（计算机软件与理论专业论文）基于嵌入式linux的组态软件的设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前，工业控制组态软件行业化是控制领域发展的一个重要方向，而嵌入式系 统接入i n t e r n e t 的问题也显得越来越重要，因此，基于嵌入式和工业以太网的组态 软件的研制是迫切需要的。 本文在探讨了组态软件和工业以太网的发展现状后，阐述了整个系统的设计方 案。研究了开发u c l i n u x 服务器软件的过程，并针对系统的设计方案提出了下位机 软件的设计思想。上位机的开发分为驱动程序开发和组态界面开发。组态界面是一 个水泵管理系统，驱动程序是针对具体的组态系统设计开发的。最后，本文研究了 c i p 协议的内容，并开发了一个测试系统对协议进行了部分模拟。 关键词：嵌入式系统，组态软件，工业以太网，u c l i n u x ，c i p t h es p e c i a l i z a t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei ni n d u s t r i a lc o n t r o li sa ni m p o r t a n t d i r e c t i o ni n c o n t r o l l i n gd o m a i n a t p r e s e n t a tt h es a m e t i m e ，h o wt o c o n n e c tt h e e m b e d d e ds y s t e mt oi n t e m e th a sb e c o m eam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp r o b l e m s o ，i ti s i nu r g e n tn e e do ft h er e s e a r c hi nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma n d i n d u s t r i a le t h e r n e t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n di n d u s t r i a l e t h e r n e t ，t h e ne x p l a i n st h ed e s i g no ft h ee n t i r es y s t e m i td e s c r i b e st h ep r o c e s so f d e v e l o p i n gs e r v i c es o f t w a r eo nu c l i n u x ，a f t e rt h a t ，e x p l a i n st h ed e s i g no ft h es e r v i c e a i m e da tt h ed e s i g no ft h ee n t i r es y s t e m t h ed e v e l o p m e n to fc l i e n ti sd i v i d e di n t ot w o p a r t so fd e v e l o p i n gd r i v e ra n dd e v e l o p i n gi n t e r f a c es o f t w a r e t h ei n t e r f a c es o f t w a r ei sa w a t e rp u m pm a n a g e m e n ts y s t e m ，a n dt h ed r i v ei sd e s i g n e da i m e da tt h es y s t e m f i n a l l y , t m sp a p e ri n t r o d u c e st h ec i pp r o t o c o l ，a n dat e s ts y s t e mi sd e v e l o p e dt o p a r t i a l l y s i m u l a t ei t y a n gr e n k e ( c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f s h a oz u o z h ia n di n s t r u c t o rl id o n 西i a n g k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，i n d u s t r i a le t h e r n e t ， u c l i n u x ，c i p i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于嵌入式l j m 的组态软件的设计 与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：量蜜垒整e t 期：兰! 塑：l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：壹璺! 