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工业以太网在网络控制系统中的应用研究 摘要 随着工业自动化技术和信息技术的不断发展，建立统一开放的通讯协议和 网络、实现信息网络和控制网络的融合成为网络控制系统急待解决的问题，工 业以太网在技术和实际应用的适用性、可行性、发展性都具有很大优势，是解 决上述问题的有效方法，成为网络控制系统的发展方向。确定性和实时性问题 是工业以太湖在网络控制系统中应用的关键问题，本文针对这一问题，研究工 业以太网的应用与优化。 本文首先分析研究了网络控制系统通讯需求和通讯模型，在此基础上针对 以太网的特性，分析研究了它在网络控制系统应用中的确定性和实时性问题存 在的原凶和解决方法，选择采用了全双工交换式技术作为工业以太网应用方案； 其次在对全双工交换式以太网进行深入分析研究的基础上，提出采用了基 于令牌桶法的流量整，眵技术来保证全双工交换式以太网应用的可靠性和实时性 问题。在此基础卜，基于网络演算技术给出了全双工交换式以太网性能分析方 法。 最后基丁图分割模型，采用基于最优保留的遗传算法解决了网络结构优化 问题来进步提高系统性能，针对这一算法存在的问题，提出了基于模式处理 和模拟退火操作的混合遗传算法，取得较好的成果，并对引入进化稳定策略进 行了尝试。 关键词：网络控制系统，全双工交换式咀太网，流量整形，遗传算法，模式预 处理，模拟退火 第1 页 1 1 h er e s e a r c ha n d a p p u c a t i o no f i n d u s t r i a le t h e r n e tn e t w o r ki nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t a st h ei n c e s s a n td e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dj n f o r m a t i o n t e c h n 0 1 0 9 y ，b u i l d i n g1 j n i r i e dc x o t e r i cc o 舢u n i c a t i o np r o t o c o la n dn e t w o r kt o c a r r vo u lt h ea m a l g 栅1 a t i o no fc o n t r 0 1n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r kc o m e s a st h eu r g e n tp r o b le mf o rn e t w o r kc o n t r 0 1s y s t e m i n d u s t r i a le t h e r n e tn e t w o r k i st h ee f f e c t i v ee a 九s t os 0 1 v et h i s p r o b l e mw i t h t h e a d v a n t a g eo f a p p l i c a b i l i t y ，f e a s i b i l i t y ，t e c h n o l o g i c a le x p a n s i b i l i t ya n da p p l i c a t i o n s ， m o r e o v e ritb e c o m e st j l ep r o s p o c ta r e af o rn e t w o r kc o n t r 0 1s y s t e m d e t e r m i n a c y a n dr e a 卜t j m ea r et h ek e yp r o b l e m sf o ri n d u s t r i a le t h e r n e tn e t w o r kt os 0 1 v e t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ea p p l i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no fi n d u s t r i a l e t h e r n e tn e t w o r k f i r s t l y ， t h i st h e s isd i s c u s s e st h ec o 啪u n i c a t i o nr e q u i r e m e n ta n d c o 姗u n i c a l i o nm o d e l f u r t h e r m o r e ，o nt h a tb a s i s ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e sa n d a n a l y s e st h er e a s o na n dr e s 0 1 v e n tf o rt h e s ek e yp