（电力电子与电力传动专业论文）基于现场总线系统和工业以太网系统集成的研究.pdf

扛苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l d b u s ，i n d u s t r i a le t h e m e ta n do p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) t e c h n o l o g ya r en e w b u s i n e s s e sa p p e a r i n gi nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , n o wf i e l d b u st e c h n o l o g yh a ss e v e r a l d i f f e r e n tc r i t e r i o n s ，d i f f e r e n tf e l dd e v i c e sh a v ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m , a l l t h e s eb r i n gs o m es h o r t c o m i n g s , s u c ha s ，l o wo p e n n e s so fs o f t w a r ef o ri n d u s t r i a ld a t a a c q u i s i t i o na n ds u p e r v i s i o n & c o n t r o ls y s t e m 1 0 wr e u s ea n df l e x i b i l i t y t h et h e s i sf o c u s o nd e s i g n i n ga ne f f i c i e n tm e a n st os t a n d a r d i z ed a t aa c q u i s i t i o na n ds u p e r v i s i o n & c o n t r o l s y s t e mf o ri n d u s t r i a lp r o c e s s m e a n w h i l eh i g h - s p e e d ，n i c e t ya n de a s yi m p l e m e n t a t i o na l s o a r ea i m s , a b o v ea l l ，f r o ma p p l i c a t i o no f i n d u s t r i a lc o n t r o lt h et h e s i sa n a l y z ef i e l d b u sa n de t h e m e t p r o t o c o l ，a n dc o m p a r ee a c ho t h e r a tt h es a n l et i m e ，t h et h e s i sa l s or e s e a r c hi ft r a d i t i o n a l h i g h - s p e e de t h e m e tc a l lm e e tt h ed e m a n do fi n d u s t r i a lc o m r o ln e t w o r k a n dt h e n , t h e t h e s i ss t u d i e sp r o f i b u sa n dl o n w o r k s t e c h n o l o g yo fi n t e g r a t i o na n dt h e i rw o r k m e c h a n i s m , a c c o r d i n gt op r a c t i c a lc o n t r o ls y s t e mt w ok i n do fi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo f f i e l d b 惦a b o v ea r ed e s e r i b e di nd e t a i l a i m sa tt h ed i f f i c u l t i e so fc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tf i e l d b u s ，t h et h e w sb r i n g s f o r w a r dap l a nw h i c hc a nc o n n e c tk i n d so f e t h e r n e tf i e l d b u sb yu o f o p cc r i t e r i o n a l l k i n do fd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o ns o f t w a r ec a ne a s i l yc o n n c c ta n ds h a r ee a c ho t h e rv i ao p c c r i t e r i o n l a s t l y , t h et h e s i si n 打o d u c e sh o wt od e v d o po p c c l i e n t k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，e t h e m e t ，o p c ，p r o f i b u s ，l o