至型 e t 期：堑翌：j 导师签名： 日期： 够 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景与意义 第一章引言 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪、适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系 统早已经溶入我们的生活，除了我们在日常生活中可以看到的家电产品、工业与军 事应用的独立产品之外，许多大型电脑系统，事实上也是许许多多小的嵌入式系统 所组成的正因为嵌入式系统有着广泛的应用，加之芯片技术的不断突破，软件业 的繁荣，这一切都为嵌入式系统的发展提供了便利条件，目前嵌入式系统技术已经 成为最热门的技术之一。 嵌入式组态软件的产生是嵌入式系统在工业控制领域发展的必然。微处理器技 术的发展，一方面使得处理器运算速度不断提高，另一方面使得控制系统硬件成本 不断降低。对于现场的嵌入式控制器人们希望也能提供友好的人机界面，方便了解 被控对象状态并能根据实际情况采取相应的控制措施。现在工业持高速增长，其中 一部分原因就是因为工控软件的开发工具丰富，比较容易上手，但是后续的维护和 升级费用明显高昂，经常带来一些间接的损失。基于嵌入式组态软件的工控产品则 可以有效的解决工业p c 监控系统的工作效率低以及维护和升级难等问题，使工业 p c 监控系统大踏步地走入自动化系统的高端市场。 随着全球经济一体化和现代化大生产的发展，现代化工业模式和过程产生了巨 大的变革，伴随着信息技术和控制技术的发展，传统的控制系统发生了深刻的变革， 网络化、集成化、分布化和节点智能化成为新的发展方向。随着i n t c r n c t 的迅猛发 展，以太网已成为事实上的工业标准，t c p i p 的简单实用已为广大用户所接受。目 前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络中也都广泛的使用以太网 技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格相对较低，带宽也在飞速增长( 出 现了千兆b p s 甚至万兆b p s 以太网) ，特别是快速以太网与交换式以太网技术的出现， 使人们转向希望以物美价廉的以太网设备代替控制网络中相对昂贵的专用总线设 备。正是在现场总线标准争论处于不可开交之际，以太网山于其技术成熟、易于得 到、成本低等特点悄然进军现场总线控制网络领域。目前许多大公司的工业控制系 统都是采用以太网来统一管理层的通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接 口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准 目前国内外的嵌入式组态软件还处于发展初期，成熟的产品还不多，离用户对嵌入 式组态软件的需求还有很大差距，因此研制遵循工业以太网通信标准的嵌入式组态软件 华北电力大学硕士学位论文 具有重要的意义。 1 2 组态软件概述 1 2 1 组态软件的发展 组态的概念是伴随着集散控制系统的出现逐渐被广大的生产过程自动化技术 人员所熟识的其概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工程对计算机软 件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务满 足使用者要求的目的【1 1 。监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) ，能生成目标应用系统的软件平台工具，具有丰富的设 置项目，使用方式灵活，功能强大。 监控组态软件最早出现时，h m i ( h n m a mm a c h i n ei n t e r f a c e ) 和m m i ( m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) 是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时 数据库、实时控制、s c a d a 通信及联网、开放数据接口、对f 0 设备的广泛支持已 经成为它的主要内容随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容 目前世界上的组态软件有几十种之多，总装机量有几十万套。伴随着信息社会的到 来，监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色。 9 0 年代以后，d c s 开始采用技术指标更先进的高档微机、标准化的通信网络及 商品化的软件，使其更具有了开放性并向管理控制一体化的方向发展。现以国内外 几个著名的组态软件产品进行比较，如德国s i m a t i c 公司的w i n c c 、美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 、国内的组态t k i n g v i e w 、三维科技的力控等等。目前组态软件的发展 主要有以下特点： ( 1 ) 开放性 所谓的“开放性”就是要求厂家的产品具有互换性、互操作性、可扩充性并提 供多平台支持1 2 】。