基于工业以太网PLC通信模块研究论文.pdf

北京信息科技大学 硕士学位论文 基于工业以太网的plc通信模块研究 姓名：吴嘉谞 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：王东兴 20081208 摘要 摘要 长期以来可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m i n gl o g i c a lc o n t r o l l e r ) 在工业自动 化领域得到了充分的应用，为各种各样的控制设备提供了非常可靠的控制和完全可靠 的整体解决方案，满足企业对自动控制的需求并可以方便灵活地进行现场设置，监测 监控各种设备的设备参数。随着计算机、控制、网络技术的飞速发展，信息交换沟通 领域正在覆盖工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、 企业乃至各个地市的市场。 目前越来越多的p l c 供应商开始提供以太网接口设备，构成工业环境下的以太 网的控制系统，采用工业以太网彻底打破了传统工业自动化孤岛现象，使整个厂区按 生产节点有机地构成了一个远程监控网络。逐步形成了以网络集成自动化为基础的企 业信息系统。 本次设计的p l c 通信模块可为凯迪恩公司的k 3 系列p l c 系统提供c a n 总线接 口，并通过模块自身的以太网接口与其他同类模块以及上位机共同搭建工业以太网控 制系统。 文章首先分析了国内外p l c 和工业以太网技术的应用现状，指出了工业以太网 技术应用于p l c 通信的趋势。接着详细介绍了工业以太网应用中的关键技术，并对 嵌入式实时操作系统i 上c o s i i 的内核行了深入研究。在系统硬件设计方面，详细介 绍了嵌入式处理器a t 9 1 m 4 0 0 0 8 的特点和内部结构，以及它与以太网控制芯片 a x 8 8 7 9 6 的接口电路设计；在系统软件设计方面，对a r m 7 处理器a t 9 1 m 4 0 0 0 8 的 底层驱动，p c o s i i 在a t 9 1 m 4 0 0 0 8 上的移植、嵌入式t c p i p 协议的实现、串行以 及c a n 总线通信协议的实现进行了详细论述。最终完成了p l c 本体、扩展模块以及 上位机之间的相互通信。实验结果表明，该模块运行稳定，传输速率高，可兼容性好。 关键词：p l c ；工业以太网；实时操作系统；a r m 7 a b s t r a c t a b s t r a c t p l c ( p r o g r a m m i n gl o g i c a lc o n t r o l l e r ) h a sl o n g b e e nu s e df u l l yi n i n d u s t r i a l a u t o m a t i o nf o ro f f e r i n gf u l l yr e l i a b l ec o n t r o la n di n t e g r a ls o l u t i o np r o g r a m m et ov a r i o u s c o n t r o le q u i p m e n t i ts a t i s f i e st h en e e do fc o r p o r a t i o nt oa u t o m a t i o nc o n t r o la n dc o u l db e u s e dt of i e l ds e t t i n ge x p e d i e n t l yo rm o n i t o ra n dc o n t r o lt h ep l a n tp a r a m e t e ro fa l lk i n d so f e q u i p m e n t w i t ht h er a p i dd e v l o p m e n to fc o m p u t e r 、c o n t r o la n dn e tt e c h n o l o g y , t h e i n f o r m a t i o n a le x c h a n g e df i e l di sn o wc o v e r i n gf r o mf i e l de q u i p m e n tl e v e lt oc o n t r o l 、 m a n a g i n gl e v e lo ft h ef a c t o r y , c o v e r i n gf r o mw o r k s h o ps e c t i o n ，w o r k s h o p ，f a c t o r y ， c o r p o r a t i o ne v e nt om a r k e t so f a l lc i t i e s 。 