（计算机应用技术专业论文）工业以太控制网络的系统设计和网络管理.pdf

硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s abs tract 、j e t h e r n e t , t h e m o s t p o p u l a r l o c a l a r e a n e t w o r k ( l a n ) s t r u c t u r e , h a s o b v i o u s a d v a n t a g e s s u c h a s o p e n ,c o s t - e ff e c t i v e ,s u p p o rt e d b y m a n y p o p u l a r h a r d w a r e s a n d s o ft w a r e s . i n r e c e n t y e a r s ,e t h e m e t h as b e e n e n t e r i n g t h e m a r k e t s o f in d u s t r i a l a u t o m a t i z a t i o n a n d p r o c e s s c o n t r o l fr o m d i ff e r e n t w a y s , m o r e o v e r i t h a s b e e n u s e d i n a w id e r f i e ld . t h e f a s t d e v e l o p m e n t o f t h e i n t r a n e t/ i n t e m e t c a l l s f o r c o m p l e t e a n d s e a m l e s s i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n fr o m f i e ld c o n t r o l l e v e l t o m a n a g e m e n t l e v e l i n e n t e r p r i s e , f o r w h i c h e t h e m e t h a s t h e p o t e n t ia l . t h e t ip i c a l m o d e l o f e t h e r n e t i s e t h e me t + t c p / i p ,t h a t i s e t h e m e t c a n b e e a s i l y i n t e g r a t e d i n t o i n f o r m a t io n n e t w o r k r e p r e s e n t e d b y t h e t e c h n o l o g y o f i n t e r n e t a n d we b b y u s i n g fl e x i b l e e t h e m e t p h y s i c a l l a y e r p l u s e s t c p / i p . w i t h t h e r e s o l v i n g o f t h e t e c h n i c a l p r o b l e m s s u c h a s r e a l - t i m e ,i n t e r o p e r a t i o n .e t c , e t h e m e t i s g r a d u a ll y d e v e l o p i n g d e e p e r t o w a r d f i e l d c o n t r o l l e v e l a n d m a n a g i n g t o a m a l g a m a t e w i t h o t h e r f o r m s o f n e t w o r k . i n t h i s t h e s i s , b y c o m p a r i n g t h e e t h e r n e t b a s e d in d u s t r i a l c o n t r o l w i t h t r a d i t i o n a l fi e l d b u s , w e v e d i s c u s s e d s o m e k e y i s s u e s r e l a t e d t o e t h e m e t : t h e a p p li c a t i o n s o f e t h e m e t i n c o n t r o l f i e l d , t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t o f t h e c o n t r o l n e t w o r k s y s t e m ,t h e f u n c t i o n o f n e t w o r k m a n a g e m e n t a n d h o w t o r e a l i z e i t ,t h e i n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y f o r c o n t r o l n e t w o r k a n d i n f o r m a t i o n n e t w o r k . e t c . i