（计算机应用技术专业论文）工业控制中的实时以太研究.pdf

摘要 实时网络技术已经广泛应用于工业控制、医疗、科研等领域。目前用于实时网络的 技术主要有现场总线和实时以太。前者技术成熟，而且有很大的市场，但是种类繁多， 各厂家受各自利益的驱动，长期以来现场总线标准未能达成统一。因此一种新的解决方 案出现了，即实时以太。 本文介绍了实时网络的一些特性及影响网络实时性的因素，同时阐述了目前实时网 络所采用的一些技术，如：非破坏性位仲裁、令牌方式、确定性冲突解决和其他的一些 技术，并阐述了网络接口的结构和功能。 文章通过对网络发送数据包的过程进行分析，对该过程中可能造成传输延迟的原因 进行了总结，并针对这些原因，建立了自己的网络实时通信模型。文章中详细讨论了网 络接口的工作方法，并在其基础上实现了该模型。同时通过添加用户接口模块和系统调 用，直接在数据链路层提供了面向用户操作的接口。修改了数据帧格式和数据的接收、 发送流程，使实时数据自身附带了时间限制信息，实时应用程序可以根据数据的时间限 制信息，对接收的数据进行相应操作。 最后对网络实时通信模型进行了性能分析和测试，并简单介绍了实际应用。 关键词：现场总线：实时以太；网络接口；优先级翻转 a b s t r a c t r e a l t i m el o c a la r e an e t w o r ki sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y , m e d i c a t i o n r e s e a r c ha n do t h e r f i e l d s n o wt h e r em a i l l l ya r et w ok i n d so fr e a l t i m el o c a la r e an e t w o r k ：f i e l d b u sa n d r e a l t i m ee t h e m e t f i e l d b u si sw e l ld e v e l o p e da n dh a sg r e a tm a r k e ts a l e s b u tt 1 1 e r ea r es o m a n yk i n d so ff i e l d b u sa n dp r o d u c e r sw a n tt om a k em o r ep r o f i t i tm a k e st h es m n d a r do f f i e l d b u sc a l ln o tb eu n i f i e d s o ，r e a l t i m ee t h e r n e ti sp u tf o r w a r d s o m ec h a r a c t e r sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fr e a l t i m e1 0 c a la r e an e t w o r ka r ed i s c u s s e di n t h i st h e s i s s o m et e c h n o l o g yf o rr e a l t i m ei o c a la r e an e t w o r ki si n t r o d u c e d s u c ha s n o n d e s t r u c t i v ea r b i t r a t i o n ，t o k e n r i n g ，d e t e r m i n i s t i c c o l l i s i o nr e s o l u t i o n ，a n do t h e r s s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fn e t w o r ki n t e r f a c ea r el i s t e d p r o c e s sf o rs e n d i n gd a t ai sr e s e a r c h e da n ds o m er e a s o n sf o rt r a n s m i s s i o nd e l a ya r e c o n c l u d e d a c c o r d i n gt h e s er e a s o n s ，am o d e lf o rr e a l - t i m el o c a la r e an e t w o r ki sd e s i g n e d w o r k i n go f n e t w o r ki u t e r f a c ei sd i s c u s s e di nd e t a i la n dt h em o d e li si m p l e m e n t e do n t h eb a s i s o fn e t w o r ki n t e r f a c e 谢t h o mr e v i s i n gh a r d w a r e s i m u l t a n e o u s l y , u s e ri n t e r f a c eo nd a t a1 i n k l a y e ri ss u p p l i e dt h