a tp r e s e n t ，m o r ea n dm o r es u p p l i e ro fp l cs t a r ts u p p l y i n ge t h e m e tp o r te q u i p m e n tt o c o n s t i t u t ee t h e m e tc o n t r o ls y s t e mu n d e ri n d u s t r i a le n v i r o n m e n t t h eu s i n go fi n d u s t r i a l e t h e r n e tb r e a k st h ei s o l a t e di s l a n dv i e w p o i n to ft h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a la u t o m a t i o na n d m a k e st h ea l la r e ao ft h ef a c t o r yc o n s t i t u t i n gar e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ln e ti n t e g r i t yi n a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nn o d e ab u s i n e s si n f o r m a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e dg r a d u a l l y b a s e do nw e bi n t e g r a t e da u t o m a t i o n t h ep l cc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei nt h i sd e s i g ns u p p l yc a nb u si n t e r f a c ef o rk 3s e r i e s p l cs y s t e mo ft h ek d nc o m p a n y a n dt h r o u g hi t so w ne t h e r n e ti n t e r f a c et h em o d u l e c o u l db u i l da l li 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 mw i t ho t h e rm o d u l e sa sw e l la st h eh o s t c o m p u t e r a tf i r s t ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n to fp l ca n dt h ep r e s e n ta p p l i c a t i o n o fi n d u s t r i a le t h e m e tt e c h n o l o g y , a n di tp o i n t e do u tt h et e n d e n c yo ft h eu s i n go fi n d u s t r i a l e t h e m e tt e c h n o l o g yi nt h ep l cc o m m u n i c a t i o n t h e ni n t r o d u c e dt h ek e yt e c h n i co ft 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 nd e t a i l e d l y , r e s e a c h e dt h ek e r n e ls t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mi t c o s - i ii nd e p t h i nt h ea s p e c to fh a r d w a r ed e s i g n ，i th a s i n t r o d u c e dt h ei n t e r n a l s t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e d p r o c e s s o r a t 9 1 m 4 0 0 0 8i nd e t a i l s ，a sw e l la st h ei n t e r f a c ed e s i g no fe t h e r n e tc h i pa t 9 1 m 4 0 0 0 8 i n t h ea s p e c to fs o f t w a r ed e s i g n ，i th a sd e t a i l e d i l yd i s c u s s e dt h eb o t t o md r i v eo ft h ea r m 7 p r o c e s s o ra t 9 1 m 4 0 0 0 8 ，t h et r a n s p l a n t o f p c o s i i i na t 9 1 m 4 0 0 0 8p l a t f o r m ，t h e r e a l i z a t i o no fe m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dc a nb u sp r o t o c 0 1 e v e n t u a l l y , i tc o m p l e t e dt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h