r o b l e m sa c c o r d i n gt of e a t u r e s o fe t h e r n e nl ，a n d：h o o s e st h ef u l l d u p l e x s w i t c h e dt e c h n o l o g y a st h e a p p l ic a t i o nm e a n s e c o n d l y ，t r a f f i cs m 0 0 t h i n gw i t ht h eb a s i so ft o k e nb u c k e ta r i t h 鸸“ci s i n t r o d u c e dt o e n s u r i n g t h cd e t e r m in a c ya n dr e a l 一t i m e a c c o r d i n g t o l u c u b r a t i n ga n da n a l ，s i st h ef e a t u r eo ff u l l d u p l e x s _ i l r i t c h e de t b e r n e t t h e n t h em e t h o do fp e r f o r n j a n c ea n a l y s e sb a s e do nn e t w o r kc a l c u l u si si n t r o d u c e d l a s t l y ，t ( f u r t ，h e rt h ei m p r o v e m e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c eg e n e t i ca l g o r i t h m w i t he 1 i t i s ts t r a t e g y( e g a )u s i n gt h eg r a p hp a r t i t i o n i n ga s t h em o d e li s i n t r o d u c e dt ( )d e s i g na n do p t i m a i z en e t w o r kt o p o l o g y a c c o r d i n gt o t h e 1 i m i t a t i o n so fe g a ，ah y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do ns c h e m ap r e p r o c e s s i n g a n ds i m u l a t e da n n e a l i n go p e r a t i o n ( h g a ) i si n t r o d u c e da n dt h ep e r f o r m a n c eo f a 1 9 0 r i t h m si se f f o c ti v e l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：n e c w o r kc 。n t r o is y s t e m ， f u l l d u p l e x s w i t c h e de t h e r n e t ， t r a f f i c s m o o t h i n g ， g e n e t i ca 1 9 0 r jt h m s ， s c h e m ap r e p r o c e s s i n g ，s i m u l a t e dj n n e a l i n g 第1 i 页 插图清单 图ll 网络控制系统结构 + 图l _ 2 计算机集中监督控制系统结构 图卜3 集敞控制系统结构 图卜4 现场总线腔制系统结构 图卜5 基于混合摸式的_ l _ 业以太网， 图16 基于透明1 ：厂模式的工业以太网 图2 一l 府用o s i 模型的数据传输 图2 2 嘲络控制系统删络协议模型 图2 3 网络梓制系统数据传输模型 图2 4 任务到任务的数据传输延迟的组成 图31 凹太网数船发送过程 图3 2 基于以太网的t c p i p 协议， 图33 基于存储转发模式和输出排队的交换机 图4l 报文在交换机中的传输 削42 全双t 交换式以太网中的数据传输时延 网43 流量褴形 图4 4 漏桶法 + 图1 5 令牌桶法 图46 数据到达曲线和端口服务曲线b 图4 7 整形器及其殳现 图48 整形器的实现+ 图49 整形过程 图4 一1 0 两层级联结构的全双工交换式以太网网络模型 图51 工业以太网网络结构 图j 一2 单遗传算陕 图53 模式预处理 ， 图5 4 两点交叉 图5 _ 5 修复操作， 图5 6 简单对换变异 图5 7 混合遗传算法 图5 8 算法离线降能对比 第v i i 页 ，3 3 o m m懈加舯虬盯勰弘盯勰船鸲驵北州蜩砷砚弛弱融驰 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 表2 1 表2 2 表31 表51 表52 表53 表格清单 0s _ 模型备层功能总结 h 种现场总线技术对比， t 业以太嘲实时性应用方案对比 分层结构下网络性能对比 线型结构下网络性能对比 算法性能对比 第i i 页 1 9 2 5 3 4 5 7 5 7 5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足奉人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究成 果。