n c h a p t e r o n e ,w e v e b r i e fl y in tr o d u c e d f i e l d b u s ,t h e a d v a n c e d in d u s t r i a l c o n tr o l n e t w o r k . c o n tr a p o s e t o t h e p ro b l e m s e x s i s t i n f i e l d b u s ,w e v e d i s c u s s e d t h e a p p l i c a t i o n a n d s t a t u s o f i n d u s tr i a l e t h e me t i n c h a p t e r t w o .c o m b i n e d w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f e t h e me t ,i n c h a p t e r t h r e e ,w e v e b r o u g h t f o r w a r d a k i n d o f e t h e r n e t s t r u c t u re a n d a d e s i g n p r o j e c t f o r e t h e m e t c o n tr o l l e r ,t h e k e y e q u ip m e n t i n e t h e m e t . we v e a l s o a n a l y s e d h o w t o re s o l v e t h e u n c e r t a in t y o f t h e tr a d i t io n a l e t h e m e t w h i c h a f f e c t e d i t s i n d u s tr i a l a p p l i c a t i o n .i n c h a p t e r f o u r w e v e t a l k e d 1 1 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s a b o u t h o w t o r e a l i z e n e t w o r k m a n a g e m e n t s y s t e m b a s e d o n s n mp a n d we b t e c h n o l o g y , w h i c h i n c l u d e s i t s s t r u c t u r e ,f u n c t i o n a n d p r o g r a m m i n g m o d e l . we v e d i s c u s s e d t h e t e c h n o l o g y o f e t h e rn e t in t e g r a t i n g w i t h o t h e r n e t w o r k i n c h a p t e r fi v e ,w h i c h c o n s i s t e d o f b o t h i n t e g r a t i n g w it h i n f o r m a t i o n n e t w o r k a n d c o n t r o l n e t w o r k . .i n t h e l a s t c h a p t e r w e v e a n a l y z e d t h e a p p l i c a t i o n p r o j e c t o f e t h e rn e t i n c o n t r o l f i e l d t h r o u g h p r a c t i c a l c a s e k e y w o r d s : i n d u s t r ia l e t h e rne t c o n t rol l e r t c p / i p n e t w o r k i n t e g r a t i o n d y n a m i c e t h e rne t f i e l d b u s s nmp s o c k e t e- co n t r o l u n c e r t a i n ty p du op c d a t a e x c h a n g e 硕士学位论文 、 认s t f r s m e s s 第一章以现场总线为基础的控制系统与网络系统 1 . 1 前言 这篇文章提出的原因是着眼于当前工业控制网络的发展趋势， 这种趋势应 该是从多种现场总线共存、多种系统的集成和多种技术的集成，最终走向统 一。以太网具有这方面的潜质， 它的低成本、开放性、广泛的开发和应用软、 硬件的支持，使之成为目前应用最广泛的网络技术。如果工业控制网络采用 以太网，可以使工业控制网络纳入计算机网络技术的发展主流，但必须采用 一定技术有效提高网络的实时性和可靠性. 本文试图从传统现场总线型控制网络和以太网技术特点入手， 对工业以太 网的体系结构的设计和网络管理方法进行分析， 讨论它们的实施和规划方案， 并提出基于工业以太网的企业网络模型，以及工业以太网、企业网、i n t e rne t 的集成思路。作为扩展，也对其他工业控制网络和信息网络的集成技术提出 自己的构想。 