eb o d y m o d u l ea n dt h ee x t e n s i o nm o d u l e so fp l ca n dt h eh o s tc o m p u t e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es y s t e mr u n n i n gs t a b i l i t ya n dh a v i n gh i g ht r a n s f e rr a t ea n dc o m p a t i b i l i t y i i a b s t r a ( 了r k e yw o r d s ：p l c ；l n d u s t r i a le t h e m e t ；r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ；a r m 7 i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名乓喜哥 叼年j 月节目 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授 权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为基于工业以太网的p l c 通信 模块研究学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果 不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字：乓去旖 2 口印年j 月i - 日 2 口o1 年j 月- 日 第一章引言 1 1 课题的提出 第一章引言 当今社会处于信息时代，由于计算机技术( 尤其是网络技术) 的发展，信息高速公 路等已经把世界紧密的联系在一起，在这种形势下，企业也需要信息化。企业信息化 是指企业利用信息技术( 包括计算机技术、通信技术和自动化技术等) 改善企业的经 营、管理、生产的各个环节，提高生产效率、提高产品质量、降低消耗、提高企业的 创新能力，是企业组织、管理现代化生产的有效途径。企业信息化按照计算机应用的 规模大致可分为：单机的计算机应用、局域网支持下的计算机应用、网络数据库支持 下的全企业范围的计算机应用综合系统和广域网、因特网支持下的企业间信息集成和 资源优化。 c i m s ( c o m p u t c ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g , 计算机集成制造) 是一体化的企业信息 化，是企业信息化的高级阶段。在国际上对c i m s 还没有一个统一的定义，我国专家 组对c i m ( s ) 定义为：c i m 是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理，它借助计算 机硬、软件，综合运用现代化管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工 程技术，将企业生产过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流有机的集成并 优化运行，以实现产品高质量、低消耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争。c i m s 是基于c i m 哲理而形成的信息、管理、生产系统。 为了适应企业信息化的发展需要，2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的现场总线( f i e l d b u s ) 技术，由于适应工业控制系统向网络化、分散化和智能化发展的方向，促进了目 前的自动化仪表、d e s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和p l c 等产品所面临的体系结构和 功能结构的重大变革，导致工业自动化产品的更新换代，从而给控制领域带来了一场 革命。但是，在商业利益的驱动下，现场总线的标准化成为奢望。这些不同标准的现 场总线不能实现互操作，因此，现场总线也就不能为企业提供从现场控制层到管理层 的全面信息集成。此外，现场总线是设备级的低速数据总线，通信速率低，因此，现 场总线成为信息传递的瓶颈。 当现场总线大战硝烟正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网以其开放性、通 信速率高、稳定性和可靠性好等优点逐步渗入到控制系统的控制层和设备层。尤其是 互联网技术的发展，为以太网应用到工业控制提供了很好的契机。工业以太网技术逐 渐受到全球控制业界人士的重视，受到软硬件厂商的支持。 因此，基于e t h e r n e t 技术的工业控制网络是未来工业控制系统的发展方向。 第一章引言 1 2 工业以太网发展现状 随着计算机技术、通信技术和控制技术的迅猛发展，传统的工业控制领域正经历 着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。工业控制网络的发展是伴随着控制 系统的变革而发展起来的。控制系统经历了集中式数字控制系统( c c s ) 、集散控制系 统( d c s ) 和现场总线控制系统( f c s ) - - 个阶段。