早期的d c s 产品所用的计算机都是厂家自己生产的，数据传输也 是通过d c s 厂家开发的专用网络，所以d c s 与其它计算机和自控设备很难互相通信， 威7 自动化的“孤岛”，给用户带来许多不便。在此情况下，开放性便成了d c s 厂 商和用户共同关注的问题。 网络的标准化促进了d c s 的开放性。网络技术的突飞猛进的发展，使得d c s 的 对内对外通信技术也迅速发展，d c s 产品只要符合现网络产品的标准，如m a p 协议 的令牌环网、以太网或f d d i 网络标准，就可以互相交换信息，也就是说它们在这个 层次上具备了开放性。 通用软件包在d c s 中的得到广泛应用，加速了d c s 的开放性。许多d c s 操作 平台向w i n d o w sn t 移植，以便于互操作性和互通信息。而图形处理软件、电子报 2 华北电力大学硕士学位论文 表软件、数据库软件和多媒体软件都具有标准化的接口，便于和其它商品化软件连 接，也便于和其它系统连接。新一代d c s 普遍采用动态数据交换( d d e ) 、动态连接 库( d d l ) 、目标连接与插入( o l e ) ，开放数据库访问、结构化查询语言( s q l ) 和应 用编程界面( a p i ) 等软件，解决与商品化软件的接口问题 近年来，w i n d o w sn 3 2 0 0 0 和w i n d o w s9 8 成为较流行的数据处理和控制软件平 台。以w i n c c 为例，w i n c c 是基于w i n d o w sn t 的开放标准，系统采用o d b c s o l 数据库访问接口，其它应用程序可以访问w i n c c 数据库，如有必要也可以使用a p i 应用程序接口将w i n c c 数据库连接到其他关系数据库中这就意味着所有的 w i n d o w s 的应用程序，不管是运行在同一台计算机上，还是一个网络终端上，都可 以直接访问w i n c c 数据库；通过o l e 接口，其它应用程序可集成到过程画面上， 并与w i n c c 交换相关的数据：采用面向工业a c t i v e x 控制，用户过程控制任务，可 使用第三方控件来实现：w i n c c 系统集成了o p c 接口，用于连接其它符合o p c 规 范的控制器和软件。 同样，f i x i n t o u c h 和k i n g v i e w 等软件均提供工业标准接口、界面和通信技 术，支持o l e ，v b a , a c t i v e x ，c o m d c o m ，o p c 及其它新技术，从而实现系统 最大程度的开放性。 ( 2 ) 管理控制一体化 当前自动化发展的趋势是通过生产自动化把生产控制和企业生产管理、经营决 策结合起来，向综合信息管理自动化系统方向发展。现在的工业自动化系统，生产 过程控制信息占8 5 ，生产管理信息仅占1 5 ，今后的工业自动化系统，控制信息 将由8 5 下降到4 0 ，管理信息从1 5 上升到4 0 ，其它信息占2 0 ，管理信息将成 为企业的重要资产【2 】。 近几年来，d c s 的控制站更加分散化，同时向先进控制和优先控制方向发展。 d c s 控制网络和企业生产管理与调度管理信息系统( m i s ) 联网，构成d c s 与m i s 集成的计算机控制系统。d c s 通过现场级和控制级为管理信息系统提供有效的信息 资源，用于生产管理和工艺过程解析。d c s 从现场采集大量的实时数据，经过数据 处理，进行长期保存，利用这些数据，技术管理部门可以进行设备管理和运行管理， 为生产管理决策人员提供决策依据，以便实现企业管理的计算机管理控制一体化。 其中关键的问题是各子系统之间的标准化接口。要实现集成化各子系统必须以标准 网络进行通信，目前应用广泛的低层网络采用以太网，高层采用t c p i p ，软件采用 s q lo d b c 或d d e 标准界面。这些标准化网络将d c s 、p l c 、智能仪表和上位机 等联系起来构成企业管理控制一体化综合系统。 以组态王为例，组态王6 0 就利用其提供的s q l 访问功能，用户可以全方位地 获取和存储数据到数据库中。用户可在库中创建和修改表，插入和删除纪录，实现 组态王和数据库的数据交换：用户可以在数据库中对数据进行分析和处理，实现组 3 华北电力大学硕士学位论文 态数据和管理信息系统的融合。 现阶段组态软件的发展趋势如下： 1 、开放化：开放化是未来软件的发展趋势，采用o l e ，o d b c ，s q l , o p c ， a c t i v c x ，v b a ，c o m m ) c o m 等统一接口标准，实现系统的开放性【2 1 。开放化有 利于提高软件的互换性、可移植性、通用性。 2 、集成化：新型的分散控制系统将实现控制室集成化，仪表一电气一计算机 集成化，过程自动化，工厂自动化集成化，采用f d d i 和i s d n 更广范围内系统集 成化，采用国际标准现场总线达到现场集成化，信息系统和控制系统集成化【2 l 。 3 、网络化：基于i n t c r n e t 和i n t r a n c t 的企业解决方案将成为工控软件的主流f 2 1 。 4 、组件化：组件化的软件设计思想有利于系统集成。各组件对象是可单独运 行的应用程序，组件化可让用户自由选择所需的组件对象，无需购买整个软件系统， 降低成本，同时允许用户将第三方应用程序加入到系统中，极大的提高了软件的灵 活性l 甜。 