（控制理论与控制工程专业论文）基于工业以太网的通信控制器研究与应用.pdf

摘要 随着计算机和通信技术的飞速发展，以太网技术愈来愈受到工业界的关注 并开始在工业现场普及。它的出现使工业环境发生了翻天覆地的变化，提高了 仪表等现场设各的智能性并加速了企业信息化。它凭借其应用广泛、成本低廉、 通信速率高、软硬件资源丰富、能实现信息无缝集成”4 1 等优势博得了广泛青睐。 在这种大背景下，传统d c s 与现场总线技术将受到严峻挑战，基于工业以太网 的仪器仪表将是今后几年工业控制应用的发展趋势，也是研究与应用的重点。 本文主要论述了采用工业以太网技术与嵌入式技术相结合设汁实现了基于 工业以太网的通信控制器及其应用，论文包括以下几个主要方面： 1 ) 论述了工业以太网控制系统网络的架构和以太网节点的工作原理与架构。 2 ) 研究分析了工业以太网应用层协议；定义了两层网络结构中各节点间数据传 输的具体准则以及对节点参数的定义。 3 ) 基于a r m 7 处理器s 3 c 4 4 b o x ，设计开发了以太网通信控制器；它提供以 太网接入功能，并对应用层协议进行解析和转换。 4 ) 针对以太网通信控制器硬件系统，对嵌入式操作系统u c l i n u x 内核进行修改 并移植；基于该操作系统，设计开发以太网通信控制器的应用程序，实现对工 业以太网应用层协议的支持等功能。 5 ) 设计开发了基于工业以太网的通信控制器在工控系统中的应用，并分析了该 系统的硬件、软件方案。 6 ) 设计开发了与上述系统相对应的工业以太网通信控制器配置工具利上位机监 控系统，它们分别完成对以太网通信控制器的配置和对系统的监控工作。 实践表明上述工控系统以及以太网通信控制器的运行是稳定可靠的，它们 为以太网技术与嵌入式技术在工控系统中的应用提供了较好的解决方案。 关键词：工业以太网应用层协议嵌入式a r ml i n u x v a b s t i u c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e t h e m e ti s g e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dh a sb e e na p p l i e di nf i e l d g r e a t c h a n g e sh a v e t a k e np l a c es i n c ea p p e a r a n c eo fe t h e r n e t ，i t i n t e l l i g e n t i z e st h e i n s t r u m e n ta n dm a k e se n t e r p r i s em o r ee a s i e rt od e a lw i t hi n f o r m a t i o n i tb e c o m e s m o r ep o p u l a rb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e sl i k em u c ha p p l i c a t i o n ，l o wc o s t ，h i 曲s p e e d ， m u c hh a r d w a r e s o f t w a r er e s o u r c e ，a n dt h ea b i l i t yt oi n t e g r a t ei n f o r m a t i o ne t h e m e t w i l l c h a l l e n g ed c sa n df c st e c l m o l o g yu n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h ei n s t r u m e n t b a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e tw i l lb eaf o c u so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a l f i e l di nn e x tf e wy e a r s t h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e ta n di t s a p p l i c a t i o n a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e le t h e m e ta n de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya r ei n t e g r a t e d i nt h ec o n t r o l l e r t h ep a p e ri n c l u d e sf o l l o w i n gs e v e r a lp a r t s ： t h ea r c h i t e c t u r eo fi n d u s t r i a le t h e m e tc o n t r o ls y s t e mn e t w o r ka n dt h ep r i n c i p l e a n da r c h i t e c t u r eo fc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e d 2 ) t h ei n d