1 .2 现场总线的产生 先介绍一下控制网 络的概念， 控制网 络ill 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、工作站以外，更多的是具有计算与通信 能力的智能仪表。控制网络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。 总线 ( b u s ) 的概念则由来已久， 而现场总线 ( f i e i d b u s ) 的出现是在1 9 8 4 年19 1 。 它的出 现决不是偶然的， 而是出 于当时用户的需要。 用户的 需要是产生 现场总线的动力，计算机、通信和控制技术的发展则为研究开发现场总线提 供了技术基础。 纵观控制系统的发展史， 不难发现， 每一代新的控制系统推出都是针对老 一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两 大外因的推动下占领市场的主导地位， 现场总线和现场总线控制系统的产生 也不例外。 控制系统的发展历程如下: 1 .模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。 其显著缺点是: 模拟信号精 硕士学位论文 双1 s 兀r s t h e s i s 度低，易受干扰。 2 .集中式数宇控制系统 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。 采用单片机、 p l c , s l c 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控 制系统中模拟信号精度低的 缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控 制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制 机时的选择上可以统一调度和安排;不足的是，对控制器本身要求很高，必 须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率 和可靠性将急剧下降。 3 .集散控制系统 ( d c s ) 集散控制系统 ( d c s ) 于八、 九十年代占主导地位。 其核心思想是集中管 理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干 台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连 以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地 克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。 在集散控制系统中， 分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和 应用。 遗憾的是， 不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其通讯控制网 络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的 d c s系统之间以及 d c s与上层 i n t r a n e t , i n t e r n e t 信息网 络之间 难以 实现网 络互连 和 信息共享， 因 此集散 控制 系统从这个角度来看，实质是一种封闭、专用、 不具备可互操作性的分布式 控制系统，且d c s 价格昂 贵。 在这种情况下， 用户对网络控制系统提出了开 放化和降低成本的迫切要求。 4 .现场总线控制系统 ( f c s ) f c s 于是应运而生， 它用现场总线这一开放的， 具有可互操作性的网络将 现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统。同时它将控制功能 彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s的愿望是实现一 种开放的、具备可互操作性的、 彻底分散的分布式控制系统，但是稍后我们 会看到，因为各种原因，这种理想的愿望没有成为现实。 1 . 3 现场总线及现场总线控制系统 现场总线 (c f i e l d b u s )是连接智能现场设备和自 动化系统的数字式、双向 传输、多分支结构的通信网络，遵循i s o的o s i 开放系统互连参考模型的全 部或部分通讯协议，其基础是智能化仪表。分散在各个工业现场的智能仪表 通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成 硕士学位论文 从4 s t f r s t h e s i s 现场 总 线 控 制 系 统( f i e l d b u s c o n t r o l s y s te m f c s ) 。 f c s 是一种实时的网络控制系统， 它综合了 数字通信技术、计算机技术、 自 动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统 的“ 点对点” 式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性， 构成一种全分散、 全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。 1 .现场总线的特点 f c s 把传统d c s 的控制功能进一步下放到现场智能仪表， 即把原先d c s 系统中处于控制室的控制模块、各个输入输出模块置入到现场设备中，由现 场智能仪表完成数据采集、数据处理、 控制运算和数据输出 等功能。 