5 、通讯接口o p c 化：实现上位机软件与下位机的通信。硬件开发商提供带有 o p c 接口的服务器软件，使得任何客户程序( 带o p c 接口) 访问服务器软件【甜。 多种技术的发展为控制软件向高通用性、高层管控一体化、高可靠性发展提供 了更为有效的手段。 1 2 2 组态软件的基本原理 组态软件和工具软件的主要区别在于它们编程的层次不同。组态软件的编程， 也即配置或组态，一般是直接面向现实的应用对象，而应用程序开发工具面对的是 抽象的计算机内部数据。在程序的实现方法上，组态软件一般是通过软件接口调用 已编译的功能代码，而开发工具一般是通过编译或解释直接产生机器代码。从实际 使用上看，组态软件的配置所依赖的主要是应用领域( 如工业控制) 的专业知识， 在控制策略确定以后，组态软件的编程工作十分直观、简单，可以由一般的工程人 员甚至工厂操作员来完成，并且可以在不影响生产的情况下进行在线编程。而使用 开发工具的编程一般是一个漫长和复杂的过程，需要计算机软件方面的专业素养【3 】。 组态软件和传统应用软件的区别在于它有更好的适应性和灵活性【4 1 。尽管组态 软件的底层执行代码是固定的，但它的数据部分，如运行参数和执行流程等可以由 用户加以改变。当应用对象发生变化时，用户可以通过软件提供的组态工具，方便 地输入变化参数或调整执行流程，重新生成适用的程序。而对于传统应用程序来讲， 这种情况往往意味着软件生命的终结，需要重新编写程序或者对源代码进行修改和 编译连接。 在组态技术出现以前，由于工业自动化领域存在诸多可变因素如控制对象和控 4 华北电力大学硕士学位论文 制任务的不同，工艺流程的必要调整，增加控制单元以及自动化系统中设备的增加 或更新等，软件系统经常要重新开发，不仅影响生产，同时也造成了人力物力的极 大浪费。组态软件就是针对这些可变因素建立起的一个控制对象可变、控制过程可 调整、系统设备可扩展的软件系统，用户只要通过组态界面输入变化参数，调整控 制策略，添减硬件，组态软件将根据这些系统输入调整执行程序适应上述变化。一 般组态软件的原理如图卜1 图所示。 系统组成- 输 操 组运 数据采集_入 作 控制策略- 态 组态数据 行输 员 工程 _ 控制输出一 出 具序设 一系统需采_ 备 l系统设各 i 信息提, , - - i 控制对象 图卜l 组态软件原理图 当然，组态软件要发挥作用有一个基本前提，就是系统必须采用相应标准的硬 件以及通讯规约。组态软件在工业自动化领域的应用提高了自动化系统的成套速 度，同时保证了系统的成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。 1 2 3 组态软件的体系结构 组态软件的结构划分有多种标准，这里以使用软件的工作阶段和软件体系的成 员构成两种标准讨论其体系结构。 ( 1 ) 以使用软件的工作阶段划分 组态软件由组态系统和运行系统组成【3 1 。组态系统处理系统可变部分，通过配 置系统相关数据，生成最终的图形化的目标应用系统，供运行系统使用。运行系统 在完成系统稳定不变的部分的同时，还可以通过加载组态生成的数据以适应特定系 统，从而最终完成系统监控的功能。运行系统与组态系统之间通过组态数据库实现 数据交互。 组态系统结构：复用与产品化的目标是要找出并实现领域内系统的最大交集， 5 华北电力大学硕士学位论文 再通过参数化和恰当的定制，构造出满足特定需求的个性化软件应用领域。工控系 统的共性是相对稳定的，而可变性则是需要利用组态技术实现，以适应不同的工业 现场工控软件的可变性一般包括采集数据的性质( 模拟量还是开关量，路数，精 度，物理意义等) ，数据分析处理的方法以及呈现给用户的方式，控制算法及其需 要实现的控制目标等。组态系统结构如图1 - 2 所示。 图i - 2 组态系统结构 系统组态：配置整个系统中现场测控对象的属性，包括站点序号、站点名称、 通讯地址、地理分布、口令及权限等。 数据库组：配置所采集现场测控对象的数据的属性，包括序号、物理名称、 数据类型、物理地址、采集频率、数据类型、测量精度、量程上下限等，并由此生 成相应的数据库表格，存储各种实时数据和历史数据。 通信组态：配置通信方式和通信协议等。 报警组态：配置报警的上下限、优先级、报警方式等。 流程图组态：使用图元对象制作流程图，并记录图元对象在流程图中的相对位 置关系及其关联数据。流程图通常需要动态实时地显示运行系统各种采集信号的数 据和状态，如电压、电流、继电器的开关等，因此需要图元对象有动态连接属性， 包括动态变化的数据源和变化方式的信息。 图表组态：配置图表的数据源、颜色、坐标、频率等，包括实时趋势图直方 图和历史趋势图直方图。 报表组态：配置报表的数据源、报表数据的统计方法、格式、打印方式等。 运行系统结构：运行系统通过加载组态配置信息生成目标运行系统，它从功能 上可以划分为数据通信、实时监控和数据管理三部分，这三部分通过数据进行交互， 构成一个有机的整体，如图i - 3 所示。 6 华北电力大学硕士学位论文 图卜3 运行系统结构 数据通信通过通信网络实现与现场测控对象的数据交互功能，主要包括数据采 集、参数设置和时间设置。 实时监控实现数据、报警、系统状态的信息的实时显示，以及现场设备和参数 的控制，主要包括流程图，趋势图、分布图等。 