（电路与系统专业论文）异构网络可编程设备互操作技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 由于在不同工业领域总线技术的竞争，形成了不同总线标准并存的局面，实现各种 总线之间的设备互联和互操作成为了系统集成技术急需解决的问题，因此对异构网络可 编程设备互操作技术进行研究具有着重要的意义。 在研究了多种控制网络通信协议、设备资源和变量定义的基础上，提出了一种基于 x m l 的设备通信描述技术。研究了基于描述技术的网络通信的工作原理、实现方法和 执行机制，给出了现场设备自动选择通信目标、配置通信接口、生成通信报文、处理通 信数据的描述文件和解析、执行方法，解决了异构网络设备间相互通信的问题。 研究了m c 6 1 1 3 1 标准的编程模型和通信模型，介绍了可编程控制器p e c 7 0 0 0 硬件 和软件系统，定义了控制器的存储区和变量寻址方法，给出了功能块定义和程序扫描执 行原理。给出了工业以太网和r s 4 8 5 网络管理和数据传输的通信模型，应用通信描述技 术实现了可编程控制器在异构网络中与其它设备的数据传输和互相操作。 开发了功能块组态软件p i _ cc o n f i g ，用于管理现场设备和组态编程。给出了软件 的系统结构，包括现场设备管理模块、可视化组态模块、现场设备监控模块、信息报告 模块、文件管理模块、通信服务模块等。实现了对网络上所有设备的资源配置、管理和 组态，使网络设备成为一个有机的整体，协同工作，共同完成控制任务。 给出了可编程控制器在异构网络中与不同协议设备之间互操作的应用方案，并在工 程实际中得到了应用和验证。通过描述技术解决异构网络中设备互操作问题，可以减少 应用程序开发工作量、降低应用难度、提高项目开发效率。 关键词：互操作；异构网络；功能块；可编程 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ei n t e r o p e r a t i o nt e c h n o l o g yo fp r o g r a m m a b l ed e v i c e si n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s a b s t r a g t s i n c et h ee o m p e t i o no ff i e l d b u si nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d s d i f f e r e n tf i e l d b u ss t a n d a r s e x i s ta n dr e a l i z et h ei n t e r c o n n e c ta n di n t e r o p e r a b i l i t yo fd e v i c e sw i t hv a r i o u sf i e l d b u s s t a n d a r sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e mi nt h es y s t e mi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e r e f o r et h e r e s e a r c ho nt h e i n t e r o p e r a t i o nt e c h n o l o g yo fp r o g r a m m a b l ed e v i c e s i n h e t e r o g e n e o u s n e t w o r k si so fg r e a tv a l u e b a s e do nt h es t u d i n go fv a r i o u sc o n t r o ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d e v i c e r e s o u r c e sa n dv a i l a b l ed e f i n i t i o n , ak i n do fc o m m u n i c a t i o nd e s c r i p t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n x m li sp r o p o s e d t h ew o r kp r i n c i p i u m ，r e a l i z a t i o na n di m p l e m e n t a t i o nb a s e do nd e s c r i p t i o n t e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e d t h ed e s c r i p t i o nf i l ea n di m p l e m e n t a t i o nf u n c t i o n , w h i c hc a nm a k e t h ed e v i c e ss e l e