d c s 控 制站中原有庞大的u o插件系统将被很少量的现场总线通信卡取代。 在f c s系统构成中，除现场智能仪表外，软件占的比重大大增加，系统 将具有更灵活的组合性和开放性，系统还将提供对现场智能仪表工作状况的 监视或维护功能。 现场仪表的数据( 包括采集的数据和诊断数据) 通过现场总线传到控制室 的控制设备上， 控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存 各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。 另外， f c s 还可通过网关和企业的上级管理网 络相连， 以便企业管理者掌 握第一手资料，为决策提供依据。所以 现场总线具有以下突出特点: ( 1 )开放性 现场总线控制系统 ( f c s ) 采用公开化的通信协议， 遵守同一通信标准的 不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。用户可以灵活选用不同厂商 的现场总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。开放性意味 f c s 将打破d c s 大型厂家的垄断， 给中 小企业发展带来了 平等竞争的机遇。 ( 2 )互操作性 互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组 态，实现同一的控制策略和“ 即插即用” ，不同厂商的性能相同的设备可以互 换。从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 ( 3 )灵活的网络拓扑结构 现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构， 如 树型、星型、总线型和层次化网络结构等。 ( 4 )系统结构的高度分散性 现场设备本身属于智能化设备， 具有独立自 动控制的基本功能， 从而从根 本上改变了d c s 的集中与分散相结合的体系结构， 形成了一种全新的 分布式 控制系统，从而实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简 化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独 硕士学位论文 ma s t e r s t h e s i s 立正常运行， 其智能程度大大加强。 高度的分散性意味着系统具有较高的可 靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护. ( 5 )现场设备的高度智能化 传统的d c s使用相对集中的控制站，其控制站由c p u单元和输入/ 输出 单元等组成。 现场总线控制系统则将d c s 的控制站功能彻底分散到现场控制 设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补 偿、p i d运算和控制、设备自 校验和自诊断等。系统的操作员可以在控制室 实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自 诊 断功能对故障进行定位和诊断。 ( 6 )对环境的高度适应性 现场总线是专为工业现场设计的， 这也是“ 现场” 一词的基本含义。 它可 以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据，具有很 强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉价的双绞线，并且允许现场设备利 用数据通信线进行供电，还能满足本质安全和防爆要求。 ( 7 )低成本 衡量一套控制系统的总体成本， 不仅考虑其造价， 而且应该考察系统从安 装调试到运行维护整个生命周期内总投入。 相对d c s 而言， f c s 开放的体系 结构将大大缩短开发周期，降 低开发成本;彻底分散的分布式结构将 1 对 1 模拟信号传输方式变为1 对n的数字信号传输方式， 在节省d c s 系统中模拟 信号传输过程所需的大量 a i d , d i a转换装置的同时，也节省了布线安装成 本和维护费用。因此从总体上来看，f c s的成本要大大低于d c s e 2 . 现场总线与晋通局域网的区别 现场总线连接自 动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备， 网线上传 输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等， 传输速率低， 但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制网络。 局域网用于连接区域内的各台计算机， 网上传输的是大量的数据和数字化 信息。如文件、声音、图像等，传输速率高，但不要求很强的实时性。从这 个意义而言，局域网是一种高速信息网络。 就实现方法而言，两者在传输介质和通讯协议上也有较大差别。 3 .现场总线控制系统体系结构 以现场总线为基础的控制网络系统的体系结构如图 卜 1 所示。 最底层的i n fr a n e t 控制网即f c s ， 各控制器节点分散下放到现场，构成一 种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构灵活多样，可以为总线形、星 形、环形等。