象等方法，简化设备的安装和替换，实 现真正意义上的即插即用。 m o d b u s 协议原为美国m o d i c o n 公司于7 0 年代所发表的用于p l c 产品的通信 协议。由于其功能比较完善，很容易实现，适用于不少工业用户所需要的通信类 别，所以被许多系统供应商采纳，得到很广泛的应用，已成为事实上的工业通信 标准。早期的m o d b u s 协议似乎建立在t i a e i a 标准r s 2 3 2 f 和r s 4 8 5 串行链路 的基础上，近年来，随着m o d b u s 协议不断发展，已经将w e bs e r v e r 、e t h e m e t 和 t c p i p 等技术引入应用协议。 m o d b u st c p i p 基本上用简单方式将m o d b u s 帧嵌入t c p 帧，这是一种面向连 接的传送，它们需要响应。使用u d p 不需要响应，其差错检验通常在应用层完成。 上述请求响应技术很适用于m o d b u s 的主站从站特性，交换式e t h e m e t 为用户提 供确定性特性。在t c p 帧中使用开放的m o d b u s 可提供一种系统规模可伸缩的方 案，由1 0 个网络节点到1 0 0 个网络节点，无需采用多目的传送( m u l t i c a s t ) 技术。 从上面的叙述可以看出，m o d b u s 组织和i d a 集团都致力于建立基于e t h e m e t t c p i p 和w e b 互联网技术的分布式智能自动化系统，因此，合并后m o d b u si d a 工业以太网将会更加完善，管理级采用以太网t c p i p 标准，它由目前流行的商用 以太网集线器、交换机和收发器等构成，可完成用户各种管理功能；控制级包括 p l c 、i p c 、分布式i o 、人机界面、电机速度控制器和网关等，采用m o d b u st c p i p 协议，完成各种控制功能：现场级可采用基于m o d h u s 协议或e t h e m e t 协议的各类 设备和装备6 ；嵌入式w e b 服务是系统核心技术之一使用标准的i n t e r n e t 浏 览器就可以读取设备的各类信息、修改设备的配置和查看历史故障记录。同时， 集成式w e b 服务器可完成系统设备的诊断功能。 ( 2 ) e t h e m e t i p 工业以太网 1 9 9 8 年初，c o n t r o l n e t 国际组织( c o n t r o l n e t i n t e r n a t i o n a l ，c i ) 开发了由c o n t r o l n e t 和d e v i c en e t 共享的、开放的和被广泛接受的应用层规范，上述两种网络都是 基于e t h e m e t 的。利用这种技术，c i 、工业以太网协会( t h ei n d u s t r i a le t h e r n e t a s s o c i a t i o n ，i e a ) 和开放的d e v i c en e t 供应商协会( o p e nd e v i c en e tv e n d o r 第一章绪论 a s s o c i a t i o n ，o d v a ) 于2 0 0 0 年3 月发表了e t h e m e t i p ，打算将这个基于e t h e m e t 的应用层协议作为工业自动化标准。 以太网协议( e t h e m e t i p ) 是一种开放的工业网络标准，它支持显性和隐性报 文，并且使用目前流行的商用以太网芯片和物理媒体。e t h e m e t i p 网络使用有源星 形拓扑结构，一组装置点对点地连接到交换机。星形拓扑的优点是支持i o m b p s 和l o o m b p s 的产品，可以将1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 产品混合使用。星形拓扑接线简 便，很容易查找故障，维护也简单等。 e t h e r n e t ，i p 是一种开放协议，它使用现有的成熟技术： i e e e8 0 2 3 物理和数据链路协议； e t h e m e tt c p i p 协议组： 控制和信息执议( c i p ) ，它提供实时的i o 报文和信息，以及对等层通信报 文。 e t h e r n e t i p 成功之处在于t c p u d p i p 之上附加c i p 。提供一个公共的应用层， c i p 的控制部分用于实时i o 报文或隐性报文。c i p 的信息部分用于报文交换，也 称作显示报文。