c tc o m m u n i c a t i o nt a r g e t ，c o n f i g u r ei n t e r f a c e ，b u i l dm e s s a g ea n dp r o c e s sd a t a a u t o m a t i c a l l ya n ds o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m so fd e v i c e si nh e g e r o g e n e o u sn e t w o r k s m a k ear e s e a r c ho nt h ef u n c t i o nb l o c kc o n f i g u r a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei n i e c 6 1 1 3 1 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m so fp e c 7 0 0 0a r ei n t r o d u c e d n ed e f i n i t i o n a d d r e s s a b l es t o r a g e ，v a r i a b l em e t h o d s ，f u n c t i o nb l o c kd e f i n i t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f p r o g r a m sa r eg i v e n t h ei n d u s t r i a le t h e m e ta n dr s 4 8 5n e t w o r km a n a g e m e n ta n dd a t a t r a n s m i s s i o nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea r e g i v e n r e a l i z et h ed a t at r a n s m i s s i o na n d i n t e r o p e r a b i l i t yo fp r o g r a m m a b l ed e v i c e si nh e t e r o g e n e o u s af u n c t i o nb l o c kc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r en a m e dp l c _ c o n f i gf o rt h em a n a g e m e n ta n d c o n f i g u r a t i o no ff i e l dd e v i c e si sd e v e l o p e d t h ek e ym o d u l e so ft h i ss o f t w a r es y s t e m i n c l u d i n gd e v i c em a n a g e m e n tm o d u l e ，v i s i b l ec o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，d e v i c em o n i t o rm o d u l e ， i n f o r m a t i o nr e p o r tm o d u l e ，f i l em a n a g e m e n tm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em o d u l ea r e g i v e n m o r e o v e r ，t h i ss o f t w a r ec o u l dc o n f i g u r ea l lt h er e s o u r c e so ft h ec o n t r o l l e r sa n dm a k e s d e v i c e si nt h en e t w o r k sc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e re f f e c t i v e l y a t y p i c a la p p f i c a t i o ns c h e m eo fi n t e r o p e r a t i o nb e t w e e np r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra n d o t h e rd e v i c e sw i t hd i f f e r e n tp r o t o c o l si s g i v e na n da p p l i e dt op r a c t i c a lp r o j e c t s t h e d e s c r i p t i o nt e c h n o l o g yc o u l ds o l v et h