据我所知，除，史中特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含片他人已经发表 或撰写过的研冗成果，也不包肯为获得叠丛工些塞堂或其他教育机构的学付 或证件而使填过的材料。与我+ 同工作的同忐对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 丁明确的说明并表示谢煎。 学位论文作名签名：二驶同j签字日期：粥年g 月b 开 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥壁些厶堂有尤保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论史的复印件利磁盘，允许论文被查甍和借 阅。本人授权金蟹工业厶堂可咀将学位论文的全部或部分内眷辅人有关数据库进 行榆索，可| 三【采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权i s ) 学位论文作者箍名导师签 箍字日期：埘年8 月哆日 签字日期：年月 r 学位论文作者毕业后土向 丁作单位： 通讯地女l ： 电话 邮编 致谢 在论文完成之际，首先安感谢我的导帅韩江洪教授。本论文是韩老帅悉心 教诲和无微不至的关怀下完成的。从论文的选题、论史的架构及写作等方面， 无不凝聚着韩老师的心血。三年来，韩老师在我思想、学刿工作上的循循善诱、 谆谆教诲和牛活上的关心帮助，使我得以顺利完成硕士研究生阶段的学习。在 我所取得每一点的成绩中部倾注了韩老师的大量心l f l l 。韩老师的渊博知识、严 谨的治学态度、敏锐的学术思想、积极进取的科研精神是我一生学爿的楷模。 在此谨向韩老师教授致以衷心的感谢! 衷心感访i 在三年来一直关心和帮助我的张利老师和张建军老师，他们一年 来无论在生活上、学习r 都给了我很大的支持和鼓励。两位老师的教诲足我终 生受益，在此表示诚挚的谢意。 感谢实验室旱和我朝夕相处的魏振春、路强、马学森、工跃飞、工炯、段 玲琳、江波、陈海兵、石雷、周霞、毕翔、王世福、朱芸、冯琳等同学，他们 对我在实验室的工f 1 和学习期问给予我很人的帮助和启迪。 最后我要感谢我的家人，没有他们的支持和鼓励，电就没有我今天所取得 的成绩。 衷心的感谢所有关心和我的人们! 第1 i i 页 作者：马克日l 2 0 0 5 年7 月 第一章绪论 1 1 引言 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，工业控制系统从装置级控制模式进入到以生产全程控制优化调 度管理为特征的综合 j 动化模式“。在这一转变的推动下，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，逐渐形成了开放式网络化的分布式体系结 构，网络控制系统( n el w o r kc o n t ，r o ls y s t e m ，n c s ) 正是在这一背景下产生的“1 。 目前网络控制系统的定义尚没有统一，一般是指某个区域内传感器、执行 器和控制器等检测、控制和操作设备通过共享介质的网络实现资源共享和协调 操作形成闭环回路的控制系统，也可称为网络化的控制系统( n e t w o r k b a s e d c o n t r 0 1s y s t e m ) 、综合通讯和控制系统( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n d c o n t r 0 1s y s t e m ，i c c ：；) 。广义的网络控制系统还包括通过企业信息网络及 互联网实现的远程监控。现场总线控制系统f c s 、工业以太网都属于网络控制 系统。与传统控制系统相比，网络控制系统具有布线简单、结构灵活、易于扩 展、信息集成、设备诊断方便等优点，因此得到了广泛的应用。尽管网络控制 系统最早在1 ：业控制领域提出和产生，但随着网络技术和控制技术的发展，在 远程遥控、智能建筑、智能家居等领域中也应用广泛。必须认识到网络控制系 统是基于分布式体系结构，分布式控制系统中数字技术和网络通讯技术的应用 是网络控制系统产生和发展的直接动力，在这个意义上来说网络控制系统是网 络化的分布式控制系统，随着数字技术和网络技术在控制系统中的广泛应用， 网络控制系统和分布式控制系统的含义已没有实质上的差异，仅仅是从不同的 侧面来描述控制系统。图卜1 给出了一个典型的网络控制系统结构。 监控管理l其他i l 节点ii 节点1 j ：3e 通讯网络、 j、7 j z j 传感器【 执行器 控制器1 节点1节点。