u s t r i a le t h e m e ta p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li sr e s e a r c h e da n a l y z e d t h e r u l eo f d a t at r a n s m i s s i o na n dp a r a m e t e rd e f i n i t i o na r ed i s c u s s e d 3 ) i n d u s t r i a le t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e db a s e do na r m 7c o r e p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o xi tc a nm a k ef i e l dd e v i c ec o n n e c tt on e t w o r km a ds u p p o r t t h ei n d u s t r i a le t h e m e ta p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c 0 1 4 ) t h ee m b e d d e do su c l i n u xi sp o n e dt oi n d u s t r i a le t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e r t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e db a s e do nu c l i n u xt os u p p o r tt h e i n d u s t r i a le t h e m e ta p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c 0 1 5 ) i n d u s t r i a le t h e m e tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r sa p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e mi sd e v e l o p e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es o l u t i o no ft h ea p p l i c a t i o ni s a n a l y z e d v 6 ) c o n f i g u r a t i o nt o o lf o ri n d u s t r i a le t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ra n ds c a d a s y s t e mf o ri n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e ma r ed e v e l o p e d t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e ma n di n d u s t r i a le t h e r n c tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r c a nw o r kw e l la c c o r d i n gt op r a c t i c e t h e yp r o v i d eag o o ds o l u t i o nt oe t h e m e ta n d e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y s a p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s y t e m k e y w o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c a l e m b e d d e ds y s t e ma r ml i n u x v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：鳖趟蜩z 阳 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 趣伽蛐犁 l 2 咽 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海仪集仪表有限公司委托开发的项目“基于工业以太网的通 信控制器及其应用系统”。 1 2 课题背景 1 2 1 现场总线 1 2 1 1 概述 在现代工业控制中，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以 及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制需要一种分布式实时控制系统来 实现控制任务 。在分布式实时控制系统中，不同的设备之间的任务交互是通 过通信网络以信息传递的方式实现的。为了满足任务的实时i 生要求，要求任务之 间的信息传递必须在一定的通信延迟时问内。