ei n e r o p e r a t i o np r o b l e m so fd e v i c e si nh e t e r o g e n e o u s a n dc o u l dr e d u c ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tw o r k l o a d ，r e d u c ea p p l i c a t i o nd i f f i c u l ta n de n h a n c e p r o j e c td e v e l o p m e n te f f i c i e n c y k e yw o r d s ：i n t e r o p e r a t i o n ；h e t e r o g e n e o u s ；f u n c t i o nb l o c k ；p r o g r a m m a b l e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丕捶纽日期：冱 ! ! z ! 丛 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：邀益歪：。 导师签名： 必牛年n 月日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 在工业控制网络系统中，现场总线技术应用越来越广泛，而网络设备通常是可编程 控制器。考虑到特定的应用需要和成本因素，在同一个控制网络中，用户可能采用来自 不同厂家的设备，也有可能采用不同的网络通讯技术，这就导致了异构网络可编程设备 的互操作问题。异构网络控制系统作为嵌入式系统，与普通信息领域相比，对互操作有 着不同的诠释和实现手段。本章首先介绍工业控制网络的应用现状、异构网络化控制系 统的概念、网络互操作的概念以及可编程设备的状况和发展趋势，然后介绍了网络互操 作技术研究的现状和存在的问题，并说明了异构网络可编程设备互操作技术研究的意 义，最后阐明了本文的主要研究内容及章节的安排。 1 1 工业控制网络的应用现状 自2 0 世纪5 0 年代初，计算机进入过程控制领域以来，计算机控制系统经历了直接 数字控制( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 系统、集散式控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 、现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) 的发展历程，表明了计算机、 通信，控制技术的交叉发展、集中应用正使得工业控制朝着系统集成化、控制分散化、 节点智能化、结构网络化的方向发展1 u 。 网络化控制系统( n c s ，n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ) 是指传感器、控制器和执行器等部 件通过数据网络构成闭环回路的反馈控制系统【2 j ，是一种系统部件高度分散、采用异步 运行模式，通过有线或无线连接进行通信的分布式实时控制系统。 工业控制网络是以具有通讯能力的控制部件和测试仪表为网络节点，将其连接成开 放式、数字化、多节点通信并完成测量和控制任务的网络化系统。系统可靠、协议简 单实用、网络结构分散、数据传输量小、性价比高，节点具有高度实时性及智能性。 现场总线控制网络由于其网络化特征以及巨大的技术经济潜力，已经发展到现在的 1 0 0 多种，在工业控制网络中得到了广泛的应用【3 】。为了使现场总线技术标准化，2 0 0 0 年制定的i e c 6 1 1 5 8 标准定义了m c 6 1 1 5 8 技术报告( f fh 1 ) 、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 、w o r l d f i p 、i n t e r b u s 等8 种现场总线1 “。 可以看到，m c 6 1 1 5 8 并没有统一于一种总线标准，各种总线有各自的应用协议。 客户应用程序从数据源获取数据时，由于软硬件的不一致性，不同设备需要不同的驱 动程序，两个应用程序通常不能同时访问同一设备，导致了驱动程序的不一致性。所 以一种现场总线仅能在一定应用范围内发挥优势，并不适合所有的控制现场，在工业 控制系统中仍存在多种总线并存的现象，用户仍要面临现场总线的选择、集成以及不 异构网络可编程设备互操作技术研究 同协议系统之间的信息交互问题。因此，在今后一段时间内，实现异构网络集成，利 用多种现场总线共同完成控制任务是现实而必要的。 1 2 异构网络化控制系统的概念 异构网络化控制系统是指网络体系结构或网络协议不同的网络化控制系统，其最终 目标是在统一的网络平台上实现控制系统之间的水平集成以及控制系统和信息系统的 垂直集成，使得控制信息能够纵向快速流动和横向实时交互。这对企业建立综合决策信 息库、实现生产控制过程的实时数据交互、保持数据的一致性和完整性、实现远程监控 诊断，加强企业内外部信息交流都有着重要的意义【5 】。 在设计异构网络化控制系统时也需要考虑多方面的因素。