n w o r k s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 阉意学校保留并向国家有关郊f _ 】或机构送交论文的复e 9 件和电子版， 允许论文被查阅帮借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分蠹容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密曰， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 导师签名： 应缕 签字目簸：妙年6 月潮签字疆期：o 吐年g 月：2 只 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 筮 独创性声明 本人郑踅声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做瀣重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本入 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： e l 翅：年月 恩 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展， 是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术领域中的一 个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制 系统的出现，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一 次，从而开创自动化的新纪元在有些行业，f c s 是由p l c 发展而来的；而在另一 些行业，f c s 又是由d c s 发展而来的，所以f c s 与p l c 及d c s 之间有着千丝万 缕的联系，又存在着本质的差异。 第一节工业控制系统的现状 在现在和过去的工业控制场合中，工业自动化根据生产过程的特点分为过程控 制自动化和制造工业自动化以及各种自动化测量系统。过程控制自动化是以流程工 业( 如化工、石油、电力，造纸等) 为对象，制造工业自动化是以离散型制造业( 如 汽车、飞机、电子设备及机床等) 为对象，混合型制造业( 又称间隙过程工业) 自 动化则以冶金、食品、玻璃、纸制品，半导体和纺织为对象，对于这些不同的工业 对象发展相应的控制技术。流程工业的控制一般选用集散型控制系统( d c s ) ，离 散型制造业的控制采用可编程控制器( p l c ) ，而问隙过程工业的控制则采用以d c s 和p l c 混合使用的方式1 1 1 。 形成这种局面原因同d c s 和p l c 的历史和设计运行方式有着密切的联系。 第二节早期的d c s 与p l c 区别 早期的集散控制系统d c s 是专门为工业过程控制设计的过程控制装置，它的 主要应用场合是连续量的模拟控制；而p l c 的主要应用场合是开关量的逻辑控制。 因此，在设计思想上是有一定区别的 集散控制系统( d c s ) 的确切定义没有形成一个明确的标准。目前比较常用有 两种理解方式：第一种是广义上的，从d c s 的字面语义上理解的，控制器通过某 种通讯协议能实现相互之间进行数据交换，并能实现“管理集中，控制分散”功能 的控制系统就可以称为集散控制系统( d c s ) ；第二种是狭义上的，相对于p l c 而 言的( 本文采用这种定义的d c s ) ，源于模拟仪表技术，在运算放大器的基础上得 江苏大学硕士学位论文 以发展的，侧重于模拟量处理，过去在复杂的过程控制中流程工业( 如化工、石油、 电力，造纸等) 的控制系统一般选用集散型控制系统( d c s ) ，他们一般是一些国 际大公司专门研发的功能很完善的一整套控制系统。 传统的d c s 控制系统与p l c 控制系统主要区别如下： l 、d c s 是一种“分散式控制系统”，而p l c 只是一种( 可编程控制器) 控制“装 置”，两者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调，p l c 装 置只实现本单元所具备的功能。 2 、在嘲络方面，d c $ 网络是整个系统的中枢神经。如和利时公司的m a c s 系 统中的系统网采用的是双冗余的1 0 0 m b p s 的工业以太网，采用的国际标准协议 t c p i p 。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好。而p l c 因为基本上都为个体工作，其在与别的p l c 或上位机进行通讯时，所采用的网络形 式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符在网络安全上，p l c 没有 很好的保护措施。 3 、d c s 整体考虑方案，操作员站都具备工程师站功能，站与站之间在运行方 案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相 互连锁控制，协调控制；而单用p l c 互相连接构成的系统，其站与站( p l c 与p l c ) 之间的联系则是一种松散连接方式，是做不出协调控制的功能 4 、d c s 在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十 分方便，p l c 所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都是很难实 现的。 