从信息传送到信息接收之间的全部 通信延迟，称作端到端的通信延迟，它主要包括产生延迟、排队延迟、传输延迟 和发送延迟四方面的因素。其中，排队延迟由通信网络的m a c 层决定。 为了满足工业控制中对时间限制的要求，通常采用具有确定的、有限排队延 迟的专用实时通信网络，典型的实时通信网络就是现场总线。 现场总线，按照国际电丁委员会i e c s c 6 5 c 的定义，是指安装在制造或过 程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字 式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系 统称作现场控制系统( f c s ) 。 从2 0 世纪8 0 年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有：基金会现 场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra t e an e t w o r k ) 、 局部操作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总线 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 和h a r t 协议( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r ) 以及d e v i c e n e t ，c o n t r o l n e t ，p n e t 等。 面对如此之多的现场总线，用户如何选择? 为解决这个问题，国际电工委员 会i e c 在1 9 8 4 年就开始筹备制定单一现场总线国际标准。然而，由于行业与地 域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，围绕着现场总线 技术的标准进行了一场大战，最后经过多方妥协，于1 9 9 9 年年底通过了包含f f 、 p r o f i b u s 等八种总线在内的i e c 6 1 1 5 8 ，没有实现制定单一标准的目标。这个结局 表明，在今后相当k 一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信 息集成会面临困难的复杂局面 3 5 - 3 7 。无沧是最终用户还是制造商，普遍都在关 注现场总线技术的发展新动向，都在寻求高性能低成本的解决方案。 现场总线系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ( ”1 由于采用了智能现场设备，能够把 原先集散控制系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加 上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送 信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完 成，实现了彻底的分散系统。 一般认为集散控制系统是属于封闭性的控制系统，而f c s 是开放性的系统。 但事实上，目前各种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯 的局面，使得现场总线不具备真正的开放性，按不同总线标准生产的设备之间也 不可能实现互换。 1 21 2 由现场总线而引发的困惑及其解决途径 现场总线技术在其发展过程中也存在许多不足，具体表现为： 1 ) 现有的现场总线标准过多，仅国际标准i e c6 1 1 5 8 就包含了8 个类型，未能 统一到单一标准上来； 2 ) 不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝 集成； 3 ) 由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高； 4 ) 现场总线的速度较低，支持的应用有限，不便于和i n t e m e t 信息集成。 综上所述，由于行业与地域发展历史等原因，行业众多，需求各异，加之各 公司和各集团受自身商业利益的驱使，现场总线难以统一国际标准。这种情况明 显违背了当初开发现场总线的初衷。发展共同遵从的统一标准，真正形成开放互 连的系统，是大势所趋。 近年来，随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经 覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从 ：业现场设备层 到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术 为基础的企业信息化系统”。作者认为现行的各种现场总线标准终将统一于基 于国际标准i e e e8 0 2 ，3 、t c p i p 等协议的以太网通信网络，并且通过各大厂商 的努力可使其在工业领域成熟应用。 12 2 工业以太网 1 2 2 1 概述 以太网是在19 7 3 年由x e r o xp a l oa l t o 研究中一i i , b o bm e t c a l f 牙 jd a v i db o g g s 设计的。7 0 年代末，数十种局域网技术己经涌现出来，由于以太网具备可扩展 性、可靠性、成本低廉以及拥有大量的网络管理和故障排除工具而受到热烈欢迎， 最终脱颖而出，并成为目前使用最广泛的局域网技术，与现场总线相比具有广泛 的优越性。 