数据管理实现控制系统数据的存储、统计分析、打印、查询等功能，主要包括 数据存储、数据报表、数据查询等。 ( 2 ) 按照成员构成划分 组态软件因为其功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其 组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。其中必备的典型组件包括1 5 , 6 l ； 应用程序管理器：是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能 的专用工具。有了应用程序管理器的支持，在应用组态软件进行工程设计时，可以 方便地进行组态数据的备份，引用以往成功应用项目中的部分组态成果( 如画面) 等等。 图形画面开发程序：是实施控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统 生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标 应用系统，供图形运行环境运行时使用。 图形界面运行程序：在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程 序装入计算机内存并投入实时运行。 实时数据库系统组态程序：实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态 工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种 参数。 实时数据库系统运行程序：在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统 7 华北电力大学硕士学位论文 被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算，数据处理 任务 ! o 驱动程序：是组态软件中必不可少的组成部分，用于和i o 设备通讯，互相 交换数据，d d e 和o p cc l i e n t 是两个通用的标准1 ，o 驱动程序，用来和支持d d e 标准和o p c 标准的i o 设备通讯。多数组态软件的d d e 驱动程序被整合在实时数 据库系统或图形系统中，而o p cc l i e n t 则多数单独存在 当然，还有一些扩展可选组件，包括通用数据库接口( o d b c 接口) 组态程序、 通用数据库接口( 0 d b c 接口) 运行程序、实用通讯程序组件等等。 1 3 工业以太网概述 1 - 3 1 工业以太网的主要标准 工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太 网和t c f i p 技术真正应用到控制层，延伸到现场层，而在信息层又尽可能采用r r 行业一切有效而又最新的成果。 目前，4 种主要的工业以太网除了在物理层和数据链路层都服从i e e e 8 0 2 3 外， 在应用层和用户层协议均无相同之处。这主要是它们的应用领域和发展背景不同。 如果我们把应用领域分为离散制造控制和连续过程控制，而又把网络细分为设备 层、i o 层、控制层、和监控层，那么各种工业以太网及其相关现场总线的应用就 一目了然。其中主要用于离散制造领域且最具有影响的，当推m o 曲u s i d a 、 e t h e r n e t f t p 、f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s e 和p r o f i n e t 7 1 。在全球p l c 市场居领先地位 的s i e m e n s 大力推动p r o f i n e t p r o f i b u s 组合；罗克韦尔和o m r o n 以及其他一些 公司致力于推进e t h e r n e t i p 及其姐妹网络一基于c i p 的d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t 。 而在过程控制领域只有f fh s e 一家当前工业以太网最大的差异，即竞争的焦点 是集中在应用层和用户层。 1 3 1 1m o d b u s i d | a 的通信结构和通信协议 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 ) 组织是由法国s c h n e i d e r 等多家公司 联合成立的。该组织提出了一套基于e t h e r n c t t c p i p 和w e b 的用于分布式自动化的 接口标准。m o d b n s 协议原为美国m o d i c o n 公司p l c 产品通信协议，由于其使用十 分广泛，后来由m o d b u s 组织于2 0 0 2 年发展为m o d b u st c p f l p 规范。为了提高竞争 力，上述两大组织于2 0 0 3 年1 0 月宣布合并。 m o d b u st c p w 将与f t p 或h t r f 一样在其公共的操作系统中做为一个标准， m o d b u s 将占端口5 0 2 一前1 0 0 0 个已定义的端口中的一个。