（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网的实时性研究及在现场测控中的应用.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：当星日期：o = ! ：羔型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毖导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 9 0 年代以来，以i n t e r n e t 为代表的计算机信息产业和数据通信网络蓬勃 兴起，发展迅速，同样也对工业自动化领域形成了强大的冲击，新型的工业 计算机网络如新型集散控制系统( d e s ) 、现场总线( f i e l d b u s ) 、工业以太网 ( i n d u s t r i a l e t h e r n e t ) 等大量涌现，给工业自动化带来一场深层次的革命 但现场总线的国际标准未能统一不同总线产品不能直接互连、互用和互可操 作，现场总线真正实现开放性任重而道远褚着技术的发展，企业要求工业网 络从现场设备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 础构架这时传统以太网逐渐进入了控制领域n 1 本文根据工业网络的要求，结合传统以太网技术，交换技术等，研究了工业以太网 的现场应用、网络管理和系统设计等技术问题，分析了工业以太网的冗余设计，提出了 理想的工业以太网理想解决方案。 本文的主要内容包括： 1 ：系统介绍了工业网络历史发展和研究现状，对工业以太网和d c s 、现场总 线进行了比较 j 2 ：介绍了工业以太网的历史发展和背景知识，指出了工业以太网所具有的 优势、存在的问题及本文的研究方向 3 ：针对传统以太网的不确定性，研究了工业以太网的实时性实现机制。我 们结合现有技术，采用全双工交换式以太网、虚拟局域网，i p v 6 等技术提 高工业以太网实时性的方法和途径。 4 ：研究了工业以太网的系统设计，提出了理想的工业以太网解决方案，并 指出未来一段时间内的发展方向一混合型系统分析了工业以太网的核心 层和分布层的冗余设计，并给出各种冗余设计方案 5 ：系统的介绍了工业以太网在现场测控中的一个应用实例，通过软硬件的 设计方案，采用混合型系统，顺利的实现了对工业现场的数据采集 最后对全文进行了概括性的总结，分析了工业以太网以其开放的特性和 结构化的设计及应用前景：尽管而目前仍有很多关键技术有待解决，但太网 的迅速应用不可阻挡，并产生良好的经济效益 关键词：工业以太网：现场总线：系统设计：网络管理：冗余设计： - 3 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e r19 9 0 s ，i n f c i r m a t i o ni n d u s t r ya n dd a t at r a f i cn e t w o r kh a v e g r e a t l y m u s h r o o m e da n di n f l u e n c e di n d u s t r i a la u t o m a t i o n n e wt y p ei n d u s t r i a l n e t w o r k ss u c ha sd c s ，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 th a v eb r o u g h ta h i g h - l e v e lr e v o l u t i o ni ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n h o w e v e rb e c a u s eo ft h ed i s u n i o n o ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s o ff i e l d b u sa n di n d i r e c ti n t e r c o n n e c t i o na n d i n t e r o p e r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tk i n d so ff i e l d b u sp r o d u c t s ，t h eo p e n n e s so f f i e l d b u sc a nn o tb ea c h i e v e de a s i l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ea b i l i t yo fs e a m l e s si n t e g r a t i o nb e t w e e nm a n a g e m e n tl a y e ra n d f i e l dc o n t r o ll a y e ri sr e q u i r e da sw e l la sa no p e ni n f r a s t r u c t u r e b ye n t e r p r i s e s a n dc o n s u m e r s t r a d i t i o n a le t h e r n e th a sg r a d u a l l ye n t e r e dt h ei n d u s t r i a lc o n t r o l f i e l di nt h es a m et i m e a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a ln e t w o r k ，t h es c h e d u l i n go f r e a