r o u g ha d d i n gs y s t e mc a l la n di n t e r f a c em o d u l e f u r t h e rm o r e ，t h ed a t a f r a m ef o r m a to fe t h e m e ta n dt h ef l o wo fd a t as e n d i n ga n dr e c e i v i n ga r er e v i s e d ，i tm a k e st h e r e a l t i m ea p p i i c a t i o nc a nd e a lw i t hr e c e i v e dd a t aa c c o r d i n gt i m ei n f o r m a t i o n a tl a s t ，p e r f o r m a n c eo ft h em o d e li sa n a l y z e da n da p p l i c a t i o ni ss i m p l yi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：f i e i d b u s ：r e a i t i m ee t h e r n e t ：n e t w o r ki n t e r f a c e ：p r i o r i t yi n v e r s i o n 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八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。 保密匡杉在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 作者签名：瘴垒掰l 指导导师签名巡垒 二型年上月叠日 工业控制中的实时以太研究 0 前言 现代的实时控制系统都是基于网络的分布式控制系统。各个分布式控制单元通过总 线或网络互连，进行各节点的信息交换和实现主机对分布式节点的控制。因此，实时网 络的性能就成为决定一个实时系统性能的决定性因素。 目前用于工业控制场合的实时网络技术主要有现场总线和实时以太两种，虽然令牌 环网和令牌总线网也具有很高的实时性，但是由于它们实现复杂，造价高昂，因此应用 范围受到限制。现场总线技术已广泛应用于各种工业控制场合，但是种类繁多。虽然 1 9 9 9 年现场总线技术标准一i e c 6 1 1 5 8 已经出台，但是8 种现场总线：i e c 6 1 1 5 8 t s 、 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 i n e t 、w o r l d f i p 和i n t e r b u s 都成为国际电工 委员会( i e c ) 的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通讯标准。而且还有许 多非常有影响力的其他类型现场总线，如：l o n w o r k s 总线、c a n 现场总线等。不同厂 家的仪表设备在不同的f c s 系统中兼容性问题不能解决。 为了解决该问题，专家们提出了将商用通信领域，。泛使用的以太网技术直接应用于 工业现场设备之间的通信，以全面取代目前各种现场总线，而成为新一代统一的现场总 线，实现从管理层、控制层到现场设备层的“e 网通”方案。 而且，目前有一种将所有现场设备与i n t e m e t 互联的趋势，即发展“w e b 自动化技 术”，使得可以通过w e b 形式访问现场的各种设备，这将不仅涉及到w 曲服务而且涉及 到安全性问题。因此目前已有许多研究转向如何将现场设备与i n t e r n e t 互联和w e b 服务 协议栈的安全研究j 。 但是以太网由于本身所固有的特性使它不能应用于实时：e 业控制领域。以太网的介 质访问控制协议- - c s m a c d ，有无法预见延迟的特性【3j 。网络节点发送数据时，需要监 听信道，只有信道空闲时，刚可以发送，如果信道忙碌，则只有等待。开始发送后，还 要监听是否发生碰撞，一旦发生还需要停止当前发送，等待一随机时问后重发。当实时 数据与非实时数据在普通以太网上同时传输时，由于实时数据与非实时数据在源节点 的竞争与来自其它节点的实时与非实时数据的碰撞，实时数据将有可能经历不可预见 的延时，甚至长时间发不出去。 因此，实时以太在这种需求下出现了。针对以太网络不具备实时| 生的特点，实现了 各种改进方法。主要的实现方式有两种：一、针对c s m a c d 协议的不足进行改进，主 要是通过对产生碰撞后，冲突的解决方案进行修改，使产生冲突后，各节点可以在确定 的时间内完成各自的数据传输1 4 1 1 5 ；二、对介质访问加以控制，使各节点不会在同一时 间内对。e 2 , 线进行访问，避免产生冲突f 6 j 。 由于c s m a c d 协议一般都固化在网卡的芯片中，因此想采用第一种实现方式，需 要有特定的硬件支持，实现起来比较困难，而且造价昂贵。相比第- , 0 0 方式，可以在数 据链路层的上层增加自己的一层特定协议，来控制对总线的访问时机，这样实现简单， 而且不需要对现有的硬件进行更换，具有更高的可用性。 