（控制理论与控制工程专业论文）基于工业以太网的电动执行机构监控系统研究与设计.pdf

上海大学硕士学位论文 原创性声明 1 i i ii i ii ii i ii iii i i1 1 1 1 1 l y 17 4 117 2 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，论文中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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：训d 。幺弓日期：彬叭m 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) 一诈聊签名湃吼蝴 文 姓名：高峰 导师：马世伟杨新志 学科专业：控制理论与控制工程 上海大学机电与自动化学院 二零一零年二月 一令一令，平一月 上海大学硕士学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e e o fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g t h er e s e ar c ho fe l e c t r i ca c t u a t o r c o n t r o ls y s t e mb a s e do nin du s t r i al e t h e r n e t m d c a n d i d a t e ：g a of e n g s u p e r v i s o r ：m as h i w e i ，y a n gx i n z h i m a j o r ：c o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g s c h o o lo fm e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n ， s h a n g h a iu n i v e r s i t y , f e b r u a r y , 2 0 1 0 上海大学硕十学位论文 摘要 随着信息技术和自动化技术的发展，智能化、数字化和网络化代表了现代工 业控制的发展方向。本文研究基于工业以太网的电动执行机构的控制网络系统设 计和开发，目的是开发出基于工业以太网构架的、适用于工业生产控制网络系统， 能对现场多台运行的电动执行器进行实时监控的系统和软件。 论文首先简要介绍了工业控制网络的发展历程，指出了存在的实时性问题和 国内外的研究现状，接着从现场总线到工业以太网对实时性问题进行了研究。然 后，介绍了整个系统的硬件组成部分的设计，主要包括电动执行机构的组成部分， 串口转以太网模块，以及执行机构、以太网模块和上位机之间的通讯等。 针对工业以太网在工业应用中出现的实时性和可靠性无法保证的问题，本文 首先对以太网的通信延迟的问题进行了分析，给出了通信延迟各个组成部分的计 算方法和数学期望表达式。接着通过实验分析了节点数目、帧长度和通信速率等 因素对以太网实时性的影响。研究了工业应用中三种数据发送方式下，标准以太 网和快速以太网的实时特性。然后通过研究以太网的实时调度问题和监控实时性 要求，对不同类型的信息进行分类优先级设置，并采用优先级调度算法，通过实 验进行了验证。最后结合实际情况采取了对交换机等设备采用冷冗余设计的方法 以提高系统可靠性。在上位机的程序设计中，自定义通讯协议完成了监控系统软 件的设计，并对通讯实时可靠性进行了测试获得了满意的结果。 本文最后总结了系统总体的设计。对进一步改进该软件以及应用推广提出了 系统的展望。针对工业应用中对数据保存、远程控制和组态软件互通等需求对于 进一步改进软件提出相应观点。 关键字：工业以太网、执行机构、实时性、优先级 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o na n da u t o m a t i o n t e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t i z e ，d i g i t a l i z a t i o na n dn e t w o r k i n go nb e h a l fo ft h em o d e r ni n d u s t r i a l c o n t r o ld e v e l o p m e n t t h et h e m eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ha n dd e s i g ne l e c t r i c a c t u a t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e t p u r p o s eo ft h es t u d yi st o d e v e l o pr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r ef o ri n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s b a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e t ，c a nr u nm o r et h a no n ee l e c t r i ca c t u a t o r f i r s t l y , t h i sp a p e rb r i e f l yd e s c r i b e st h ec o u r s eo fd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l c o n t r o ln e t w o r k s ，p o i i l t i i l go u tt h ee x i s t e n c eo fr e a l t i m er e s e a r c hi s s u e sa n dt h e s t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e ns t u d i e st h er e a l - t i m ep r o b l e mf i o mt h ef i e l d b u st ot h ei n d u s t r i a le t h e r n e t a l t e rt h a t ，i n t r o d u c et h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e w h o l es y s t e m , w h i c hi n c l u d i n gt h ed e s i g no fe l e c t r i ca c t u a t o r , s e r i a lt oe t h e m e t m o d u l e ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o na m o n gt h eh o s tc o m p u t e r , e l e c t r i ca c t u a t o r , a n d e t h e r n e tm o d u l e f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yc a n n o t g u a r a n t e ew h i l ee t h e m e ti ni n d u s t f i a la p p l i c a t i o n s ，t h i sa r t i c l ef i r s ts t a r tw i t ht h e a n a l y s i so fe t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nd e l a y , p r o v i d et h ev a r i o u sc o m p o n e n t so f c o m m u n i c a t i o nd e l a yi nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dm a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o n e x p r e s s i o n s t h e nt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h