簟! ! _ _ ? s 一n 上l 土王一 _ _ 鸳堡墅塞 图卜l 网络控制系统结构 从图中可以看 = _ 5 网络控制系统具有以下特点：1 ) 系统设备具有网络通讯能 力，各设备节点包括传感器、执行器、控制器等直接连接到网络上；2 ) 控制系 统通过通讯网络形成闭环；3 ) 采用共享和开放的网络通讯介质。随着嵌入式技 术和信息技术的发展，网络控制系统中的节点集成度越来越高，往往同时具备 第l 页 第一章绪论 11 引言 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牛 了巨大的变革，工业控制系统从装最缴控制模式进入到以生产全程控制优化调 度管理为特征的综合i j 动化模式1 。在这一转变的推动f ，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，逐渐形成了开放式网络化的分布式体系结 构，网络控制系统锄e t w 。t kc o n o r 0 1s y s t e m ，n c s ) 正是在这一背景下产生的“。 目莳网络控制系统的定义尚没有统一，一般是指某个区域内传感器、执行 器和控制器等检测、控制和操作殴备通过共享介质的嘲络实现资源共亨和协调 操作形成闻环回蹄的控制系统，也叫称为刚络化的控制系统( n e t w o r kb a s e d c o n t r 0 1s y s te m ) 、综合通讯和控制系统( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n d c o n t r 0 1s vs t ，l c c ：；) 。广义的网络控制系统还包括通过企业信息网络及 互联网实现的远程监控。现场总线控制系统f c s 、工业以太附都属于网络棒制 系统。与传统控制系统相比，网络控制系统具有布线简单、结构灵活、易于扩 展、信息集成、设备诊断方便等优点，因此得到了广泛的应用。尽管网络控制 系统最导在r 业控制领域提出和产生，但随着网络技术和控制技术的发展在 远程遥控、智能建筑、智能家居等领域中也应用广泛。必须认识到网络控制系 统是基于分布式体系结构，分布式控制系绩中数字技术和网络通讯技术的应用 是网络控制系统产生和发展的直接动力，在这个意义上来说网络控制系统是网 络化的分布式控制系统，随着数字技术和网络技术在控制系统巾的广泛应抖j ， 网络控制系统和分巾式控制系统的含义已没有实质上的差异，仅仅是从不| 司的 侧面米描述控制系统。图l l 给出了一个典型的网络控制系统结构。 监控管理l 【其他 j 豆塞i 【重臣 j ： e 通讯陬终、 一一 、l 厂7 i 一丁? 广一 吁吾萄司r 甄荐爵f 障蕊习 芎点i节点。i 节点 r 一t 一一 f 丽萄i i r 一 幽l _ l 网络控制系统结构 从图中可以看出网络控制系统具有以下特点：1 ) 系统设备具有网络通讯能 力，各设备节点包括传感器、执行器、控制器等直接连接到网络上；2 ) 控制系 统通过通讯网络形成闭环；3 ) 采用共享和开放的网络通讯介质。随着嵌入式技 术和信恩技术的发展，网络控制系统中的节点集成度越柬越高，往往同时具备 术和信息技术的发展，网络控制系统中的节点集成度越来越高，往往同时具备 第l 页 检测、执行、控制中的多项功能，根据实际应用的需要，控制器、传感器、执 行器三者或其中二者有时会被集成在一起，三者没有绝对的界限、 丌放性和兼容性足网络控制系统发展的目标。一方面网络控制系统作为控 制系统的重要支撑体系，希望实现统一的标准化系统，系统设计和实现不依赖 特定的供应商设备、计算机软硬件平台，控制设备间实现互连互用互操作；另 一方面，随着各应用领域内信息交换复杂性的增加，网络控制系统不仅需要满 足信息交换的需求，还要能够和企业管理系统实现全方位的无缝信息集成，在 生产制造企业巾这种需求尤为突出。现有占主流地位的集散控制系统d c s 、现 场总线系统f c s 由于自身的种种原因，很难解决以上问题。在商业领域取得巨 大成功的以太网技术具有数字式互连、互操作性、开放性和高网络性能等优点， 它与控制系统的结合为这些问题的解决带来了希望，并成为控制网络的发展趋 势6 1 0 i 。 确定性和实时性是保证擦制系统运行的基本要求。由于网络控制系统引入 网络作为数据传输通道来实现系统开发性和兼容性的同时，也引入了许多新问 题如网络传输延时、多包传输、数据包丢失等问题对系统的确定性和实时性造 成影响，其中网络传输延时对系统的影响最大，它直接影响了系统稳定性和动 态性能，由于网络控制系统中数据传输分时复用的特点而无法避免网络传输延 时。在工业以太网【1 1 ，由于以太网技术的局限性，数据传输中往往会由于发生 碰撞而造成传输时延不确定，甚至传输失败，从而导致网络传输延时无法满足 实时性和确定性的要求，加剧了这一问题。以太网的确定性和实时性问题成为 国内外研究的热点。 本文基于以上背景，根据网络控制系统的通讯特性和需求，针对确定性和 实时性问题，从网络体系结构和网络拓扑结构出发分析和研究以太网技术在网 络控制系统的应用。本章的后续内容首先回顾了网络控制系统的发展，随后详 细讨论了研究内容和 j 标，最后给出论文的组织结构。 