（控制理论与控制工程专业论文）基于工业以太网的实时监测系统研究.pdf

摘要 摘要 网络技术的发展引发了工业控制领域的深刻技术变革。结构的网络化与体系 的开放性已成为控制系统技术的发展趋势。作为一种新兴的网络技术，工业以太 网完全符合其趋势要求，因此研究基于工业以太网的数据监测技术具有极其重要 的现实意义。本文根据实际应用背景和生产要求，主要对以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和 r c m 4 0 1 0 为设计核心的网络监测系统的研发实现过程展开论述。 论文首先介绍了以太网的发展历程和以太网通信协议，叙述了工业以太网中 数据通信方式，并对以太网数据通信的延时问题和以太网在工业现场应用常见的 问题进行分析。在对当前较为成熟的几款的方案进行分析和比较的基础上，根据 课题需求提出了实用的网络监测系统总体设计方案。 然后针对本系统的硬件设计和软件设计等方面展开论述。在本系统设计中， 以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和r c m 4 0 1 0 为核心，将系统分为数据采集、数据处理、逻辑控制 和以太网通讯等几个子系统。其中，数据采集、处理子系统实现数据的采集、存 储和处理，逻辑控制子系统实现系统中的逻辑控制功能，以太网通信子系统实现 与上位机的通信功能。 最后文中详细描述了系统的实验调试过程及相关的运行结果，从而充分验证 了基于工业以太网络的监测系统研发的可行性和正确性。 在本论文中，以大量的图示形式介绍了系统中各部分的设计，使系统架构、 软件流程等内容一目了然，浅显易懂。同时论文中采用的多c p u 架构和数据交互 协议具有一定的创新性，对其它相关系统的开发与设计具有一定的参考价值。 关键词：工业以太网；i 瑚$ 3 2 0 f 2 8 1 2 ；r c m 4 0 1 0 ；数据交互 北京t 业大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t t h en e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n th a sg r e a ti m p a c to i lt e c h n o l o g i c a l 饥a n s f o r m a t i o ni n i n d u s t r i a lc o n t r o la r e a s t r u c t u r en e t w o r ka n ds y s t e mo p e n n e s sh a v eb e e nt h ec o n t r o ls y s t e m t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tt e n d e n c y a sar i s i n gn e 愈n o r kt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a le t h e m e t m e e t t h i sr e q u i r e m e n t s o ，i ti s i m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e l o pad a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do n i n d u s t r i a le t h e m e t i nt h i st h e s i s ，a c c o r d m gt op r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dd e s i g nr e q u e s t , t h ed e s i g n a n di m p l e m e n to fn e t w o r km o n i t o rs y s t e mb a s e do i lt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n dr c m 4 0 1 0i sd i s c u s s e d m a i n l y f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n te n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so fi n d u s t r i a le t h e r n e ta r ei n t r o d u c e d a n dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d e si ni n d u s t r i a le t h e m e ti sa n a l y s e d t h ed a t at r m l s m i s s i o nd e l a ya n d t h eo t h e re t h e m e tp r o b l e m si ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o