随着当前工业自动化的要求不断提高， 工业控制网络所担负的工作也越来越重。因此工业控制领域需要一种高速廉价、实时 性和开放性好、稳定性和准确性高的网络。而以太网具有传输速度高、低耗、易于安 装和兼容性好等方面的优势，由于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。近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新 型的以太网控制网络技术这也是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发 展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。 以太网是一种采用载波侦听多路访问冲突检测( c s m m c d ) 和介质存取控制 ( m a c ) 协议在共享介质上传输数据的技术，自7 0 年代诞生以来，有了长足的进步， 通信速率由1 0 m 提高到1 0 0 m 、1 0 0 0 m 甚至1 0 g 。以太网的标准统一开放( i e e e s 0 2 3 系列) ，技术成熟，有众多厂家支持，使得以太网产品价格相对低廉，而且不同厂家 之间的产品可以轻松互连。鉴于以太网具有成熟的技术、低廉的成本、丰富的开发工 具与技术支持以及和i n t e r n e t 网的无缝连接等优点，有人提议将以太网技术不仅应用 在信息层中，而且将其推广到控制层和设备层，实现管控测一体化网络。 以太网在企业的管理层有较多的应用，但是底层的设备控制级，还没有以太网的 应用。究其原因，主要在于以太网协议中的c s m a c d 机制。这一机制使得以太网不 是种本质的实时性网络，而且由于冲突的存在使得以太网具有不确定性，甚至由于频 繁的碰撞，导致最终某些节点不得不抛弃当前的数据帧。然而随着技术的发展，以太 网的标准在过去几年中，特别是在确定性、速度和优先法则方面有了很大提高，以太 网越来越能够满足工业应用的需要，现场总线的通信功能完全可以由以太网来较好的 完成。最近几年，交换式以太网技术的出现大大的提高了以太网的确定性。利用交换 技术，可以将一个较大的网络分隔成为各个相对独立的冲突域，冲突只能在一个相对 较小的区域内发生，这样就能大大的减小冲突发生的概率，从而提高了网络的确定性 和实时性。在与传统现场总线的对比测试中以太网显示出的明显优势，使其能够胜任 控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求，以太网已被证明是未来控制网 络的最佳解决方案。 以太网应用于现场设备控制层是控制网络发展的趋势，并将极大地促进信息从传 感器到管理层的集成。【1 4 j 【1 6 j 2 第一章引言 1 3 可编程控制器p l c 1 3 1 可编程控制器的历史 p l c 是被国内外称为“现代工业自动化三大支柱”之首的自动控制装置，它以可靠 性高、稳定性好、接口功能强在工业测控系统中获得了广泛应用。在工业现场p l c 作为下位机来实现整个过程的自动控制和数据采集，上位机用来进行数据分析、数据 存储、状态显示、打印输出等功能，以实现对现场工况的实时监控和管理。 可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，当时叫p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控 制功能，由此日本称它为顺序控制器( s e q u e n c ec o n t r o l l e r ) 。 提出p l c 概念的是美国通用汽车公司。当时，根据汽车制造业生产线的需要， 希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继 电器控制盘的成本和时间。 当时p l c 的基本设计思想是： 1 控制器硬件是标准的、通用的，因而不需要每次另行设计： 2 根据实际应用对象，将控制内容做成软件写入控制器的程序存储器内。写入 时采用了最便于表示顺序控制程序的形式； 3 控制器和被控对象连接方便。 随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到七十年代中期以 后，p l c 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用 了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“p l c ”已不再是仅有逻辑( l o g i c ) 判断功能了，同时具有数据处理、p i d 调节和数据通讯功能。 美国电气制造商协会n e m a ( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t o r y a s s o c i a t i o n ) 从1 9 7 6 年开始，经过四年的调查，于1 9 8 0 年把它正式命名为可编程序控制器( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) ，简称“p c ”( 注意不要和个人计算机p e r s o n a lc o m p u t e _ p c 混淆) ，但 在我们国内习惯上还是称它为“p l c ”。 