（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式工业以太网络接口的研究与开发.pdf

浙江大学坝士学位论文 摘要 信息技术的进步推动着工业控制网络逐渐朝着数字化、开放性的方向发展， 现场总线就是顺应这一形势发展起来的技术。但是，现场总线的发展出现了多种 国际标准共存的局面。由于标准之间的互不兼容，致使现场总线的开放性、互可 操作性等难以得到实现。当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网技术却得到了迅 猛发展。将以太网技术用于工业控制网络，就可以改变传统的工业控制网络体系， 实现办公自动化与工业自动化的无缝结合。 将嵌入式技术和工业以太网技术相结合，开发工业以太网络接口，将有助于 完成现场设备的网络化。本文以工业以太网为研究对象，对在嵌入式系统中以太 网接口的开发和t c p i p 协议栈的实现进行了研究。本文首先简要介绍了工业控 制系统和工业控制网络的发展历史和研究现状，接着阐述了工业以太网的发展趋 势，分析了工业以太网所具有的优势和存在的问题以及工业以太网的协议体系结 构，研究了网络底层接口的工作机理。设计了由3 2 位微处理器和嵌入式实时操 作系统构成的嵌入式工业以太网络接口。在此基础上，本文对在工业控制过程中 实现浏览器服务器结构的网络监控方案进行了研究，研究了嵌入式w e b 服务器 与浏览器之间的动态数据交互技术和嵌入式系统中的文件访问机制。对嵌入式 w e b 服务器进行了设计和开发，设计了简洁的网页文件系统，实现了现场设备与 客户端之问基于浏览器n 务器模式的双向数据通信功能，并且利用j a v aa p p l e t 技术实现了浏览器中实时数据图像显示和动态更新的功能。 关键字：工业以太网嵌入式网络接口t c p i p 协议栈嵌入式w e b 服务器 浙江大学硕1 。学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh e l p st h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k b e c o m ed i g i t a la n do p e n t h ef i e l d b u st e c h n o l o g yi st h er e s u l to ft h i ss i t u a t i o n t h e d e v e l o p m e n to ft h e f i e l d b u st e c h n o l o g yl e a d st os e v e r a lk i n d so fi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s ，b u tt h e ya r ei n c o m p a t i b l et oe a c ho t h e r , i nc o n s e q u e n c e ，t h eo p e n n e s sa n d t h ei n t e r o p e r a b i l i t yo ft h ef i e l d b u sc a n n o tb er e a l i z e d w h e nt h ed e v e l o p m e n to ft h e f i e l d b u sb c c o t n e ss l o w , t h ei n d u s t r i a le t h e r n e td e v e l o p sv e r yf a s t t h ee t h e m e t t e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h e i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k ，t h ea r c h i t e c t u r eo ft h e i n d u s t r i a ln e t w o r k sw i l lh ec h n n g e da n dt h es e a m l e s sc o n n e c t i o no ft h eo 敞 a u t o m a t i o na n dt h ei n d u s t r i a la n t o m a t f o nw j l lb er e a l i z e d t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a le t h e r n e t ，d e v e l o p i n g t h ei n d u s t r i a le t h e m e ti n t e r f a c ew i l lh e l pt h ei n d u s t r i a lf i e l de q u i p m e n tt ob ea n e t w o r kn o d e i nt h i sp a p e r , t h ei n d u s t r i a le t h e r n e ti st a k e na st h es t u d yo b j e c t d e v e l o p i n gt h ee t h e m e ti n t e r f a c ea n dt h er e a l i z a t i o no ft c p i pp r o t o c o ls