na r ed i s c u s s e d a f t e rt h a t , b a s e d0 1 1t h e a n a l y s i so f s o m es u c c e s s f u ls c h e m e s , t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo f e t h e m e tm o n i t o rs y s t e mi sp r o p o s e d s e c o n d j y ，t w om a i np a r t sa me x p o u n d e di nd e t a i l s ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g n i nt h ed e s i g n , t h es y s t e mw h i c hb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n dr c m 4 0 1 0i sd i v i d e di n t o f o u rs u b s y s t e m s ：d a t ac o l l e c t i o n , d a t ad e s p o s i t i o n ，l o g i cc o n t r o la n de t h e m e tc o n u n u n i c a t i o n s u b s y s t e m s d a t ac o l l e c t i o na n dd e s p o s i t i o ns u b s y s t e m st a k ec h a r g eo f d a t ac o l l e c t i o n , s t o r a g ea n d p r o c e s s i n g l o g i cc o n t r o ls u b s y s t e mt a k e sc h a r g eo fl o g i cc o n l r o lf u n c t i o n c o m m u n i c a t i o n f u n c t i o nb e t w e e np ca n dt h ee t h e r n e tm o n i t o r i n gs y s t e mi sr e l a z e db ye t h e m e ts u b s y s t e m ， t h i r d l y s y s t e mt e s ta n do p e r a t i n gr e s u l t sh a v es h o w nt h ee t h e m e tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n i n d u s t r i a le 咖e m e ti se f f e c t i v ea n df e a s i b l e t h e r ea l o t so fi l l u s t r a t i o n si nt h i sp a p e rw h i c hm a k et h es y s t e ma r c h i t e x t m ea n ds o f t w a r e f l o we a s yt ob eu n d e r s t o o d s o m ee x p e r i e n c ea n dr e f e r e n c v a l u et ot h eo t h e rd e s i g nc 锄b e p r o v i d e db yt h i st h e s i s k e y w o r d s ：i n d u s t r i a l e t h e r n e t ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；r c m 4 0 1 0 ；d a t a e x c h a n g e 一i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：继导师签名：丝日期：旦z 丝 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 在现代测量控制中，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实时控制系统来实 现控制任务。通信网络的采用，为实现过程分布控制提供了现实可行的条件。 计算机、通信和网络等信息技术( i t ) 的飞速发展，引发了工业领域深刻的 技术变革，控制系统结构从原来基于模拟信号传输的控制系统d c s ，发展到数字 化、智能化、全分散的现场总线系统。现场总线用数字双向通信技术取代传统 d c s 系统中的4 2 0 m a 模拟传输技术，使控制系统成为真正意义上“信息集中、 控制分散”的分布式控制系统，给工业自动化带来一场深层次的革命【1 1 1 2 。 然而就目前而言，现场总线技术的发展还存在诸多问题【3 】。 首先通信协议的不统一使得不同总线产品间不能直接互连、互用和互可操 作，从而为现场总线技术的发展和产品的推广应用带来了极大障碍。