5 、d c s 安全性：为保证d c s 控制的设备的安全可靠，d c s 采用了双冗余的控 制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工 作单元，保证整个系统的安全可靠。p l c 所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更 谈不上冗余控制策略。特别是当其某个p l c 单元发生故障时，不得不将整个系统停 下来，才能进行更换维护并需重新编程。所以d c s 系统要比其安全可靠性上高一 个等级 6 、系统软件，对各种工艺控制方案更新是d c s 的一项最基本的功能，当某个 方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命 令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行系统各种控 2 扛苏大学硕士学位论文 制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高。而对于p l c 构成的系统来 说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个p l c ，然后要用与之对 应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器( 读写器) 专门一对一的将程序传 送给这个p l c ，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且极其不利于 日后的维护在控制精度上相差甚远。这就决定了为什么在大中型控制项目中( 5 0 0 点以上) ，基本不采用全部由p l c 所连接而成的系统的原因。 7 、模块：d c s 系统所有i o 模块都带有c p u ，可以实现对采集及输出信号品 质判断与标量变换，故障带电插拔，随机更换。而p l c 模块只是简单电气转换单元， 没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。 第三节传统d c s 面临的挑战 自8 0 年代中期以来d c s 产品在电力、石化，化工等行业发挥了重大作用，但 是国际上d c s 产品的专有化生产和高昂的价格；同时由于整套系统的各种产品都 由自己研发，存在产品更新慢、通讯协议采用自己的专用协议各公司都有各自的标 准，缺乏通用性和系统的开放性，这些都严重阻碍了d c s 的普及和技术改造。 近2 0 年来计算机和信息技术的飞速发展，不断成倍扩大的功能和成倍降低的 价格，使可编程控制器( p l c ) 突破了逻辑控制，顺序控制这样一些传统应用领域 肩连续量控制发展，在过程控制、位置控制、运动控制、模糊控制等方面取得满意 结果，以及现场总线和工业以太网等通讯联网技术，o p c 技术、过程控制软件都获 得了长足进步，为工业自动化控制注入前所未有的生机和活力，也使利用p l c 及网 络技术来开发集成d c s 成为可能。 虽然在大多数人惯性思维中，p l c 是低档次、低性能的可编程控制器，只是应 用在小型的、安全等级不高的控制系统上但现在p l c 的发展已发生根本的变化， p l c 只是沿袭旧时的叫法，现在应该叫 p c ”，把“l ，逻辑”省掉( 如贝加莱称的控 制器称为p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r 、德国w a g o 的控制器称为p r o g r a m m a b l e f i l e d b u sc o n t r o l l e r ) 。它已经不再是过去仅仅用于逻辑控制的控制器了。现在其主要 特点为： 向高功能，高速度和大容量发展，形成可与d c s 媲美的大型系统： 网络化和通信能力不断增强，安全性能不断提高，现在几乎所有的主流大p l c 江苏大学硕士学位论文 厂家都可以轻易的提供双以太网，双控制器、电源、i o 模块的冗余方案。例如g e 的s c r i a s 9 0 - - 7 0 系统甚至提供三表二冗余的表决系统! 编程语言多样化，大型p l c 越来越多地使用s f c 、c 、b a s i c 等高级语言编 程或采用多种语言联合编程，大容量内存( 大到几十m b ) ，因此实现复杂的算法也 行，高性能地的p l c 支持无扰动下载、多任务( 只需修改要改的工艺任务，任务面 向对象设计) ； 基于国际标准的开放设计，允许与第三方软硬件的技术融合由于现场总线协 议的开放，甚至用户自行开发的产品都可以集成系统中 现在中高档的p l c 系统都是采用模块化设计，系统可以灵活的配置。所有控 制器和i o 模块都带有c p u 。可以实现对采集及输出信号品质判断与标量变换。故 障带电插拔，随机更换。 其次，从八十年代中期，一些软件公司就开发了通用的监控软件，且很快就被 p l c 制造厂家所采用如：f i x 、i n t o u c h 、o n s p e c 等( 一共有上百种) ，它们 可以提供多种功能及各式各样生动的画面，由于市场前景较好，并且软件开发商又 开发了许多p l c 的驱动软件以及现场总线通讯协议驱动。这些通用监控软件在工业 控制系统中的使用同传统d c s 的专用监控软件相比： l 、通用操作站的适用面广，相对生产量大，成本下降，因而可以节省用户的经 费，维护费用也比较少 2 、通用系统要比使用各种不同的专用系统更为简单。用户也可减少人员培训的 费用 3 、软件本身更新快，并且升级容易。 4 、开放性能好，很容易建立生产管理信息系统。 