i n t e m e t i n t r a n e t 网络已被工厂自动化高层采用，如果在低层也采用以太网， 不同的工厂通讯系统更容易地建立连接 1 2 - 15 。因为采用相同的协议，可以建立 更大范围的网络，导致更大地利用低成本组件和技术。 1 22 2 工业以太网的优点 工业以太网作为现场总线控制系统具有以f 优点”】： 1 ) 容易和办公自动化( o a ) 网络无缝集成，符合企业的信息化要求： 2 ) 有相当高的数据传输速率( 目前己达到1 0 0 0 m b s ) ，能提供足够的带宽： 3 ) 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； 4 ) 在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术； 5 ) 沿用多年，己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，成为事实上的统一标准； 6 ) 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。 尽管相比现场总线有这么多优势，但以太网本身作为一种办公网络，如果直 接应用到工业现场还是存在很多问题。如实时性、带宽、可靠性等，这些问题随 着以太网的发展有着不同程度的解决。 122 3 工业以太网的现状与未来 现在以太网正悄悄地进入了控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速。 以太网已经成为目前市场上最受欢迎的通信网络之一，它在工业控制领域管理层 和控制层等中上层网络通信中得到了广泛应用，并有直接向下延伸应用于工业现 场设备间通信的趋势。 国际上，随着以太网技术的深入研究，先后产生高速e t h e r n e t 和千兆e t h e r n e t 产品和国际标准，以及即将出现的十千兆e t h e r n e t 产品和国际标准m 1 。针对 e t h e r n e t 的排队延迟不确定性，e t h e r n e t 又增加了双工通信技术、交换技术、信 息优先级等来提高实时性 1 3 , t 4 1 。以德国h i r c h m a n n 公司为代表提出了冗余环技 术，增强了以太网的可靠性”1 。为了推广以太网技术在工业领域的应用，在美国 成立了工业自动化通信网络联盟( i n d u s t r i a la u t o m a t i o nn e t w o r ka l l i a n c e ， i a n o a l ，其主要目的在于建立e t h e m e t 为工业控制中的通讯标准。 根据s e n i o ra n a l y s ta r ca d v i s o r yg r o u p 预测，全球：| = 业以太网节点数今后 五年内，年增长率将超过8 4 ，截至2 0 0 7 年，节点总数将超过6 ，0 0 0 ，0 0 0 。我国 在该领域起步较晚，基础比较薄，但市场必将在全球应用增长的大环境下，得到 快速的增长，行业充满发展机遇。有专家指出，随着工业以太网使用的普及、研 发成本的消化以及生产成本的降低，国内工业以太网市场的成熟将在今后5 年出 现。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 以太网发端于1 9 7 3 年在美国x e r o x 公司两位工作人员所设计的种以同 轴电缆为共享介质的试验网络 3 8 】。 8 3 年i e e e 8 0 2 8 5 年i e e e 8 0 2 9 0 年i e e e s 0 2 9 5 年i e e e s 0 2 1 3 2 国内研究概况 ，即粗缆以太g ( 1 0 b a s e 5 ) 标准。 a ，即细缆以太两 ( 1 0 b a s e 2 ) 标准。 i ，即双绞线以太 碉( 1 0 b a s e 2 t ) 标准。 u ，即快速以太网( 1 0 0 b a s e 2 t ) 的标准。 自从1 9 9 0 年代中后期工业以太网引入中国以来，至今在技术概念上已被广 泛接受。 近年来以太网技术的飞速发展主要体现在两个方面：其传输速率从原先的 1 0 m b p s 发展到1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s ；网络结构从共享式向交换式发展。 1 4 课题的提出 本课题的主要研究任务就是基于工业以太网与嵌入式技术，设计开发工控网 络结构与工业以太网通信控制器及其相对应的软硬件系统。具体任务包括： 1 ) 设计了工业以太网控制系统方案。 2 ) 根据o s i 七层网络模型，在t c p i p 基础之一h 研究开发该控制系统的应用层协 议，以对各种工、世应用作出相应的对策。 3 ) 设计开发基于a r m 7 t d m i 内核处理器和嵌入式操作系统u c l i n u x 平台的工业 以太网通信控制器，包括电路图的设计、电路板的制作与仿真等。 4 ) 以u c l i n u x 为基础，用c 语言实现系统控制、工业以太网应用层协议的实现、 串口与网络通信等功能。 5 ) 在上位机设计开发工业以太网通信控制器配置工具以及针对工业以太网控制 系统的监控系统，分别实现对以太网通信控制器的配置和对整个工控系统的监 控、数据采集以及应用层协议的解析等功能。 1 5 论文的主要内容 本论文第一章为绪论，引出课题背景及意义、问题之所在，并提出了自己的 设想和具体解决方案。 