c o n t r o ln e t 、d e v i c en e t 和e t h e m e t i p 都使用该协议通信，三种网 络分享相同的对象库，对象和装置行规( d e v i c ep r o f i l e ) 使得多个供应商的装置能 在上述三种网络中实现即插即用。e t h e m e t i p 能够用于处理多达每个包1 5 0 0 个字 节的大批量数据，它以可预报方式管理大批量数据。目前。e t h e m e t 网络技术正在 快速发展，成本在迅速下降，因而e t h e m e v i p 得到了越来越广泛的应用。 ( 3 ) f f h s e 工业以太网 1 9 9 8 年，美国现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，f f ) 决定采用高速以太 网( h i g hs p e e de t h e m e t ，h s e ) 技术开发h 2 现场总线，作为现场总线控制系统 控制级以上通信网络的主干网，控制级以下仍使用解决了两线制供电的h l 现场总 线，从而构成了信息集成开放的体系结构。 现场级网络h l 以3 1 2 5 k b p s 速度工作，支持过程控制应用。h s e 网络遵循标 准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功 能可以在标准的e t h e m e t 结构框架内无缝地进行操作，因而f f h s e 可以使用当前 流行的商用( c o t s ) 以太网设备。l o o m b p s 以太网拓扑采用交换机构成星形连接， 这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。h s e 使用标准的 i e e e8 0 2 3 信号传输、标准的e t h e r n e t 接线和通信媒体。设备与交换机之间距离， 使用双绞线为1 0 0 m ，使用全双工光缆则可达2 0 0 0 m 。h s e 支持冗余通信，如果一 条线路断开，则数据流将立即移至后备线路传送。采用冗余的交换机和连接装置 可以实现网络的冗余与容错，h s e 上的任何设备都能作冗余配置。 其协议规范己被国际电工委员会接受，成为i e c 6 1 1 5 9 国际标准。f f h s e 的l 4 层由现有的以太网、t c p i p 和i e e e 标准所定义，h s e 和h 1 使用同样的用户层， 现场总线信息规范( f m s ) 在h 1 中定义了服务接口，现场设备访问代理( f d a ) 为h s e 提供接口。用户层规定功能模块、设备描述、功能文件以及系统管理。 f f 规范了2 1 种功能模块供基本且先进的过程控制使用，这些功能模块驻留在 连至h s e 网络的现场设备中，仅需组态并予以链接。f f 还规定了新的柔性功能模 块( f f b ) ，用以进行复杂的批处理和混合控制应用。f f b 支持数据采集的监控、 子系统接口、事件顺序、多路数据采集、p l c 和与其他协议通信的网间连接器。 h s e 工业以太网为连续的过程工业和断续的制造工业所需的连续实时控制提 供了各种解决方案。它也为各类传感器、连续与断续自动控制系统、监控和批量 系统、资源规划系统以及信息管理系统的集成提供了一种标准的协议。 ( 4 ) p r o f i n e t 工业以太网 p n 0 ( p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 组织于2 0 0 1 年8 月发表的p r o f i n e t 规范 是用于p r o f i b u s 纵向集成、开发致的综合系统解决方案。p r o f i n e t 将工厂自动 化和企业信息管理技术有机地融为一体，同时又完全保留了p r o f i b u s 现有的开放 性。p r o f i n e i 特别重视有关保护投资的要求，以确保现有工厂的继续运行，同时 还要求现有的系统可以集成已经安装的系统。 p r o f i n e t 通信系统支持开放的、面向对象的通信这种通信建立在普遍使 用的e t h e r n e tt c p u d p i p 基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要求。 基于对象应用的d c o m 通信协议是通过该协议标准建立的。以对象的p d u 形式 表示的p r o f i n e t 组件根据对象协议交换其自动化数据自动化对象即c o m 对 象作为d c o m 协议定义的形式出现在通信总线上。连接对象活动控制( a c c o ) 确保了已组态的互相连接的设备件通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事 件控制的，a c c o 也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输、连接 的监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试和诊断。 