l t i m et r a f i c ，n e t w o r km a n a g e m e n t ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dt e s tm e t h o do f i n d u s t r i a le t h e r n e tw e r ed i s c u s s e dc o m b i n i n gt r a d i t i o n a le t h e r n e tt e c h n o l o g y ca n d s w i t c h i n gt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s w e a n a l y z e d t h e a n a l y z e d t h e r e d u n d a n c yd e s i g na n dp r o v i d e dt h ei d e a ls y s t e md e s i g no fi n d u s t r i a le t h e r n e t t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ： l ：f i r s t l y ，w em a k ea no v e r v i e wt h eh i s t o r ya n dt h el a t e s ta c h i e v e m e n to f i n d u s t r i a ln e t w o r ka n dc o m p a r ei n d u s t r i a le t h e r n e tw i t hd c sa n df i e l d b u s 2 ：i n t r o d u c e dt h eh i s t o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le t h e r n e t w em a k e ad i s c u s s i o no na d v a n t a g e sa n dp r o b l e m so fi n d u s t r i a le t h e r n e ta n dp o i n t e d o u tt h ed i r e c t i o no fr e s e a r c hf o rt h i st h e s i s 3 t ot h en o n d e t e r m i n i s t i co ft r a d i t i o n a le t h e r n e t ，w es t u d i e dt h et e c h n o l o g i e s s u c ha sf u l l d u p l e xs w i t c h e de t h e r n e tn e t w o r k ，v l a n ，a n di p v 6t e c h n o l o g yi n d e t a i l ，w h i c ha r eu s e dt or e a l i z et h ea b i l i t yo fr e a l - t i m eo fi n d u s t r i a le t h e r n e t 4 ：w ed i s c u s s e dt h ep a t e r nd e s i g no fi n d u s t r i a l e t h e r n e t ，p r o v i d e dt h ei d e a l s y s t e md e s i g no fi n d u s t r i a le t h e r n e ta n dp o i n t e do u tt h en e wd i r e c t i o n - h y b r i d 4 山东大学硕士学位论文 s y s t e mo fi n d u s t r i a le t h e r n e ti nt h ef u t u r e a n da n a l y z e dt h er e d u n d a n c yd e s i g n o ft h ec o r el a y e ra n dt h ed i s t r i b u t i n gl a y e ro fi n d u s t r i a le t h e r n e t 5 ：l a s t l y ，w es t u d i e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe t h e r n e ti n d e p t ha n dd e s i g n e d s p e c i f i ce x a m p l eo fn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ；t h e nw ee m u l a t e dt h ee x a m p l eo n s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n da n a l y z e dt h er e s u l t so fe m u l a t i o ni nd e t a i l f i n a l l y ，w e d r e wac o n c l u s i o na n d p r o p o s e t h ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n s w eb e l i e v et h a ti n d u s t r i a le t h e r n e tw i l lh a v eab r i g h tf u t u r eo f