1 2 网络控制系统及其发展 在数宁技术应用到控制领域后，控制系统的发展主要经历了计算机集中监 督控制系统c c s 、集散控制系统d c s 、现场总线控制系统f c s 等发展阶段，工业 以太网作为新兴的控制系统结构也逐步得到广泛应用。在这里必须指出，集 散控制系统虽然基于分散控制的思想，但其底层通过信号线进行通讯，控制设 备相对集中，与分布式控制系统开放化网络化的分布式体系结构是有所不同的； 现场总线控制系统f c s 、工业以太网控制系统等的划分是基于控制系统所采用 的通讯技术，而从控制角度来看，它们都是基于分散控制的思想，采用分布式 体系结构，本质上属二f 分布式控制系统，仅仅由于各自所采用的控制网络不同 而在体系结构上表现出不同差异，从而在开放性、可互操作性、分散性上表现 出不同的特点。此外现场总线控制系统和工业以太网都属于网络控制系统，但 第2 页 现场总线控制系统主要针剥最底层控制网络而言，属于狭义的网络控制系统， 严格意义上来晓网络控制系统是对现场总线系统的深化和发展。随着嘲络技术 和控制技术的不断发展，上述系统之间也在不断融合中，在实际应用中也往往 混合使用。 1 2 1 计算机集中监督控制系统c c s 计算机集中监督控制系统c c s 产生于上世纪7 0 年代初，采用计算机取代了 原有模拟测量和逻辑控制单元，可以实现复杂的控制运算，从而使自动控制发 生质的飞跃。但在c c ：；中采用的是集中管理、集中控制的方法，在计算机上集 巾控制所有的被控对绿，使得风险高度集中，旦计算机发生故障则整个控制 系统都会瘫痪，同时系统实时性较差，无法被广泛接受。c c s 是第一代的数 字控制系统，世尚未形成真正的工业控制网络。c c s 的结构如图卜2 所示。 计 d a 转换r 一 算 机 图卜2 计算机集中监督控制系统结构 1 2 2 集散控制系统d c s 1 2 2 1 集散控制系统的产生与发展 集散控制系统【i c s ，又称为分散型综合控制系统( t o t a l d js t r i b u t e d c o n t r o ls v s t e m s ) 产生于上世纪7 0 年代中期，它开始了真正的工业控制网络， 其特点是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离。集散控制系统可采用环 形、总线形、分级式等结构，其中以分级式最常用，图卜3 给出了分级式集散 控制系统的结构。 网r 。；一j 企业信息网 * 一哩硪一互联网 信息管理层警藤意 控制层 捧制昀| _。型鲴 ， 嘶设备层禳皙1 禳鬻1仪表 器仪表器 图卜3 集散控制系统结构 图中现场设备层用于采集信息，控制层向下接收信息进行分析处理，并将 结果送往现场，向上发送重要的数据，并接收管理层的指令，管理层用于接收 第3 贞 数据，汇总成报表等管理数据。并向f 发送指令。这种结构也是目前控制网络 的一个典型结构。 集散控制系统i ) c s 是作为过程控制领域的工程化产品提出的，它广泛应用 于各工业领域并r 趋成熟。从分散控制发展到了以全面信息管理为重点的新型 综合控制系统，集散控制系统经历了三个阶段：第一代d c s 将c r t 操作站与过 程控制单元( p c u ) 相分离，采用主从式通信系统，实现了以微处理器为核心的 p c u 分散化，是计算机、过程控制、通信和c r t 技术相互融合的产物；在计算 机局域网技术发展的直接推动下产生了第二代d c s ，它采用无主站的多对多通 信，各p c u 、上位机、c r t 操作站等处于“平等”地位，传输方式为点一点、点 一多点和广播式，媒体访问控制以令牌传送为主；第三代d c s 趋于采用标准化 的网络通讯协议，如采用m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 和t o p ( t e c h n i c a la n do f f jc j ep r o t o c 0 1 ) ，力图解决整个企业的综合管理问题“。 近年来，为了使j ) c s 更加适用于工业生产现场，新一代d c s 还进一步做一 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 相互融合以及软件丰富化等等。 1 2 2 2 集散控制系统的优势与不足 集散控制系统d c s 采用了危险分散、控制分散、操作管理集中的基本设计 思想和多层次、合作目治的结构形式，它不但具有c c s 系统中控制算法先进、 精度高、响应速度快等优点，同时克服了c c s 中对控制器处理能力和可靠性要 求高的缺陷，从而满足安全可靠、维护方便、风险相对分散等要求，实现了装 置级、车间缴的优化控制。 但在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，各厂家的产品白成系统，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通讯协议，不同厂家的设备之间难以 实现互连互换互操作，难以实现整个企业的信息集成。总的来说d c s 存在着以 下问题。