p r o f i n e t 构成从i o 层直至协调管理层的基于组件的分布式自动化系统的 体系结构方案，p r o f i b u s 技术可以在整个系统中无缝地集成。p r o f i b u s 可以通过代 理服务器( p r o x y ) 很容易地实现与其他现场总线系统的集成。在该方案中，通过 代理服务器将通用的p r o f i b u s 网络连接到工业以太网，通过以太网t c p d p 访问 p r o f i b u s 设备是由p r o x y 使用远方程序调用和m i c r o s o f td c o m 进行处理的。代理 服务器是一种实现自动化对象功能的软件模块，该自动化对象既代表p r o f i b u s 用 户，又代表工业以太网上的其他p r o f i n e t 用户。 p r o f i n e t 通信协议使用i e e e8 0 2 1 标准、e t i i e m e tt c p u d p i p 协议、特定 的实时协议、c o m d c o m 组件模型、对象模型以及网络管理等技术。 综上所述，p r o f i n e t 规范将现有的p r o f i b u s 协议与微软的自动化对象模 第一章绪论 型c o m d c o m 标准、t c p i p 通信协议以及工控软件互操作规范o p c 技术等有机 地结合成一体。p r o f i n e t 试图实现所有的自动化装簧都是透明的、面向对象的 和全新的结构体系。 与其它控制网络相比，以太网的优势主要体现在以下几个方面7 ： ( 1 ) 以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络 得以统一。 ( 2 ) 设备成本下降，因为安装量的缘故，今后现场总线的成本也远远无法与 以太网相比。 ( 3 ) 用户拥有成本下降，几乎每家企业都有具备以太网维护能力的人员，无 需再专门学习一种控制网络。 ( 4 ) 以太网易于与i n t e m e t 集成。在与传统现场总线的对比测试中以太网显 示出的明显优势，使其能够完全胜任控制工程中对实时性、可靠性、抗干扰性的 商要求，以太网己被证明是未来控制网络的最佳解决方案。以太网是世界范围内 的网络标准，将以太网应用到现场设备的努力一直进行着，通过以太网形成真正 统的标准也成为广大用户的希望。故而采用已经是通用的国际标准e t h e m e t 、 t c p i p 等协议，并使其在工业领域成熟应用，易于被广大用户、集成商o e m 和 制造商接受。 以太网是目前应用最广泛的局域网技术，它具有开放性、低成本和广泛应用 的软硬件支持等明显优势。它最典型的应用形式是e t h e m e t + t c p i p 。它的底层是 e t h e m e t ，网络层和传输层采用国际公认的t c p i p 。 在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，它能满足如下的要 求： ( 1 ) 充分考虑今后的发展需要，具有高传输速率，目前到1 0 g b p s ； ( 2 ) 高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性l ( 3 ) 几乎不需考虑网络的拓扑结构； ( 4 ) 传输物理介质：双绞线、光纤、同轴电缆： ( 5 ) 集线器的应用可不需考虑网络的扩展： ( 6 ) 建立一种标准：一个新的工控总线标准： ( 7 ) 与i t 连接，“世界标准”的t c p i p 技术的应用； ( 8 ) 在整个网络中的随机网络存取技术； ( 9 ) 低成本、高性能面向未来的开发。 虽然以太网采用的是c s m a c d ，一般认为这种协议不能满足控制系统的实时 性要求。但1 0 0 m b s 的以太网已开始广泛应用，千兆以太网产品也已出现。而且 以太网交换技术的出现，通过全双工交换技术，可以完全避免c s m m c d 中的碰 第一章绪论 撞，并且可以方便地实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好的实时 性能。 在工业控制现场，能否将以太网用于网络控制系统的底层完全替代现场总线， 目前还处于研究和讨论阶段。普通以太网向下延伸到工业现场，面临一系列的技 术难题，如确定性、实时性、安全性、抗干扰能力，还有现场设备的供电问题、 网线的物理性能的提高等。 研究方向应在尽可能地保留原有协议的基础上，加入实时性控制措施。