本文采用第二种方式，对网卡的驱动进行修改，将网络的传输模式分为两种：实时 传输模式和非实时传输模式。处于实时传输模式时，保证在任何时刻，只有一个节点在 传输实时数据，不会发生碰撞。而处于非实时传输模式时，所有的节点遵循以太网所使 用的c s m a c d 协议，共同争用总线，各节点机会均等，具有公平性。对原有的以太帧 工业控制中的实时以太研究 格式进行了修改，使实时数据附带了时间# 艮制信息，接收方可以根据该信息，判断数据 是否有效。同时对待发送数据的存储结构进行了改进，使实时数据尽量连续存储，减少 实时数据的优先级翻转和由非实时传输模式向实时传输模式切换的次数，并在数据链路 层提供了直接面向用户的接口，有效地提高了网络的效率。 本文首先介绍了实时网络在国内外的发展状况，然后在第二章里介绍了实时网络的 一些相关理论和技术，以及网络接口功能模块。第三章介绍了实时网络模型。第四章对 实时网络模型的实现做了具体讲解，如：驱动开发、用户接口和系统调用等，接着做了 性能分析和测试，并简单介绍了实际应用。最后对自己工作进行了总结，并根据在工作 中遇到的问题对下一步实时网络研究进行了展望。 工业控制中的实时以太研究 1 国内外发展状况 目前流行的实时网络技术主要有两种，一种是对链路层的介质访问协议进行控制， 以达到数据在总线型网络上实时传输，具体实现形式可以分为现场总线技术和工业实时 以太技术，前者具有技术成熟，支持厂商众多等优点，但是一直没有通用的标准，很难 统一起来，而后者现在正成为研究热点，此外还有交换式以太等各种实时网络技术；第 二种则是针剥+ i n t e r n e t 上传输的多媒体数据的实时性而采用的一些技术，主要是在高层 实现的一些协议，如实时流协议( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 、资源预留协议 f r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 矛 1 实时传输协议( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) j 等。 1 1 现场总线 现场总线技术开发始于2 0 世纪8 0 年代，9 0 年代初发展形成，用于过程自动化、 制造自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场智能设备和互连通信网络。 目前形成了几种主要的现场总线标准，如p r o 劬u s 一德国国家标准、f i p 一法国国家 标准、i s p 一可交互系统结构标准、i s a 一美国仪表学会标准。国际上相继形成了两大现 场总线组织叫s p 和w o r l d f i p 。由于各大公司受利益驱动，长期以来现场总线标准未能 得到统一。 1 1 1 目前流行的现场总线 国际上现有的各种现场总线不下2 0 0 种，具有一定影响和已占有一定市场份额的现 场总线主要有以下几种： 1 、p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是唯一的全集成h l f 过程) 和h 2 ( i 厂自动化) 现场总线解决方案，是一种不 依赖于厂家的开放式现场总线标准，它可广泛应用于制造加工、过程和建筑自动化领域。 采用p r o f i b u s 标准系统，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信， p r o 曲u s 可用于高速并对时间苛求的数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。 p r o f i b u s 系列包括三个兼容版本：p r o f i b u s d p ( h 2 ) 、p r o f i b u s - p a ( h i ) 和p r o f i b u s f m s 。 2 、f f 现场总线 f f 现场总线包括低速现场总线( h 1 ) 和高速现场总线( h 2 ) 。它的最大特色就在 于它不仅仅是一种总线技术，而且是一个系统，是网络系统。它作为新型自动化系统， 区别于以前的各种自动化系统的特征就在于它具有开放型数字通信的能力，它使自动化 系统具备了网络的特征。而作为一种通信网络，有别于其他网络系统的特征则在于它位 于工业生产现场，其网络通信围绕完成各种自动化任务进行。 3 、l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 技术的基本元件_ n e u r o n 芯片同时具备了通信与控制功能，同时固化了 i s o o s i 的全部七层通信协议以及3 4 种常见的i o 控制对象；改善了c s m a ，l o n w o r k s 称之为p r e d i c t i v ep p e r s i s t a n tc s m a ( p 坚持c s m a 见2 2 3 节) ，这样在网络负载很重 时，不会导致网络瘫痪；通信的每帧有效字节数为0 2 2 8 个字节；通信速度可达 工业控制中的实时以太研究 1 2 5 m b i t s ( 此时有效距离为1 3 0 m ) ：一个测控网络上接点数可达3 2 0 0 0 个；直接通信 距离可达2 7 0 0 m ( 双绞线，7 8 k b i t s ) 。 