1 8 。2 0 | ： 1 ) 系统被硬性地定义为“系统中每个处理器分配有一个特定的任务”，不 利于系统控制任务的灵活实时下载； 2 ) 系统在风险分散上存在缺陷，一台主控计算机的瘫痪依然会造成生产过 程的重大损失； 3 ) d c s 网络系统通常只延伸到控制传感层之前的i o 单元，i o 单元与现 场设备的联系主要由一对一的42 0 m a 电流环通信电缆实现，该方式需要大量的 信号电缆，同时限制j r 智能前端设备这一技术的应用； 4 ) 由于通讯线路庞杂、工业现场电磁、高温、腐蚀、粉尘和震动等对模拟 信号的干扰，影响了d c s 的控制精度，存在着可靠性问题； 5 ) 系统内存在不同类型数据接口和通信方式，数据通信时效性受到限制： 第4 页 6 ) 系统通讯协议封闭，无法实现i _ _ i i i 同系统和产品互联互换，不利于系统灵 活性和可维护性： 7 ) 为实现系统本质安全性，需寻求新的网路供电方式，尽量减小系统内数 据网路的电源消耗。 1 2 3 现场总线控制系统f c s 1 2 3 】现场总线控制系统的产生 为克服d ( ：s 系统的缺点，进步满足现场设备通讯的需要，现场总线技术 于上世纪8 0 年代产生，它是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、 双向传输、多分支结构的串行通信网络，用于构筑最底层的控制网络，其基础 是智能仪表9 ”。国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准将其定义为“安装在制造和 过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之问的数字式、串行、多点通 信的数据总线”。通过现场总线，分散在各个工业现场的智能仪表连为一体， 与控制室中的控制和监视器一起共同构成现场总线控制系统f c s 。图卜4 给出 了一个典型的层次状现场总线控制系统结构。 婴广p 企业信息网 三rj 路由器t 一互联网 信，息管理层瑁匿羽日自舴l 瑁 l 资_ _ l i i 贿帅姬j 控制层控制虻j l 塑童! 型 i 面| 乔 一一 嬲设备层鞠謦l 篷【鞠匪豁誓l | 图卜d 现场总线控制系统结构 在f c s 中，控制功能由过去的控制室设备变为智能现场仪表来承担，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，体现了“控制分散、危险分散”的思想。根据应用场合和用途，现场 总线可以分为低速现场总线和高速现场总线，前者需解决总线供电问题。 1 2 3 2 现场总线控制系统的特点： 与d c s 相比，现场总线控制系统f c s 具有以下特点1 6 1 8 _ 2 0 埘1 ： 1 ) 系统开放性：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 商的设备间可以互连互操作，用户可以按自己的需要和考虑，采用来自不同供 应商的产品组建系统，达到最佳的系统集成。同时f c s 可实现网络数据库共享， 通过网络实现现场设备与功能块的统一组念。 2 ) 设备互联性：_ 1 9 l 场总线把通信线一直延伸到生产现场设备( 传感器、执行 第5 页 器、变送器与编程器等) ，并通过1 对n 的结构使得现场设备多点共享总线，实 现现场数据的双向传输。具备网络寻址能力的现场设备的信息传递不仅局限于 现场设备与控制节点之间，现场设备之f 白j 也可进行点对点、点对多点及广播式 多变量通信。 3 ) 设备互j 操作性与互用性：在设备互联性的基础上，不同厂家的现场设 备通过“即插即用”的方式组态在一起，实现信息的传递与沟通，不同厂家性 能类似的设备也可实现相互替换，具有灵活性和易维护的特点； 4 ) 设备智能性：在f c s 中，测量、计算和控制功能被分散到现场设备中完 成，同时设备的可操作性和互联性使得大部分p i d 、数字滤波、补偿处理等简 单控制任务可驻留f 载到现场设备，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功 能和设备状态的诊断； 5 ) 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，实现了控制功能的彻底分散，形成分布式的体系结构。底层设备在现场 总线与上级网络断开的情况卜仍可维持独立正常运行 6 ) 环境的适应性：现场总线专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴 电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种通信介质，具有较强的抗干扰能力， 能采用两线制实现供电与通信，并可满足本安防爆要求等。 由于现场总线的以e 特点，使得f c s 具有节省硬件数量与投资、节省安装 费用、节省维护丌销、易于系统集成、准确性与可靠性高、设计简单、系统易 重构等优点。 