m o d b u s i d a 协议建立 8 华北电力大学硕士学位论文 在组件的基础上，该组件包括了i e c6 1 4 4 9 的第一部分体系结构功能模块，但用i d a 的体系结构替代了i e c6 1 4 9 9 的模型。除了支持以太网t c p 、u d p 和i p 有关的w e b 服务的完整套件外，i d a 规范还包括：基于r t i 公司的中间件n d d s ( 网络数据传 输服务) 的r t p s ( 实时发布方，预定方) ，i d a 通信目标库，实时和安全a p i t l 。 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，是一种面向连接 的传送，它需要响应。在t c p 帧中使用开放的m o d b u s 提供了一种系统规模可伸缩 的方案，由l o 个节点到1 0 0 个网络节点。m o d b u s - - i d a 工业以太网系统是分级分 布式系统结构，管理级采用以太网t c p f l p 标准，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 s t c p f l p 协议，完成各种控制功能；现场级可采用基于m o d b u s 协议或e t h e r n e t 协议 的各类设备和i ，0 装置；嵌入式w e b 服务器使用标准的i n t e r a c t 浏览器就可以读取 各类信息和修改配置等。 1 3 1 2p 肋f i n e t 的通信结构和通信协议 p r o f l n e t 是p r o c e s s f i e l d n e t 的缩写，它是p r o f i b u s 客户、生产商与系统集 成联盟协会推出的在p r o f i b u s 与以太网间全开放的通信协议【7 l 。p r o f i n e t 是一种 基于实时工业以太网的自动化解决方案，包括一整套完整高性能并可升级的解决方 案，可以为p r o f i b u s 及其他各种现场总线网络提供以太网移植服务。p r o f i n e t 标准的开放性保证了其长远的兼容性与扩展性，从而可以保护用户的投资与利益。 p r o f i n e t 可以使工程与组态、试运行、操作和维护更为便捷，并且能够与 p r o f i b u s 以及其它现场总线网络实现无缝集成与连接。 1 ，p r o f i n e t 的通讯标准 p r o f i n e t 可以提供办公室和自动化领域开放的、一致的连接。p r o f i n e t 方案 覆盖了分散自动化系统的所有运行阶段，它主要包含以下方面：1 、高度分散自动 化系统的开放对象模型( 结构模型) ；2 、基于e t h e r n e t 的开放的、面向对象的运行 期通信方案( 功能单元间的通信关系) ；3 、独立于制造商的工程设计方案( 应用开 发) p r o f i n e t 方案可以用一条等式简单而明了地描述：p r o f i n e t = p r o f i b u s + 具 有p r o f i b u s 和i t 标准e t h e r n e t 的开放的、一致的通信 7 1 。 2 、p r o f i n e t 设备的软件结构 p r o f l n e t 设备的软件覆盖了现场设备的整个运行期通信，基于模块化设计的软 件包含若干通信层，每层都与系统环境一致。p r o f i n e t 软件主要包括一个 r p c ( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ) 层，一个d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 层 和一个专门为p r o f i n e t 对象定义的层嘲。p r o f l n e t 对象可以是a c c o ( a c t i v e c o n n e x i o nc o n t r o lo b j e c t ) 设备、r ta u t o ( r u n t i m ea u t o m a t i o n ) 设备、物理设备或逻 9 华北电力大学硕士学位论文 辑设备。软件中定义的实时数据通道提供p r o f i n e t 对象与以太网间的实时通信服 务。p r o f i n e t 通过系统接口连接到操作系统( 如w i n c e ) ，通过应用接口连接到控 制器( 如p l c ) 。 p r o f i n e t 的运行期软件位于一个目录固定的结构中，可以分为核心目录和系统 应用目录。若通信开始而核心目录中的文件未改变，则系统应用目录中的部分文件 必须重建。所有的系统应用都是指向系统接口和应用接口，实现p r o f i n e t 设备的 各项功能。 p r o f i n e t 设备的软件结构决定了p r o f i n e t 设备可以从企业管理层到现场层直 接、透明地访闯，并且提供对t c p i p 协议的绝对支持。p r o f i n e t 技术使企业用户 能够方便地对现有的系统进行扩展和集成，是一种优化的工业以太网通信标准。 p r o f i n e t 根据不同的应用场合定义了三种不同的通信方式：使用t c p i p 的标 准通信；实时r t 通信和同步实时i r t 通信。p r o f i n e t 设备能够根据通信要求选择 合适的通信方式。 