通讯介质可使用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。 由f c s 构成的i n f r a n e t 控制网通过网关与 i n t r a n e t 企业内部网以及 i n t e r n e t 相 连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。这个结构涉及到信息网络和控 制网络的集成，我们在第五章会讨论此问题。 在f c s 中， 系统的基本结构为: 工控机或商用p c 、 现场总线主站接口卡、 现场总线输入i 输出模块、 p l c或智能设备、 n c i c n c实时多任务控制软件包、 组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据库组态、 历史 库组态、图形组态、 控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数 据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制 运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面，从而实 现控制集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。 i n rt 欲 口 * fp- m口 l 性 n 双 匕 固器 串4 -1 9纪器 入 幻 匕n 终奎 胡$ 上位机 祠 v v w 一 - - - - - -. 图 1 - 1 现场总线为基础的网络系统 ， .4 现场总线的发展现状 现场总线发展迅速，世界上已经出现 2 0 0 多种现场总线技术， 其中有十 硕士学位论文 义遗夕 m a s t e r s t h e s i s 几种在不同的领域得到了广泛应用。由于各种现场总线代表着不同公司多年 的研发投资和市场利益，不同总线的技术侧重面不同，各有特色，各有相应 的应用领域，且就目 前各种现场总线技术来看，没有哪种现场总线能够完全 适用于所有的应用领域。从现场总线国际标准制定过程的激烈竞争情况也可 以看出这点。在无奈和妥协中，8 种现场总线同时成为i e c 6 1 1 5 8 现场总线国 际标准的子集。有些未成为国际标准的现场总线，同样已经占有很大的市场 份额，如l o n wo r k s ，它们可能在某一个或者某几个领域占 有主导地位。 1 9 9 9 年底i e c t c 6 5( 负责工业测量和控制的第6 5 标准化技术委员会) 通过的8 种类型现场总线分别为: 类型 1 : f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s 现场基金会总线)的h 1 类型 2 : c o n t r o ln e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) 类型 3 : p r o f i b u s( 德国西门子公司支持) 类型 4 : p - n e t ( 丹麦p r o c e s s d a t a 公司支持) 类型 5 : f f h s e( 即原f f的h 2 , f i s h e r - r o s e m o u n t 公司支持) 类型 6 : s w i f t n e t ( 美国波音公司支持) 类型 7 : wo r l d f i p( 法国a l s to m公司支持) 类型 8 : i n t e r b u s( 德国p h o e n i x c o n t a c t 公司支持) 再加上i e c t c 1 7 b通过的3 种现场总线国际标准， 它们分别为s d s ( s m a rt d i s t r ib u t e d s y s t e m )、 a s i ( a c t u a t o r s e n s o r i n t e r f a c e ) 与d e v i c e n e t 。 此外， i s o还有一个i s o 1 1 8 9 8 的c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 。 所以一共有1 2 种 标准之多。 除了 有1 2 种国际标准外， 还有欧洲标准，有些国家还有其国家标准，如 英国的e r a ,挪威的 f int等，甚至一些大公司也推出自己的标准，如日 本 三菱的c c - l ink 、法国s h n e id e r 公司的mo d b u s 等. 下面简要介绍最具影响力的5 种: ( 1 ) f f ( f o u n d a ti o n f ie l d b u s 现场基金会总线) 由美国仪器协会 ( i s a) 1 9 9 4 推出，前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司 为首的8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首联合欧洲等地1 5 0 家公司制定的wo r l d f i p协议， 主要应用于石油化工、 连续工业过程控制中的 仪表。 f f 的特色是其通讯协议在i s o的o s i 物理层、 数据链路层和应用层3 层 之上附 加了 用户 层， 通过对象字典o d ( o b j e c t d i c t i o n a ry ) 和设 备描述语言 d d l ( d e v i c e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 实现可互操作性。 