a p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d t h e r ea r es t i l ls o m ek e yp r o b l e m sn e e d e d t or e s o l v e p o s i t i v e s t u d yw o u l db eh e l p f u lt op u s hi n d u s t r i a le t h e r n e tf o r w a r d i na p p l i c a t i o n k e y w o r d ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ；f i e l db u s ；s y s t e md e s i g n ；n e t w o r km a n a g e m e n t ； r e d u n d a n c yd e s i g n ； 山东大学硕士学位论文 第一章：概述 1 1 课题的提出 9 0 年代以来，以i n t e r n e t 为代表的计算机信息产业和数据通信网络 蓬勃兴起，发展迅速，对工业自动化领域形成了强大的冲击，新型的工业计 算机网络如新型集散控制系统( d c s ) 、现场总线( f i e l d b u s ) ，工业以太网 ( i n d u s t r i a le t h e r n e t ) 等大量涌现：信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工 厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世 界各地的市场“1 信息技术的飞速发展，导致了自动化系统结构的变革，逐 步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统在追求控制系统的 整体性能提升的同时，对其重要的支撑系统- - i 业网络系统的研究和改进从 来没有停止过当前，在企业网络不同层次间传送数据信息已经变得越来越 复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求，这也使 得工业网络向体系结构开放性的方向发展“钉 开放系统应具备如下的特征， 1 标准化：与国际有关的程序设计、通信、网络管理、界面表示、系统接口 等标准兼容，符合开放系统互联协议： 2 可移植性：各种平台的应用程序可以移植： 3 可伸缩性：系统规模、功能具有伸缩性： 4 ) 可互操作性：系统的设计和实现不依赖特定的供应商的设备、计算机 硬件与软件平台。 现代工业控制领域中，由于控制对象多回路性、仪器设备分散性、监 控实时性以及数据管理集中性等特点，传统的分散性控制显然已经满足不了 工业控制中的诸多要求。工业控制内在地需要一种分布式实时控制系统来实 现控制任务，网络控制系统正是在这种背景之下产生的1 所谓网络控制系 统( n c s n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m ) ，即网络化的控制系统，又称为控制网 络d c s 、现场总线系统和工业以太网都属于网络控制系统，它体现了控制 系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势，网络控制系统成 山东大学硕士学位论文 为控制界研究的热点目前网络控制系统的作用不仅是满足企业不同层次信 息交换的需求，更是生产及制造过程的关键支撑系统，但非开放性和不兼容 性是网络控制发展过程中一直面临的问题。在工业自动化领域，为了满足对 特定工业过程的实时控制和安全的要求，不能将商用网络的技术和设备直接 应用于工业环境：同时，由于缺乏统一的国际性标准，世界诸多生产商为了 抢占市场，都相对独立开发产品所以，无论是d c s 还是现场总线，都出现 各踞一方的局面，而来自不同生产商的产品之间无法兼容，系统费用踞高不 下。这无疑对工业自动化的发展和许多新技术的应用产生极大的阻碍幢 随着计算机网络技术的迅速发展和计算机价格的降低，人们迫切希望能通过 i n t e r n e t 来管理生产过程和与外界联系。随着计算机领域的局域通信逐步被 以太网垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太 网以太网被用于网络控制系统己成为一种趋势【 1 2 工业网络控制系统的发展情况 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 l d is t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 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。集散控制系统( d c s ) 从1 9 7 5 年问世以来， 大约有3 次比较大的变革，7 0 年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都 是专用的，由各d c s 厂家自己开发，没有动态流程图，通信网络基本上都是 轮询方式的：8 0 年代通信网络较多使用令牌方式：9 0 年代操作站出现了通用 系统，9 0 年代末通信网络有的部分遵循t c p i p 协议，有的开始采用以太网 2 0 多年来，管理要集中，控制要分散这一实际需要极大地推动了集散控 制系统的迅速发展集散控制系统是作为过程控制领域的一种工程化产品提 出来的，它已经广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统的主 流2 2 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 山东大学硕士学位论文 加适用于工业生产现场，新一代d c s 还迸一步做出一些改进，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富等等但是，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在一起，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 1 2 2现场总线控制系统( f c s ) 现场总线控制系统( f c s ) 为网络集成式全分布控制系统，其特点是控制 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。