第二章深入探讨与本课题相关的一些理论与实践知识的重点，并结合本课题 实际情况发表了自己的初步见解。 第三章介绍了作者设计的工业以太网控制系统架构与其应用层协议。 第四章介绍了工业以太网通信控制器的硬件设计，包括主芯片与各个外围电 路模块的结构与特点。 第五章介绍了工业以太网通信控制器的软件没计，包括引导程序的设计开 发、u c l i n u x 交叉编译环境的创建、嵌入式操作系统的移植以及应用程序的设计 开发等。 第六章介绍了工业以太网通信控制器的应用和基于该应用系统的配置工具 与上位机监控系统的设计。 最后，第七章对整篇论文作了总结，并对今后的工作作了展望。 1 6 本章小结 本章开头引出了课题背景，对比了现场总线与工业以太网各自的特点，分析 了为何要采用工业以太网的原因以及工业以太网的优势；并且列举了国内外该领 域的发展现状与研究进展；最后提出自己的课题构想与工作规划，并大致介绍了 整篇论文的内容安排。 第二章以太网与嵌入式技术 本课题的研究与设计是以以太网和嵌入式技术为基石的，所以在这里有必要 深入细致地了解这两种技术背景，这样也能对本课题理解得更透彻，对这些技术 在本课题中所起的作用也能把握地更好。 2 1 以太网 以太网是i e e e 8 0 23 所支持的局域网标准。按照国际标准化组织开放系统互 连参考模型( 1 s o o s i ) 的7 层结构，以太网标准只定义了数据链路层和物理层， 作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。 以太网上所有节点访问网络的机会相等，采用c s m a c d 介质访问机制。 c s m a c d 的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。当网络负荷 较小的时候，冲突很少发生，因此延迟低。当网络负载较重的时候，就容易出现 冲突，网络性能也相应降低，不能保证数据在预定时间内到达目的站，因此通信 实时性不能保证。 以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等。以太 网的关键技术包括通信实时性( c s m a c d 机制) 、互操作性、网络生存性、网 络安全性、本质安全与安全防爆技术、远距离传输等。 2 1 1 以太网的历史 以太网f e t h e m e t ) 最初源自于美国x e r o x 公司建造的一个2 1 9 m b p s 的 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 系统，它以无源电缆作为总线来传送 数据，在1 0 0 0 m 的电缆上连接了1 0 0 台计算机，并以曾经在历史上表示传播电 磁波的以太( e t h e r ) 来命名，这就是如今e t h e m e t 的鼻祖。随后，d e c 、i n t e l 及 x e r o x 合作公布了e t h e m e t 物理层和数据链路层的规范，称为d i x 规范。在此 基础上，电气和电子工程师协会( 1 e e e ) 制定了i e e e 8 0 2 3 标准。严格来讲， e t h e r n e t 与i e e e 8 0 2 3 在m a c ( 介质访问控制) 层上采用相同的c s m a c d 协 议以及极为类似的帧格式，但并不完全相同，只不过人们习惯上通常将i e e e 8 0 2 3 标准称为e t h e r n e t 2 “。 2 1 2 以太网的传输介质 以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最 大优点是简单、经济实用，易为人们所掌握，所以深受广大用户欢迎唧】。 2 i 3 以太网的设备 1 ) 中继器 中继器是最简单的连接设备。它的作用是对网络电缆上的传输的数据信号经 过放大和整形后再发送到其他电缆段上。因此，中继器实际上只能算是数字信号 的再生放大器，工作在o s i 的物理层上。 2 ) 集线器 集线器是多口的中继器。后者有两个接口，一个用于输入，另一个用于输出； 前者接口数大于两个，又称为h u b 。 3 ) 路由器 路由器的功能在于：选择最佳的转发数据的路径、判断需要转发的数据分组、 控制数据传输、划分网络等。路由器工作包括o s i 的网络层、数据链路层和物理 层。 2 2t c p i p t c p 口协议是2 0 世纪7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网开发 的网络体系结构和协议标准。如今，t c p 口协、议成为最流行的网际互联协议， 并由单纯的t c p i p 协议发展成为一系列以i p 为基础的t c p i p 协议簇12 0 。该 协议包括t c p 、u d p 、i p 、a r p 、r a r p 、i g m p 等。 t c p 与u d p 的比较如下： t c p 协议的特性：1 ) 面向连接；2 ) 确认与超时重传技术；3 ) 滑动窗口与 流量控制；4 ) 拥塞控制。 u d p 协议的特性：1 ) u d p 是一个无连接协议；2 ) 服务器可同时向多个客 r 户机传输相同的消息；3 ) u d p 系统开销很小；4 ) 吞吐量不受拥挤控制算法的 调节。 t c p 协议除了提供和u d p 一样的进程通信能力外，其主要特点是可靠性高， 几乎可以解决所有的可靠性问题。t c p 为保证可靠性做了大量工作，内部提供逻 辑联接、确认与超时重传机制、滑动窗口机制( 以控制流量和拥塞) 。 u d p 的工作比较简单，它只是在口的基础上定义了信1 5 ，使得2 个不同主 机之间的进程在信口上传送数据报，u d p 不提供可靠性的保证。