t a c ki nt h e e m b e d d e ds y s t e ma 托s t u d i e di nt h i sp a p e lf i r s t , t h eh i s t o r ya n dt h er e s e a r c hs r u a t i o n o ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e ma n dt h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k sa i ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r , t h e nt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ei n d u s t r i a le t h e m e t , t h ea d v a n t a g e a n dt h ep r o b l e mo ft h ei n d u s t r i a le t h e m e t ，t h ep r o t o c o la r c h i t e c t u r eo ft h ei n d u s t r i a l e t h e r n e ta r ea n a l y z e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fn e t w o r kb o t t o mi n t e r f a c ei ss t u d i e d t h e na ni n d u s t r i a le t h e m e ti n t e f f a c eb a s e do n3 2 - b i tm c ua n de m h e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h en e t w o r km o n i t o r i n gb a s e do nb r o w s e r s e r v e rm o d e i ni n d u s t r i a lc o n t r o li ss t u d i e d , a n dt h ed y n a m i cd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b e t w e e nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e ra n db r o w s e r , t h ep r i n c i p l eo ff i l ea c c e s si n e m b e d d e ds y s t e m 盯cs t u d i e di nt h i sp a p e r t h ee m b e d d e dw e bs e r v e ra n dt h ec o n c i s e w e bf i l es y s t e ma r ed e s i g n e da n dt h eb i d i r e c t i o n a ld a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e f i e l de q u i p m e n ta n dt h ec l i e n tb yb sm o d ei s r e a l i z e d u s i n gt h ej a v aa p p l e t t e c h n o l o g yi nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e r , d i s p l a y i n gr e a l t i m ed a t ab yg r a p h i c sa n d d y n a m i cu p d a t i n gi nt h eb r o w s e r i sr e a l i z e d k e yw o r d s ：i n d u s t r i a l le t h e r n e t e m b e d d e dn e t w o r ki n t e r f a c e e m b e d d e dw e bs e r v e r i i 浙江人学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 计算机控制技术是计算机技术与自动控制理论及自动化技术紧密结合并应 用于实际的结果。随着计算机技术、自动控制理论、检测和传感技术、智能仪表 技术和网络通信技术的快速发展，作为自动化工具的自动化仪表和计算机控制系 统取得了突飞猛进的发展，各种类型的过程计算机控制系统已经成为了工业生产 实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证，成为现代工业生产中不可 替代的重要支柱i ”。 工业过程控制系统的发展经历了基地式气动仪表控制系统和电动单元组合 式模拟仪表控制系统；在2 0 世纪5 0 年代，计算机控制技术被引入工业控制领域， 出现了直接数字控制系统( d i ) c ) 。由于当时数字计算机的技术还不够成熟，价格 昂贵、体积大，这种集中式的数字控制系统试图用一台计算机取代尽可能多的控 制室仪表，完成所有的控制任务。