1 3 2 可编程序控制器硬件的基本构成 1 中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s o ru n i t 简称c p u ) ：它是可编程序控制器的心脏部 分。c p u 由微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、 变量的数据储器构成。 2 电源( p o w e rs u p p l y ) ：给中央处理器提供必需的工作电源。p l c 电源用于为p l c 3 第一章引言 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供2 4 v 的工作电源。 电源输入类型有交流( 2 2 0 v a c 或1 1 0 v a c ) 和直流( 常用的为2 4 v d c ) 两种。 3 输入组件( i n p u t s ) ：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理 器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 4 输出组件( o u t p u t s ) ：输出组件接收c p u 的控制信号，并把它转换成电压或电 流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。 5 编程器( p r o g r a m m e r ) ：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制 逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统 故障时作为检查故障的有效工具。有些p l c 采用专用编程器或手持式编程器，如今 大多数p l c 采用个人电脑( p c ) 作为p l c 的编程器，通过串i z i u s b 下载，有些还需要 适配器转换器。 1 3 3k d n - k 3 系列p l c ( 课题来源) k d n k 3 系列p l c 系列属于小型一体化p l c 。将c p u ，输入模块、输出模块、 存储器、电源集成在一起。同时，它又是可扩展的，采用模块化设计，可根据现场需 要，选取不同的模块，实现相应的功能。模块化已经成为一种趋势，其关键技术是扩 展总线( 一般称背板总线) ，用来提供c p u 与扩展模块之间的通信，实现数据交换， 对实时性要求较高。 本课题就是为k d n k 3 系列p l c 开发以太网模块，作为k d n k 3 系列p l c 的一个扩展模块，通过背板总线连接起来，就可以实现以太网功能。 1 4 课题的意义 工业以太网技术相对于传统的现场总线技术，有着其平台开放性，应用广泛性， 软硬件资源丰富以及其可利用现成的以太网网络远程通信这些无可比拟的优势。总的 来说，e 网到底是一种必然的趋势。一直以来，我国的控制网络技术与国外有较大的 差距，缺少自己的现场总线标准，而工业以太网逐步取代现场总线或与现场总线逐步 结合这个趋势是国内控制网络技术发展的机遇，e p a 便是我国成功利用这个背景的产 物。 对于现有主要的几个工业以太网现行标准，包括国内的e p a ，直接利用其模块化 网络接口应用在一些自成一体化的现场设备以及控制器( 本次研究重点关注在p l c 上的应用) ，其成本过高，而e 网到底的趋势又决定了p l c 集成工业以太网接口的需 要，所以有必要研究开发可应用在p l c 上的满足一定实时性的工业以太网接口。 4 第一章引言 随着自动化仪器仪表向数字化、智能化和网络化发展，对主处理器提出了高性能、 低功耗的要求，传统的8 1 6 位单片机的资源已经不能满足需求。同时随着摩尔定律 的延续，3 2 位微处理器的价格越来越低，这使得仪器仪表的主处理器迅速朝着3 2 位 r i s c 处理器发展。同时随着仪器仪表功能的增强，程序将越来越复杂，资源的合理 安排以及任务的调度将是很大的挑战。而采用嵌入式操作系统将很好地解决这些问 题，并降低开发难度，缩短开发周期。因而将3 2 位微处理器和嵌入式操作系统等新 技术应用到工业以太网智能设备的开发中，既可满足智能设备运行网络协议的功能要 求，又顺应了嵌入式系统发展的趋势和潮流。 1 5 本文研究的内容 1 引言概述了工业以太网和p l c 的现状和发展状况，以及其相互融合的趋势， 最后提出了全文的研究目的和研究内容。 2 对工业以太网的优点、关键技术和提出的实时性的实现方法。 3 首先对嵌入式实时操作系统进行了简单讲述，接着简单介绍了几种主流嵌入 式实时操作系统的特点并进行了比较和研究，最终选择了g c o s i i 作为本课题的嵌 入式实时操作系统。最后对的内核进行了深入研究，包括对任务管理、任务间通信与 同步、内存管理和时间管理的分析。 3 a r m 平台的嵌入式系统设计：在深入了解a r m 7 t d m i 内核和编程模型的基 础上完成了a r m 启动代码、用分散加载实现在r a m 中运行，并移植g c o s i i 。 4 t c p i p 协议栈的移植：选择并移植能满足系统要求的t c p i p 协议栈，并对 其进行针对性的改良。 5 结合理论分析，在成功移植的实时操作系统l x c o s i i 和t c p i p 协议栈z l g i p 基础上，利用f t c o s i i 提供的实时调度机制与z l g i p 提供的s o c k e t 函数，通过 通信实时调度方法，在满足p l c 系统通信要求的同时改进以太网的实时性。 