随着现场总线技术、工业以太网以及通用监控软件在p l c 系统中的应用，现在 的p l c 不再是一个一个“自动化孤岛”，可以集成分布式控制系统p l c 网络可以 自成系统完成对一个车间、一家工厂的控制与管理，也可作为子网接入c i m s 系统 或大型集散系统中并且p l c 的可靠性是举世公认的，随着功能的不断扩展，p l c 网络在性能价格比上向d c s 系统提出了新的挑战。 4 江苏大学硕士学位论文 第四节现场总线系统的特点 目前国内外各大著名的自动化厂商，无论是p l c 厂家还是d c s 厂家，都在研 发支持各种现场总线和以太网的产品，如s i e m e n s ，o m r o n 等厂家的p l c 都支持现 场总线和以太网。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模 拟仪表，关键是用新一代的现场总线系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 代替传统 的集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n 臼o ls y s t e m ) ，实现现场通信网络与控制系统 的集成。f c s 系统不仅集成了传统的d c s “分散控制，集中管理”精髓，并做了如 下革新1 9 】： 第一、f c s 的信号传输实现了全数字化，从最低层的传感器和执行其就采用 现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互联。 第二、f c s 的系统结构是全分散式的。f c s 废弃了d c s 的输入输出单元和控 制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把d c s 控制站的功能化整为零，分散 地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底地分散控制。 第三，f c s 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互联也可互换， 并可以统一组态，彻底改变传统d c s 控制层的封闭性和专用性。 第四，f c s 的通信网络为开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同 层网络互联，用户可极其方便地共享网络数据库。 第五、f c s 的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用， 从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户 第六节本论文研究的主要内容 首先对目前在国内市场中应用比较广泛的几种现场总线的通信机制原理做了 些研究，并根据本实验室的一套由s i e m e n s 公司的p l c 、变频器等组成的p r o f i b u s 网络和一套l o n w o r k s 网络，对p r o f i b u s 和l o n w o r k s 网络集成进行具体的研究。 同时，由于历史、利益等诸多原因现场总线的国际标准久久得不到统一，为了 解决这个问题，i e c 制定了一个由8 种现场总线组成的国际标准，但是由于这8 种 总线所采用的通信协议互不相同，因此要实现它们之间的互操作性是比较困难的， 本论文针对这个问题，对异构总线之间的通信进行了研究。 江苏大学硕士学位论文 本论文主要研究了不同现场总线的相互通信问题：具体的工作是研究以太网与 现场总线控制网络的集成，并且通过程序实现它们的相互通信。对于以太网和现场 总线控制网络的集成，本文提出了几种工业可行的方法：在现场总线控制网络和以 太网之间加入转换接口，从而实现这两种异构网络的信息交换；在现场总线控制网 络和以太网的通信过程中采用d d e 和o p c 技术，这种方式便于实现；现场总线控制 网络和以太网采用统一的协议标准，由予以太网不是专门为工业控制领域设计的， 因此现阶段还不能应用到工业现场，但是随着以太网技术的迸一步发展，以太网进 军工控界是迟早的事。在本论文中采用第二种方式即通过o p c 和d d e 的方式在以太 网层实现不同现场总线系统之间的数据通信具体的思路是：首先由现场总线或以 太网网络将控制器中的过程数据传送到监控操作站p c 中，然后由监控站的通用监 控软件或专用的o p c 服务器将过程数据进行处理成o p c 规范中的数据格式，在该站 中或网该站在同一个以太网网络中的节点的应用程序可以通过统一的o p c 方式来进 行数据读取；或应用程序直接d d e 的方式进行访问；相反，远程节点通过数据服务 器对控制器过程数据进行写操作，先由上层的以太网信息处理模块进行处理，然后 发往需要的网络节点，在这个节点上数据服务器和读操作相反的顺序，通过现场总 线数据帧将数据交由现场总线控制网络进行控制从而实现了不同现场总线的相互 通信以及现场总线和以太网的无缝集成。 本论文在本实验室一套工业网络控制平台基础上进行分析和研究的，提出一套 基于现场总线、以太网和o p c 技术的现场总线控制系统模型，并开发了一个o p c 客 户应用程序的软件包，可以对各现场总线系统数据进行访问因此本论文具有一定 的现实应用意义，而且对现场总线，以太网和o p t 技术在中国工业领域应用的推广 有一定的作用 6 江苏大学硕士学位论文 第二章现场总线、以太网和o p c 技术 第一节现场总线技术概述 现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信系统最低层的 低成本网络。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义：现场总线是指安装在制 造或过程领域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信 的数据总线。