目前基于f f 的现场总线产品有， 美国s m a r 公司生产的压力温度变送器， h o n e y w e i ll ( 2 )能在同一总线上运行不同的传输协议， 从而能建立企业的公共网 络平台或基础构架; ( 3 )在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术: ( 4 )沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉， 市场上能提供广泛的设 置、维护和诊断工具，逐渐成为事实上的统一标准; ( 5 )允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。 这些突出优点， 不仅使以太网占据局域网领域的统治地位， 也促使以太网 广泛进入到工业领域。 2 .进入控制领域的以太网 如第一章中的图1 - 1 所示， 企业网络大致可分为3 层: 信息层、 控制层和 设备层 ( 传感/ 执行层)。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控 制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。但目前，以太网已 经渗透到了控制层和设备层，现在的新型p l c和远程u o模块都开始具备有 支持t c p / i p的以太网接口的产品。 国际现场总线基金会f f 已经在2 0 0 0 年4 月发布高速以太网现场总线h s e 的最终技术规范 ( f s 1 1 .0 ) ， 其他一些国际组织也在从事推动以太网进入控制 领域的工作，如i e e e( 美国电气和电子工程师协会)正在着手制订现场总线 和以太网通信的新标准; o d v a ( d e v i c e n e t 供应商协会) 也发布了一个为在 工厂基层使用以太网服务的全球标准 e t h e m e t / i p ， 它允许在开放的应用层中充 分利用商业的以太网物理介质和元件，来实现自 动化领域中不同供应商的以 太网产品之间可互操作特性:i a o n o ( 工业自动化开放网络联盟)最近与 o d v a和 i d a ( 国际开发协会)就共同推进 e t h e m e t 和t c p / i p 达成了共识。 所有这些，加上众多设备供应商围绕以 太网开发的一系列新技术和新产 品，给以太网广泛进入实时控制领域创造了条件，以太网技术正成为控制网 络的一个重要发展和研究方向。三个主要原因是: ( 1 )低成本的 刺激和速度的提高 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各种产品和标准对以太网的支持是 其成功的重要因素。 2 0 世纪8 0 年代， l o mb / s 的网卡售价近1 0 0 0 美元: 现在 1 0 0 m b / s 的网卡售价仅为2 0 美元左右，而且很多p c机已 经集成有以 太网接 口 。 以太网最初的数据传输速度只有 i o mb / s e 随着 1 9 %年快速以太网标准的 发布，以太网的速度提高到了1 0 0 m b / s 。 现代以太网标准， 比如交换、 全双工 传输、 实时数据的优先级、 带宽由i o m b l s 到l o o mb / s 乃至i o o o mb / s 的升级， 硕士学位论文 m a s t e r s t h f s i s 使以太网和己有的自动化网络比较起来在很多方面独树一帜。 ( 2 )现代企业对实时生产信息有越来越多的要求 企业活动已扩展到全球范围， 生产系统中最主要的3 大要素: 物质、 能源 和信息之间的关系发生了巨大变化，信息已成为最活跃的主导性因素。 为了提高生产的效率和效益， 人们迫切需要了解生产过程的实时数据， 将 实时生产信息与企业的e r p系统结合起来。而企业的信息层大多数采用了以 太网的解决方案， 信息的无缝连接， 当控制层和设备层都采用以太网时，则可以实现各层之间 整个网络系统将是透明的。 ( 3 )以 太网的开放性和兼容性 前己 述及， 现场总线林林总总的标准分别为不同的公司所拥有， 的产品捆绑在一起，相互之间兼容性很差。这给那些使用多家产品 统的集成和维护带来了很大的麻烦，因此迫切需要建立一个统一、 信标准. 并与他们 的大型系 开放的通 工业以太网因为采用由i e e e 8 0 2 .3 所定义的数据传输协议， 它是一个开放 的标准，从而为众多厂家广泛接受。与现场总线相比， 容性。快速以太网是在双绞线连接的传统以太网标准 以太网还具有向下兼 ( l o b a s e - t )的基础上 发展起来的，但它的传输速度从 l o mb / s 提升到了i 0 o mb / s 。在大多数场合， 它还可以使用现有的布线。此外，以太网还允许逐步采用新技术。可以一步 步将整个网络升级，不必一次推倒重来。 2 .工业以太网的特殊性 传统以太网采用总线式拓朴结构和c s m a / c d通讯控制方式， 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，这个现象被称为以 太网的“ 不确定性，o 例如商业以 太网在工业应用中的传输延滞在 2 - 3 0 m s 之间， 这是wa ng v i 太网长期无法直接进入过程控制领域的重要原因之一。真正意义上的工业以 太网应该能很好地解决实时性的问题，我们稍后会专门讨论这一点。 