5 第二章工业以太网的研究 第二章工业以太网的研究 2 1 工业以太网简介 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容， 但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度和适用性以及实时性、可互操作性、可 靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要，即需要满足以下要求： ( 1 ) 环境适应性。包括机械环境适应性( 如耐振动、耐冲击) 、气候环境适应性 ( 工作温度要求为- 4 0 c , - , + 8 5 c ，至少2 0 计7 0 ，并要耐腐蚀、防尘、防水) 、电磁 环境适应性或电磁兼容性。 ( 2 ) 可靠性。由于工业控制现场环境恶劣，对工业以太网产品可靠性也提出了 更高的要求。 ( 3 ) 安全性。对应用于存在易燃、易爆与有毒等气体的工业现场的智能装备以 及通信设备，都必须采取一定的防爆措施来保证工业现场的安全生产，包括隔爆型( 如 增安、气密、浇封等) 和本质安全型两类。 ( 4 ) 安装方便，适应工业环境的安装要求。为了解决在不间断的工业应用领域， 在极端条件下网络也能稳定地工作的问题，一些公司专门开发和生产了导轨式收发 器、集线器和交换机系列产品，安装在标淮d i n 导轨上，并有冗余电源供电，接插 件采用牢固的d b 9 结构。另外一些公司还专门开发和产生了用于工业控制现场的加 固型连接件( 如加固的r j 4 5 接头、具有加固r j 4 5 接头的工业以太网交换机、加固型 光纤转换器中继器等) ，可以用于工业以太网变送器、执行机构等。5 j 2 2 工业以太网的优点 以太网已被工厂自动化高层采用，如果在底层控制网络也采用以太网，不同的工 厂通信系统更容易地建立连接。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。工业以太网作为控制网络具有以下的优点： ( 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 ) 各个节点并行连接到总线，某个节点的失效不影响整个网络的运行； ( 3 ) 网络接口比较简单，实现节点的加入和撤出很容易，可扩展性和可靠性较 好，维护方便，结构灵活，成本低； ( 4 ) 在轻负载时，网络传输延时小，响应速度快，有较高的信道吞吐量，信道 利用率( 每一帧占用信道的时间) 高，特别在轻负载( 4 0 以下) 时； 6 第二章工业以太网的研究 ( 5 ) 传输时间和节点总数无关； ( 6 ) 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。 尽管工业以太网具有这么优势，但以太网本身作为一种办公网络，如果直接应用 到工业现场存在很多关键技术需要解决。 2 3 工业以太网的关键技术 以太网是一种不确定性网络，对实时性要求很高的工业控制网络而言，非确定性 成为制约以太网应用到工业控制网络的最主要的因素。随着互联网技术的发展与普及 推广，以太网技术也得到了迅速的发展，以太网传输速率的提高和以太网交换技术的 发展，给解决以太网通信的非确定性问题带来了希望，并使以太网全面应用于工业控 制领域成为可能。目前工业以太网研究的关键技术包括以下几个方面： 2 3 1 通信实时性问题 以太网通信响应的不确定性是它在工业现场设备中应用的主要障碍之一。以太网 采用的c s m a c d 的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问 控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不适 合在底层工业网络中使用需要有针对这问题的切实可行的解决方案。 通信实时实现方法是本次模块开发所同时进行的重要研究之一，在下一节将做重 点相关介绍。 2 3 2 对环境的适应性与可靠性问题 以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其鲁棒性，抗干扰能力等 是许多从事自动化的专业人士所特别关心。在产品设计时要特别注重材质、元器件的 选择。使产品在强度、温度、温度、振动、干扰、辐射的环境参数方面满足工业现场 的要求。还要考虑到在工业环境的安装要求，例如采用d i n 导轨式安装等。像r j 4 5 一类的连接器，在工业上应用易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更 好的抗振动，抗疲劳能力。 2 3 3 总线供电 在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要 7 第二章工业以太网的研究 求。现有的许多控制网络技术都可利用网线对现场设备供电。一种可行的方案是利用 现有的5 类双绞线中另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流 1 0 一 3 6 v 低压供电。相关规范可以参照的i e e e 8 0 2 3 a f 标准 2 3 4 本质安全 工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问 题。这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。 