t c p 提供的可 靠性服务、定时控制、窗口管理、t c p 定义的命令；u d p 协议不提供端一端的确 认和重传功能，不保证信息包一定能到达目的地，因此称为不可靠协议。应用开 发人员选择u d p 时，应用层协议软件几乎是直接与口通信。 随着网络技术的普及应用，基于t c p i p 协议的以太网得到了飞速发展，并 得到了全球的支持，特别是以太网传输速率的提高和交换技术的发展，为以太网 技术注入了新的活力。而t c p 协议虽然能提供可靠的数据传输服务，但在有些 场合中，可靠性并不比效率更重要，对两者的选择取决于应用的环境和要求】。 2 3 工业以太网 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 行线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转 换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线 供电等特殊要求和特点。 与此同时，开放性、分散化和低成本也是工业控制网络另外重要的三大特征。 即工业控制网络应该： 1 ) 具有较好的响应实时性。 2 ) 高可靠性，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。 3 ) 力求简洁，以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的 健壮性。 4 ) 开放性要好，即工业控制网络尽量不要采用专用网络m 1 。 总之，工业以太网在技术上与商用以太网( 即i e e e8 0 2 _ 3 标准) 兼容，但在 产品设计时，在材质的选用、产品的可靠性和适用性方面应能满足工业现场的需 要。 2 3 1 工业以太网的现场总线 为什么以前不用e t h e r n e t 作现场总线? e t h e m e t 区别于其他网络( 如令牌 网、令牌环网、主从式网络等) 的重要特点是：它采用的介质访问控制方法 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 ，冲突检测载波 监听多点访问) 是一种非确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是口】：某 节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即 发送，并同时继续监听网络；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，将发生碰撞，同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。1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。在 网络负荷较高时，e t h e r n e t 上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它极大地影响 了e t h e r n e t 的数据吞吐量和传输延时，并导致e t h e r n e t 实际性能的下降。由于 在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。 e t h e r n e t 的这种c s m a c d 介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的 “不确定性”。而对于工业现场控制网络，e t h e r n e t 的这种通信“不确定性”会 导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件 信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的发生， 成了它应用于工业控制网络的主要障碍】。 e t h e m e t 能不能应用工业控制领域呢? 通过实验可以发现，在负荷较轻时， e t h e m e t 网络的响应速度明显大于a r c n e t 网络，在典型的工业控制系统应用中， 通信峰值负荷为1 0 m e t h e m e t 的5 ，1 0 0 m e t h e r n e t 网络中的负荷为0 5 。如 果通过仔细设计，对系统中的网络节点数量和通信流量进行控制，使网络负荷低 于1 0 ，完全可以采用e t h e r n e t 网来取代a r c n e t 网等令牌网。美国v d c ( v e n t u r e d e v e l o p m e n tc r o p ) 调查报告也指出，e t h e r n e t 在工业控制领域中的应用将越来 越广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2 0 0 0 年1 1 增加到2 0 0 5 年2 3 【2 ”。 2 3 2 工业以太网的关键技术”2 2 3 2 1 通信实时性 长期以来，e t h e m e t 通信响应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的 致命弱点和主要障碍之一，以太网的这种机制导致了非确定性的产生随着互联网 技术的发展和大面积推广应用，以太网也得到了迅速的发展，使通信确定性和实 时性得到了增强。 