1 9 9 9 年i e c 制定的i e c 6 1 1 5 8 标准中共有8 种现场总线，如f f 、p r o f i b u s 、m o d b u s 、 c a n 和l o n w o r k s 等。由于各种现场总线代表着不同厂商的利益，使得现场 总线很难实现统一。 其次，传输速率普遍较低。这是由当时的开发应用环境等客观因素决定的。 但是随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，所以传统的现场 总线技术已经不能满足大数据量传输在工业控制中的要求。 再次，难以与高层网络进行信息集成。由于现场总线位于整个工业控制系统 的底层，只是系统的一个组成部分，仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结 构。因为从控制计算机到操作站，仍必须采用某个单一系统集成商的产品。而该 产品内的通信协议是专有的，因此整个系统远远达不到全开放的要求【5 】【6 】【7 】嘲。 随着i n t r a n e t h i t e m e t 等信息技术的飞速发展，传统上用于办公室和商业的以 太网逐渐进入了控制领域。以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，已经在 工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用，对控制系统产生了深远的影 响 3 1 。目前，以太网己经渗透到了控制层和设备层，几乎所有的p l c 和远程i o 供应商都能提供支持t c p 口的以太网接口的产品。 工业以太网技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性能、质量和可 北京工业大学工学硕士学位论文 靠性得到稳步提高，网络应用的可靠性越来越值得人们去信赖。过去大量基于 8 1 6 3 2 位单片机的嵌入式设备，如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工 业自动化、家庭自动化等，要实现嵌入式设备对远端现场的数据测量和控制，只 要使其拥有联网所必须的硬件设备和配套软件就可以了。这样做带来的好处是： 只要设备能上网，大部分与数据通信相关的问题就迎刃而解；不再需要专有的通 信线路，而且系统通信性能得到了进一步的保障和提高4 l 5 1 1 6 1 1 7 1 扪。 同时，数字技术的发展推动了芯片技术的飞速发展，为研制出高性能低成本 的网络设备奠定了基础，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。 采用工业以太网技术，通过i n t e r n e t 使所有连接网络的设备彼此互通互联， 从计算机、p d a 、通讯设备到仪器仪表、工作设备等，己成为当前工业企业构建 信息化技术平台的发展趋势，其在自动化领域的应用前景被普遍看好。因此，研 究基于工业以太网的嵌入式数据监控技术具有极其重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 以太网技术研究现状 以太网作为一种成功的网络技术，它是由美国x e r o x 公司和s t a n f o r d 大学联 合开发并于1 9 7 5 年推出的，成为世界上第一个局域工业标准。随着互联网技术 的发展和普及，以太网获得了广泛的应用，并基本垄断了商用计算机领域的通信。 以太网最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p m ，即灵活的e t h e r n c t 底层加上己 成通用标准的网络传输协议t c p m ，使得以太网能够非常容易地集成到以 i n t e r a c t 和w e b 技术为代表的信息网络中。这一突出优点，加上能够满足各种要 求的足够带宽( 从1 0 m b 到l o o o m b ) 、开放性的统一标准、低廉的成本，促使 以太网在工业领域得到越来越多的关注。 以太网的出现给自动化市场带来风暴式的革命，主要有三个原因1 4 j ： ( 1 ) 速度高、成本低。以太网的数据传输速度也有最初的1 0 m b s 发展到了 现在的1 0 0 m b s 、1 0 0 0 m b s 甚至1 g b s ，相应的发送同样大小的数据的时间将大 大缩短。以太网适配器的价格也已经由2 0 世纪8 0 年代的上千美元降到了现在的 几美元甚至更低。现代以太网标准，比如交换、全双工传输、实时数据的优先级、 带宽的升级，使以太网成为工业自动化网络中首选的传输方式。 ( 2 ) 现代企业对实时生产信息有越来越多的要求。当前，人类己经进入了 一2 一 第一章绪论 以互联网为基础的知识经济时代，企业活动己扩展到全球范围，信息己成为生产 系统中最活跃的主导性因素。 ( 3 ) 以太网的开放性和兼容性。现存的现场总线标准多大6 0 多种，而且都 为不同的厂商所拥有，兼容性差。工业以太网因为采用由i e e e 8 0 2 3 所定义的数 据传输协议，它是一个开放的标准。与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性。 快速以太网是在双绞线连接的传统以太网标准( 1 0 b a s e - t ) 的基础上发展起来的， 但它的传输速度从1 0 m b s 提升到了1 0 0 m b s 。