2 3 5 互操作性 互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。作为开放系统的特点之一，互操作性 向用户保证了来自不同厂商的设备可以相互通信，并且可以在多厂商产品的集成环境 中共同工作。这一方面提高了系统的质量，另一方面为用户提供了更大的市场选择机 会。互可操作性是决定某一通信技术能否被广大自动化设备制造商和用户所接受，并 进行大面积推广应用的关键。 由于以太网只映射n x s o 参考模型中的物理层和数据链路层，t c p i p 映射到网络 层和传输层，而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有做技术规定。目前 r f c ( r e q u e s t f 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 i t p 、t e l n e t 、 s n n i 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 必须根据这些文件制定专用的应用程序。否则，不仅不同生产厂家的以太网设备之间 不能互相操作，而且即使是同一生产厂家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操作性问题，唯一且有效的方法是在 e t h e r n e t 和t c p i p 协议的基础上，制定统一并适合于工业现场控制的应用层规范。同 时可参考有关标准，在应用层上增加用户层，将工业控制中的功能f b ( f u n c t i o nb l o c k ) 进行标准化，通过规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数，并把它们组成为 可在某个现场设备中执行的应用进程，便于实现不同制造商设备的混合组态和调用。 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操作性。1 1 7 j 8 第二章工业以太网的研究 2 3 6 网络安全性 目前工业以太网已经把传统的3 层网络系统( 即信息管理层、过程监控层、现场 设备层) 合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，同时它可以接入i n t e m e t ， 实现了数据的共享，使工厂高效率地运作，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，还可以通过引进防火墙机制。 2 3 7 远距离传输 由于通过e t h e r n e t 的传输速率比较高( 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 8 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( 1 0 b a s e - t ) 的长度不得超过1 0 0 m ；使用细同 轴电缆( 1 0 b a s e 2 ) 时每段的最大长度为1 8 5 m ：而使用粗同轴电缆( 1 0 b a s e 5 ) 时每段 的最大长度也仅为5 0 0 m ，对于距离较长的终端设备，可使用中继器( 但不超过4 个) 或者光纤通信介质进行连接。 然而，在工业生产现场，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达数公里。对于 这种情况，如遵照传输的方法设计以太网络，使用i o b a s e t 双绞线就显得远远不够， 而使用i o 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。 此外，在设计应用于工业现场的以太网络时，将控制室与各个控制域之间用光纤 连接成主干网，这样不仅可以解决骨干网的远距离通信问题，而且由于光纤具有较好 的电磁兼容性，因此可以大大提高骨干网的抗干扰能力和可靠性。通过光纤连接，骨 干网具有较大的带宽，为将来网络的扩充、速度的提升留下了很大的空间。各控制域 的主交换机到现场设备之间可采用屏蔽双绞线，而各控制域交换机的安全位置可选择 在靠近现场设备的地方。 2 4 实时性的实现方法 对于实时性的实现方法的研究是本课题的主要的难点和创新点，如前所述，实时 性问题是工业以太网现阶段应用中最急需解决的问题，而各国及各大研究机构都对以 太网实时性的解决方法有所研究，这些方法既有从硬件出发的，也有从软件着手的； 既有理论上提出的，也有实际上验证或应用的，而从现阶段应用来看，几个主要的工 9 篁三童三些坠奎塑盟望! 窒 业以太网方案在技术上既有相互关联，基本一致的地方，也各有其技术特色。首先介 绍一下比较通用的提高实时性的方法，在本课题中将加以借鉴： 1 ) 采用专门针对工业环境的应用层协议。如果在应用层使用m o d b u s 这样小巧 的协议，它的报文( 帧) l l 标准的以太网的报文小许多( m o d b u s - t c p f l p 的报文长度为 2 5 6 个字节，而以太网的报文长度为1 5 1 8 字节，两者相差5 倍) ，所以减少了碰撞几 率 2 ) 使用全双t ( f u l l d u p l e x ) 通信模式。即使是交换式以太网，由于一个端口是一 个冲突域，在全双工情况下仍不能同时发送和接收数据。