例如大量传感器、启动器、 驱动器、i o 部件、变送器、变换器、阀门等设备的接口转换；各类组态、监控、h m i 以及s c a d a 系统等软件的兼容性及扩展性；异构数据库管理系统之间互访、管理及实 时数据动态交换；异构现场总线互联的工程需要、设计规范、设计标准及协议变换方法； 异构控制系统实时性、可靠性、稳定性协调以及网络安全、扩展性和数据的有效隔离等 问题。 目前基于工业以太网的t c p i p 体系架构已逐渐为众多工业控制器厂商接受，工业 以太网本身的开放性及其在大多数应用领域中能够满足高传输速率、高可靠性、抗干扰、 实时确定传输、可扩展和维护、标准化和互操作等要求，并能够通过i n t e m e t 实现工业 生产过程和远程监控，使企业自动化系统能够在更大范围内实现跨部门、跨领域的集成。 另一方面现实的工业控制系统中，现场设备如传感器和执行器都是通过传统两线制的 r s 4 8 5 通讯方式与中央控制器或者现场h m i 进行连接，而目前的很多现场总线标准也 支持r s 4 8 5 通讯方式 6 1 。因此结合工业以太网和r s 4 8 5 的异构网络必然会成为网络化控 制系统实施的最佳选择，具备重大的经济意义。 1 3 网络互操作的概念 目前现场总线技术发展的一大趋势就是多种总线协议标准并存和共同发展，这就造 成了控制网络的构建过程中，很可能会出现一个网络中同时存在不同总线标准的数字化 仪器、仪表设备的情况。由于不同总线协议设备之间有共享数据和使用对方提供服务的 需要，而不同总线协议设备之间又存在多方面的差异，于是就产生了对互操作性的需求。 互操作性在不同的信息领域有着不同的定义。一个比较简单而被普遍接受的定义是 由i e e e 给出的： 定义l ：互操作性是指两个或多个系统能够交换并使用所交换信息的能力用。 大连理工大学硕士学位论文 在现场总线领域下，对互操作的定义更加具体化，而且各种总线协议对互操作性有 不同层次的理解和解释。这其中最具代表性的定义是由o p c 基金会给出的： 定义2 ：互操作是指能够在同一个工业系统或网络中操作来自不同制造商的设备而 不会对系统的功能造成任何损失嘲。 i e e e 的定义首先是说明互操作性是发生在多个系统网络之间的关系，其本质就是 从异构网络中可获得资源透明使用的能力。现场总线对互操作性的定义实际上是i e e e 定义的子集，对系统的通讯体系结构进行了限制。 由上述定义可以看出，现场总线的互操作包含两个方面的含义： ( 1 ) 设备的可互交换性，指来自不同厂商的设备在功能上可以用同一功能或同类设 备互换，而不影响设备的功能，也不牺牲控制系统的集成度。 ( 2 ) 设备的互操作性，指来自不同厂商的设备不仅可以相互通信，而且能够正确理 解所交换数据的含义，并能在不同的环境中协同工作，完成统一的控制功能【9 d 2 】。 1 4 可编程设备的状况和发展趋势 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , p c ) ，又称为可编程逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r , p l c ) 是一种新型的工业控制器，是以微处理器为核心的 工业生产自动化控制装置【1 3 】。国际电工委员会( i e c ) 对可编程控制器作了如下定义：“可 编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可 编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与运算等操作 指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程 控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统成为一个整体，易于扩充其功能 的原则而设计。”1 1 4 它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体， 专门为工业控制而设计，具有功能完善、通用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简 单、使用方便等优点，在工业上得到了越来越广泛的应用。 1 4 1 国外p l c 的状况 目前，世界上几个工业发达国家，如美国、德国、日本、英国、法国等都有凡十家 工厂上千种各类p l c 产品，p i c 在工业企业中应用已经相当普及，在多种自动化设备 中占据首位。美国a l l e n b r a d l e y ( a b ) 公司，德国西门子( s i e m e n s ) 公司，日本三菱 ( m r r s u b i s m ) 、欧姆龙( o m r o n ) 等公司都是国际上著名的p l c 生产厂商。其中a - b 公司的p i - g 5 系列，功能齐备的各种模块是通用的，处理器模块内集成有通信机制及多 种通信接口；西门子公司的s 7 - 4 0 0 系列大型p l c ，适宜于自动化生产和过程中做高级 控制用。三菱公司推出的a 系列p i c 是一种新型的带有智能接口的p l c ，具有控制多 异构网络可编程设备互操作技术研究 模拟量的p i d 回路调节功能，并具有很强的通信能力。