在大多数场合，它还可以使用现 有的布线。此外，以太网还允许逐步采用新技术。 正是由于以太网具有上述优势，使得它受到越来越多的关注。但如何利用 c o t s ( c o m m e r c i a lo f f - t h es h e l f ) 技术来满足工业控制需要，是目前迫切需要 解决的问题。以太网能否运用于实时的工业控制系统曾经是业界争论的焦点，这 是因为1 9 1 1 0 1 ： ( 1 ) 以太网通信存在不确定性； ( 2 ) 以太网可靠性不高，不适合应用在环境恶劣的工业生产现场； ( 3 ) 安全性和总线供电； 尽管以太网存在着这些不足，但是随着计算机技术的发展，以太网的应用越 来越广泛。据美国权威调查机构a r c 报告指出，今后以太网不仅继续垄断商业 计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也可能领导未来现场总线 的发展，并有可能取代目前各种现场总线成为唯一的工业控制网络标准。同时， 美国v d c 调查报告也指出，以太网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，市场占有率将从2 0 0 0 年的1 1 * , t 曾j j t l 到2 0 0 5 年的 2 3 l l l l 1 1 12 l 。 国外对以太网作为工业现场总线的研究已从理论阶段过度到开发阶段。惠普 公司应用i e e e l 4 5 1 2 标准，生产的嵌入式以太网控制器具有1 0 b a s e t 以太网接 口，运行f t p 脚t c p 仰协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。n e ts i l i c o n 公司应用n e t + 娘m 体系，生产嵌入式e t h e m e t i n t e m e t 芯片。德国的几家公司 如h i r s e h m a n n 、j e t t e r a o 、o p t 0 2 2 等开发出了基于以太网的控制系统的i o 产 品和设备，能提供从软件开发到硬件体系的整套产品和服务。 目前以太网正逐步向工业级现场深入发展，并尽可能和其他网络形式走向融 合。这也是工业以太网所面临的重要课题。为此，拥有各自产品的厂商正进行不 懈的努力。如德国p r o f i b u s 用户组织( p n o ) 开放的通信方案，即p r o f i n e t ， p r o f i n e t 就是p r o f i b u s 现场总线加上m 的标准，其本质是想实现p r o f i b u s 与以 太网之间通信的统一。它不是新的现场总线协议，而是使用开放的r r 标准 ( c o m d c o m 、t c p i p 、o p c 、a e t i v e x 、x m l 等) 改造现场总线，目标是实现 北京工业大学工学硕士学位论文 开放、分散的自动化与智能化，达到和以太网的高度融合。 目前几个主要的现场总线组织也在开发基于以太网的现场总线协议，如f f 、 p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t ，更有一些公司己在开发具有以太网接口的仪表。现场总线 基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 制定了一个h s e 计划( h i g hs p e e de t h e m e tf v o g r a m ) ， 用高速以太网作为一种选择，他们组织了来自2 0 个厂家、4 0 多人组成的庞大工 作组，开发现场总线与以太网的连接产品，1 9 9 9 年底完成了原型产品。现场总线 基金会宣称，效果超出预期目标，己进入编写标准规范阶段。 美国o p t i m a f i o n 公司的o p t i l o g i c t m 系列产品合成了逻辑数字开关量输入输 出、模拟量输入输出和以太网控制器，是控制和信息服务系统e c o n t r o l 的硬件基 础。它采用特殊的主从传输协议，i ，o 直接连接在独立网络上( 不与普通的办公 网络相连) ，如同完全确定的控制网络一样工作，其响应速度远远超过普通的以 太网。而德国j e t t e r a g 公司的新一代控制系统j e t w e b ，是融现场总线技术、1 0 0 m 以太网技术、c n c 技术、p l c 技术，可视化人机接口技术和全球化生产管理技 术为一体的工业自动化控制系统。同时具有广泛的兼容性，可兼容第三方自动化 控制产品。它提出“网络就是控制器”的口号，宣称是取代所有多层现场总线的 工业网络结构。 1 9 9 8 年1 0 月在美国成立了工业自动化开放网络联合会i a o n a ( i n d u s t r i a l a u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga i l i a n e e ) ，该组织致力于分析工业自动化领域应用以 太网和i n t e m e t 协议的障碍，研究可能的实现方法，并制定相关标准。