采用p r o f i n e t 通讯技术，不仅可以集成p r o f i b u s 现场设备，还可以通过代 理服务器实现其它种类的现场总线网络的集成。采用这种统一的面对未来的设计概 念，工厂内各部件都可以作为独立模块预先组装测试，然后在整个系统中轻松组装 或在其他项目中重复使用。譬如对于一个汽车生产企业而言，p r o f i n e t 支持的实时 解决方案完全可以满足车体车间、喷漆车间和组装部门等对响应时间的要求，在机 械工程及发动机和变速箱生产环节中的车床同步等方面则可使用p r o f i n e t 的同步 实时功能。 1 3 1 3h s e 的通信结构和协议 美国f f ( 现场总线基金会) 采用高速以太网开发f c s 系统控制级以上通信网 络的主干网，控制级以下仍使用h 1 现场总线，构成信息集成开放的体系结构【7 l 。 h s e 遵循标准的以太网规范。还根据过程控制的需要，增加了一些可在标准以太网 构架内进行无缝操作的功能。这也为h s e 使用商用的以太网设备提供了条件。h s e 使用连接装置做为网桥与h l 现场总线上的各种现场仪表实现点对点的对等通信， 从而为真正实现现场回路控制奠定了通信基础。 f f 在其规范中规定了2 1 种功能块，供基本过程控制和先进过程控制使用。这 些标准功能块驻留在与h s e 相连的现场设备中。为进行复杂的批处理和混合控制等 应用，f f 还规定了柔性功能块，支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、多 数据采集，并可用作与p l c 和其他协议通信的网间连接器。可以说，h s e 工业以太 网为连续的过程控制工业和连续的制造业所需的连续实时控制提供了各种的解决 方案。它为连续过程控制系统、断续制造的控制系统、批量控制系统以及m e s 、e r p 华北电力大学硕士学位论文 等企业信息系统的集成，提供了一种相当成熟的工业以太网标准协议。 h s e 以标准的以太网+ t c p ( u d p ) f l p 为通信平台，定义了应用层实时通信协议 和用户层功能块应用进程。h s e 充分引用现有的商用网络协议：d h c p 负责h s e 现 场设备擅地址动态分配；s n t p 实现网络中各个现场设备之间的时钟同步；s n m p 实现对h s e 现场设备在线管理。f d a ( f i e l dd e v i c e a c c e s s ) 代理是高速以太网现场 总线协议h s e 的核心部分，它为h s e 现场设备之间的通信定义了三种通信模式： 客户服务器、发布者预定者以及报告分发，这三种不同的通信模式适用于不同的 通信场合。客户服务器通信模型主要用于组态软件对现场设备的变量读写、程序上 下载等；发布者，预定者主要用于现场设备之间功能块之间的输入，输出数据的传递； 而报告分发通信主要用于报警等突发信息的通信。h s e 协议还包括一个系统管理内 核，用于对h s e 现场设备进行上电启动管理，并负责设备中功能块的调度。 高速以太网现场总线协议h s e 不仅仅是一种通信协议，它还包括对设备的管 理、通信的调度等一系列功能。目前，国内外多家公司都在开发基于h s e 的现场总 线设备，s t o a t , a b b 以及e m e r s o n 等公司的基于h s e 的链接设备已经通过f f 一致 性测试。国内，北京华控、中科院沈阳自动化研究所等单位在h s e 链接设备的开发 上已经取得许多成果。 表1 - 1 所示为h s e 协议模型与i s oo s i 参考模型的关系。 表1 - 1h s e 协议模型与i s oo s i 参考模型的关系 i s o ，o s i 七层参考模型h s e 协议模型 f b a p , s m 应用层 f d a ，f m s 表示层 会话层 传输层 t c p 或u d p 网络层 i p 数据链路层 l e e e8 0 2 3 u c 物理层 l e e e8 0 2 3p h y 由上表可以看出，h s e 增加了用户层，即功能块应用进程( f u n c t i o nb l o c k a p p l i c a t i o np r o c e s s ，f b a p ) 1 3 1 4e t h e r n e t i p 的通信结构和通信协议 o d v a 除了拥有d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t ，还控制一个总线e t h e r n e t l d u s t r i a l p r o t o c o l ( e t h e r n e t f i p ) ，它把处于应用层和用户层的d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t 的目 标库c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 与以太网物理介质捆绑在一起。做为一 个和介质无关的协议，c i p 还可进一步与f i r e w i r e 或无线网络捆绑在起来。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 e t h e r n e t i p 主要的优势在于：它向最终用户提供了控制网络的各种基本服务之外， 还提供了许多优良的性能。