总之，国外的这些p l c 产品体 现了当今p i , c 技术的最高水平1 1 4 1 。 1 ，4 2 国内p l c 的状况 国际上p l c 的发展经历了从研制、开发、生产到应用4 个阶段，而我国p l c 的发 展是从应用开始的，经历了从成套设备引进应用、p l c 产品引进应用、合资生产产品、 消化移植产品到p l c 产品广泛推广应用几个阶段【堋。我国在p l c 研制方面起步较晚， 加上整个国家工业化水平和工艺能力，特别是微电子技术，大规模、超大规模集成电路 的设计、生产能力，专用芯片的设计生产能力，与发达的工业国家有明显差距，因此我 国的p l c 技术也与先进国家存在一定的差距。目前我国自主研制开发的p l c 多为中小 型p l c ，功能、质量和可靠性等方面也有明显的提高。具有代表性的产品有南京嘉华 j h 2 0 0 系列、北京和利时h o l l i a s f i x 2 系列等，其中，和利时h o l l i a s p l c 系列p l c 的 数字量可达到1 0 2 4 点，模拟量啪可达2 5 6 点，内置t c p 口通信接口，配有 p r o f i b u s d p 现场总线主站及从站和远程i o 。尽管如此，国产p l c 的市场占有率仍 不超过1 0 ，也没有形成主流产品。 1 4 3p l c 的发展趋势 随着科学技术的进一步开展，现代的p ie 也将进一步往前发展，功能越来越多， 集成度越来越高，网络功能越来越强，从而也使得p l c 的应用领域不断扩展。总体来 讲，p l c 的发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 大型p l c 不断向高速度、大容量和多功能方向发展 大型p i , c 向高速度和多功能方向发展，是使之能取代工业控制微机的部分功能， 对大规模、复杂系统进行综合自动控制。存储容量的提高是为大规模系统的设计提供条 件，目前大型p l c 的存储容量是几百k b ，最高可达几m b 。 ( 2 ) p l c 向高性能微小型化方向发展 p l c 向微小型方向发展主要表现是向高性能、智能化、模块化、整体型发展。微小 型p i , c 的i o 点数一般在8 1 2 8 点数字量i o 以下，除了开关量i o 以外，还可以扩 展连续模拟量加及其他各种特殊功能模块。发展微小型p l c 是适应单机控制以及小型 自动化的需要，同时，也能更广泛地取代继电器控制。 ( 3 ) 产品更加规范化、标准化 用户促使生产厂家把p l c 做成兼容产品，至少p l c 的基本部件技术规格、输入输 出模块以及通信协议将规范化、标准化，且能互相兼容。在p l c 系统结构不断发展的 同时，编程软件也在不断发展。p i c 最常用的编程语言是梯形图语言。按照m c 6 1 3 1 3 大连理 大学硕士学位论文 国际标准程序设计语言，包括梯形图、顺序功能图表、功能块图表、结构化文本和指令 表等程序设计语言【培切。此外许多公司推出了多种高级语言( 如c 语言) 编程，未来的 p l c 编程工具和编程语言将规范化、标准化且互相兼容。 ( 4 ) 加强联网和通信功能 加强联网通信功能包括p l c 与计算机之间，不同p l c 之间，p l c 与现场总线之间 通信能力加强，是现代化工业生产的需要。p l c 网络发展趋势符合国际工业标准的开放 体系结构，具有高速、层次灵活、高可靠性、大吞吐量等特点，适应多网络兼容连接和 量级集成。通信性能方面，主要面向语e t h e m e t 技术和基于w e b 技术。 ( 5 ) 新型p l c - - 软p l c 随着i e c 6 1 1 3 1 3 标准的推广和开放式工业计算机系统的发展，使得p c 有可能替代 传统的p l c ，成为新型的p ic 一软p l c 。软p l c 是基于i p c 或e p c 的开放结构的控 制系统。它提供了与硬p l c 相同的功能，利用软件技术将标准的工业p c 转换成全功能 的p l c 过程控制器。软p l c 采用开放式结构，将p l c 软件开发工具与系统硬件分离， 解除了硬件设备对软件的制约，充分利用p c 机资源，提供了高速数据处理能力和强大 的网络功能。可以满足控制系统的开放性和柔和性的要求，将控制、通信功能融为一体， 具有广泛的发展前景。 1 5 网络互操作技术研究的现状和存在的问题 自2 0 世纪8 0 年代以来，出现了多种现场总线技术，各现场总线组织为解决互操作 问题提出了各自的解决方案，主要是利用设备描述技术解决同种总线协议设备互操作和 利用网关技术解决不同总线协议设备互操作。 1 5 1 现场总线基金会的互操作 f f 现场总线是由现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 组织开发的现场总线标准。 在f f 现场总线中，每个现场设备所使用的协议是一致的。在f f 的协议规范中，设备描 述只涉及到用户层的相关内容。因此在f f 现场总线系统中，现场设备互操作主要体现 在用户层。 f f 现场总线解决现场设备互操作的方案，最大的特点就是采用了基于“块”和设 备描述技术的完备定义的标准用户层。f f 为用户层应用定义了一系列的标准参数和标 准块作为标准集，允许用户和设备制造商根据自己的需要增加新的参数和功能块，或者 直接引用所定义的标准集。