国际上最 近还成立了工业以太网协会( i n d u s t r i a le t h e m e ta s s o c i a t i o n ) 、o d v a ( o p e n d e v i e e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 、c i ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 等组织，这些组织 也正在致力于这方面的工作。 我国在这方面也取得了丰富而宝贵的经验，如：浙大中控、中科院沈阳所等 高新企业、科研院所已将它应用于d c s 控制系统，并开发出了基于以太网的现 场设备通信卡和系列变送器与执行机构原理样机，积累了丰富的工业现场设备研 究开发与生产经验，大连理工大学开发出了基于网络的数据采集器。 虽然以太网在系统上层的应用研究己经有一定的成果，但以太网在下层即工 业现场设备层的应用研究还没有深入开展。工业以太网虽然与商业以太网并无二 致，但是对网络产品的要求却有很大不同，应用于现场设备层还面临一些关键技 术问题，如通信实时性和优先级技术、现场设备的总线供电、本质安全、互操作 性、网络生存性等。这些关键技术在国外也处于研究初期阶段，我国与国外先进 国家相比基本处于同一水平，差距很小。因此对工业以太网关键技术的研究具有 创新性和前瞻性。 第一章绪论 1 2 2 工业以太网监测系统的研究现状 将以太网与工业监测系统相结合的想法由来己久，但由于当时的以太网在速 度和确定性等方面都有较大缺陷，不能满足工业通信网络要求；另外，各种网络 通信协议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求较高，但当时的绝大多 数嵌入式处理器都无法满足要求。 随着工业以太网在速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的 融入，以太网与工业通信网络的差距正在逐步缩小。另外，从8 0 年代起，一些 i t 组织和公司开始进行嵌入式系统的研发，大部分新开发的嵌入式处理器都支持 网络协议，如a m d 公司的a m1 8 6 系列嵌入式处理器、m o t o r o l a 公司的 m 6 8 h c 系列嵌入式处理器等等。基于此，国外对嵌入式以太网的研究己从理论 阶段过渡到开发阶段。在工业控制领域，美国o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网， 研制开发的s n a p i ，o 系统，通过以太网对分布在远程设备现场的i o 口进行访问， 从而实现对远程设备的监测和控制。s n a p i o 己经成功应用于工业过程控制、路 桥收费系统监控、输油管线的监控及楼宇的智能化监控等多项工程中。此外，惠 普公司应用i e e e l 4 5 1 2 智能传感器标准，研制的嵌入式以太网控制器具有1 0 b a s e t 以太网接口，能够运行f 1 甲h t l p 仳咖p 协议，应用于传感器、驱动器 等现场设备。 目前，国内在基于嵌入式以太网方面的研究并不多见，对工业通信网络领域 的理论研究主要局限于现场总线网络上，也有部分学者对建立工业以太网通信网 络进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入到实质研究阶段。 1 3 本文主要研究内容 本课题是与派力斯电子( 北京) 有限公司的合作项目，本课题主要实现多通 道、高速度的数据实时采集、处理以及基于工业以太网的数据传输与远程控制。 在课题研究中，以1 r i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和r a b b i t 公司生产的r c m 4 0 1 0 模块为主要的开发平台，设计实现基于工业以太网协议的 工业过程实时监测和远程控制。本系统包括数据处理子系统和网络传输子系统。 其中，数据处理子系统是以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，实现数据的采集、处理和存 储，以及整个系统的协调控制；网络传输子系统是以r c m 4 0 1 0 为核心，实现与 上位机( p c ) 的通信与数据交换。两个子系统之间通过双端口随机存储器 ( d p r a m ) 机制进行数据交换。 基于课题研究内容，本论文包括以下几部分： 北京工业大学工学硕士学位论文 第一章绪论，主要介绍了课题的背景、国内外研究现状和本课题的主要研究 内容。 第二章主要讲述了工业以太网的数据通信的相关知识，主要包括工业以太网 技术的相关基础知识、通信原理以及应用中的关键技术。 第三章在对系统性能进行需求分析的基础上，通过对多种方案的详细论证确 定了课题研究的总体方案。 第四章以系统硬件电路设计为核心进行阐述，主要包括系统硬件结构、数据 采集子系统、数据处理子系统、逻辑控制子系统和以太网通信子系统的硬件电路 设计等部分。 第五章以系统的软件设计为核心进行阐述论述了，主要包括逻辑控制子系 统、数据采集与处理子系统、以太网通信子系统和通信协议部分的软件设计思想 及程序说明。 第六章对系统的调试、验证及运行结果展开论述，以充分验证系统设计方案 的正确性、可行性。 第七章对全文内容进行总结，并提出了系统的不足和有待改进之处。 第二章工业以太网中的数据通信 第二章工业以太网中的数据通信 针对本课题采用的工业以太网数据传输技术，本章将主要从工业以太网技术 基础、数据通信技术原理、数据通信应用中的关键问题等几方面对工业以太网中 的数据通信进行叙述。 