但是由于当时计算机的可靠性还比较差、运算 速度也比较慢，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有相关控制回路瘫痪，生 产停产的严重局面；这些缺点限制了直接数字控制系统在工业上的发展与应用。 随着微型计算机的出现、可靠性的提高、价格的不断下降、大规模集成电路和数 字通信技术的飞速发展，过程控制计算机技术进入了崭新的发展阶段，在7 0 年 代中后期，世界上几个主要的计算机和仪表制造商几乎同时生产出了计算机集散 控制系统( d c s ) 1 2 l 。这种新一代的计算机控制系统采用了控制功能分散、监控 功能集中的结构体系，具有大规模的数据采集和处理能力，并且可以实现装置级、 车间级的优化控制，极大的提高了工业控制系统的可靠性和性能：因此集散控制 系统被迅速的应用在各种工业领域，在工业生产过程控制领域占据了主导地位。 随着工业过程系统规模的扩大和技术的发展，集散控制系统也暴露出了一些 问题。首先，各个厂家的集散控制系统体系互相之间互不兼容，这样就难以实现 不同厂家之间设备的互换和互操作性。其次，集散控制系统是一种集中分散式的 控制系统，系统的可靠性对于主控制器的依赖性很高，这样就使整个系统的安全 性大大降低。再次，由于集散控制系统是一种模数混合系统，难以满足智能仪表 和控制精度的要求。新型的网络集成式控制系统就是顺应这种要求出现的；它改 变了现场仪表与控制室仪表之间一对一连线的结构，用数字式的串行总线将现场 仪表连接起来，提高了工业过程控制系统的性能；它采用统一的开放性协议规范， 提高了控制系统开放性。另外，网络集成式控制系统将完整的控制功能分散到现 浙江人学硕卜学位论文 场的智能仪表中，提高了控制系统运行的可靠性，是一种全分布式的控制系统。 在综合自动化方面，将过程控制、监督优化、生产调度、企业管理和经营决 策等功能集中为一体的计算机集成制造系统( c i m s ) 也得到了广泛的应用【1 】。计 算机集成制造系统将原来各自独立的过程控制系统、管理信息系统、办公自动化 系统融合在一起，使企业的信息集成覆盖了从工厂的现场设备层到控制、管理的 各个层次，从车间、工厂、企业一直扩展到世界各地的市场。信息技术的飞速发 展，导致了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成式控制系统为基础的企 业信息系统。 计算机控制系统和企业信息系统的不断发展都对计算机控制系统的支撑系 统一一工业控制网络提出了更高的要求。 1 2 工业控制网络的发展 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运 行一线测量与控制信息传输的特殊任务；它将多个分散在生产现场，具有数字通 信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，把现场控制 设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统，并最 终产生或引发物质或能量的运动和转换。工业控制网络是网络集成式控制系统运 行的动脉，是控制系统通信的枢纽。相对于普通的计算机网络系统，工业控制网 络的节点大部分都是可编程控制器、变送器、执行器等现场设备，节点智能程度 远远比不上计算机；工业控制网络工作的环境也比普通的计算机网络要恶劣许 多。因此，工业控制网络通常应满足开放性、互操作性、实时性、高可靠性、恶 劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求：即工业控制网络应该具有以下 特点【5 l ： 1 、具有较好的响应实时性。工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工 业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好； 2 、可靠性，即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防 尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下， 能在很短的时间内重新建立新的网络链路； 3 、开放性要好，即工业控制网络要能够易与企业信息网等互连互通。 工业控制网络是随着计算机控制系统的发展而出现的。在传统的测量控制系 统中，从输入设备到控制器，从控制器到输出设备，均采用设备间一对一的并行 连线，即点到点的信号传送方式。传递的信号一般都采用电压、电流等模拟信号。 在计算机控制系统中，除了计算机及其外围设备，还存在大量检测工艺参数数值 2 浙江大学碗土学位论文 的变送器和控制生产过程的控制设备。这些现场设备的各功能单元之间、设备与 设备之间以及这些设备与计算机之间遵照通信协议，利用数据传输技术传递数据 信息的过程，被称为工业数据通信1 3 j 。当需要在多点之间实现通信时，如果是采 用数字信号的串行通信，就不必在每对通信节点间建立直达线路，而是采用网络 的连接方式来构建数据通道。智能设备的出现使得现场的仪表具有了数据通信的 能力，成为了网络的节点，工业数据通信成为了一种网络通信，也就是工业控制 网络。多节点的串行工业控制网络可以在两根导线上可以挂接数十、上百甚至更 多各传感器、执行器，具有安装简单、通信方便的优点。这两根实现串行数据通 信的导线就称为总线。工业控制网络上除了传输测量控制的数值外，还可以传输 设备状态、参数调整和故障诊断等信息。 工业控制网络是工业企业综合自动化系统的基础；根据网络的结构、网络的 地域大小。