并采用规范的设备描述语言d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 对现场设备进行描述。描述内容包括用户层功能块的参数类型、名称以及设 备的制造商、标识等。 异构网络可编程设备互操作技术研究 设备描述是基金会现场总线为实现现场设备互操作性而提供的一个重要工具。设备 描述采用设备描述语言d d l 编写d d 设备描述文件。通过编译器d dt o k e n i z e r 对源文 件进行编译，生成目标文件。主机系统以f f 提供的d ds e r v i c e s 作为解释工具，对d d 目标文件进行解释，读取设备描述，实现对现场设备的组态和管理功能【1 s - m 。 1 5 2p r o f i b u s 现场总线的互操作 p r o f i b u s 是一种国际性的开放式的现场总线标准，即e n s 01 7 0 欧洲标准。p r o f i b u s 设备提供了总线上正常运行的完整信息。为执行正常的操作，需要把这些信息如应用功 能的类型、组态参数等完整地描述出来。同时为保证控制系统中设备之间正确的数据交 换，也需要完整地描述设备特定的参数和数据格式等信息。为此，p r o f i b u s 提供了保证 设备标准化管理的设备描述方案。 p r o f i b u s 设备的波特率、监控时间等通信特征采用g s d ( g e n e r a ls l a v ed a t a ) 文件已 定义好的数据格式进行描述。g s d 是一种可读的a s c i i 文本文件，包含了设备通过总 线进行通信的通用信息和特定信息，还包括设备的属性参数，应用组态参数等。通过关 键字，采用西门子的s i m a t i c 等组态工具可以从g s d 文件中读取设备标识、可调整参 数以及相应的数据类型等信息，以便对网络进行配置，对设备进行管理、组态。使用基 于g s d 的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在一个总线系统中【2 ”2 1 。 1 5 3d o v i t e n e t ，c o n t r o n e t e t h e r n e t i p 现场总线的互操作 d e v i c e n 吒c o n t r o l n e t 和e t h e m e t i p 公用部分是c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o n p r o t o c 0 1 ) 。这3 种现场总线设备间的互操作都是通过定义设备行规实现的。设备行规定 义了标准的设备模型，基于同一模型的设备必须支持共同的标识对象和通信状态数据。 设备行规的定义包含以下3 部分： ( 1 ) 设备的对象模型定义，即现场设备包含的所有对象的集合，包括标识( i d e n t i t y ) 对象、消息路由对象等。 ( 2 ) 设备i o 数据格式定义。 ( 3 ) 设备可组态参数以及这些参数公共接口的定义。 对象模型提供了组织和实现设备的属性( 数据) 、服务( 方法和过程) 的模板。标识对 象包括设备制造商标识、设备类型以及设备名称和状态等信息。i o 数据格式包含了 a s s e m b l y 对象，该对象将来自不同的应用对象的属性( 数据) 组织在一起，以便作为一个 消息进行传递。设备可组态参数以及访问参数的公共接口的定义存放在e d s ( e l e c t r o n i c d a t as h e e t ，电子数据表单) 文件中。 大连理工大学硕士学位论文 有关设备摇述的信息存放在e d s 的文件中，以供其它设备使用。e d s 是一种简单 的文件格式，描述了设备的特定信息。通过读取e d s 文件中针对该设备的描述，就可 以通过基于e d s 的组态工具对设备进行组态1 2 3 - 2 5 。 1 5 4 不同现场总线协议下的互操作 由于总线技术的共存、共发展的现状，造成了在控制系统的构建过程中，很可能会 出现在一个现场总线系统中需要实现不同总线协议下的信息共享与互操作的情况。因此 解决在不同总线协议之间的互操作的问题成为当务之急。网关( g a t e w a y ) 是解决这一问 题的一个直接而重要的手段。 在实现两种不同现场总线协议之间的互操作时，网关除了将两种总线不同的电气信 息进行隔离和转换外，还要匹配两种总线的数据传输速率，同时对不同的报文格式进行 转换，从而为不同总线上的设备提供透明的数据传输服务，并在需要的情况下对不同的 应用层服务进行翻译。网关灵活性强，可以根据不同程度的互操作需求采用不同的实现 原理和手段。 1 5 5 各种互操作解决方案所存在的问题 虽然现在各种现场总线的组织都在互操作方面做出了很大的努力，在同一种现场总 线标准下实现了互操作，但是目前对于基于不同总线标准的不同厂商所提供的设备，还 不能保证在异构网络上实现互操作。 网关技术虽然可以解决两种总线协议之间的互操作，但是面对多协议转换，目前还 很难实现，而且网关开发比较困难，要求研发人员对两种总线协议理解都非常透彻。这 些问题限制了网关的应用。 