2 1 工业以太网技术基础 2 1 1 以太网技术概述 以太网( e t h e m e t ) 最初源自于美国旌乐( x e r o x ) 公司于1 9 7 5 年推出的一 种局域网，它以无源电缆作为总线来传送数据，并以曾经在历史上表示传播电磁 波的以太( e 出神来命名【3 l 。上世纪8 0 年代初期：美国电气和电子工程师学会i e e e 8 0 2 委员会以美国施乐( x e r o x ) 公司+ 数字装备公司( d i g i t a l ) + 英特尔( i n t c l ) 公司提交的d e t h e r n e t v 2 为基础，制定出i e e e 9 0 2 3 。 工业以太网即应用于工业自动化领域的以太网技术。它在技术上与商用以太 网( 即i e e f s 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 适用性方面能满足工业现场需求。在工业现场领域采用快速以太网技术，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是趋势之一。 目前以太网在应用于流程工业过程控制领域时仍面临很多困难，但随着以太 网通信技术的发展与完善，这些问题都将得到解决。有理由相信，在不远的将来， 以太网将可以直接应用于工业现场控制，并将在工业现场控制系统中起着非常重 要的作用。 2 1 2 以太网通信原理及其帧格式 以太网使用c s m a c d ( c a r d e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ) 机制 来解决通讯媒质上的冲突。c s m a c d 协议被指定于i e e e 8 0 2 3 网络标准中，当 一个节点想要发送信号时，它监听网络。如果网络忙，它等待直到网络空闲；否 则它就立刻传输。如果同时有两个或更多的节点监听网络并决定传输，传输节点 的消息碰撞并损坏。在传输的同时，节点一定也要监听监测消息冲突。监测到两 个或更多的消息冲突时，传输节点停止传输并等待随机长的时间后重新尝试传 北京工业大学工学硕士学位论文 输。这个随机的时间由二进制指数后退算法( b e b ) 决定：重传时间从0 到( 2 - 1 ) 次时隙之间随机选取，f 表示节点检测到的第f 次冲突事件，一个时隙是来回传 输的最小时间。然而，当达到十次冲突后，时间间隔被固定在1 0 2 3 时隙。1 6 次 冲突后，节点停止传输的尝试并向节点微处理器汇报传输失败。进一步的恢复可 能会在更高的层被尝试。以太网的帧格式如图2 1 所示。 字节764 图2 - 1 以太网( c s m a c d ) 帧结构 f i g u r e2 - 1t h ef r a m es t r u c t u r eo f e t h e m e t ( c s m a c d ) 如图所示，前导码由0 、l 间隔代码组成，可以通知目标站作好接收准备。 以太网帧的前导码占用7 个字节，紧随其后的是长度为1 个字节的帧开始标志。 目标和源地址表示发送和接收数据帧的设备的地址，各占据6 个字节。其中， 目标地址可以是单址，也可以是多点传送或广播地址。 数据长度占用2 个字节，指定接收数据的高层协议。 在经过物理层和逻辑链路层的处理之后，包含在数据帧中的数据将被传递给 在类型段中指定的高层协议。数据包的帧大小介于4 6 到1 5 0 0 字节之间。有一个 非零的最小数据长度要求，因为标准状态要求有效帧从目标地址到校验和必须至 少有6 4 字节长( 7 2 字节，包括先导字段和帧开始标志) 。如果帧的数据部分不 足4 6 字节，使用填充字段来达到最小长度。 此外该序列包含长度为4 个字节的循环冗余校验值( c r c ) ，由发送设备计 算产生，在接收方被重新计算以确定数据帧在传送过程中是否被损坏。 采用这种通信方式，以太网具有其优势和不足之处。一方面因为低的介质访 问头，以太网使用简单的算法操作网络并在网络轻载的时候几乎没有延迟。与令 牌总线或令牌环协议比较，没有用来获得网络通路的带宽。作为控制网络使用的 以太网一般使用1 0 m b s 标准( 如m o d b u s t c p ) 。而高速( 1 0 0 m b s 甚至1 g b s ) 的 以太网主要用于数据网络。但是在以太网网络高负荷时，严重影响消息拥塞和时 间延迟的消息冲突是主要问题，这消息冲突可能是极大的。以太网通过标准b e b 算法产生效果，节点传送数据等待一个专有的时间而不考虑其他等待访问介质的 节点，造成不公平及实质的性能下降。基于b e b 算法，一条消息可能会在一系 列冲突后被丢弃，点对点通讯将无法被保证。 一8 一 第二章工业以太网中的数据通信 2 1 3 以太网通信模型及其协议 以太网最初是一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波 多路访问和碰撞检测( c s m a c d ) 机制，数据传输速率达到1 0 m b p s 。以太网采 用广播机制，所有与网络连接的工作站都可以看到网络上传递的数据。通过查看 包含在帧中的目标地址，确定是否进行接收或放弃。如果证明数据确实是发给自 己的，工作站将会接收数据并传递给高层协议进行处理【4 】。 