连接的设备的数量，网络的速度，网络的响应时间和有效负荷的大小， 企业网络系统一般分为现场设备层网络，监控层网络和信息管理层网络 3 1 ，如图 l 一1 所示。 图卜1 企业网络系统层次结构 1 、信息管理层 最上层的企业信息管理层网络，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、 人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。这一层也被称为企业资源规划层 e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) ，这一层的数据报文通常都比较长，吞吐 量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因此要求网络具有较大的带 宽。信息管理层网络主要由快速以太网和千兆以太网组成，网络节点多为各种计 算机及外设。 2 、监控层 中间的监控层主要用于生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等， 通常还有生产统计、生产调度等生产车间级的生产管理功能。这一层网络也被称 为制造执行层m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) ，监控层网络的特点是 信息的传输具有一定的周期性和实时性，信息吞吐量大，因此要求网络具有较大 浙江人学硕士学位论文 的带宽，如今这一层网络主要由i o m 、1 0 0 m 以太网组成。 3 、现场设备层 现场设备层网络主要用于变送器、执行机构等现场设备之间、以及现场设备 与控制室仪表之间的信息传输。这一层网络就是通常所说的工业控制网络。现场 设备层网络由于具有传输的信息长度小，通信响应实时性要求较高，可靠性和安 全性高，要有总线供电功能等特点，因此传统的控制系统在现场设备层通常都使 用现场总线或其他专用网络。 根据国际电工委员会i e c 的定义，现场总线是一种应用于生产现场、在现场 设备之甸、现场设备与控制室内的控制装置之间实行数字式、双向传输、串行的、 多节点的通信网络【4 】。现场总线具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信 速率快以及开放性等诸多优点。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信 能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。 基于现场总线的工业控制系统采用了数字通信技术，使得工厂综合自动化中三个 层次之间的信息交互更加方便、快捷、可靠，极大地增强了现场级信息的集成能 力。现场总线的互可操作性的特点给了用户在同一个系统中选择不同厂家提供的 产品的可能，增强了系统的互可操作性。 i e c t c 6 5 的s c 6 5 c w g 6 工作组于1 9 8 4 年开始致力于现场总线国际标准的制 定。由于行业、地域、发展历史的差别以及各国各大仪表生产厂商的利益分配矛 盾，最后并没有形成统一的国际现场总线标准。许多的组织、公司和国家都提出 了各自的现场总线标准，造成了目前多种现场总线标准并存的情况。1 e c 于2 0 0 0 年初公布的t e c 6 1 1 5 8 现场总线国际标准子集就有八种用，分别为：f fh l 、 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 t n e t 、w o r l d f i p 和i n t e r b u s 。 除了这8 种国际标准现场总线，目前在世界上有一定市场的现场总线约有四十几 种，例如c a n 、h a r t 、c c l i n k 等。其中，在工业生产现场中以f f 、c a n 、p r o f i b u s 、 h a r t 等应用较为广泛。这些总线标准采用的通信协议完全不同，在协议报文长 度、通信速率、网络结构、介质访问机制等方面都有较大的差距。因此，要实现 这些总线的兼容和互操作是十分困难的。现场总线通信协议的多样性使得不同总 线产品问不能直接互连、互用和互可操作，没有真正体现现场总线的开放性。这 不但使现场总线控制系统的优点难以体现，而且给用户的使用带来很大的不便， 阻碍了现场总线技术的大面积推广和应用。 现存的多种现场总线协议和多种网络标准之间的通信困难，使得在商业应用 中取得巨大成功的以太网( e t h e r n e t ) 得以快速进入工业自动化领域并得到了迅 速发展【8 】。以太网具有传输速度高、成本低、宜于安装和兼容性好等方面的优 势，它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近年来对 4 新江大学硕i 学位沧文 以太网在工业应用中的研究，使得产生了一种新型以太网一工业以太网。 工业以太网之所以成为工业控制网络研究的热点，发展迅速；究其原因，是 由于工业自动化系统不断向分散化、智能化的实时控制方面发展，其中，通信已 成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求臼益迫切；另一方面， i n t r a n e t i n t e r n e t 等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层， 能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚 不能满足这些要求。 