首先，在网络拓扑上，采用星型连接代替总线型结构，使用网桥或路由器等 设备将网络分割成多个网段( s e g m e n t ) 。在每个网段上，以一个多口集线器为中心， 将若干个设备或节点连接起来。这样，挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲 突域( c o l l i s i o nd o m a i n ) ，每个冲突域均采用c s m a c d 机制来管理网络冲突。这 种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷和碰撞几率都大大减小。 其次，使用以太网交换技术，将网络冲突域进步细化。用交换式集线器代 替共享式集线器，使交换机各端口之间可以同时形成多个数据通道，正在工作的 端口上的信息流不会在其他端口上广播，端i q 之间信息报文的输入和输出已不弭 受到c s m a c d 介质访问控制协议的约束。因此，在以太网交换机组成的系统中， 每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离。 再次，采用全双工通信技术，可以使设备端e l 间两对双绞线( 或两根光纤) 上 可以同时接收和发送报文帧，从而也不再受到c s m a c d 的约束，这样，任一 节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。 2 322 互操作性 互可操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层 协议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。 由于以太网( i e e e 8 0 23 ) 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 m 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 层等没有作技术规定。目前r f c ( r e q u e s tf o r c o m m e n t ) 组织文件中的些应用 层协议，如f t p 、h t t p 、t e l n e t 、s n m p 、s m t p 等，仅仅规定了用户应用程序 该如何操作，而以太网设备生产厂家还必须根据这些文件定制专用的应用程序。 这样不仅不同生产厂家的以太网设备之间不能互相操作，而且即使是同一厂家丌 发的不同的以太网设备之间也有可能不可互相操作。究其原因，就是以太网上没 有统一的应用层协议，因此这些以太网设备中的应用程序是专有的，而不是开放 的，不同应用程序之间的差异非常大，相互之间不能实现透明互访。要解决基于 以太网的工业现场设备之间的互可操作性问题，唯一而有效的方法就是在以太网 + t c p ( u d p ) i p 协议的基础上，制订统一并适用于工业现场控制的应用层技术规 范。这样，不同自动化制造商的工控产品共同遵守标准化的应用层和用户层，这 些产品再经过一致性和互操作性测试，就能实现它们之间的互可操作。 2 3 2 3 网络生存性 所谓网络生存性，是指以太网应用于工业现场控制时，必须具备较强的网络 可用性。任何一个系统组件发生故障，不管它是否是硬件，都会导致操作系统、 网络、控制器和应用程序以致于整个系统的瘫痪，则说明该系统的网络生存能力 非常弱。因此，为了使网络正常运行时间最大化，需要以可靠的技术来保证在网 络维护和改进时，系统不发生中断。丁业以太网的生存性或高可用性包括以下几 个方面的内容： 1 ) 可靠性 】：业现场的机械、气候( 包括温度、湿度) 、尘埃等条件非常恶劣，因此对设 各的可靠性提出了更高的要求。 2 ) 可恢复性 所谓可恢复性，是指当以太网系统中任一设备或网段发生故障而不能正常工 作时，系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络连接重点链接起来，并 将故障进行隔离，以使任一局部故障不会影响整个系统的正常运行，也不会影响 生产装置的正常生产。同时，系统能自动定位故障，以使故障能够得到及时修复。 3 ) 可维护性 可维护性是高可用性系统的最受关注的焦点之一。通过对系统和网络的在线 管理，可以及时地发现紧急情况，并使得故障能够得到及时的处理。可管理性一 般包括性能管理、配置管理、变化管理等内容。 2 3 24 网络安全性 接入i n t e r a c t ，实现了数据的共享，使工厂高效率的运作，但与此同时也引 入了一系列的网络安全问题。对此，一般可采用网络隔离( 如网关隔离) 的办法， 如采用具有包过滤功能的交换机将内部控制网络与外部网络系统分开。此外，还 可以通过引进防火墙机制，进一步实现对内部控制网络访问进行限制、防止非授 权用户得到网络的访问权、强制流量只能从特定的安全点去向外界、防止服务拒 绝攻击以及限制外部用户在其中的行为等效果。 2 3 2 5 本质安全与安全防爆技术 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。对 应用于这些工业现场的智能装备以及通信设各，都必须采取一定的防爆技术措施 来保证工业现场的安全生产。现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型( 如增安、 气密、浇封等1 和本质安全型。 在目前的技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行，即通过 对以太网现场设备( 包括安装在现场的以太网交换机) 采取增安、7i 密、浇封等隔 爆措施，使设备本身的故障产生的电火能量不会外泄，以保证系统使用的安全性。 