现场总 线的特点体现在以下几个方面。n 。1 1 现场通信网络：现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场仪表或现 场设备互连的现场通信网络，是c i p s c i m s ( 计算机集成过程系统计算机集 成制造系统) 的最底层： 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 互操作性：由于现场设备种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工 厂所需的全部现场设备在现场总线中允许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： 4 ) 分散功能块：f c s 把传统的集散控制系统( d c s ) 控制站的功能块分散地分配 给各现场仪表，从而构成虚拟控制站： 5 ) 通信线供电：允许现场仪表直接从通信线上摄取能量： 6 ) 开放式系统：现场总线为开放式互连网络，它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现场总线发展迅速，现在 处于群雄并起、百家争鸣的阶段目前国际上有四十多种现场总线，如 堪 山东大学硕士学位论文 i n t e r b u s ，b i t b u s ，d e v i c e n e t ，m o d b u s ，a r c e n t ，p - n e t ，f i p ，i s p 等，其 中最有影响力的有五种，分别为f f ，p r o f i b u s ，h a r t ，c a n 和l o n w o r k s ，如 表i - 1 所示 特征 f f p 6 b u 卅油盯 c a n 应用范围仪表p l c智能变送晷汽车 o s ! 网络层次i ，2 。3 。8l 。2 ，7i 2 7 i 。2 7 通信介质取绞线电缆、双绞线、光纤电源信号线取绞线，光纤 光纤无线等 介质访何方式 令牌、主从令牌圭从令牌，置询位仲裁 纠错方式 crccrcc r cc r c 几种现场总线性能对照表( 1 1 ) 然而就目前情况来看，现场总线技术的发展还存在诸多问题，最主要 的是没有一个统一的国际标准( 目前的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，包含了 8 种不同类型的现场总线，因此可以说没标准) ，并且由于支持各总线的集团“ 问的利益冲突等原因，近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于不同 现场总线的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互连非常困难? - 这使得f c s 的开放分散性和可互操作性等特点难以体现 1 2 3 工业以太网控制系统 工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由于系统细分成了独立的控制孤岛， 对驱动器和用户接口的需求越来越多分布式实时控制的前提及其确定性的 概念是一种网络技术，其性能至少要高于现行的现场总线这也就是为什么 传统的p l c 技术不能满足这一要求，现场总线技术也不能提供相关的性能 在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，它能满足如下的所 有要求( i 钉 1 】充分考虑今后的发展需要，具有高传输速率。目前到1 0 0 0 m b s ： 2 高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性： 3 几乎不需考虑网络的拓扑结构： - 9 - 山东大学硕士学位论文 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带碰撞检测的载波侦听多路访问协议 ( c s m a c d ) ，一般认为这种议不能满足控制系统的实时性要求但i o o m b s 的以太网己开始广泛应用，千兆以太网产品也己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 a c d 中的碰撞，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、网线的物理性能提高等总之以太网有其优势，也有其技术上的缺 陷它的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，由于快速以 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 山东大学硕士学位论文 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1 2第二章：工业以太网控制系统的应用协议和优缺点 2 1 工业以太网的相关协议分析 2 1 1 网络协议的体系结构 网络协议体系结构主要包括两方面的内容，一是网络协议的层次结构， 另一方面是各层的功能描述以太网是i e e e8 0 2 3 所支持的局域网标准 按照国际标准化组织开放系统互连参考模型( i s o o s i ) 的7 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它需要高层 协议的支持在制定了t c p i p 高层通信协议，并把以太网作为其数据链路 和物理层的协议之后，以太网就和t c p i p 紧密地捆绑在一起了以后， 由于国际互连网采用了以太网和t c p i p 协议，人们甚至把如超文本连接 h t t p 等t c p i p 协议族放在一起，俗称为以太网技术。