将工业以太网用于现场设备层网络，还面临着一些问题，如以太网的实时性、 可靠性、安全性和总线供电等1 8 】口为了解决这些问题，促进e t h e r n e t 在工业领 域的应用，国际组织和行业内的大公司成立了工业以太网协会i e a ( i n d u s t r i a l e t h e r n e ta s s o c i a t i o n ) 、工业自动化开放网络联盟i a o n a ( i n d u s t r i a l a u t o m a t i o nn e t w o r ka 1 l l a n c e1 和i d a ( t n t e r f a c ef o ro i s t r i b u t e d a r c h i t e c t u r e ) 小组等开展工业e t h e r n e t 关键技术的研究吼。另外，一些现场 总线组织，如现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 、p r o f i b u s 国际组织( p n o ) 、 p - n e t 用户组织( i n t e r n a t i o n a p - n e tu s e ro r g a n i z a t i o n ) 、i n t e r b u s 俱乐部 ( i n t e r b u sc l u b ) 等也在其低速现场总线的基础上推出了基于以太网的高速总 线。这些工作为e t h e r n e t 进入工业自动化的现场级打下了基础。同时为适应市 场趋势全球主要自动化厂商也加强了工业以太网的研究： 法国施奈德公司：推出透明工厂战略，使其成为工业e t h e r n e t 应用的坚 决倡导者。m o d b u s t c p i p 是目前工业e t h e r n e t 事实标准，并促进e t h e r n e t 在 传感器和设各级的应用。 德国西门子公司：1 9 9 8 年发布工业e t b e r n e t 自皮书，并于2 0 0 1 年发布 其工业e t h e r n e t 的规范，称为p r o f i n e t 。 美国罗克维尔自动化公司：2 0 0 0 年发布工业e t h e r n e t 规范，称为 e t h e r n e t i p 。 在国内，相关的科研机构与公司也在从事工业以太网的研究。尤其是浙江大 学、浙江中控技术股份有限公司与多家院校和单位合作提出的e p a ( e t b e r n e tf o r p l a n ta u t o m a t i o n ) 实时通信以太网标准，在将工业以太网应用于工业控制现场 设备间的通信上取得了可喜的进步；而且已经于2 0 0 5 年底被i e c 接收作为现场 总线国际标准i e c6 1 1 5 8 ( 第四版) 中的第十四类型并被列为与i e c6 1 1 5 8 相 配套的实时以太网应用行规国际标准i e c6 1 7 8 4 2 中的第十四应用行规簇 ( c o m m o np r o f i l ef a m i l y1 4 ，c p f l 4 ) 。 浙江大学蛳：t 学位论文 1 3 本文的内容和结构 将工业以太网应用于现场设备层网络面临的一个问题是如何在工业现场大 量的变送器、执行器等现场设备和智能仪表中实现实时的、可靠的以太网接口。 将嵌入式技术融入工业控制网络中，研制出高性能低成本的网络终端现场设备， 在此基础上实现工业设备的全面联网，必将使控制系统的功能跃上一个新台阶， 使得远程数据采集、远程控制、上传下载数据文件等过程成为实时、高效的操 作流程，从而显著提升企业的生产自动化水平。 本文对基于工业以太网的嵌入式技术进行了研究，研究了如何在嵌入式的环 境下实现t c p i p 协议栈，为现场控制器设计并实现了由3 2 位微处理器和嵌入式实 时操作系统构成的嵌入式工业以太网络接口。在此基础上，本文对嵌入式w e b 服 务器技术进行了研究，研究了嵌入式系统中的文件访问机制和嵌入式w e bs e r v e r 中服务器与浏览器之间的动态数据交互技术。在进行了研究之后，对嵌入式w e b 服务器进行了设计和开发，设计并实现了嵌入式网页文件系统，实现了现场设备 与浏览器之间基于浏览器朋是务器模式的双向数据通信功能，完成了现场设备的 远程监视、故障诊断和配置的功能，利用j a v aa p p l e t 技术实现了在浏览器中实 时数据益线的绘制，在为客户端提供友好用户界面的同时实现了浏览器端数据的 动态更新，为工业以太网将来更广阔的应用作了一些探索。 全文共分五章，各部分内容安排如下： 第一章介绍了工业控制系统和工业控制网络的历史发展和研究现状，着重介 绍了现场总线和工业以太网的研究现状和本文的研究方向。 第二章介绍了工业以太网的历史发展和结构体系，对工业以太网和现场总线 进行了比较，介绍了工业以太网所具有的优势、存在的问题。分析了嵌入式技术 在工业控制领域的应用前景。 第三章详细介绍了嵌入式工业以太网络接口的设计。设计方案采用了集成的 以太网络接口芯片a x 8 8 7 9 6 ，通过嵌入式实时操作系统“c o s i i 和软件束实现嵌 入式t c p i p 协议栈，并与通过硬件协议芯片来实现t c p i p 协议栈的方案进行了比 较。 第四章详细介绍了在上述以太网络接口的基础上实现的一个基于嵌入式 w e b 技术的远程监控方案。针对嵌入式系统资源有限的特点，采用了一种瘦服务 器方案，应用j a v aa p p l e t 技术来实现浏览器中现场设备实时数据的动态图形显 不。 第五章总结与展望，总结了本文所做的工作，并指出了其它有待深入研究 的问题和今后工作的重点。 