另外，由于现场总线设备大都是嵌入式可编成控制器，系统中可运用的资源( 包括 存储器资源，数据处理能力等) 有限，而且传统现场总线报文简短且传输速度低，使得 设备之间的可交换信息量较少。因此在这样有限的资源条件下，要实现现场总线互操作 的同时还要保证不影响原系统的正常工作，可以采用的手段较少，所能达到的互操作的 质量和程度有限。 1 6 异构网络可编程设备互操作技术研究的意义 自从上个世纪九十年代开始的在不同工业领域总线技术的竞争，形成了当今不同总 线标准并存的局面。这一局面限制了用户对总线产品的选择，同时也约束了总线技术的 发展，这使得实现各种总线之间的互联和互操作成为了当务之急。另一方面，在激烈的 现场总线技术竞争中存活下来的几个现场总线协议标准，都各自有其独特的用户群和针 异构网络可编程设备互操作技术研究 对其特殊需要的特色产品，人为地用一种协议来进行统一是不现实的 2 7 - 3 0 。因此，对各 现场总线标准之间互操作的研究就显得格外重要。 对于设备可编成技术的研究，我国还处于起步阶段。设计出具有自主知识产权且性 能良好的可编程控制器，对于打破国外技术垄断，发展我国工业将有着重要的意义。另 外，由于软p l c 克服了硬p l c 的一些缺点，有着硬p l c 不可比拟的优越性，因此研究 开发和推广应用软p l c 技术及其产品，将会带来巨大的经济效益。 对于异构网络可编程设备互操作技术的研究不仅有很高的学术价值，而且也有广泛 的实际意义。异构网络可编程设备互操作问题的解决，无论对于网络设备生产商还是使 用者而言，都有巨大的利益，主要表现在以下几个方面【硐： ( 1 ) 易于系统集成 网络设备互操作技术为来自不同总线协议标准、不同生产商的设备提供了即插即用 的能力，从而简化了系统的集成过程。用户在系统集成前不必进行严格而复杂的培训就 可以着手组建系统；在安装过程中不必对所使用的设备进行详细的研究并有针对性地开 发附加的访问接口和协议转换；安装完毕后不必进行复杂的调试和系统配置，就可以保 证系统中各个设备之间协同工作。 ( 2 ) 缩短系统集成时间，降低维护费用 现场总线互操作技术在简化系统集成过程的同时，也缩短了系统集成的时间。用户 可以在短时间内完成系统的构建工作，不仅能够因为系统的早日投产而提前获得效益， 而且可以缩短建设周期，为下一个系统的筹建争取时间。另一方面，现场总线互操作技 术所提供的即插即用的能力大大降低了对系统设备维护、更换和升级的复杂程度，从而 节省了昂贵的系统维护费用。 ( 3 ) 增加系统的开放性 现场总线互操作技术增加了系统的开放性和扩展性，在原有系统基础上扩建新系统 时，新增加的系统能够在不影响原有系统正常工作的条件下，和原有系统协同工作。这 样不仅充分利用了已有资源，而且不会因为废弃原有系统而造成浪费。随着工业以太网 技术的发展，以太阿现场总线成了大势所趋，互操作技术所提供的良好的开放性是以太 网接入现场的关键因素，并由此可获得远程诊断、调试等功能，甚至将自动化层面的信 息直接纳入企业管理的范畴。 ( 4 ) 解除用户对设备生产商的依赖性 各种总线设备之间的互操作性，解除了用户对某个制造商的依赖。用户在选择总线 设备时，可以不考虑所选设备与现有设备的兼容和互操作的问题，而是根据具体应用需 要，选择价格、品质最合适的设备，提高系统的系能。与此同时，这种互操作性也消除 大连理工大学硕士学位论文 了设备生产商对市场的垄断，使得各个生产商之间的竞争更加激烈，促进技术的发展， 在提高产品性能的同时降低成本，最终也使得用户获利。 ( 5 ) 使第三方厂商有了发展空间 互操作性增强了应用的灵活性，更加易于实现用户化的控制应用，这使得第三方厂 商有了广阔的发展空间。第三方厂商可以针对具体应用中用户特定的控制需要，开发出 具备特定功能或特殊性质的产品，在保证与其它同类产品互操作的同时，满足用户化的 控制要求。 正是因为实现网络设备互操作可以获得以上这些技术优势和巨大的经济利益，所以 尽管在实现网络设备互操作过程中存在许多问题和困难，目前仍然有大量的研究实体在 从事这方面的研究。 1 7 本文研究的工作概要及章节安排 本论文在深入了解当前主要网络设备互操作技术和可编程技术后，提出了一种基于 x m l 的通信描述方案，在现有的硬件平台上实现了可编程控制器p e c 7 0 0 0 的软硬件编 程及调试，并将通信描述方案应用于其中。实现了p e c 7 0 0 0 在以太网和r s 4 8 5 两种总 线的异构网络中，与不同总线协议设备的互操作。论文的具体结构安排如下： 第一章是绪论。综述了工业控制网络和可编程设备的现状，介绍了异构网络化控制 系统的概念、网络互操作的概念，分析了目前网络设备互操作技术中的问题，在此基础 上阐明了本论文研究的意义，并概述了本文的主要内容和章节安排。 第二章是课题研究的相关技术介绍。介绍网关实现不同总线协议设备互操作的方 法，并讨论其优点、缺点和局限性。同时介绍了i e c 6 1 1 3 1 3 标准的可编程软件模型， 包括组态、程序组织单元、变量通信模型等。 第三章是基于x m l 的设备通信描述技术。针对网关技术的缺点与局限性，提出了 一种基于x m l 的设备通信描述技术，可使嵌入式设备根据描述内容自动寻找通信目标、 配置通信接口、生成和解析通信报文、处理通信数据，从而实现异构网络中设备的互操 作。介绍了描述技术的工作原理及实现方法，并给出了描述技术的执行方案。 