4 、c a n 现场总线 c a n 现场总线主要用于过程监控和控制。与其他总线技术相比，c a n 的优势在如 下几方面： ( 1 ) 以多主控节点方式工作，通信方式灵活： ( 2 ) 网络带宽利用率高； ( 3 ) 纠错能力强，帧未结束时就可以得到确认； ( 4 ) c a n 总线插卡可任意插在p c 、x t 、a t 兼容机上，方便构成分布式监控系统： ( 5 ) 用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统； ( 6 ) 成本低，系统开发廉价； ( 7 ) 但c a n 也有自己的缺点，如传输延迟不确定，因而只有最高优先级帧的延时 是确定的；数据传输方式单一等。 5 、w o r l d f i p 现场总线 w o r l d f i p 现场总线采用了单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领 域采用不同的总线速率。过程控制采用3 1 2 5 k b i t s ，制造业为1 m b i t s ，驱动控制为 1 2 5 m b i t s 。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上( 包括各支线) 各控制站的通信。 可以1 对l 、1 对多点( 组) 、1 对全体等多种方式进行通信。在应用系统中，可采用 双总线结构，其中一条总线为备用线，增加系统运行的安全性。 6 、p n e t 现场总线 p n e t 是一种多层网络结构，具有如下特点： ( 1 ) 多层的网络结构，方便系统组态，提高系统的安全性和冗余性； ( 2 ) 分散控制、集中管理的控制方式，符合现代控制理论： ( 3 ) 各分系统间彼此独立工作，又互相协调，共享资源； ( 4 ) 较高的数据更新速度和传输速度，提高系统控制的实时性； ( 5 ) 无需建立各区段总线间的层次关系，方便了系统扩展，提高了系统的开放性。 1 1 2 现场总线通信协议 现场总线是用于支持现场装置，实现传感、变送、调节、控制、监督以及各装置之 间透明通信等功能的通信网络，保证网内设备间相互透明有序地传递信息和正确理解信 息是它的主要集成任务。此外，随着技术发展和应用需求的提高，将现场总线与上层信 息网络有效地集成到一起也是必然的。因此现场总线通信协议提出如下要求： ( 1 ) 通信介质的多样性：支持多种通信介质，以满足不同现场环境的要求： ( 2 ) 实时性：信息的传送不允许有较大的时延或延时的不确定性： ( 3 ) 信息的完整性、精确性：要确保通信质量； ( 4 ) 可靠性：具备各种抗干扰能力和完善的检错、纠错能力； ( 5 ) 可互操作性：不同厂商制造的现场仪表可以在同一总线上互相通信和操作； ( 6 ) 开放性：基本符合o s i 参考模型，形成一个开放系统。 现场总线通信协议是参照国际化标准化组织i s o 制订的i s o o s i 开放系统互联参考 工业控制中的实时以太研究 模型并经简化建立的，目前尚无最终完整的国际标准，i e c i s a 现场总线通信协议模型 综合了多种现场总线标准，规定了现场应用进程之间的相互可操作性、通信方式、层次 化的通信服务功能划分、信息的流向及传递规则。o s i 参考模型共分为七层，现场总线 通信协议则根据自身特点加以简化，采用了物理层、数据链路层和应用层，同时考虑到 现场装置的控制功能和具体应用又增加了用户层。 其各层功能定义如下： 第一层：物理层( p h z s i c a ll a y e r ) 定义了网络信道上的信号和连接方式、传输介质、 传输速率、每条线路上连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。当处于数据发送状态 时该层接受数据链路层( d l l ) 下发的数据，并将以某种电气信号进行编码发送：当处 于数据接受状态时，将相应的电气信号编码成为二进制数，并送到链路层。 第二层：数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 定义了一系列服务于应用层的功能函数和 向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制、信息传输的差错检验 等功能。d l l 提供原语服务和相关事件、与原语服务相关的参数格式，以及这些服务 及事件之间的相互关系，d l l 为用户提供了可靠且透明的数据传送服务。 数据链路层是现场总线的核心。所有连接到同一物理通道上的应用进程实际上都是 通过链路层的实时管理来协凋的。为了突出实时性，现场总线没有采用以往i e e e 8 0 2 4 标准中所定义的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理。在这种方式下，物理通 道被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信的延迟。 第三层：应用层( f i e l d b u sa p p l i c a t i o nl a y e r ) 为用户提供了一系列的服务，实现了 分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控制系统提供了应用接 口的操作标准，实现了系统的开放性。