工业 以太网是当前工业控制领域新的研究热点。尽管它现在还有许多不成熟的地方， 但它巨大的应用前景吸引着众多研究机构和公司进行研究探索。我国在现场总线 的研究方面落后于国际水平，对工业以太网的研究可以使我们与国际工业控制的 研究方向接轨。当工业以太网的国际标准形成的时候，我们就可以迅速推出自己 的产品，提高我国工业控制总线产品的整体水平。 1 3 课题的背景和任务 一直以来，我国国内都没有制定过现场总线的标准，同时，国内控制网络的 发展与国外有着很大差距。但正因为我国对总线之争未付出太大的代价，当前也 没有一种现场总线在中国占压倒性的优势，所以，跟踪并采用国际先进的技术可 以发挥后发优势，迅速缩短与发达国家的差距，并且采用开放的、无知识产权限 制的以太网技术，可以节约资金、减少技术的依赖性，有利于自主知识产权技术 的开发，为中国参与国际技术竞争创造良好的条件。基于此背景，我们提出了本 课题的研究：基于以太网的工业网络控制系统研究。 尽管基于以太网的控制系统具备诸多优点，但作为传统上面向商业用途的局 域网络，以太网的应用仍受到来自自动控制领域的多方质疑，其理由主要集中在 以太网的不确定性和实时性能欠佳等问题上，因为这将直接影响网络控制系统的 稳定性及能否满足工业控制网络的要求等。然而，由予快速以太网和交换式以太 网技术的发展，给解决以太网的不确定性问题带来了新的契机，而全双工交换式 以太网的诞生意味着以太网有条件成为确定性的网络。另外，通过结构化的网络 设计、使用智能集线器、实施主动切换、对数据传输引入优先权等手段也可以基 本解决以太网的上述问题。对这些问题的研究就是本课题的主要任务。本课题的 基本目标是设计一个基于i n t e m e t 的工业以太网远程监控系统。 第二章下业以太网关键技术研究 第二章工业以太网关键技术研究 以太网具有传输速度高、低耗、易安装和兼容性好等优点，由于它支持几乎 所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。传统以太网采用总线式拓 扑结构和多路存取载波侦听碰撞检测( c s m a c d ) 通讯方式，在实时性要求较 高的情况下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定 性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2 3 0 m s 之间，这是影 响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。本章将对此以及其它工业 以太网中的关键技术进行研究。 2 1通信的确定性 2 1 1 “不确定性”产生的原因 以太网通信响应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的主要障碍之一。 以太网采用的介质访问控制方法是多路存取载波侦听碰撞检测( c s m a c d ) 通 讯方式，它的基本工作原理简单说可以被描述为“先监听再行动的工作方式”， 即：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则 将立即发送；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发 送的报文将发生冲突。因此每个节点在发送时，还必须继续监听网络。当检测到 两个或更多个报文之间出现碰撞时，节点立即停止发送，井等待一段随机长度的 时间后重新发送。 该随机时间将由标准二进制指数补偿算法确定。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l o 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 器返回失败信息6 。 在网络负荷较高时，以太网上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它极大地 影响了以太网的数据吞吐量和传输延时，并导致以太网实际性能下降。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。也 就是说，以太网的这种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 应的“不确定性”。 这种机制比较适合信息吞吐量不大、但对传输实时性要求不高的场合( 如办 公自动化) 。而对于工业现场控制网络，以太网的这种“不确定性”会导致系统 控制性能的下降，更有甚者，这种“不确定性”还会使现场报警信息不能及时发 送出去而导致事故的发生。 