工业生产现场存在大 量传感器、控制器，执行器等现场设备，它们通常相当零散的分布在较大范 围内，由它们构成的工业控制底层网络，单个节点的控制信息量不大，信息 传输的任务比较简单，但实时性、快速性要求较高所谓的工业以太网，即 是应用于工业控制领域的以太网技术工业以太网模型既要遵循开放系统集9 成的原则，又要考虑到满足实时性要求和工业控制网络的低成本，工业以太 网的网络协议模型与o s i 七层参考模型的比较如图2 - 1 所示： 工业以太网网络模型 网络协议模型比较( 2 1 ) ti e i e 8 0 2 3 参考 i 模型的范罔 山东大学硕士学位论文 2 1 2物理层和数据链路层 模型的物理层与数据链路层由i e e e 8 0 2 3 标准定义，i e e e 8 0 2 3 标准 及其子集如图2 - 2 所示物理层作为现场设备与通信传输媒体的连接提供机 械和电气接口，用于实现现场物理设备与总线之间的连接，在它上面的数据 链路层负责为网络提供设计良好的服务接口，确定如何将物理层的比特组成 帧，处理传输差错，调整帧的流速等，以确保物理层正确地工作 8 0 2 3c s l ，c d 8 0 2 3 ai o b a s e 2 细缆以太网 8 0 2 。3 c l 弧l b p s 中断器标准 8 0 2 瓢i o b a s e - t 双饺线 8 0 2 3 ji o b a s e f 光纤 8 0 2 3 u 1 0 0 m b a s e o t 快速以太弼 8 0 2 3 x全双工标准 8 0 2 3 y1 0 0 m b a s e - t 2 快速以太眄介质系统 8 0 2 3 z1 0 0 0 m - x 千兆以太网 8 0 2 3 a b | 0 0 0 1 v b a s e t 千兆以太网双绞线 8 0 2 3 a f 以太网供电标准 i e e e 8 0 2 3 标准子集( 2 - 2 ) 物理层作为设备的电气接口： 一方面接受来自数据链路层的信息，按以太网技术规范，对数据帧加 上前导码与定界码，并对其实行数据编码。再经过发送驱动器，把所产生的 物理信号传送到总线的传输媒体上，起到发送器的作用： 另一方面又从总线上接收来自其他设备的物理信号，并进行解码后， 把数据信息送往数据链路层，起到接收器的作用信号的传输介质使用如 1 0 b a s e 5 。1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e - t 和1 0 b a s e - f 等不同类型的导线信号的编码采 用差分曼彻斯特编码技术，将数据编码加载到直流电压或电流上形成物理信 号，其高信号电平为十0 8 5 v 。低信号电平为一0 8 5 v ，这样直流电压为o r 数 山东大学硕士学位论文 据链路层负责为网络层提供设计良好的服务接口。 链路层主要有三个目的： 一是确定如何将物理层的比特组成帧： 二是为地址解析协议( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，a r p ) 模块发送 请求和接受a r p 应答： 三是为逆地址解析协议( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o lr a r p ) 模块发送r a r p 请求和接受r a r p 应答 帧是以太网系统中的核心概念，是所传输的数字信息的最终组成形式 标准的i e e e8 0 2 3 帧格式由以下七个部分组成：前导码、帧起始位、目的地 址、源地址、数据长度、数据和帧校验字 前导码：每个帧以7 个字节的前导码开头，每字节的内容为1 0 1 0 1 0 1 0 。 该字段的曼彻斯特编码会产生i o m h z ，持续5 6 u s 的方波。从而使接收方与 发送方的时钟同步 帧定界符：随后的内容为1 0 1 0 1 0 1 l 的一个字节，标志着帧本身的开始， 以使接收器对实际帧的第一位定位。 目的地址：它说明了帧企图发往的目的站地址，共有6 个字节。目的地 址的最高位为0 是普通地址，为1 表示是组播地址，组播地址允许多个站点 同时使用同一地址，向一组站点发送称为多点播送。当目的地址全为l 时作 广播发送，这时网络上的所有站点都将收到本帧 源地址：它说明了帧发出站地址，与目的地址一样共有6 个字节 数据长度：它指明数据字段中的字节数，其值为0 - 1 5 0 0 由于0 字节数 据是合法的，当收发器检测到冲突的时候，就将当前帧的其余部分丢弃，这 样残余帧会一直出现在电缆上为了区别有效帧和残余帧，8 0 2 3 规定有效 帧中从目的地址到校验和字段的最短长度为6 4 字节 数据：由于有效帧的最短长度的限制，数据区的个数可从4 6 1 5 0 0 ，如一 组要传送的数据小于4 6 ，就用零补足：超过1 5 0 0 时，需要拆成多个帧传送 山东大学硕士学位论文 帧校验字：帧校验提供了一种错误检测机制，每一次发送时，对目的地 址字段。源地址字段、长度和数据字段进行循环冗余校验( c r c ) 码的计算， 计算结果的c r c 填入4 字节的帧校验序列字段 2 1 3网络层 网络层涉及的是将源端发出的分组经过各种途径发送到目的端，它包括 因特网网际协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，i p ) 、网间控制报文协议( i n t e r n e t c o n t r o l m e s s a g ep r o t o c o l ，i c m p ) 和组管理协议( i n t e r n e tg r o u p m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i g m p ) 从本质上来讲工业以太网是一种基于数据包 的网络，i p 协议是协议族中最为核心的协议之一，所有的t c p ，u d p ，i c m p 及i g m p 数据都以i p 数据报格式传输。