浙江大学硕十学位论文 第二章工业以太网与嵌入式技术 2 1 工业以太网简介 1 9 7 5 年，美国施乐( x e r o x ) 公司p a l oa l t o 研究中心的m e t c a l f e 与b o g g s 研 制成功了一种试验网络，该网络采用无源电缆作为总线来传输数据帧，故以传播 电磁波的“以太( e t h e r ) ”命名，通信速率为2 9 4 m b s 。1 9 8 1 年旌乐公司、数字 装备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) 以及英特尔( i n t e l ) 公司联合推 出了实现l o 妨s 基带传输的以太网( e t h e r n e t ) 规约。1 9 8 2 年，第二版以太网规 约d i xe t h e r n e tv 2 0 公布。通常所说的以太网就是指d i xe t h e r n e tv 2 所描述的 技术。1 9 8 3 年，美国电气与电子工程师协会i e e e 在d i x 规范基础上进行了修改而 制定了标准i e e e 8 0 2 3 。i e e e 8 0 2 3 采用了和d i x 2 1 相同的c s m a c d ( 载波监听多 路访问冲突检测) 的介质访问方法和物理层规范，但是在网络帧的结构上却和 d i x 2 o 略有不同i 1 9 1 。因此严格的讲，以太网与i e e e 8 0 2 3 标准并不完全相同，但 人们通常都将i e e e 8 0 2 3 认为是以太网标准。目前它是国际上最流行的局域网标 准之一。 1 9 9 0 年2 月，该标准被国际标准化组织i s o 采纳，正式成为i s o i e c8 8 0 2 3 国际标准。在这期间，出现了双绞线以太网l o b a s e t ，简化了以太网的安装和网 络结构。1 9 9 3 年，全双工以太网的出现，提高了以太网的传输速度。1 9 9 5 年i e e e 公布了l o o b a s e t 标准8 0 2 3 u ，将以太网技术从最初l o m p b s 以太网过渡到l o o m p b s 快速以太网，标志着快速以太网时代的来临。在1 9 9 9 年和2 0 0 2 年i e e e 又相继公布 了千兆以太网和万兆以太网标准，推动了以太网技术的快速发展f 4 】。 按照i s o 开放系统互连参考模型的分层结构，以太网规范只包括通信模型中 的物理层和数据链路层。由于以太网在因特网中得到了广泛的应用，而在因特网 中t c p i p 协议已经成为了实际上的标准；因此现在人们俗称的以太网技术不仅包 括了物理层和数据链路层的以太网规范，而且包含t c p i p 协议族。 以太网在其发展的2 0 年中得到了极为广泛的应用，已经成为一种主流技术。 目前在构筑信息高速公路、企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用高速以 太网。 近些年来由于现场总线多种标准难以统一，传统上用于办公室和商业领域的 以太网开始逐渐的被应用于工业控制领域并产生了工业以太网。工业以太网技术 是普通以太网技术在控制网络延伸的产物，在技术上与商用以太网兼容，但在产 浙汀大学顿十学位论文 第二章工业以太网与嵌入式技术 2 1 工业以太网简介 1 9 7 5 年，美国施乐( x e r o x ) 公司p a l oa l t o 研究中心的$ 1 e t c a l f e 与b o g g s 研 制成功了一种试验网络，该网络采用无源电缆作为总线来传输数据帧，故以传播 电磁波的“以太( e t h e r ) ”命名，通信速率为2 9 4 m b s 。1 9 8 1 年旌乐公司、数字 装备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) 以及英特尔( i n z e l ) 公司联台推 出了实现l o 抽s 基带传输的以太网( e t h e r n e t ) 规约。i 9 8 2 年，第二版以太网规 约d i xe t h e r n e tv 2 o f f 布。通常所说的以太网就是指d i xe t h e r n e tv 2 所描述的 拄术。1 9 8 3 年，美国电气与电子工程师协会i e e e 在d i x 规范基础上进行了修改而 制定了标准i e e e 8 0 2 3 。i e e e s 0 2 3 采用了和d i x z1 相同的c s 姒c o ( 载渡监听多 路访问冲突检测) 的介质访问方法和物理层规范，但是在网络帧的结构上却和 b l x 2 o 略有不同【1 9 1 。因此严格的讲，以太网与i e e e 8 0 2 3 标准并不完全相同，但 人们通常都将i e e e 8 0 2 3 认为是以太网标准。目前它是国际上最流行的局域网标 准之一。 1 9 9 0 年2 月，该标准被国际标准化组织i s o 采纳，正式成为1 8 0 i e c8 8 0 2 3 国际标准。在这期问，出现了双绞线以太网l o b a s e t ，简化了以太网的安装和网 络结构。1 9 9 3 年，全双工以太网的出现，提高了以太网的传输速度。1 9 9 5 年i e e e 公布了l o o b a s e t 标准8 0 2 3 u ，将以太网技术从最扔l o m p b s 以太网过渡至u l o o m p b s 快速以太网，标志着快速以太网时代的来临。在1 9 9 9 年和2 0 0 2 年i e e e 又相继公布 了干兆以太网和万兆以太网标准，推动了以太网技术的快速发展1 4 j 。 