举例说，a 和b 是连接在同一网段上的两个设备，其中a 设备为变送器，b 设备为执行机构，由于网络碰撞，a 设备的测量数据从a 转换完成到发送出去、 并准确到达b 设备所需的时间或长或短( 展坏的情况下，a 节点由于连续检测 到碰撞而丢弃该数据) ，即传输延时不确定；另一方面，由于控制算法中的采样 时间等控制参数是不可能频繁修改的，因此如果测量数据不能及时在控制信号中 得到反映，会使得系统控制效果不稳定，甚至会引起系统紊乱。 由于上述原因，以太网以前没有能够在实时性要求较高的现场测控设备通信 领域得到广泛应用。 2 1 2 “不确定性”的避免措旋 众所周知，以太网( e t h e m e t ) 最初是在1 9 7 3 年由d rr o b e r tm e t c a c f e 领导 的小组在x e r o xp a l o a l t or e s e a r c hp a r k 研制出来的。它最早应用于微型计算机系 统商业网络终端。1 9 8 3 年出版的i e e e 8 0 2 3 标准是对d l xe t h e m e t2 0 版本修改 和提高，它和1 9 8 5 年发布的i s 0 8 0 2 3 标准是相同的。初期以太网的拓扑结构是 总线型的，传输介质为粗细同轴电缆。挂接在1 0 b a s e 5 ( 粗同轴电缆) 或1 0 b a s e 2 ( 细同轴电缆) 上的所有以太网设备共享同一个逻辑传输介质。 当网络负荷较大时，以太网上的报文碰撞就比较频繁。大大影响了网络的吞 吐量和传输延时，并使网络性能大大降低。 为解决这个问题，人们通过仔细设计，采用网桥或路由器等设备将网络分割 成多个网段( s e g m e n t ) 。在每个网段上，以一个多口集线器为中心，将若干个设 餐或节点连接起来，这种方式即构成了星型拓扑结构。挂接在同一网段上的所有 设备形成一个冲突域( c o l l i s i o nd o m a i n s ) ，每个冲突域均采用c s m a c d 机制来 管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷大大减小，因此冲突 很少发生或几乎不发生。 这种以集线器为中心的星型网络拓扑结构，是以太阚技术发展中的一大进 步。它的特点是：在基于以太网的系统中，同一时刻可以实现多通道通信，因此 网络性能得到了大大提高。 到了二十世纪九十年代，随着快速以太网技术和产品的发展，以太网交换技 术和产品的发展更是迅速，应用也非常广泛。如今，交换式千兆以太网被广泛接 受和使用。 交换式以太网系统中的交换式集线器，也称以太网交换机。它与由传统集线 器( 即共享式集线器) 构成的以太网系统相比，虽然两者在形式上均属于星型结 构，但它们有着本质的区别。由于共享式集线器的结构和功能仅仅是一种物理层 第二章工业以太网关键技术研究 中继器，因此在逻辑上仍旧可以认为是具有多个连接点的公共总线，如图2 一l 所 示。 飞瓣 ( a ) 物翻睫接( b ) | 埔u t 接 图2 - 1 共享式集线器的物理和逻辑连接 也就是说，逻辑上，连接到公共总线上的各节点遵循着c s m a c d 介质访问 控制方式进行发送和接收报文，因此仍然可能发生碰撞。一般来说，交换式集线 器可以认为是一个受控制的多端口开关矩阵，如图2 2 所示。 5 辱321 一， 、 ，、， 拉伽翊晴霉 卜 图2 - 2 以太网交换机工作原理 一个具有5 个端口的物理交换机，2 个不同端口之问看似具有一个逻辑开关， 该开关受控接通或断开，这样，在交换机上可以存在2 0 个逻辑开关，控制着2 0 个数据通道，每个数据通道在实际上反映了一个端口发送帧和另一个端口接收帧 的逻辑现象。显然，正常工作时，1 个端口同时不能向1 个以上端口发送帧( 广 播或组播除外) ，1 个通道上也不可能同时进行双向的数据传输( 全双工数据传 输除外) 。从逻辑机理图上也可以看到，各端口的信息流是被隔离的，两端口之 间的通信通道经建立，就可以交互。 由此可见，在以太网交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个 冲突域通过交换枫进幸亍隔离，实现了系统中冲突域的连接和数据帧的交换，这样， 交换机各端口之间同时可以形成多个数据通道，正在工作的端口上的信息流不会 在其他端口上广播，端口之间报文帧的输入和输出已不再受到c s m a c d 介质访 问控制协议的约束。 第二章工业以太网关键技术研究 然而，在交换式以太网中，虽然交换机本身工作时已不受c s m a c d 的约束， 但节点到交换机或两个交换机之间如果还是采用传统的半双工传输方式的话，那 么这些网段上不管是采用双绞线还是光缆。仍要受到c s m a c d 介质访问控制方 式的约束，如图2 - 3 所示其结果是，在理论上这些网段还会存在由于碰撞而引 起的通信延时不确定性”伸。 冲吏i t 圈2