对应于国际标准化组织的开放系统互连参考模型( i s o ，o s i ) ，工业以太网 协议在物理层和数据链路层均采用i e e e 8 0 2 3 标准，在网络层和传输层则采用被 称为以太网上的“事实上”标准的t c p m 协议簇( 包括u d p 、t c p 、i p 、a r p 、 i c m p 、i g m p 等) ，它们构成工业以太网的低四层，在高层协议中，工业以太 网协议通常忽略掉会话层和表示层，而只定义应用层，也有的工业以太网协议还 定义了用户层，其通信协议模型如图2 - 2 所示 1 3 l 1 4 1 。 图2 - 2 工业以太网通信模型 f i g u r e2 - 2i 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 nm o d e l 支持以太网的协议众多，有d e c n e l 、n o v e l i i p x 、m a p 、1 1 l e o s i s t a e k 、 a p p l e t t a l k 和t c p i p 等，在这些协议中，t c p i p 受到广泛重视和支持，并且， t c p i p 才是i n t e m e t 的协议。因此，尽管t c p i p 支持的网络很多，支持以太网 的协议也很多，但却只有把以太网和t c p i p 结合起来，才能满足工业以太网数 据通信的需要，这种采用t c p i p 为中间协议的以太网也即将成为工业控制网络 的主要标准。 t c p 佃协议是2 0 世纪7 0 年代中期美国国防部( d o d ) 为其a r p a n e t 广 北京工业大学工学硕士学位论文 域网( 即现在的d a r p 1 、e t ) 开发的网络体系结构和协议标准，如今己经成为 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口为基础的 t c p ，口协议簇。 在t c p i p 协议中，网络层的核心协议是m 协议，同时还包括a r p 、r a r p 、 i c m p 和i g m p 等。网络层的主要功能有：处理来自传输层的分组发送请求，即 组装m 数据报并发到网络接口；处理输入数据报、转发数据报或从数据报中抽 取分组；处理差错与控制报文，包括处理路由、流量控制、拥塞控制等。 传输层的作用是提供应用程序间( 端到端) 的通信服务，该层包括传输控制协 议t c p 和数据报协议u d p 。t c p 协议负责提供高可靠的数据传输服务，主要 用于传送大量报文，并为保证可靠性做了大量工作；u d p 协议负责提供高效率 的服务，用于传输少量的报文，几乎不提供可靠性措施，使用u d p 的应用程序 须自己完成可靠性操作。 应用层为用户应用程序提供接口。由于商用计算机设备间广泛使用的f t p 、 h r r p 等应用层协议所定义的数据结构不适合应用于工业设备间的实时通信，所 以目前工业以太网在应用层还没有统一的规范，而是由主要的现场总线生产厂商 和集团开发不同的应用层协议，导致了多种工业以太网协议的出现。 以太网本质上只是一个物理层标准。目前在传输层和网络层的协议基本上已 经统一，t c p l p 己为多数工业控制器厂家所接受。在应用层的协议上还存在着 分歧，目前3 个主要的竞争对手是m o d b l l s 仳p ( 基于t c p i p 的m o d b u s 协议) 、 e t h e r n e 仉p ( 基于t c p i p 的c o n t r o l - n e t d e v i c e n e t ) 和基于以太网的p r o f i n e t 协 议。从市场和利益角度考虑，工业以太网在应用层的统一还需要比较长的时间。 由于以太网本身的开放性，它允许在同一个网络上运行不同的应用层协议，在许 多实际应用中具有明显的无可替代的优势。 2 2 数据通信技术原理 2 2 1 通信数据流 工业控制实时通信网络必须处理的数据流的类型在工控网络中所处理的数 据流主要可分为两类：实时数据和非实时数据( 包括文件、程序) 。其中，实时数 据又可进一步分为以下五种：信号、命令、状态、事件和请求。 工业控制的实时通信网络必须处理的数据流的类型有： ( 1 ) 信号：传感器和变送器的测量值便属于信号类，其特征是有效寿命很 短，不断地被改变和刷新。对于若干重要信号，要求以足够快的速度采集最新值， 一1 0 一 第二章工业以太网中的数据通信 这比不漏掉采集每一个值更显必要。典型的信号数据流有以下不同的要求：要保 证其实时性质的信号，即这类信号的时间是最为关键的( t i m ec r i t i c a l ) ；信号具有 等幂性质( i d c m p o t e n t ) ，可接受重复刷新；信号的当前值最为重要，最新信息比 重发已丢失的采样值更重要。 ( 2 ) 命令：许多实时系统必须处理一系列指令或命令。命令数据流要求每 一个命令按其先后顺序可靠传送一次，而且只能传送一次。命令的传送没有时间 确定性的要求，但不能丢失任一个命令，同时一个命令只能执行一次，不能执行 两次。 ( 3 ) 状态：状态表示当前的状况或目标，一般来说对状态数据流的要求没 有像对信号或命令数据流那么严格。状态通常会保持一段时间；它不是只能传送 一次的关键参数，因此可以重发。同时，它可能是有时间确定性要求的，也可能 没有这个要求；它可能要求可靠传送，也可能没有这个要求。 ( 4 ) 事件：事件使当前的任务与外部操作之间同步。譬如当传感器测得的 参数到达其下限，此事件应立即启动某个任务的执行。