i p 协议提供如下功能： 1 i p 协议提供一种不可靠的和无连接的数据包传送服务数据传输的正确 性由传输层协议来保证每个i p 数据报相互独立，均含有源地地址和 目的地址，它们可以独立地进行发送和路由选择。不可靠的意思是它不 能保证i p 数据报能成功地到达目的地i p 仅提供最好的传输服务如 果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，i p 有一个简单 的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送i c m p 消息给信源端无连接 的意思是i p 并不维护任何关于后继数据报的状态信息 2 分段和重组如果一个路由接受到一个基本网络的数据报太长而不能在 下一个网络上发送时，i p 协议就要将数据报划分成一个个小的分段，把 原地地址和目的地址复制到划小了的每个分组中，并作为一个个l p 分 组发送出去，仅当这些分组全部到达目的地时。被重组为原来的数据报， 如果其中某些分组在传送时丢失，则目的主机丢弃整个报文 3 流控制当i p 分组到达某个路由器或主机时，由于它们的速度太慢而 来不及处理，就会造成分组的丢失，i p 协议检测到这种情况即将发生前， 就要给发送分组或报文的源主机发送个i c m p 的源主机抑制报文，要 求源主机放慢发送分组的速度 山东大学硕士学位论文 o37 t ， 3 i 版本i 首都长度 服务共型 总长度 标l a , 标吝i 片偏移 生存时闻协议 首都校验和 源地址 耳嗣地址 可j 鑫骏 败循 i p 协议桢格式( 2 - 3 ) 5 协议选择当路由器( 或网关) 需要连接独立管理的网络时，它就可以选择 它所需要的任何协议，这样的协议称为内网关协议( i n t e r n a lg a t e w a y p r o t o c o l ，i g p ) + 6 在一个物理网络上，传送的单元是一个包含i p 首部和数据的帧，普通的 i p 首部长为2 0 个字节，除非含有选项字段，其内容如图2 - 3 所示： 8 ) 目前的协议版本号是4 ，因此i p 有时也称作i p v 4 b ) 首部长度指的是首部占3 2b i t 字的数目，包括任何选项普通i p 数 据报( 没有任何选择项) 字段的值是5 0 服务类型( t y p eo fs e r v i c e ， t o s ) 字包括一个3b i t 的优先权子字段( 现在己被忽略) 。 c ) 总长度字段是指整个i p 数据报的长度。以字节为单位利用首部长 度字段和总长度字段，就可以知道i p 数据报中数据内容的起始位置 和长度由于该字段长1 6 比特，所以i p 数据报最长可达6 5 5 3 5 字节。 当数据被分片时，该字段的值也随着变化。总长度字段是i p 首部中 必要的内容，因为一些数据链路需要填充一些数据以达到最小长度。 尽管以太网的最小帧长为4 6 字节，但是i p 数据可能会更短。如果没 有总长度字段，那么i p 层就不知道4 6 字节中有多少是i p 数据报的 内容。 d ) 标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报，通常每发送一份报文 它的值就会加l 标志字段 e ) 片偏移字段主要是用来对i p 数据报进行分片和重组 f ) 标志字段用其中一个比特来表示。更多的片”除了最后一片外，其 山东大学硕士学位论文 他每个组成数据报的片都要把该比特置为1 g ) 片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置另外，当数据 报被分成片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值最后，标志 字段中有一个比特称作。不分片”位如果将这一比特置为1 ，i p 将 不对数据报进行分片 h ) t t 以t i m et ol i v e 生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由 器数它指定了数据报的生存时间t t l 的初始值由源主机设置( 通常 为3 2 或6 4 ) ，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1 当该 字段的值为0 时，数据报就被丢弃，并发送i c m p 报文通知源主机 i ) 协议字段用来对数据报进行分用，根据它来识别是哪个协议向e p 传 送数据 j ) 首部检验和字段是根据首部计算的检验和码它不对首部后面的数据 进行 2 1 4传输层 每个t c p 段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进 程。这两个值加上i p 首部中的源端i p 地址和目的端i p 地址唯一确定一个 t c p 连接t c p 流中的每字节数据都要编号，序号用来标识从t c p 发端向 t c p 收端发送的数据字节流，它指报文段在发送方数据字节流中的位置既 然每个传输的字节都被计数，确认号则是指希望接收的下一个字节，而不是 己经接收的最后一个字节 t c p 首部长度给出t c p 首部中包含3 2 位字( 6 4 个字节) 的数目需要 这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4 位，因此t c p 最多有 6 0 字节的首部然而，没有任选字段，正常的长度是2 0 字节在t c p 首部 中有6 个标志比特它们中的多个可同时被设置为1 ，在这里简单介绍它们 的用法： u r g 紧急指针有效标志位紧急指针指从当前序列号到紧急数据的偏移 量，如果用了紧急指针就把u r g 置1 山东大学硕士学位论文一 a c k 确认序号有效标志位。