如果采用全双工模式，同一 条数据链路中两个站点可以在发送数据的同时接收数据，解决了这种情况下半双工存 在的需要等待的问题，理论上可以使传输速率提高一倍。 3 ) 充分发挥嵌入式技术的优势，现在的嵌入式系统已经具备了相当强的运算能 力，现场的控制单元在完成对外围执行机构和采集单元控制的同时，还可以完成数据 转发和发布等多种任务。类似于三层交换机既可以进行二层转发也可以实现路由的功 能。为此现场控制单元可以与交换设备整合，既进行智能控制算法的运算又进行数据 的交换，同时内部运行w e b 服务器，供给工程人员访问。 4 ) 在标准以太网上开辟一个实时通道，这个实时通道可以在t c p i p 之内，也可 以另外开辟，参见图2 1 的工业以太网参考模型。标准通道与实时通道的结合解决了控 制网络与信息网络的通信一致性问题，这是本次课程设计重点研究的实时改进方法。 采用软实时( s o f t r e a lt i m e ) 方式传输有实时要求的过程数据，用于一般工厂自动化 领域。采用等时同步实时( i s o c h r o n o u sr e a lt i m e ) 方式传输对节点之间时间同步要 求特别严格的运动控制等。等时同步的实时方式一般要求有专用的通信控制芯片的支 持，考虑到课题的设计难度和目标，将采用软实时方式实现。软实时是通过软件调度 实现的实时通信，其采用确定性分时调度，在标准以太网的m a c 层上添加实时调度 层，这种确定性分时调度一方面要保证按时收发实时数据，另一方面要安排时间处理 非实时数据。例如p r o f i n e t 与e p a 都有特有的实时调度层来完成其特有的通信时序安 排或者通信调度规程。 通信过程中，数据传送按周期进行，数据在周期内划分为两个通道传送，参见图 2 2 通信时序图。 本次设计考虑到实际难度将采用通过在以太网应用层上利用实时操作系统 ) i c o s i i 的实时调度机制来进行通信实时调度，以实现在t c p i p 内通过通信调度分 离出实时通道和标准通道提高实时性。 5 ) 还有其他一些提高实时性的方法，如采用虚拟局域网( v l a n ) 技术，通过 网桥划分微网段，采用i e e e l 5 8 8 精确时间同步协议p t p ，改进c s m a c d 法，采用 实时以太网介质访问控制协议( r t - c s m a c d ) 以及其他一些方法等等，由于此次课题 1 0 第一章工业以太网的研究 难度不予采用，不作介绍。 控制应用 _ _ 曲“甑糖砬醯曲_ 山盘加出勰- 谴划? 、* “，m 、 t c p + u d p 11 亡 。， ；j 以太网_ 。 实时交换功能a s i c 在t c p i p 之外开辟实时通道 挣制n 用 k 准通道i 妾时通道 、 八八 t c ， l j j j 坤 vv 数据链路层h l 物l 单层 在t c p i p 内通过通信调度 分离实时通道和标准通道， 实时通道需用流量快的 u d p i p 协议，本设计采用 方案。 图21t 业以太网通信参考模型 2 5 本章小结 捌22 通信时序系统幽 本章首先对工业以太网作了简单的介绍，然后对工业以太网作为现场总线的关键 技术作了详细的论述。由于以太网各种新技术的发展，解决了工业以太网通信的确定 性、实时性、稳定性、可靠性和互操作性，使得越来越多的现场设备将通过以太网技 术实现系统的远程监控、管理、维护和升级等功能。 本章还特别提到了工业以太网的多种实时实现方法，提出了本次设计的解决方 案，以解决工业咀太网应用于工业控制网络的最大问题，即实时性问题。 第三章嵌入式实时操作系统的研究 第三章嵌入式实时操作系统的研究 3 1 嵌入式实时操作系统概述 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 ( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系 统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具 有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚 拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱 动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比，嵌入式操作系统一般具有以下 特点： ( 1 ) 实时性 嵌入式系统一般是为完成一个具体任务而设计，因而总是要求系统在规定的时间 上完成某些操作，所以嵌入式操作系统必须具备实时性的特点，因此嵌入式操作系统 通常也被称为嵌入式实时操作系统。而在设计操作系统的实时模块时，又需要考虑嵌 入式系统对实时的性能需求，采取不同的设计方法。 ( 2 ) 健壮性 嵌入式系统的运行环境一般较p c 运行环境恶劣。车载、太空、强电干扰、辐射 等等，都有可能造成系统运行指令的紊乱，如果不采取一定的措施，系统将无法正常 的运行，在关键的时候出现关键错误。所以嵌入式操作系统较一般操作系统来说，健 壮性是它的一个重要特点嵌入式系统一旦开始运行就不需要人过多的干预。在这种 条件下，要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性。健壮性主要有两个 方面含义：控制计算机本身要连续稳定运行；系统