按照i s o 开放系统互连参考模型的分层结构，以太网规范只包括通信模型中 的物理层和数据链路层。由于以太网在因特网中得到了广泛的应用，而在因特网 中t c p t p 协议已经成为了实际上的标准：因此现在人们俗称的咀太网技术不仅包 括了物理层和数据链路层的以太网规范，而且包含t c p i p 协议族。 以太网在其发展的2 0 年中得到了极为广泛的应用，已经成为一种主流技术。 目前在构筑信息高速公路、企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用高速以 太网。 近些年来出于现场总线多种标准难以统一，传统上用于办公室和商业领域的 以太网开始逐渐的被出用于工业控制领域并产生了工业以太网。工业以太网技术 是普通咀太网技术在拧制网络延仲的产物，在技术上与商用以太网兼容，但在产 是普通咀太网技术在控制刚络延伸的产物，在技术上与商用以太网兼容，但在产 浙江人学硕i ：学位论义 品设计，在材质的选用、产品的强度和适用性方面都需要满足工业现场的要求【”。 由于以太网最初是为办公自动化设计的，因此没有考虑到工业自动化应用的 特殊要求。特别是它采取的c s m a c d 介质访问控制机制，具有通信延时不确定的 缺点，不能满足工业自动化控制中的通信实时性要求。同时以太网的安全性，可 靠性方面的欠缺也是以太网应用于工业控制网络的重要障碍。因此在二十世纪九 十年代中期以前，很少有人将以太网应用于工业自动化领域。但是，随着互联网 技术的普及与推广，以太网也得到了飞速发展，特别是以太网通信速率的提高、 以太网交换技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机：首先， 以太网的通信速率一再提高，从l o m b p s 到l o o m b p s 、1 0 0 0 m b p s 甚至l o g b p s ，在 相同通信量的条件下，通信速率的提高意昧着网络负荷的减轻和碰撞的减少，也 就意味着提高确定性；其次，以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提 供了独立的带宽，连接在同一个交换机上面的不同设备不存在资源争夺，这就相 当于每个设备独占一个网段；再次，全双工通信技术又为每一个设备与交换机端 口之间提供了发送与接收的专用通道，因此使不同以太网设备之间的冲突大大降 低。以太网通信性能的提高为其应用于工业自动控制领域提供了有利的条件。 与其他现场总线或工业通信网络相比，以太网具有以下优点【9 】【l o l 【1 1 1 1 1 2 1 1 1 4 】： ( 1 ) 应用广泛 基于t c p i p 协议的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易 互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问 题。以太网是目前应用最广泛的局域网技术，遵循国际标准规范i e e e 8 0 2 3 ，受到 广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a 。v c + 十， v b 等。将以太网用于工业控制网络，可以保证有多种开发工具供选择。 ( 2 ) 数据传输率高 以太网支持的数据传输速率包括l o m b p s ，l o o m b p s 和1 g b p s ，比目前任何一种 现场总线都快。以太网从扁平的总线共享模式发展到结构化的交换模式后，任意 终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，由于每个端口都是独立的冲突域， 不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。在相同通信量的条 件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着确定 性的提高。 ( 3 ) 容易与信息网络集成，有利于资源共享 由于具有相同的通信协议，工业以太网能实现办公自动化网络和工业控制网 络的无缝连接，组建统一的企业网络。随着实时嵌入式操作系统和嵌入式平台的 发展，嵌入式控制器、智能现场测控仪表将方便地接入以太控制网络，直至与 i n t e r n e t 相连。网络上的用户无论处于什么地方，也无沦资源的物理位置在哪里， 浙江人学硕十学位论文 都能使用网络中的共享数据、设备及其它服务，极大地解除了地理位置上的束缚。 这种强大的资源共享能力得益于以太网巨大的用户群，是目前其它任何一种现场 总线都无法比拟的。 ( 4 ) 成本和费用低廉 由于以太网的应用最为广泛，受到了硬件开发商和生产厂商的高度重视与广 泛的支持，因此可以有多种硬件产品供用户选择；与目前众多的现场总线相比， 价格也低廉得多。目前以太网网卡的价格只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分 之一，并且而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。在工程和应 用方面，由于以太网己沿用多年，己为众多的技术人员所熟悉并对以太网的设计、 开发和应用等方面有很多的经验。现有的大量资源可以极大地降低以太网系统的 开发、培训和维护费用，从而可有效降低系统的整体成本，加快系统的开发和推 广速度。 ( 5 ) 可持续发展潜力大 由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投 入。