除此之外， 尽管工业以太网与普通以太网一样符合i e e e 8 0 2 .3 标准， 但是 由于工业以太网设备的工作环境与办公环境存在较大差别，所以工业以太网 设备要求能在较宽温度范围内工作、 封装牢固 电源冗余、2 4 v d c供电等。 抗振和防冲击)、导轨安装、 一般来看，工业以太网设备与普通商用以 太网设备之间的区别， 所示。 如表 2 - 1 还有一点， 控制网络解决方案必须满足鲁棒性和可靠性方面的需要。 过去， 冗余网络都是采用双总线方式实现的。现在，以太网和交换技术使得建立冗 余环网成为可能。只需在总线的两端之间增加一条链路即可实现高效率、高 性价比的冗余。 表2 - ， 工业以太网与普通以太网对照表 功能工业以太网设备普通以太网设备 元器件和设计工业级商用级 工作电压 2 4 v dc2 2 0 v ac 电源冗余双电源一般没有 安装方式d i n轨道安装桌面、机架 工作温度 0 - - 6 05 - 4 0 冷却方式无风扇有风扇 电磁兼容性标准 f n 5 0 0 8 1 - 2 ( e mc、 工业) e n 5 0 0 8 1 - 1 ( e mc 、办公 室) e n 5 0 0 8 2 - 2 ( e mc、 工业) e n 5 0 0 8 2 - 1 ( e mc 、办公 室) 冗余环网 切换时间小于5 0 0 m s 3 0 - 9 0 s mt b f时间至少 1 0 年 3 - - 5 年 备品各件供货持续期1 0 年3 - 5年 例如， 可以使用具有“ 环形以太网冗余” 专利技术的集线器和交换机构成环 形拓扑结构用在关键的场合，以 保证所需的容错功能。该专利采用抗干扰的 光纤和集成的冗余机制增强了数据网络的可靠性。 这种网络系统可以用于构造网格状结构的共享网络， 保证即使同时发生多 处故障时，网络仍然正常运行。该集线器和交换机的另一个特点是当发生故 障时可以在2 0 m s 内切换到冗余链路。 交换机中的智能控制功能允许实现多网段间的冗余连接。 两个网 段之间可 以通过两条独立的链路相连，每条链路连接不同的交换机。 连接主链路的交 换机与连接冗余链路的交换机之间通过一根控制线交换它们的工作状态数 据。当主链路发生故障时，冗余交换机立即启动冗余链路。 一旦主链路恢复正常， 连接主链路的交换机即将这一状态通知连接冗余链 路的交换机，这样，主链路工作，冗余链路断开。整个故障的检测和处理时 间小于5 0 0 m s 。这样，在某条链路或者某个设备发生故障最多持续5 0 0 m s 以 后，网络又变得完全可用。 2 . 3 工业以太网在控制网络中的作用和地位 i .广义的工业以太网 我们上面讨论了有其特殊性的专用以太网控制网络， 如果把和工业控制有 关的以太网内容都考虑进去的话，则可以把工业以太网的概念延伸开去。 按照以太网在控制领域的应用现状，可以归纳为三方面: ( i )以太网与其它现场控制网络的结合 这其实是信息网络和控制网络的一种典型集成方式， 我们在第五章会涉及 到这个问题。 在工业自动化方面的理想目 标就是削减通向自 动化各层次路径上复杂程 度各异的连接，以跨越不同的总线技术，并借助某种网络直接建立统一的通 信。以太网作为可靠的网络标准，侧重于数据处理和通讯，是一个较好的选 择。 就一个企业来说， 企业中央部门和各级管理部门所采用的是基于标准以太 网结构的局域网络，各部门各单位之间广泛的数据交换，是以太网的典型任 务， 如果把这个局域网 作为 控制网络的上层数据通路扩展， 使包括p l c , d c s , 独立的嵌入式控制设备乃至现场总线等各个自 动化岛屿之间能在企业网层次 进行数据交换。不失为一个好的解决方案。 ( 2 )专用的工业以 太控制网络 前面已经谈到了， 它其实就是狭义的工业以 太网， 采用了和普通以太网不 同的一些专有技术，用以太网的结构实现现场总线所具备的控制功能。 ( 3 )嵌入以太网的u o与嵌入式 i n t e r n e t 嵌入式因特网是最近网络应用的热点，就是通过 i n t e rn e t ，使所有连接网 络的设备彼此互通互联，从计算机、p d a、通讯设备到仪器仪表、家用电器 等。 因为 i n t e n e t 的原因，这一类结构将肯定获得快速的增长，这种新的硬件 结构以交换式以太网为主千，用嵌入式技术开发的智能化现场器件作为以太 网的节点。通讯控制采用嵌入式以 太网控制器，包括硬件和相应的软件。 随着信息技术的发展， 楼宇、 工厂乃至家庭都开始大量安装以太网以共享 信息， 这些通用以太网灵活方便，费用低廉，与i n t e m e t 自 然结合。 但在应用 层上不满足实时通信、复杂的工程模型组态以及设备间的可互操作性，也不 满足工业现场某些方面的特殊要求，如本质安全、恶劣环境、可靠性等。它 主要是使以太网能接纳带通讯口的现场设备，达到数据采集和监控的目的。 可以运用在远端数据采集、过程监视、安全系统、实验自 动化、楼宇自 控等 诸多方面，而不适合工业现场的大规模实时过程控制。 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 2 .工业以太网应用层上互操作性的复杂和困难 以太网本质上只是一个物理层标准，虽然传输层和网络层的协议基本上 已 经统一到 t c p i i p ，也己 经为大多数工业控制器厂家所接受。 但为了保证以太网上面产品间的互可操作性，还必须为所有报文创立统 一的目 标模型和公共应用层。报文结构和数据的目 标 ( 如温度、湿度等)必 须表达在所有产品上，并为所有制造商统一使用。因为各厂商的现有利益， 这种互可操作性标准的实行有相当的难度，导致工业以太网在应用层方面的 复杂性远远超过普通以太网。 