2 3 2 6 远距离传输 由于通用e t h e m e t 的传输速率比较高f 如1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s ) ， 考虑到信号沿总线传播时的衰减与失真等因素，e t h e m e t 协议( i e e e s 0 2 3 协议) 对传输系统的要求作了详细的规定，如每一段双绞线的长度不得超过1 0 0 m ；使 用细同轴电缆时每段的最大长度为1 8 5 m ；而使用粗同轴电缆时每段的最大长度 也仅为5 0 0 m ，剐于距离较长的终端设备，可使用中继器( 4 e 不超过4 个) 或者光 纤通信介质进行连接。 然而，在2 1 25 1 k 生产现场，由于生产装置一般都比较复杂，各种测量和控制仪 表的空间分布比较分散，彼此间的距离较远，有时设备与设备之间的距离长达数 公里。对于这种情况，如遵照传统的方法设计以太网络，使用1 0 b a s e 2 t 双绞 线就显得远远不够，而使用1 0 b a s e 2 或1 0 b a s e 5 同轴电缆则不能进行全双工通 信，而且布线成本也比较高。同样，如果在现场都采用光纤传输介质，布线成本 可能会比较高，但随着互联网和以太网技术的大范围应用，光纤成本肯定会大大 降低。 2 3 3 工业以太网应用层协议 以太网技术自身只提供了一系列的物理介质定义和个共享的框架，框架包 括物理介质，简单的帧格式和局域网内设各数掘包传输的寻址方式。依据i s o o s i 开放系统互联7 层参考模型，以太网仅提供了物理层和数据链路层协议。因此， 所有以太网都可以支持开发在其之上的一种或多种上层协议，实现数据传输和网 络管理功能。从而产生一种基于控制和信息协议( c i p ) 的新型以太网一工业以太 网，使用上层协议连接网络上的多种设备 2 8 1 。 目前国际上流行的工业以太网应用层协议有e t h e r n e t i p 、m o d b u s t c p 、 p r o f i n e t 等，其中e t h e r n e t l l p 是一种支持c i p 技术的上层协议。 e t h e r n e t i p ( e t h e r n e ti n d u s t r yp r o t o c 0 1 ) 是适合工业环境应用的协议体系。它 是由两大工业组织o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r sa s s o c i a t i o n ) 和c o n t r o l n e t i n t e r n a t i o n a l 所推出的最新的成员，和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n e t 一样，它们都 是基于c i p ( c o n t r o la n d i n f o r m a t i o n p r o t o c 0 1 ) 沩、议的网络。它是一种是面向对象的 协议，能够保证网络上隐式的实时i o 信息和显式信息( 包括用于组态参数设置 诊断等) 的有效传输。 e t h e r n e t i p 采用和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n e t 相同的应用层协议c i p ( c o n t r o l a n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) ，因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范，具 有较好的一致性。e t h e r n e _ 【 i p 采用标准的e t h e r n e t 和t c p i p 技术来传送c 口通 信包，这样，通用且开放的应用层m 议c i p 加上已经被广泛使用的e t h e r n e t 和 t c p i p 协议，就构成e t h e r n e t i p 协议的体系结构。协议的各层结构如图2l 所 7 k ： 4 用户设备行巍圈歪曼耍蠢蚕垂垂藿亘垂蓊垂墓匿虱唾匿薹l i j 圃、 盔周层l应餍屡瘟鬻砖象瘁 | 1 = 二= 二= = = = = = = = = = = = = = = = c i p ( 表达层) l c m 数据譬理显示i 臣文啪报文| i = = = 二二= = = 二= = 二二= = = = = = i ( 会i 舌甓) i c p 拯文黯径，连接管理v 一一压羽懒ic 删娃| | 黼 亘圆 l 目 叫c c 剿t da 政| | 鬣c a n li 茹：lim lii 一l ic o n t r q l h e ti ld e v l c e n e tlie 也o r n 韪i 镭理屡ll 辏理屡ll 勃理凄l 图2 ie t h e r n e t 1 p 协议结构图 从2 1 图中可以看到e t h e r n e g i p 和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n e t 采用了相同的 应用层c 口协议规范，只是在o s i 仂、议7 层模型中的低4 层有所不同，e t h e r n e t i p 在物理层和数据链路层采用e l h e r n e t 技术，在传输层和嘲络层采用t c p ( u d p ) i p 技术 2 7 1 。 诚然上述标准技术成熟、且都有大公司