工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展 主流之外，从而使工业控制网络与和信息网络技术互相促进，共同发展，并保证 技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。 ( 6 ) 支持多种的物理介质和拓扑结构 以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户 可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型拓扑结构， 可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。 ( 7 ) 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验， 对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培 训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 正因为以上这些优势自二十世纪九十年代中后期，以太网在工业自动化领域 就开始逐渐得到应用。工程应用实践表明，通过采用适当的系统设计和流量控制 技术，以太网完全能够满足工业自动化领域的通信要求。如今，以太网已成为企 业信息管理层、监控层网络的首选，并且开始逐渐向下延伸直接应用于工业现场 设备间通信。以太网技术将渗透到现场设备层，贯穿整个工业网络的各个层次， 实现从现场仪表到管理层设备的集成已成为工业自动化领域的共识。 虽然工业以太网有着许多令世人所信服的优点，但是我们也不能否认目前以 太网技术直接应用到工业现场仍然有着或多或少的不足和缺陷。虽然这些缺陷可 以采用一些相应的措施加以克服，但我们在设计使用工业以太网时，以下这些缺 浙江大学硕上学位论文 陷仍然是我们所不能忽视的【3 】【4 】【1 3 】1 1 4 】： ( 1 ) 网络节点问通信的不确定性 确定性是指网络中任何节点、在任何负载情况下都能在规定的时间内得到数 据发送的机会。而以太网是一种共享网络，采用冲突检测载波监听多点访问 ( c s m a c d c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机 制来解决通信介质层的竞争。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监 昕网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送；如果两个或更多的节 点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将在网络上发生冲突，因 此每个节点在发送时，还必须继续监听网络；当检测到两个或更多个报文之间出 现碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。以太网 的这种竞争处理机制导致了非确定性的产生。因为在一系列碰撞后，报文可能会 丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定 性和实时性得不到保证。 ( 2 ) 以太网缺少统一的应用层协议 由于以太网i e e e 8 0 2 3 只映射到i s o o s i 参考模型中的物理层和数据链路 层，t c p i p 协议也只映射到网络层和传输层，而对较高的层次如会话层、表示 层、应用层等没做技术规定。目前r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t ) 组织文件中的 一些应用层协议，如f t p 、h t t p 、t e l n e t 等，仅仅规定了用户应用程序该如何操 作，而以太网设备生产商还必须根据这些文件定制专用的应用程序。由于缺少了 统一的应用层协议，造成这些应用程序是专有的，而不同应用程序之间的巨大差 异导致了不同厂家的设备不能互操作。 ( 3 ) 以太网自身不提供电源因此必须要有额外的供电电缆 由于以太网技术刚开始产生于商业应用领域，一般的设备或工作站本身已经 具备电源供电，因此传输媒体只用于传输数据信息，没有向设备供电的要求。而 在工业现场应用中，通过通信电缆进行总线供电已经被实践证明是未来工业通信 网络技术发展的重要趋势。采用总线供电意味着不仅可以减少网络线缆，降低安 装复杂性与费用，而且可以提高网络和系统的易维护性。 ( 4 ) 以太网不是本质安全系统 在生产过程中很多工业现场不可避免地存在易燃、易爆与有毒等场合，因此 对应用于这些工业现场的智能设备以及通信装置，都必须采取一定的防爆技术措 施以保证工业现场的安全生产。而传统的以太网设备无论在低功耗方面还是在隔 爆防爆方面都是有待改进的。 ( 5 ) 对环境的适应性与可靠性 以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需 1 0 浙江人学碳士学位论文 要，如温度、湿度、振动、辐射等恶劣的环境因素。此外还要考虑到在工业坏境 现的安装要求，应该具有抗震动、易安装等特点。 2 2 工业以太网协议体系 工业以太网协议有多种，如h s e 、p r o f i n e t 、e t h e r n e t i p 、m o d b u s t c p 等， 它们在本质上仍是基于以太网技术。对应于i s o o s i 通信参考模型，工业以太网 协议在物理层和数据链路层均采用了i e e e 8 0 2 3 规范，在网络层和传输层则采用 被称为以太网上的事实上标准