第四章是异构网络可编程设备设计。介绍了可编程控制器的硬件资源、通信模型、 存储区设计、变量类型定义和寻址方法。重点介绍了功能块指令的设计、指令的执行方 法，用户程序的扫描原理，并详细介绍了可编程控制器实现通信描述技术的原理和方法。 第五章是网络可编程设备组态软件的设计与实现。介绍了组态软件的模块结构以及 各个模块的实现思想。 异构网络可编程设备互操作技术研究 第六章是可编程控制器在异构网络中的应用。介绍了p e c 0 0 0 可编程控制器组建 异构网络的典型应用方案，并结合一个现场应用实例，介绍了p e c 0 0 0 在实际工程中 的使用方法，验证了可编程设备在异构网络中与其它设备互操作的可行性和稳定性。 大连理工大学硕士学位论文 2 课题研究的相关技术介绍 在工业控制领域中，目前主要采用网关技术解决异构网络中设备的互操作问题。另 外，为了规范可编程序控制器的生产和应用，引导和促进p l c 产业的健康发展，国际 电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t c c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 制定了i e c 6 1 1 3 1 的可编程序 控制器国际标准。该标准是有关可编程序控制器的硬件、安装、试验、编程、通信等方 面的国际标准，由五个部分组成，其中，1 9 9 3 年3 月发布的i e c 6 1 1 3 1 3 是有关编程的 标准。本章将分别对网关技术和i e c 6 1 1 3 1 3 编程标准进行介绍。 2 1网关技术 自从上个世纪九十年代开始的在不同工业控制领域现场总线技术的竞争，形成了当 今多种现场总线标准并存的局面。由于总线技术的共存、同发展的现状，造成了在控制 系统的构建过程中，很可能会出现在一个现场总线系统中需要实现不同总线协议下的信 息共享与互操作的情况。不同现场总线协议之间存在很大的差别，在实现它们的互操作 时面临以下问题f 2 7 瑚】。 ( 1 ) 介质访问方式不同 不同的现场总线通信协议为了满足不同的控制特性和应用场合，采用了不同的介质 访问方式，例如有满足本质安全特性的i e c l l 5 8 2 协议，以太网现场总线通信协议和 r s 4 8 5 通信协议等，而且不同的介质访问方式具有不同的电气特性和信号逻辑等特征。 ( 2 ) 总线传输速率不同 不同的总线通信协议具有不同的总线传输速率，从i e c l l 5 8 2 协议的3 1 2 5 k b p s 到 以太网的l o o m b p s 或者更高，甚至同一种通信协议也有不同的通信速度，例如r s 4 8 5 的通信速度可以在1 2 m b p s 到9 6 k b p 。之间变化。 ( 3 ) 数据帧格式不同 不同现场总线通信协议的数据帧格式更是于差万别，除了起始位、停止位和校验位 等方面的不同外，数据帧所包含的用户数据的长度、内容和含义也可能完全不同。 ( 4 ) 不同的总线拓扑结构和通信机制 不同的总线协议有着不同的拓扑结构，设备之间可以是主从关系，也可以是对等关 系，而且通信机制也可能不同，可以是基于令牌的通信机制，或者是基于载波侦听冲突 回避的通信机制。 在实现两种不同现场总线协议之间的互操作时，除了要将两种不同的电气信号进行 隔离和转换之外，还要匹配两种总线的数据传输速率，同时对不同的报文格式进行转换， 异构网络可编程设备互操作技术研究 从而为不同总线上的设备提供透明的数据传输服务，并在需要的情况下对不同的应用层 服务进行翻译。网关就是完成以上功能的现场设备。 由于目前网关的开发没有统一的规范和标准，为了合理而有效的开发满足不同互操 作需求的网关，根据网关实现互操作的原理和程度不同，将网关分为面向资源互操作的 网关和面向信息获取互操作的网关两种类型。以下将讨论这两种类型网关的工作原理和 它们的优缺点。 2 1 。1 面向资源互操作的网关 面向资源互操作的网关【2 9 】主要应用于实现两种同族现场总线协议之间的互连和互 操作，例如f f h i 与f f 高速以太网( h s e ) 之间，p r o f i b u s d p 与p r o f i n c t 之间等。 面向资源互操作的网关将它所连接的两种不同总线的各层协议都进行转换，包括应 用层数据和所涉及到的相关服务等，因此面向资源互操作的网关可以比较彻底地屏蔽总 线差异。不同总线上的设备之间除了可以传递现场f o 数据之外，还可以传递包括调试 诊断信息等在内更丰富的控制信息，从而可以实现更深层次的、面向资源的互操作。面 向资源互操作的嘲关的模型如图2 1 所示。网关所连接的两种总线中，其中一条作为主 总线( 例如总线b ) ，而另一条总线以子网的形式通过网关连接在主总线上( 例如总线a ) 。 网关在主总线上相当于一个普通设备，与主总线上的其它设备是对等的，可以互相通信； 网关在子网中相当于该网段上的一个主设备( 例如在f f 中是一个l a s ，在p r o f l b u s 中是一个一类主站) 完成子网中的令牌调度和对其它设备的管理等功能。 图2 1 面向资源互操作的网关模型 f i g 2 1 t h em o d e l o f g a t e w a y si n t e r o p e r a t l o nf o rr c s o u r