其中包括f s 】：包括2 m s 的刷新时间；与其他网络通信单 位路径控制能力；附加与程序上载厂f 载和消息传送的i o 控制；几种i o 交换的选 项( 查询、循环、状态改变等) 。而且，c i p 通用工业协议是与d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t 共享的，保证了它们之问的可互操作性。 1 3 2 工业以太网目前存在的问题 l 、指定工业加强型网络端口连接件和网络设备的工业标准哪。据了解，以太网 5 0 的故障处于连接件，因此提供优质的、适于在工业环境下正常工作的连接件。 也是有待解决的问题之一 2 、网络的可用性，或称网络的生存性。这是指网络系统中任一组件发生故障， 都不应导致操作系统、控制器和应用程序，以至于整个系统瘫痪【9 j 。以太网最大的 优点之一是它易于安装和连接，但这也使它最容易受到伤害。指定工业以太网设计 的适当策略，保证它的可靠性、可恢复性和可管理性如果未经周密设计，往往会 给控制带来不良影响，降低其可靠性。 3 、网络的安全性。在工业以太网中，通过网络链接的全都是工业现场设备， 由于使用t c p i p 协议，难以避免受到病毒、黑客等非法入侵与非法操作，如何避 免和防止这些对网络安全的威胁，是必须解决的重要问题。可以采用的措施有i 明： 网络隔离，将控制区内部的控制网络与外部信息网络分开；采用用户密码、数据加 密、防火墙等多种安全机制。但目前尚未见到专门针对工业自动化控制网络安全的 成熟软件。 4 、工业以太网应用层、用户层难以统一暇。可以说，除了物理层和数据链路层 以外都是竞争的地方。工业以太网竞争的新战场有：上层的功能性，如公用的设备 行规，是确保设备的互操作性和可互换性的重要环节。这是与协议有关的竞争。网 络配置的每个协议都要指定若干配置参数，再加上制造厂又对自己生产的设备或系 统附加了专用的功能，甚至还通过自己专用的配置工具及相应的软件进行竞争。这 是与供应厂商有关的竞争 1 4 研究的内容 本课题研究的内容主要包括以下几个方面： 1 、深入研究高级计算机网络以及工业以太网协议。传统t c p i p 协议在数据传送的 可靠性以及数据流量的控制上做的很好，但实时性方面做到不够好，另外还存在着较多 安全方面的问题。工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议， 华北电力大学硕士学位论文 使以太网和t c p i p 技术真正应用到控制层，延伸到现场层，而在信息层又尽可能采用 1 1 r 行业一切有效而又最新的成果。 2 、以嵌入式处理器为核心，选择好嵌入式处理器，研究u c l i n u x 嵌入式操作系 统。u c l i n u x 具有开放源码，支持多种处理器的特点，现已在多款处理器上成功移 植。深入研究它的架构和移植的方法。 3 、研究嵌入式l i n u x 下服务器端软件的编程。针对不同的应用，服务器端软件 可以有不同的模型。深入研究服务器端软件的算法模型以及u c l i n u x 的特点，并设 计和实现一个基于u c l i n u x 的服务器软件。 4 、研究组态软件的设计与开发方法。 5 、研究工业以太网协议在工控领域中的具体应用。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 1 系统结构设计 第二章系统的总体设计 系统包括上位机界面程序、实时数据库驱动程序和下位机三大部分，其中实时 驱动程序又包括i o d e s c t x t 、i o i t e m u i d l l 、i o d e v u i d l l 和i o a p i d l l 四大部分。 整个系统的结构图如图2 - l 所示。 图2 - 1 系统结构图 其中i o i t e m u i d l l 、i o d e v u i d l l 和i o d e s c t x t 负责完成驱动的创建和配置工作。 上位机下发的指令首先经过i o a p i d l l 驱动程序解析，然后遵循协议通过以太网 发送给下位机。下位机的响应数据遵循协议通过以太网发送，首先经过i o a p i d l l 驱 动程序解析，然后将提取的数据设置到实时数据库中相应的点，上位机程序从实时 数据库中提取相应的数据。 2 2 系统包图 经过分析，设计系统包图如图2 - 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 通讯时序图 2 3 1 读数据时序 图2 2 系统包图 上位机向下位机下发的命令经过驱动程序的解析，然后由驱动程序按照通信协 议的要求重新生成新的报文帧并发送给下位机。下位机接受命令后，按照通信的要 求把要回传的数据打包发送，报文会首先经过驱动程序，驱动程序负责解析报文， 并把数据设置到实时数据库中相应的点，上位机从实时数据库中读取相应的数据。 读数据时序图如图2 - 3 所示。 垒 拿巴习阜阜 1 ；打包封幢iii 怍； ； j u2 震遵命竺! j； 州群肝檄文il ； 图2 - 3 读数据时序图 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 写数据时序 上位机向下位机下发的命令经过驱动程序的解析，然后由驱动程