它的基本内容是：以串行通信方式取代传统的4 2 0 m a 的模拟信 号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接、支持底层的现场智 能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。 现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织 i s o 的计算机网络开放系统互联的o s i 模型来判定，它是一种开放的七层网络协 议标准，不过多数现场总线技术只使用其中的第一、二和七层协议。这主要是针 对工业控制过程的特点，使数据在网络流动中尽量减少中间环节，加快数据传递 速度，提高网络通信及数据处理的实时性。 目前世界上现场总线的类型很多，从1 9 8 4 年美国仪表协会( i s a ) 下属的 i s a s p 5 0 - 丌始制定标准以来，已经出现了l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等总线标准4 0 多个。虽然从理论上上看来一种现场总线可以面向所有控制领域， 但是鉴于技术流派、经济效益，特别是商业利益的关系，直到目前为止还没有一 种现场总线能覆盖所有的应用面同时现场总线技术的不断发展，使多种总线并 存的局面还可能存在相当长的时间。现场总线按传输数据的大小来分，一般可分 为三类：即传感器总线( s e n s o rb u s ) ，它的数据宽度为位( b i t ) ( 如a s i 、s e r i p l e x ) ； 设备总线( d e v i c eb u s ) ，它的数据宽度为字节( b y t e ) ( 如i n t e r b u s 、c a n 等) ； 数据流现场总线( 如f f 、p r o f i b u s 、w j r l d f i p 、p - n e t 、l o n w o r k s 等) 。 第二节现场总线的网络体系分析 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，把来 自不同厂商但遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统， 实现综合自动化的各种功能；同时把d c s 集中与分散相结合的集散系统结构， 变成了新型全分散式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身 便可实现基本控制功能。现场总线是低带宽的底层控制网络，肩负着生产运行一 7 江苏大学硕士学位论文 线测控的特殊任务工厂底层设备信息传输任务相对比较简单，突发通信少，一 般由系统定时调度来监控下层设备。要求信息传输的实时性强、可靠性高、多为 短帧传送，传输速率一般在几k b p s 到i o k b f s m 之间。另外，为保证设备与系 统的安全运行，现场总线网段与其它网段间实现信息交换，必须有严格的保安措 施与权限限制。 8 种现场总线成为i e c 6 11 5 8 现场总线标准经过1 4 年的纷争，最后i e c 的现场总线 标准化组织经投标，通过由以下8 种现场总线成为i e c 6 1 1 5 8 标准。即：f f 的h i 、 c o n t r o n e t 、p r o f i b u s 、i n t e r b u s 、卜t 、w o r l d f i p 、s w i f i n e r 、f f 之高速e t h e r n e t 即 j s e 。其中，p - n e t 和s w i f t n e t 是专用总线，c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、w o r l d b u s 和 i n t e r b u s 是从p l c 发展而来的，而f f 和h s e 是从传统d cs 发展而来的。这8 种现 场采用的通信协议完全不同。从应用状况看，无论是f f 和p r o f i b u s ，还是其他些现 场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制，并已取得了许多成功的应用。因此， 在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。下面以目前在国内应用比较 广泛的p r o f i b u s 现场总线来分析下现场总线的体系结构。 i s o o s i 参考模型与p r o f i b u s 通信模型的对应关系： 应用层 表示层 会话层 传输层 同络层 数据链路层 物理层 l i f i i s l ， 一 u ，i 无 ， _ _ ，f i c 舳 眦 l 2 唧 i s o o s i 参考模型p r o f i b u s 层次结构 图2 1i s o o s i 参考模型与p r o f i b u s 体系结构比较 针对以上分析的现场总线系统特点，p r o f i b u s 对o s l 七层模型作了简化，进 一步降低层间操作与转换复杂性，降低网络接口的造价与时间开销。 p r o f i b u s 现场总线体系详细结构分层如下： ( 1 ) 物理层( 第l 层) 物理层规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性传输介质支持r s 4 8 5 导线、光纤，无线介质和i e c 6 1 1 5 8 - - 2 标准的传输技术等。节点供电方式有总线 8 江苏大学硕士学位论文 供电与独立供电方式。 ( 2 ) 数据链路层( 第2 层) 数据链路层由介质存取控制予层( m a c ) 与现场总线链路控制( f 【) l ) 子层构成。 介质存取控制子层( m a c ) 描述了连接到传输介质的总线存取方法。总线存 取控制机制采用了令牌传递机制和主从机制，实现混合访问方法。由于不能使所 有设备在同一时刻传输，所以在p r o f i b u s 主设备之间用令牌的方法。为了使 p r o f i b u s 从设备之日j 也能传递信息，从设备由主设备循环查询。现场总线链路控 制( f l c ) 子层规定了对低层接口( l l i ) 有效的第2 层服务，提供服务访问点 ( s a p ) 的管理和与l u 相关的缓冲器。 另外，第二层的现场总线管理( f m a l 2 ) 完成第2 层m a c 特定的总线参数 的设定和第l ( p h y ) 的设定。f l c 和l l i 之间的s a p s 可以通过f m a l 2 激活 或撤消。第l 层和第2 层可能出现的错误事件会被传递到更高层( f m a ) 。 ( 3 ) 现场总线信息规范层( 第7 层) 现场总线信息规范层由低层接口( l l i ) 和现场总线信息规范( f m s ) 组成。 低层接口( l l i ) 将现场总线信息规范( f m s ) 的服务映射到第2 层( f l c ) 的服务上。除了上面已经提到的监控连接或数据传输，l l i 还检查在建立连接期 间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。可以在l l i 中选择不同的连接类 型，主主连接或主从数据交换既可是循环的也可是非循环的。 现场总线信息规范( f m s ) 子层将用于通信管理的应用服务和用于用户的用 户数据( 变量、域、程序、事件通告) 分组。借助于此，才可能访问一个应用过 程的通信对象。f m s 主要用于协议数据单元( p d u ) 的编码和译码。 此外，第7 层也有现场总线管理( f m a 7 ) 。f m a 7 保证f m s 和l l i 子层的 参数化以及总线参数向第2 层( f m a l 2 ) 的传递。在某些应用过程中，还可以 通过f m a 7 把各个子层的事件和错误显示给用户 ( 4 ) 应用层 应用层接口( a l i ) ：位于第7 层之上的应用层接口( a l l ) ，构成了到应用过程 的接口。a l i 的目的是将过程对象转换为通信对象。转换的原因是每个过程对象都是 由它在所谓的对象字典中的特性( 数据类型、存取保护、物理地址) 所描述的。 第三节现场总线网络的媒体访问控制技术 9 江苏大学硕士学位论文 开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，从某种角度看，f c $ 的通信网络还是属于计算机局域网的范畴，因此，其通信协议基本上是局域网通 信协议的变种，但现场总线是一种实时控制网络，对实时性和可靠性要求很高， 为了适应工业控制的环境，f c s 的通信协议一般具有以下几个特点： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 高可靠性和低传输率，可靠性是工业控制系统的重要一环，为了提高可靠 性，宁可牺牲一些传输速率。至少从目前来看，在工业控制网络中，大流量的数 据传输还不多见，但从发展趋势看，在工业控制网络中进行多媒体通信已是势在 必行，因此，提高网络的传输速率己显得越来越重要。 ( 3 ) 多采用变种的局域网协议。总体来看，f c s 的网络通信协议主要分两大类： 一类是总线令牌协议，属于无冲突网络，具有传播时延确定的特性，在大流量数 据传输的情况下依然能保持有效的吞吐量，能适应多媒体通信。但协议相对复杂， 且由于传送令牌时需占用一定的带宽，因此，带宽的利用率稍低。另一类是采用 总线仲裁的有仲突网络协议，其特点是协议简单，可靠性高，实时性能好。但由 于传播时延是不确定的，因此不能支持高强度、大流量的数据传输。 f c s 网络的媒体访问控制方式有以下几种： 3 1 轮询法 所谓“轮询法”是指定一个主机作为主节点未定期轮询各个从节点，以便显 式分配从节点访问共享介质的权力。这类协议的特点是： l 、简单实用，软硬件开销小，特别是对从站的要求相对低。 2 、轮询法实质上属于令牌协议，只是由主站来负责发放令牌，因此具有传 播时延确定的特点，且可靠性高。 3 、轮询过程占用一定的网络带宽，增加了网络负担。 4 、风险完全集中在主节点上，为避免园主节点失效而导致整个网络瘫痪， 有时需设置多个主节点来提高系统的健壮性。 w o r l d f i p 现场总线采用的便是这种通信方式，只是未采用真正的主一从方 式，而是由一个总线仲裁器来负责轮询的工作，以2 0 m s 为一个基本循环，定时 轮询，周而复始。循环进行。每个循环包含4 个窗口，现场采集站点( 生产者) 的数据可以绑定到另一站点的周期性变量上，利用每个循环中的周期扫描窗口， l o 江苏大学硕士学位论文 来实现周期性变量的实时刷新机制。在非周期扫描窗口可以不定期的对非周期变 量进行刷新。而对于一些突发性的消息( 如故障诊断，报警等) ，则可以在消息 窗口中进行处理。 3 2 总线令牌方式 采用总线逻辑令牌环协议，网络上所有节点组成一个虚拟环。令牌在虚拟环 中从一个节点传向其逻辑邻居节点。只有持有令牌的节点才能访问网络。令牌总 线网的优点是：在实时性方面是可确定的。因为容易计算出最坏情况下节点等待 令牌的时问，因此在流量很大的情况下，依然具有稳定的吞吐能力。但这种协议 在具体实现时为确保可靠性必须付出较大的代价，例如在网络启动、增加删除 节点时需进行逻辑环重构。 