例如， 当以太网用于信息技术时， 应用层含有h t t p超级文本传输协议) 、 f t p ( 文件传输协议)、s m t p( 简单电子邮件传送协议)和t e 工 n e t ( 远程登 录)。这些基于t c p i i p 的协议簇己经成为工业界事实上的网络标准，在不同 厂商的不同网络系统互联方面起着关键作用。但当以太网用于工业控制时， 体现在应用层的是实时通信、 用于系统组态的对象以及工程模型的 应用协议. 现有的几个互相竞争的应用层协议和各自的现场总线利益集团密切挂 钩， 它们是现场总线和以太网相结合的解决方案，标准之争延伸到了这里. 目 前的 几个主要的竞争对手是m o d b u s /t c p基于t c p i 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 i p 的c o n t r o l - n e t/ d e v l c e n e t )和p r o f i n e t ( 基于以太网的 p r o f i b u s )，我们将在第五章详细讨论。 e t h e m e t/ i p 在应用层上定义了一系列的 “ 用户设备行规”，包括半导体、 气动阀门、交流变频驱动器、位置控制以及其他设备行规。施耐德的mo d b u s t c p i i p 却成为t半导体工业的标准e mi e 5 4 . 9 - 2 0 0 0 . e t h e m e t/ i p 与o s i 模型的参照比 较如图2 - 1 所示. e t h e m e t/ i p 模型由 i e e e 8 0 2 . 3 物理层和数据链路层标准、 以 太网 t c p i i p 协议 组和控制与信息协议 ( c o n t r o l i n f o r m a t i o n p r o t o c o l , c i p ) 3 个部分组成。 前两部分为标准的以太网技术，被称作控制和信息协议的c i p 部分作为 e t h e r n e t l lp 模型的应用层，与在c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 控制网络中使用的c i p 相同。 在 c o n t r o l l o g i x , p l c - 5 和s l c 家 族的 所有e t h e r n e t / i p 产品都使用c i p 通 信。 c i p 一方面提供实时u o 通信， 另一方面实现信息的对等传输。 其控制部分 根据 “ 用户设备行规”来实现实时1 / o 通信，信息部分则用来实现非实时的信 息交换。 由于重新面临标准问 题， 作为权宜之计，由 m i c r o s o ft 牵头， 有1 2 0 多个成 员o p c c o l e f o r p r o c e s s c o n t r o l ) 基金会于2 0 0 1 年9 月1 1 日 宜布， 制订出与以 太网 进行数 据交换的 标准， 且国际 c o n t r o ln e t , f i e l d b u s 基金 会、 o p e n d e v i c e n e t 用户协会、国际p r o f ib u s 组织都同意支持o p c 数据交换标准。这可以算是最低 水准的互操作，并不具备实时性。 3 .工业以太网的地位和前景 通过对现场总线和以太网的分析，作者认为:一方面以太网毕竟不是为 工业控制系统专门开发的网络系统。它更适合于对实时性要求不很高的、纯 应用层7 “、 _控 制 与 信 息 协 议 表示层“一 二 一 _ -。 一 uc i p 会话层5 传输层4 网络层3 1 数据链路层2以太网媒体访 问控 制 物理层l以太网物理层 os i 模 型e t h e r n e t / i p模 型 应 用 层 控 制 与 信 息 协 议 c i p 表 示 层 会 话 层 传 输 层 u d p i i p 网 络 层 数 据 链 路 层以 太 网 媒 体 访 问 控 制 物 理 层 图2 - 1 e t h e r n e t/ i p 与o s i 模型的e 匕 较图 粹的数据传输领域。即使在今天，某些厂商的改进产品使以太网越来越深入 现场，但整体上看，面向控制领域的工业以太网需要在技术上进一步飞跃。 另一方面，现场总线宜称具有开放性、可互操作性和可互换性，但多年 竞争的结果出现了1 2 种国际标准和更多非国际标准。没有哪种标准能完全适 用于所有工业领域，各自 代表着相关公司多年的研发投资和市场利益，只能 在彼此的相互竞争中向前发展。 而作为成熟产品形态的 d c s , p l c 等也已 经具 有广泛的应用基础，自 身也在进行数字化、网络化的改进，它们都不会轻易 放弃自己的阵地。 所以，以太网能否像局域网领域一样成为实时控制网络的统一标准还难 以定论。 a r c ( a u t o m a t i o n r e s e a r c h c o m p a n y ) 预测今后e t h e rn e t 和t c p / i p 将 成为器件总线和现场总线的基础协议，这样的结论似乎过于乐观。 客观地说，以太网取代现场总线的条件还不成立。 预言f c s , d c s 等将退 出历史舞台也为时尚早，但这并不影响我们在控制领域中对以太网的重视。 以太网是灵活的，伸缩性很强，进入工业领域有着巨大的发展潜力，不管以 的哪种途径介入到控制领域，都会使控制信息向共享化、低成本、开放性、 一- - - - - - 分 ， ， ， ， ， 户 门 种 种 种 户 户 种 ， ， 户 ， ， ， ， ， ， ， 硕士学位论文 m a s t e r s t