应用层与其他层的网络管理机构一起对网络数据 流动、网络设备及网络服务进行管理。 第四层：用户层( u s e rl a y e r ) 是专门针对工业自动化领域现场装置的控制和具体 应用而设计的，它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用户凭标准功能模块 司组成系统，实现用户的应用程序，这是使现场总线标准超过一项通信标准而成为一项 系统标准的关键，也是使现场总线控制系统开放与可互操作的关键。 此外，现场总线基金会系统结构还为每个设备定义了一个网络代理，可提供组态管 理、性能管理和差错管理的功能。系统管理负责完成设备地址分配、功能块执行调度、 时钟同步和标记定位等功能。 1 2 工业实时以太 1 2 1 以太网的发展 i e e e 8 0 2 委员会是以太网标准的主要制订者。从1 9 7 9 年到1 9 8 2 年，由d e c 、i n t e l 和x e r o x 三家公司制定了以太网的技术规范d i x ，以此为基础形成的i e e e s 0 2 3 以太网 标准，在1 9 8 9 年正式成为国际标准。在3 0 年中以太网技术不断发展，成为迄今最广泛 应用的局域网技术。 由于现场总线标准的多样化和难以实现统一，专家们提出了将商用通信领域广泛使 用的以太网技术直接应用于工业现场设备之间的通信，以全面取代目前各种现场总线， 工业控制中的实时以太研究 而成为新一代统一的现场总线，实现从管理层、控制层到现场设备层的“e 网通”方案。 但是传统以太采用总线拓扑结构和载波侦听碰撞检测通信方式，在实时性要求较高的 场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，不能保证数据传输的确定性。主机一旦 发送数据后，就对传输数据失去控制。这就是以太网的“不确定性”，它不能保证数据 传输的实时性，因此开始研究一种新的以太网解决方案工业实时以太。 1 2 2 工业实时以太发展状况 为了促进e t h e r n e t 在工业领域的应用，国际上成立了工业e t h e r n e t 协会 ( w w w i n d u s t r i a l e t h e r n e tc o m ) 和工业自动化开放网络联盟i a o n a ( w w w i a o n a c o r n ) 哺j ，并与美国a r ca d v i s o r yg r o u p 研究中心和g a r t n e tg r o u p 、a m rr e s e a r c h 研究中心 和g a r t n e rg r o u p 等机构合作，开展工业e t h e r n e t 关键技术的研究。美国电气工程师协 会( i e e e ) 正着手制订现场装置与e t h e m e t 通信的新标准。浚标准让网络直接看到对象 ( o b j e c t ) 。这些工作为e t h e m e t 进入工业自动化的现场级打下了基础。 1 2 3 工业实时以太的主要标准 目前主要的工业以太网标准有4 种，其主要的内容和支持的利益集团以及厂商分别 如下： l 、e t h e r n e t i p 主要支持集团和厂商：o d v a 集团( d e v i c e n e t 供应商协会) 、i a o n a 组织( i n d u s t r i a l a u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ) 、c i ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 、i e a ( i n d u s t r i a l e t h e m e t a s s o c i a t i o n ) 、r o c k w e l l 公司、a b b 公司、h o n e y w e l l 公司、三菱公司等。 典型的产品：r o c k w e l l 公司的i o 级产品：f l e x i o 和m i c r o l o g i c 等；a b b 公司的 i n d u s t r i a le t h e m e t 产品；c o g n e x 公司的e t h e r n e t i p 兼容的连网视频传感器系列产品。 e t h e r n e t i p 基于c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 的c i p 协议标准( 控制和信息协议) ，这 个标准把联网的设各组织成对象( o b j e c t ) 集合，并对这些对象定义存取操作、对象特性 和扩展，这使分散的各种设备可以用一种公共的机制来进行存取访问。超过3 0 0 个设备 供应商在他们的产品中支持c i p 标准，所以这是一个广泛使用和已经被大量实现的标 准，不需要更多新的技术：4 个独立的组织( o d v a ，i a o n a ，c i ，l e a ) 在联合开发 和推进e t h e r n e t i p 作为工业自动化的e t h e r n e t 应用层。 c i p 可以传送实时和非实时数据。交换基本的i o 数据和p l c 类信息；这是所 有控制网络具有的能力，c i p 用u d p 协议实现，以简单的主从方式处理。