p r o f i b u s 现场总线就是应用这种方式的典型例子，p r o f i b u s 为多主多从 结构，即可由多个主站( 控制主机) 和多个从站( 简单的i o 设备) 方便地构成 集中式、集散式和分布式控制系统。它采用混合媒体访问方式，即主站间按令牌 方式，主站和从站间按轮询方式工作。令牌在主站之间按照地址的升序传递，得 到令牌的主站可在一定的时间内与网上的任何一个主站或从站通信。这种方式保 证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任一个主站在一个特定的时间片 内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。 3 3c s m a ，c d ( 带冲突检测的载波监听多路访问) 方式 c s m a c d 有许多不同的实现版本，其核心思想是：一个节点只有确认网络 空闲之后才能发送信息。如果多个节点几乎同时检测到网络空闲并发送信息，则 产生冲突。检测到冲突的发送信息的节点必须采用某种算法( 如以太网里标准的 二进制指数后退算法b e b ) 来确定延时长短，延时结束后重复上述过程再试图 发送。 c s m a c d 在节点数量不多、传输信息量较少时效率很高，且具有很好的实 时性能。但c s m 刖c d 仲突产生具有很大的随机性，在节点数量多、传输信息量 大的时，响应延时不可确定，无法满足控制网络的实时性要求。l o n w o r k 现场总 线采用了变种的c s m a c d 协议一一种更为简单的p 坚持c s m a 协议。p 坚持 c s m a 使用的是分时隙介质访问控制方法，即时间被分成离散的区间( 时隙) 。 当节点侦听到信道空闲时，以给定的概率p 在一个随机分配的时隙发送报文，而 以概率q = l - - p 把发送推迟到下时间，重新监听信道。每一帧的发送总是在时 江苏大学硕士学位论文 隙了于始时启动，时隙数目r = 埽。这种分时隙m a c 方法，极大地降低了发送包 产生冲突的概率。p 值的大小是随流量的大小而变化的，当流量小时取较大的p 值，以提高信道的利用率，反之，当流量大时取较小的p 值，以降低冲突的概率。 每个站点在发送消息时要广播将要回送该消息的应答的接收节点数目，也就是发 送该消息后将产生的应答消息包的数目信息，网上所有站点据此便可预测将要发 送消息的站点的数目，并调整自己的p 值。与普通的p - 坚持c s m a 协议相比， 这种协议大大降低了冲突的概率。但这种协议依然属于传播时延不能确定的协 议，在大流量通信情况下，网络的性能会降低。 另种采用类似的但更简单的协议的是d e v i c e n e t 现场总线。d e v i e e n e t 属于总线型串 行通信网络，采用多主方式工作，网络e 任节点均可在任何时候主动地向网络上其它节 点发送信息，当多个节点同时发送信息时，优先级低的节点会主动地退出发送，而最高优 先级的节点可不受影响的继续传输数据，5 l 而大大节省了总线的仲裁时间。这种协议非常 简洁，耳具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 第四节以太网技术 4 。1 概述 以太网( e t l l e m e t ) 是i e e e s 0 2 3 所支持的局域网标准。最早由x e r o x 公司 开发，后经数字仪器公司、i n t e l 公司和x e r o x 公司联合扩展，于1 9 7 6 年推出成 为以太网标准1 9 9 0 年2 月该标准被国际化组织所采纳，正式成为i s o i e e e 8 8 0 2 3 国际标准。按照i s o o s i 模型的7 层结构，以太网标准只定义了链路层和物理层。 作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。a p a r n e t 在制定了t c p i p 高层通信协议，并把以太网作为其数据链路层和物理层的协议之后，以太网便和 t c p i p 紧密地捆绑在一起了 随着i n t e m a 的迅猛发展，以太网已成为事实上的工业标准，t c p i p 的简单 实用已为广大用户接受。目前不仅在办公自动化领域，而且在各个企业的管理网 络中也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格相对 较低，带宽也在飞速增长( 出现了千兆b p s 甚至万兆b p s 以太网) ，特别特别是 快速以太网与交换式以太网技术的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设 备替代控制网络中相对昂贵的专用总线设备正是在现场总线标准争论处于不可 丌交之际，以太网悄然进军现场总线控制网络领域。 1 2 江苏大学硕士学位论文 4 2 以太网的非确定性问题已经解决 现场总线控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作 用对实时性的要求。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以 太网采用带冲突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式，因此一条总线上 挂接的多个节点采用平等竞争的方式争用总线。节点要求发送数据时，先监听总 线是否空闲，如果空闲就发送数据，如果总线忙就只能以某种方式继续监听，等 总线空闲后才能发送数据。即便如此也还会出现几个节点同时发送而发生冲突的 可能性，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要 求，一直被视为非确定性的网络。 