事件数据可以伴随相应的 其它数据，也可以仅仅是开关量的数据。事件数据流往往对时序的要求最为关键， 还要求足够高的可靠性。 ( 5 ) 请求：实时应用常常需要发出对数据的特定请求。请求包括两部分通 信，即客户向服务器发送请求，以及服务器的返回响应。 2 2 2 数据通行方式 在以太网的通信技术中，数据的通信方式主要有下面三种：点对点 ( p e e r - t o - p e e r ) 、客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 、发布方，预定方 ( p u b l i s h c r s u b s c r i b e x ) 。 ( 1 ) 点对点的通信方式： 点对点通信，即同一时间的一个节点只能与另一个节点进行通信的方式，是 最简单的形式。在2 0 世纪7 0 年代，t c p 被设计成为点对点的网络协议：它支持 高带宽，但若需要多个交互式节点进行通信，就显得很笨拙；它支持高可靠性， 万一数据包丢失可通过重发予以纠正。但重发的次数和频率却是全局的系统参 数，应用程序难以控制。因此对于实时控制，t c p 是不能满足要求的。 另外，t c p 不是确定性的。每次建立连接都要求专门的资源，需要花费许多 时间；判断是否分配那些资源也要花费不同的时间。再则，高性能的传输需要点 对多点的通信。由于每次连接都要花费建立时间和分配时间来维持资源，对于所 增扩的数据分发，t c p 不能取得很好的平衡。 ( 2 ) 客户服务器( c s ) 通信方式 北京工业大学工学硕士学位论文 客户服务器网络可以有几个服务器节点，同时还可以把这些服务器节点连 接到很多个客户节点去。对于客户的程序服务器有几个中间件技术可用，如 c o r b a 、h ，r r p 、d c o m 、以及o p c 等。 若信息集中在一个节点，例如在数据库、集中文件服务器、商务交易处理系 统等，采用客户服务器通信结构可提供优质的通信性能。如果信息不是集中产 生的，而是在多个节点上产生的，使用客户服务器的通信结构其通信效率就很 低。这是因为它要求所有的信息先发送到服务器上，随后再分配到客户中去。这 样做给通信系统带来难以估计的延迟，客户并不能知道需要多少时间它一定能收 到信息。另外，客户服务器的中问件技术是在t c p 的上层运用的，因此会导致 前面提到的那些问题。 ( 3 ) 发布方预订方的通信方式 发布方预订方的通信结构应该是一个或多个数据源( 即发布方) 向多个数 据接收点( 即预订方) 发送数据的最佳的解决方案。发布方预订方的中间件结 构代码，提供对节点的简单存取，只要告知需要什么信息( 预订) ，随后系统便 会按节点的需要把信息传送给它。使用发布方预订方的通信结构，节点可预订 它需要的数据，发布它产生的信息。在各通信节点之间形成点对点的直接通信。 对于传送大量其时日j 是最为关键的因素的实时数据的通信，运用发布方预订方 的通信是最合适不过的。 2 2 3 数据通信中的延时分析 在工业控制应用中，由于现场设备的地域分散性，现场设备间的信息交互是 通过网络，以信息传递的方式来实现的。为了达到控制与监控等任务的要求，现 场设备问的信息交互必须在一定的通信延迟时间内完成【1 5 1 。 从信息发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，它是 整个现场设备问的信息交互时间的一个重要部分，是保证控制任务实时性的重要 指标，包括下面几方面因素： ( 1 ) 排队延迟：从信息进入排队队列，到此信息获取通信网络所需的时间， 取决于通信网络的媒体存取控制( m a c ) 协议和相应的信息调度算法。 ( 2 ) 接收延迟：从信息的第一个字节开始接收到信息最后一个字节接收完 所需的时间，取决于信息包的大小和通信网络的通信速率。 ( 3 ) 传输延迟：信息在现场设备间传输所需的时间，取决于通信网络在现 场设备间的物理长度。用z 名细、死。、。和乃。，分别表示通信延迟、排队 延迟、接收延迟、传输延迟，则实时数据在工业以太网中通信延时z z 枷= 。+ & 鳓一。，即通讯延迟等于排队延迟、接受延迟和传输延迟之和( 如图2 5 示) 。 一1 2 一 第二章工业以太网中的数据通信 数据发送端 进入排列队列 数据接收端 数据接，。 收完毕 接收 延时 1 m e 数据处理 图2 5 工业以太网中数据的通信延时 f i g u r e2 - 5c o m m u n i c a t i o nd e l a yi n i n d u s t r i a le t h e m e t 端到端通信延迟是构成整个现场设备间的信息交互时间的一个重要部分。如 果不能满足端到端的通信延迟，则无法保证控制任务的实时性。因此，在考虑工 业控制应用中的实时性要求时，应对端到端的通信延迟进行分析。 设以太网的节点总数为个，以下分别分析端到端通信延迟的各个部分。 ( 1 ) 排队延迟： 以太网的排队延迟，主要是由于多个节点同时发送数据，从而发生冲突，导 致冲突节点等待重发。精确地分析以太网的排队延迟十分复杂，这里分析一个近 似模式，并给出排队延迟的期望。 设在时间r 内由于发生冲突，需要等待重发的节点个数为 k ，在时间t 内初 次发送数据的节点个数为m 妇，则有。 ，假设各节点上新到达的数据 服从参数为 的泊松分布，则没有数据到达的概率是p 一，那么在没有发生冲突 的情况下，初次发送数据的概