上传和下 载参数与设置点，传送程序和菜单；e t h e r n e t i p 通过数据映射( m a p ) 用t c p i p 实现 这类任务。和控制网络一样，e t h e r n e t i p 同样能处理轮询、周期( 循环) 和事件驱 动数据。点对点、一点对多点和广播通信，短期内在许多设备要更新数据情况时， t c p i p 每次连接时间开销太大，用u d p 协议同时把信息送到多个节点，提高效率。 c i p 数据包包括1 个专用的以太网首部、1 个i p 首部、1 个u d p t c p 首部和1 个 c i p 封装首部，c i p 封装首部包含的字段有控制命令、格式、状态信息和同步数据等， 这使c i p 数据包能通过t c p 或u d p 传送并确保接收方能解码。 i , i k 控制中的实时以太研究 e t h e r n e t i p 用了所有传统e t h e m e t 所用的传输和控制协议，所以它透明地支持所有 现有的标准以太网设备和p c 。在下层用e t h e m e t 和8 0 2 3 协议，三层用i p ，四层用u d p 或t c p ，用户层用c i p 协议规范。o d v a 内的e t h e r n e t i ps i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 负责制订和修改e t h e r n e t i p 规范。 2 、i d a 和m o d b u st c p i p 主要支持的集团和厂商：i d a ( i n t e r f a c ef o r d i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ) 集团、j e t t e r 、 r e a l t i m e i n n o v a t i o n s ( r t i ) 、s c h n e i d e r e l e c t r i c ( 施耐德电气公司) 、p h o e n i x 公司、o p t o 2 2 公司等。 典型产品：s c h n e i d e r 公司的“透明工厂”系统( 基于m o d b u s t c p ) ：o p t o2 2 公司 的s n a pe t h e r n e ti o 产品系列( 如s n a p e n e t - d 6 4 ，s n a p b 3 0 0 0 一e n e t ， s n a p e n e t - r t c 等) 。 i d a ( t h ei n t e r f a c ef o r d i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ) 是一个完全的工业以太网规范，结合 了实时性、分布式处理、基于w e b 的自动控制环境和集成安全架构。作为一个纯粹工 业以太网标准，i d a 包含了所有控制层，包括设备级。这是与别的工业以太网标准不同 之处，其它3 个工业以太网协议都伴随带有非以太网的设备网络。 i d a 的网络结构分为：系统配置层、用户层、应用层、传输和网络层、链路和物理 层五层。其中，系统配置( c o n f i g u r a t i o n ) 层是厂商( 如s i e m e n s 、r o c k w e l l 、a b b 等) 特 定的( 不同厂商有不同定义) ，设备和对象库( d e v i c ep r o f i l ea n do b j e c tl i b r a r y ) 是协议 特定的( 如e t h e r n e t i p , p r o f i n e t ，i d a ) 。i d a 和o d v a 、p n o ( p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ) 有一个联合工作组，重点在推进分布式处理和基于w e b 处理能力的系统结构，同时i d a 和p n o 还有一个联合工作组解决没备集成的能力。i d a 已经把m o d b u st c p i p 作为其 架构的组成部分纳入，并支持建立新的m o d b u so r g 组织。 m o d b u st c p i p 是在e t h e r n e t 和t c p i p 上结合m o d b u s 协议，通过简单地把m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧中，使m o d b u s 与以太网和t c p i p 结合，成为m o d b u st c p i p 。在目 前的工业以太网标准中，m o d b u st c p i p 似乎是最简单的一种。 正如m o d b u s 是现场总线中较简单，被广泛应用一样，m o d b u st c p i p 因其简单， s c h n e i d e r 公司、o p t o2 2 等公司已经推出m o d b u st c p i p 的产品和系统应用。m o d b u s t c p i p 规范可以在网上免费下载( w w w m o d b u s o r g m o d b u st c p h t m ) 。 