然而，由于快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定 性问题带未了新的契机，使这一应用成为可能。首先以太网的通信速率一再提高， 从十兆b p s 到百兆b p s ，目前千兆b p s 以太网己在局域网、城域网中普遍应用， 万兆b p s 以太网也正在加紧研制。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，而减轻网络负荷则意味着提高确定性。 全双工交换式以太网的诞生使以太网有条件成为确定性网络。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，使不同设备之 间产生冲突的可能性大大降低。在全双工交换式以太网上，交换机将网络切分 为多个网段，交换机之间通过主干网络进行连接。在网段分配合理的情况下，由 于网段上多数数据不需要经过主干网传输，因此交换机能够过滤掉这些数据，使 这些数据只在本地网络传输。这种方法使本地的数据传输不占用其他网段的带 宽，从而降低了所有网段和主干网络的负荷。 在一个用5 类双绞线连接的全双工交换式以太网中，一对线用未传输数据，另外 一对线用未接收数据，那么一个1 0 0 m b p s 的网络提供给每个设备的带宽有2 0 0 1 v l b p s ， 这样交换式全双工以太网消除了冲突的可能，有条件达到确定性网络的要求。 综上所述，以太网技术解决了工业中实时性的应用，有以下几点原因：交 换式1 0 0 m b p se t h e r n e t 已广泛应用，能提供足够的带宽和减少冲突；全双工 网络和具优先权的传送机制得保证确定性；典型的工业应用，峰值负载为1 0 4 e t h e r n e t 的5 ，在1 0 0 4e t h e r n n e t 网中负载为0 5 ，而e t h e r n e t 只有当负 载达4 0 以上时才会有明显的延迟现象；在l o o m b p se t h e r n e t 网中，发送一 江苏大学硕士学位论文 个包延时超过2 m s 的状况，5 年也不会发生一次。美国电力研究院的试验结果可 保证延时在4 m s 以内。 4 3 以太网技术在工业控制的现状及趋势 以太网所用的接插件、集线器、交换c 兀l 和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工 业现场恶劣环境的要求，在工n 界晓中，e t h e r n e t 抗干扰性能饺差。若用于危金场合，它 不具备本安特性。也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。 现在高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、p l c 等智 能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充 分实现系统的全分散控制结构所必须的。在这一领域，目前基本上还是空白。因 此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技 术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架 将是其首要内容。 解决这个问题需要从几个方面来衡量。应用于控制领域的现场总线的关键特点在 于它的数字式互连网络、互操作性、开放性和网络性能。网络性能包括实时性、可靠 性等。数字式互连是网络的基本特征，这是任何网络技术都能够满足的。互操作性可 以通过采用共同的协议和标准实现。而开放性是所有因素中十分重要的一个。 开放性不仅是指技术公开，而且也应具有应用广泛的特点，应用广泛是开放 性最重要的衡量指标。从这个标准来衡量，以太网( e t h e r n e t ) 是高性能现场总 线极好的选择，因为e t h e r n e t 是目前世界上应用最为广泛的计算机通信技术 最重要的是，如果采用e t h e r n e t 作为高速现场总线( h 2 ) ，可以避免现场总 线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线和计算机网络技术的 主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般网络技术互相促进的局面。 这将意味着可以实现自动控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并使 自动化领域有更多的人和行业参与，使其成为一个竞争更加激烈的领域，保证自 动化技术能够得到更加迅速的发展。 第五节o p c 技术 o p c 即o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，是用于过程控制的o l e ( o b j e c tl i n k i n g a n de m b e d d i n g ) 技术。它是世界上多个自动化公司、软硬件供应商与微软合作 开发的一套工业标准，是专为在现场设备、自控应用、企业管理应用软件之间实 江苏大学硕士学位论文 现系统无缝集成而设计的接口规范。基于o p c 规范所形成的o p c 服务器客户 端程序作为工控系统的中间件，已经得到日益广泛的应用。 5 1o p c 技术现状和发展 o p c 基金会从1 9 9 6 年9 月成立开始会员逐年增加，到目前为止再全球范围 已有近3 0 0 家公司加入这个国际标准组织。同时由控制设备厂商和控制软件供应 商提供的o p c 产品也日益增加，目前已有6 0 0 种以上的o p c 服务器产品和o p c 应用程序出现在由o p c 基金会发行的o p c 产品目录上。