1 2 3 3 现场总线控制系统的发展现状与不足： 现场总线的发展迅速，市场上已出现了大约6 0 多种，其中最有影响力的有： 汽车和小型控制系统中德国b o s c h 公司的c a n 总线、在智能建筑和家电网络中 美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 现场总线、在过程工业中德国的p r o f i b u s 总线、 r o s e m o u n t 公司的i i a r t 线以及基会会现场总线f f l l 等。 现场总线控制系统和d c s 系统相比具有明显的优点，曾被视为是2 1 世纪控 制系统的主流，但随着网络控制系统的发展，也暴露了以下不足： 1 ) 没有统一的标圭： 由于各种现场总线代表着不同的商业利益，厂商出于保护市场的考虑制定 了各自的现场总线标准，各种现场总线并存，竞争激烈。而不同总线的技术侧 重面不同，各有针对的应用领域，缺乏可以满足不同工业应用需求、为各工业 领域所普遍接受的统一的现场总线标准，不同总线设备之间难以实现互联互换 相互操作。t e ：组织制订的现场总线国际标准实质上也是对这种情况的一个妥 协。而事实上有些未成为国际标准的现场总线，如l o n w o r k s ，同样占有很大的 市场份额，可能在某一个或者某几个领域占有主导地位。 2 ) 开放性差，系统集成难度大： 第6 页 由于不同类型的现场总线各有各自的应用位置，如f f 的h l 和d e v i c e n e t 主要用于控制网络的最底层，连接各种现场设备；p r o f i b u s 的d p 主要用于控 制层的控制器、数据集中器等设备。这就使得在实际应用中，系统可能采用多 种形式的现场总线，从而造成工业控制网络与数据网络的无缝集成难度很大。 由于不同现场设备功t 皂块可能存在着雷同，因而设计网络布局时不仅要考虑现 场节点的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况 等，增加了系统集成的难度。同时各种现场总线需要采用各自相应的专用丌发 ：i = 具，影响了现场总线的推广应用。 3 ) 通讯能力不够： 随着现场设备功能的增强和企业信息交换需求的不断增长，现场设备交换 的数据量发生了成倍的增长，而现场总线通讯速率普遍较低，难以保证通讯。 尽管有些总线可以得到更高的通信速度，但需要特定通信芯片的支持，难以达 到市场所提出的技术成熟度高、鲁棒性好、成本低的要求。 为了解决以上问题，现场总线技术也在不断地发展完善，如在原有的现场 总线的技术上引入t c 】，i p 协议、在以太网物理层和链路层的基础上引入已有的 现场总线应用层协议、采用基于发布订阅模型的通信结构等，同时对于现场总 线的国际标准也不断进行研究和更新，但由于受到市场利益的驱动，无法实现 真正的开放性和标准化。 1 2 4 工业以太网控制系统 1 2 4 1 工业以太网的产生 随着丁业自动化技术和信息技术的不断发展，建立统一开放的通讯协议和 网络、在企业内部从底层设备到高层信息系统实行全方位的无缝集成已成为网 络控制系统急待解决的问题，而目前现场总线显然难以解决，工业以太网是解 决上述问题的有效方法。 和现场总线方式相比，以太网具有标准统一、应用广泛、成本低廉、通信 速率高、软硬件资源丰富、易j ：实现信息网络和控制网络的无缝集成等优点， 因此p l c 和现场总线厂商以及相关的行业组织纷纷引入以太网技术，借以改进 和改善现场总线的性能，并提出了各自工业以太网标准，这些标准包括m o d b u s r l c p i p ( 1 9 9 8 年) 、i n t e r b u s ( 1 9 9 9 年) 、e t h e 州e t i p ( 1 9 9 9 年) 、i d a ( 2 0 0 0 年) 、 h s e ( 2 0 0 0 年) 、p r o f i n e t ( 2 0 0 0 年) ，其中e t h e r n e t i p 、f fh s e 和p r o f i n e t 被列入山l ( ) 种类犁现场总线组成的第三版现场总线国际标准，标志着高速现场 总线采用以太网技术已得到共识。原有的现场总线之争也转向工业以太网标准 之争，成为控制网络发展的新热点。 1 2 4 2 工业以太网的特点 工业以太网和标准以太网都采用相同的通信原理，都符合i e e e 8 0 2 3 标准， 第7 页 具有相同的网络拓扑结构，彼此兼容，但工业以太网对工业应用进行了相关改 进，从而具有以下特点： 1 ) 环境的高适应性即气候、机械、电磁等的适应性，采用工业级标准器件； 2 ) 高可靠性，交换设备一一般采用冗余网络管理器，支持冗余或并联电源： 3 ) 交换设备的快速生成树算法具有m s 级的时问效率，能快速进行冗余网络 的切换； 4 ) 总线供电和本安设计； 5 ) 较强的实时性； 工业以太网设备与商业以太网设备之问的区别如表卜l 所示： 表1 1t 业以太网与商业以太网的设备对比 i ：业以太网设备商业以太网设备 l ：业级元器件，耐腐蚀、防尘、防水，商用级元器件，般r j 4 5 器件 采_ 【_ l j 加同型r j 4 5 、d b9 、航空接头等 电源电压2 4 vd c ，烈i 乜源 2 2 0 va c ，一般单电源 安装方式采用d i n 导轨或其它同定方式商用、机架等 工作温度一4 0 8 5 ，至少一2 0 7 0 5 4 0 电磁兼容性 e n5 0 0 8 卜2 ( t 业级e m c )e n5 0 0 8 卜2 ( 办公室用e m c ) 标准 e n5 0 0 8 2 2 ( 1 业级e m c )e n5 0 0 8 2 2 ( 办公室用e m c ) m tb f至少1 0 年 3 5 年 1 2 4 3 工业以太网的优势 与现场总线系统相比，工业以太网具有明显的优点： 1 ) 标准统一：以太网标准统一，是全球范围的商用网络的事实标准，在局 域网和广域网中占统治地位。