3 、p r o f i l n e t 支持的集团和厂商：p t o ( p r o f i b u st r a d eo r g a n i z a t i o n ) 组织、s i e m e n s 公司。 p r o f i n e t 并不是在e t h e r n e t 上加上p r o f i b u s 协议，这一点和m o d b u st c p i p 不同 ( m o d b u st c p i p 是把m o d b u s 协议加在e t h e r n e t 和t c p i p 上实现的) 。p r o f i n e t 不是 一个现场总线，而是一个开放的通信模型，并支持多家供应商产品。它是在t c p a p 协 议层之上进行实时扩展，从t c p a p 的上一层到用户接口( u s e r i n t e r f a c e ) 层有一个系 统集成( s y s t e mi n t e g r a t i o n ) 功能软件来支持。p r o f i n e t 事实上是用m i c r o s o f t 的c o m 和 d c o m 模型，并透明地扩展到t c p i p 网络上的所有设备：更进一步，它定义了许多设 备和程序参数的对象模型( o b j e c tm o d e l ) 。 4 、f fh s e 支持的集团和厂商：现场基金会( f f ) 。 h s e 把f fh l 协议映射到u d p i p 或t c p i p ，但不是传统h l 的3 1 2 5 k b p s 速率， 7 工业控制中的实时以太研究 h s e 以1 0 0 m b p s 速率运行在t c p i p 上。p i d 和其它的现场控制选择已经在用户层的现 场总线控制模块( f f b ) 设置。f f b 既支持h 1 ，也支持h s e 协议。f f b 的库可以扩展 网络的潜在应用范围；f f b 允许系统开发者在f f b 库中定义i o 参数的数量、类型和 算法配置。这可以用来实现复杂的应用，如批控制、协调驱动控制( c o o r d i n a t e dd r i v e c o n t r 0 1 ) 、p l c 顺序控制和其它在现有的f f b 标准库中没有考虑到的任务。 1 2 4 我国发展实时以太的优势 各种现场总线技术已非常成熟，而且每一种在特定领域都有着自己的市场和产品。 虽然各种相关的标准已制订，但是由于各厂家受利益的驱动，长期以来现场总线标准未 能得到统一。 随着计算机商用领域的局域网通信逐步被以太网垄断，过程控制领域中的上层通信 也逐步统一到以太网和快速以太网。为了使各层网络之间的相互通信简便易行，以太网 被应用到各种控制现场，因此，实时以太成为研究热点【9 j 。 由于我国未对总线之争付出大的代价，同时也没有一种总线在我国占压倒性优势， 跟踪并采用国际的先进技术可以发挥后发优势，迅速缩短与发达国家的差距。 采用开放、免费并且无知识产权限制的技术e t h e m e t 和t c p i p ，可以节约资金， 减少技术的领带性，并拥有自主知识产权的技术开发。 减少专有网络的影响，有利于形成公平的市场竞争环境，有利于中国与国际接轨， 降低项目投资费用。采用e t h e r n e t 和t c p i p 等开放的技术，可以促进w e b 自动化等更 先进技术和模式在我国的应用，有利于制造业中间件软件市场的形成，为我国参与下一 轮国际技术竞争创造了良好的条件。 1 3 交换式以太 以太网交换技术( s w i t c h ) 是在多端口网桥的基础上于9 0 年代初发展起来的，它 实现o s i 模型的下两层协议，与网桥有着千丝万缕的关系。交换式技术不是新的标准， 而是现有技术的新应用。与传统的网桥相比，它能提供更多的端口( 4 8 8 ) 、更好的性 能和便宜的价格。 现在某些局域网交换机也实现了o s i 模型的第三层协议，实现简单的路由选拜功 能，即第三层交换。以太网交换技术除了提供存贮转发方式( s t o r e a n d f o r w a r d ) ，还提 供了直通方式( c u t t h r o u g h ) 1 0 l 。 1 4 实时传输协议 为了实时传输数据，r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 币( 用了简单而快捷的u d p 协 议实现网络传输。由于u d p 协议是一种无连接的传输协议，不保证报文传输的正确性 和有序性，也不提供流量控制功能。另一方面，在媒体通信中，由于多媒体数据的特殊 性，不宜采用通常的重传纠错法来提供正确性，而是采用控制传送带宽方式来减少报文 丢失，以满足多媒体应用所需的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 【】“。 r t p 通过报头中的序号、时戳等字段，以及r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r 0 1 r 工业控制中的实时以太研究 p r o t o c 0 1 ) 报文可提供一种基于无连接传输协议的端到端控制机制，即： ( 1 ) 序号字段可用于排序r t p 报文分组，以消除重复分组，保持视频或音频流同 步、连续地发送。 ( 2 ) 时戳字段可作为流问同步标识，以保持视频和音频流同步和连续地播放。 ( 3 ) r t c p 报文提供了一种基于接收者反馈的网络传输q o s 监测机制，发送者可利 用这种机制实施端到端的同步控制，以改善当前网络传输的q o s 。 要实施端到端的同步控制，前提是发送端可以获取网络失调状态信息。一种可行的 同步控制策略是：各个接收端将一种轻载的网络失调：状态信息( 如q o s 的状态) 反馈 给发送端，发送端根据这些信息进行强制性同步控制，以满足接收端的要求。 基于r 1 _ p 的带宽控制算法正是利用这种控制策略来实施同步控制的，其基本思想 是在r 1 1 p 协议机制支持下，发送端通过接收端周期反馈的接收报告来评估当前的q o s ， 并以此进行适当调整。这种方法的特点是：利用r 1 p 协议来传送网络状态信息，不需 要另外构造网络检测机制，易于实现；而且r t c p 报文是一种轻载报文，占用较少通信 带宽。 工业控制中的实时以太研究 2 相关理论及技术 本章主要介绍一些实时网络相关的概念和理论，以及目前实现实时网络所采用的一 些技术，最后，介绍了一般网络接口的结构和功能。 2 1 实时网络通信 现代的实时控制系统通常都是基于网络的分布式控制系统。各个分布式控制单元通 过总线或网络互连，进行各节点的信息交换和实现主机对分布式节点的控制。因此，总 线或网络的性能就成为决定个实时系统陛能的决定性因素。这也决定了实时通信网绍 和普通商用桌面环境下的网络技术之间的差别。 实时系统中实时通信网络应该为系统设计者提供以下指标【i ”： ( 1 ) 在最坏情况下网络中传输数据的通信延迟。商用网络的性能分析着重于平均 的消息延迟，但是实时通信网络技术关心的是最坏情况下消息的传输延迟时间。知道这 个指标，就可以准确预见网络通信系统的性能，从而为系统设计者提供一个可靠的设计 参考。 ( 2 ) 网络的最大吞吐量。商用网络的性能分析着重于平均吞吐量，但是由于实时 系统是事件驱动的，是围绕外部世界而工作的，系统的负载( 通信量) 有时可能很小， 甚至没有，但是有时又可能很大。因此，实时网络通信系统必须能够在重负载甚至超负 载环境下工作。因此，系统设计者关心实时网络的最大吞吐量。 ( 3 ) 网络的可靠性。可靠性是衡量系统正常工作的能力。由于实时通信网络工作 条件恶劣，因此要求网络应该具有较高的可靠性。网络的物理链路要有较强的抗干扰能 力，通常采用屏蔽电缆，信号采用差分式传输：网络接1 3 硬件设计应该采用工业级元器 件等等。网络的逻辑链路层协议也要采取相应的出错重传机制，动态重构等。在某些严 格要求可靠性的场合：如军事、航空航天和工业控制等领域，甚至不惜增加成本，采用 冗余设计以提高网络的可靠性。 2 1 1 实时通信网络中信息 实时通信网络中的信息有两个特征【l 习：一、服务时间( s e r v i c et i m e s ) ：二、最后 期限( d e a d l i n e ) 。在一个实时通信网络中，及时将信息在它的最后期限之前传输到目的 节点是非常重要的。这些信息对实时环境中的应用程序非常重要，如果应用程序属于硬 实时任务，那么属于该应用程序的信息，丢失或错过最后期限都将是不可容忍的，可能 会导致系统错误、造成重大事故等。属于软实时任务的信息，一部分信息的丢失或超过 最后期限，则是可以容忍的( 如：多媒体应用程序) 。同时根据实时信息传输的规律叉 可分为周期性实时信息和非周期性实时信息。 2 1 2 实时通信网络的共享资源 目前最流行的通信网络是多重访问网络( m u l t i p l ea c c e s sn e t w o r k ) ，通常指总线型 - - l o - 工业控制中的实时以太研究 _ _ _ - - _ _ _ - ， _ _ _ _ _ _ - _ _ ，_ _ _ _ _ _ 网络。使用这种网络，所有节点通过共享的通道( 总线) 传输数据，任何时候只能有一 条信息在网络上传输。因此总线成为这种网络的主要共享资源。实时通信协议主要解决 的问题是如何控制个节点对总线的访问和在总线上传输信息。 2 1 ，3 实时通信协议 为保证节点间数据传输的实时性，在对网络通道进行调度时，实时通信协议需要考 虑两个过程：访问仲裁过程和传输控制过程。访问仲裁过程决定一节点什么时候可以通 过网络通道发送数据；而传输控制过程决定节点可在通道上不问断传输数据的时间。访 问仲裁过程是为了保证各个节点的实时性，而传输控制过程则是为了保证整个网络的实 时性。由于通道是共享介质，如果不能有效限制节点占用通道的时间，那么其它节点的 实时性将无法保证。两个过程只有有机地组合在一起，才能保证通信协议具有良好的实 时性。 目前的实时通信协议大都侧重于其中的一个过程。如令牌环( 7 i o k e nr i n g ) 协议 i e e e 8 0 25 ( i e e e l 9 8 9 ) 强调的是访问仲裁过程，而定时令牌协议( t i m e d t o k e np r o t o c 0 1 ) ， 如i e e e 8 0 2 4 ( a n s l l 9 8 5 ) ，f d d i ( a n s l l 9 9 0 ) 贝j 强调的是传输控制过程。因此，它们的实 时性能并不理想【6 1 。 比较e t h e m e t 协议与其它实时网络通信协议可以发现，e t h e r n e t 节点主动争用通信 介质，而实时网络一般都是被动获得通信介质使用权后( 或者是获得令牌、或者是收到 命令) ，方可发送数据，因而在传输过程中不