a c k 置1 ，表明确认号是合法的：如果为0 ，则 数据段不包含确认信息 p s h 尽快传递标志位。当一个p u s h 位为1 的报文段到达时，t c p 将立即 无延时地通知应用进程有效数据到达 r s t 重建连接标志位用于复位由于主机崩溃或其它原因而出现的错 误连接它还可以拒绝非法的数据段或拒绝连接请求 s y n 同步标志位厂在连接请求中，s y n 位用来表示连接请求接受 f i n 发端完成发送任务位。它表明发送方已经没有数据发送了 t c p 的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供窗口大 小1 6 位，目的机通过这个域告诉源主机，它想收到的每个t c p 数据段大小。 紧急指针是一个可选的1 6 位指针，指从当前序列号到紧急数据的偏移 量，这个域只有在u r g 标志设置了时才有效如果u r g 标志未被设置，紧急 指针作为填充 校验和用于对t c p 首部、数据和伪头部之和校验和算法是简单地将 所有的1 6 位字节以补码的形式相加，然后再对相加和取补。因此当接收方 对整个数据段包括校验和字段进行运算时，结果应为0 。伪头部包括：源机器 和目的机器的3 2 位i p 地址，t c p 的协议编号，以及t c p 数据段的字节数。 选项字段用于增加额外的设置。 2 1 5应用层( 与f c s 的联结方式) 目前在传输层和网络层的协议基本上已经统一，t c p i p 己为多数工业 控制器厂家所接受但是在应用层的协议上还存在着分歧。因此也就导致了 不同的工业以太网标准的存在。目前主要的竞争对手有由f f 的h i 发展而来 的h s e 。m o d b u s t c p ( 基于t c p i p 的m o d b u s 协议) 、e t h e r n e t i p ( 基于t c p i p 的c o n t r 0 1 n e t d e v i c e n e t ) 和基于以太网的p r o f i n e t 协议等 山东大学硕士学位论文 2 1 5 1h s e 工业以太网标准 h s e 是f f 在摒弃了原有高速总线h 2 之后的新作，图2 - 6 是h s e 通讯系 统的模块结构从图2 6 中可以明显看到它正是以太网协议8 0 2 3 ，t c p i p 协议族与f f 的h 1 的结合体即向上的开发平台是i e e e 8 0 2 3 和t c p ，u d p i p 介质访问采用c s m a c d 技术h s e 的通信栈协议是基于t c p i p 协议的，但是 h s e 通信栈的上层协议标准是参考f f 现场总线制定的因此，h s e 现场总线 也就继承了以太网和f f 现场总线的优点，并具有本身独特的特点f f 现场 总线基金会明确将h s e 定位子实现控制网络与i n t e r n e t 的集成 着 缝 附络管甩 懈e 管慝 囤罂嚣 h l 凇e 管理代冉 代理 s m i b 肉拔 圈对象蕊 援 0 d艄 鼎雨 腑蝴刚t 甩 槲叫 i t c p u d p l i p l h s e l e 践b m 口m a c 和脚y 聪 i m i b h s e 通讯系统的模块结构( 2 - 4 ) 从总体上说，按照i s p o s i 的分层概念。h s e 通信栈从下到上可分为以下3 个部分： ( 1 ) t c p i p 协议它是h s e 通信栈的平台，通信栈协议就定义在t c p i p 协议族之上 ( 2 )应用层。在h s e 通信栈中称为“现场设备访问层”( f i e l dd e v i c e a c c e s s ，f d a ) ，这一层包括套接字映射协议机制，应用关系、f d a 服务协 议机制、虚拟通信关系( v i r t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p s ，v c r ) 等 通信实体 - 1 8 - 山东大学硕士学位论文 ( 3 )用户层。包括功能块应用进程、系统管理、通信栈网络管理等实体。 系统管理和网络管理负责h s e 系统和通信栈的运行和通信管理，不同设备 的功能块应用进程利用通信栈进行相互通信、调用，以完成特定的功能。 h s e 是以高速以太网为平台的、开放的现场总线系统，随着t c p i p 以太 网在工业的广泛应用，以t c p i p 协议为平台开发现场总线系统是一件非常 有意义的事情，h s e 现场总线的市场前景是广阔的。 2 1 5 2m o d b u s t c p m o d b u s ：是m o d i c o n 公司最先倡导的一种软的通讯规约，经过大多数公 司的实际应用，逐渐被认可，成为一种标准的通讯规约。这个协议定义了控 制器能识别和使用的报文结构，而不管在其上通信的网络类型。它定义了控 制器要存取数据到另一个设备而使用的进程，控制器如何响应其它设备的需 求，以及错误如何检测和发布m o d b u s 协议为报文字段的设置和其中的内容 规定了共同的格式为了使m o d i c o n 控制器拆解报文，m o d b u s 协议提供了内 部标准在m o d b u s 网络通信过程中，m o d b u s 协议规定了每个控制器如何知 道它所控制的设备地址，如何识别发送给控制器的报文，如何确定动作的方 式，以及如何提取报文中的数据和其它信息 控制器能够直接或通过m o d e m 连成一个网络控制器使用主从技术通 信，主从技术要求一台设备( 主设备) 能够发起数据交换( 即询问) 其他设 备( 从设备) 通过把被请求的数据提供给主设备或做出询问所要求的