目前为了避免出现现场总线开发标准多样性的情 况，i e c 组织对工业以太网相关标准的制定进行了规范和约束，从而加快了工 业以太网的标准及其控制器件的开发推广和应用； 2 ) 应用广泛，成本低廉、安装方便：以太网安装节点数量巨大，价格低廉， 大部分的工厂建筑和办公室都安装了以太网网络，在安装工业以太网设备时可 充分利用已有的布线系统降低系统造价： 3 ) 通讯速度高：以太网传输速度远远高于现场总线，可以满足各类信息需 求。常用以太网的传输速度为1 0 1 0 0 m b p s ，可实现高速处理大量数据。 4 ) 技术成熟，便于丌发：山于以太网的广泛应用，已有的各类基于商业以 太网的协议、设备、应用软件都非常成熟，使得工业以太网在开发中可移植现 有技术，降低丌发难度； 5 ) 易于信息集成：可实现无缝集成：由于工业以太网协议和商用以太网协 议基本一致，因此工业以太网易于和企业信息网络互联互通，可以无缝的集成 第8 页 到信息网络中，实现从办公室到生产现场设备i o 级的全透明的通讯。 1 2 4 4 工业以太网与实时以太网 用于工业控制系统的以太网均可统称为工业以太网，但按照困际电工委员 会s c 6 5 c 的定义可以分为工业以太网和实时以太网： 工、以太网i e ( n d u s t r i a le t h e r n e t ) 是用于工业自动化环境、符合i e e e 8 0 2 3 标准、按照i e e e8 0 2 1 d “媒体访问控制( 1 _ l a c ) 网桥”规范和i e e e8 0 2 1 q ” 局域网虚拟网桥”规范、对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网，一般通 过减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式技术和全双工通信、信息优先 级和流量控制以及虚拟局域网等技术实现实时性要求。e t h e r n e t i p 、f fh s e 、 m o d b u s t c p 、p r o f i n e tv 1 属于这种类型， 实时以太网r t e ( r e a 卜t i m ee t h e r n e t ) 是指不改变i s o i e c 8 8 0 2 3 的通信 特征、相关网络组件或l e c l 5 8 8 的总体行为，但可以在一定程度上进行修改， 使之满足实时行为( ! 乓时性即确定性通信、现场设备之间的时间同步行为、充 分、频繁的长度较短的数据交换) ，常采用实时应用层协议、优化处理数据传 送和提供旁路实时通道、集中调度等技术实现实时性要求。e p a 、p o w e r l i n k 、 e t h e r c a t 、v n o t l p 、t c n e t 、m o d b u s i d a 、p r o f i n e tv 2 、p r o f i n e tv 3 等属于 此类标准。实时以太网r t e 的提出是为了满足苛刻性的实时要求，这类要求常 见于现场设备层或控制层与现场设备层之间，在控制层和信息管理层无需如此 要求，同时许多实时以太网r t e 标准就是在已有工业以太网i e 标准基础上修改 后延伸至现场设备层，如p r o f i n e tv 2 v 3 、 f o d b u s i d a 。 本文讨论中如非特别晚明，不对这两者严格区分，均统称为工业以太网。 1 2 4 5 工业以太网的现状 由于在i q 现场设备层延伸中存在着实时性、确定性、总线供电、本质安全 等问题，以太网在网络控制系统中主要用于高层网络。近年来随着各公司和各 标准组织协会对这些问题不断研究，取得了较好的成果，其中国际电子工程师 协会i e e e 于2 0 0 3 年批准了用于在标准以太网电缆上供电的8 0 2 3 a f 标准，从 而解决总线供电问题：i e c s c 6 5 c 成立了w g 儿工作组从事i e c 6 1 7 8 42 实时以 太网应用行规标准( “测量和控制数字数据通信实时应用中基于i s o i e c 8 8 0 2 3 的通信网络行规”) 的制定，规范实时以太网的开发，并于2 0 0 4 年通过将e p a 、 p o w e r l i n k 、e t h e r c a l 、v n e t i p 、t c n e t 、m o d b u s i d a 等六个实时以太网标准 作为两年期有效的i e ：国际规范p a s ( p u