en u m b e ro fn o d e s ， f i a m el e n g t ha n dc o m m u n i c a t i o ns p e e da n do t h e rf a c t o r so nt h ei m p a c to ft h e e x i s t e n c eo fr e a l - t i m ee t h e r n e t ，a n dc o m p a r i n gt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e b e t w e e ns t a n d a r de t h e r n e ta n df a s te t h e m e tw h i l eu s i n gt h r e ek i n d so fd a t a t r a n s m i s s i o nm e t h o d s t h e nb ys t u d y i n gt h ee t h e r n e tr e a l t i m e s c h e d u l i n g p r o b l e m sa n dm o n i t o rr e a l t i m er e q u i r e m e n t sf o rd i f f e r e n tt y p e so fi n f o r m a t i o nt o s e td i f f e r e n t p r i o r i t y , a n d u s ep r i o r i t y s c h e d u l i n ga l g o r i t h m , v e r i f i e db y e x p e r i m e n t s a tl a s t ，c o m b i n i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t a k eo nt h es w i t c h e sa n d o t h e re q u i p m e n tw i t hc o l dr e d u n d a n c ym e t h o dt oi m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y w i t h t h ec u s t o mc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n dt h eh o s tc o m p u t e rp r o 鲈a m m m & c o m p l e t er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mt h a tb a s e do ni n d u s t r y ( f a s t ) e t h e r n e t ，t h e 上海大学硕士学位论文 r e s u l t so ft h ep r e v i o u st e x ta n dc o m m u n i c a t i o na c c e s sr e a l t i m er e l i a b i l i t yh a s b e e nt e s t e dw i t hg o o dr e s u l t s f i n a l l y , s u m m a r i z et h es y s t e md e s i g n ；p u tf o r w a r do w ne x p e c t a t i o n st o f u r t h e ri m p r o v et h es o f t w a r e , a n dt h ed e v e l o p m e ma n dp r o m o t i o no fi n d u s t r i a l c o n t r o ln e t w o r k sa n di n d u s t r i a le t h e m e t 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 ，e l e c t r i ca c t u a t o r , r e a l t i m e ，p r i o r i t y v 上海大学硕十学位论文 目录 s h a n g h a iu n i v e r s i t y l 摘要v a b s t r a c t 目录v i i i 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 课题研究背景和意义l 1 3 国内外研究概况3 1 3 1 国外研究概况3 1 3 2 国内研究概况4 1 4 论文的主要研究内容5 第二章工业以太网技术简介6 2 1 以太网简介6 2 2 工业以太网7 2 2 1 工业以太网的出现7 2 2 2 工业以太网发展现状1 0 2 2 3 工业以太网发展趋势和前景1 2 2 3 工业以太网的实时性问题1 3 2 3 1 以太网实时性改进方法1 3 2 3 2 以太网实时技术及应用发展1 5 第三章电动执行机构硬件及其通讯系统设计1 7 3 1 电动执行机构1 7 3 1 1 执行器1 8 3 1 2 电动机1 9 3 1 3 传动装置1 9 3 1 4 阀位传感器2 0 3 1 5 行程限制装置和手动调整装置2 0 v 上海大学硕士学位论文 3 1 6 控制器2 l 3 2 串口转以太网模块2 5 3 2 1 模块硬件。2 5 3 2 2 模块配置软件一2 6 3 3 通讯部分的设计2 7 3 3 1 以太网模块与执行机构之间的通讯2 7 3 3 2 以太网模块与上位p c 机之间的通讯2 8 3 4 系统冗余性设置3 0 3 5 本章小结。3 l 第四章系统实时性研究与设计3 2 4 1 工业以太网的通信特点一3 2 4 1 1 以太网通信过程介绍3 2 4 1 2 以太网的不确定性和不公平性：3 3 4 2 以太网通信实时性分析与实验3 5 4 2 1 以太网端到端的通信延迟分析3 5 4 2 2 通信延迟实验及结果分析3 8 4 2 3 以太网信息发送研究及实验4 0 4 3 工业以太网监控中实时优先级算法研究4 6 4 3 1 优先级调度算法在以太网通讯中的提出4 8 4 3 2 优先级调度算法描述4 9 4 4 本章小结5 5 第五章系统软件实现5 6 5 1 单台监控软件的实现5 6 5 1 1 参数设置5 7 5 1 2 控制区5 8 5 1 3 监控及运行曲线。5 9 5 2 组网监控软件的实现及分析。6 1 5 3 多台机构通讯实现及测试6 2 x 上海大学硕士学位论文 5 4 本章小结6 5 第六章结论与展望6 6 6 i 结论。6 6 6 2 展望6 6 致谢7 6 x 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海某仪表厂智能变频电动执行机构的网络控制系统研究。目 标是设计实现一个可以对工业系统中多台执行机构进行监控的上位机软件平台。 1 2 课题研究背景和意义 在工业生产中，随着生产规模的扩大和复杂程度的提高，对控制系统的要求 越来越高。在2 0 世纪5 0 - 6 0 年代，以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表组 成的监控系统逐渐取代传统的机电控制系统。随后是在7 0 8 0 年代，集散控制 系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的出现，把大量分散的单回路测控系统 通过计算机进行集中统一管理，用各种i o 功能模块代替控制室仪表，利用计算 机实现回路调节、工况联锁、参数显示、数据存储等多种功能，从而实现了工业 控制技术的飞跃。 进入2 0 世纪9 0 年代，具有数字化的通信方式、全分散的系统结构、开放的 互联网络、多种传输媒介和拓扑结构、高度的环境适应性等特点的现场总线 ( f i e l d b u s ) 技术迅速崛起并趋向成熟，控制功能全面转入现场智能仪表，而在 此基础上形成的新的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 综合了数 字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段， 从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性， 构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互连、多变量、多接点的通信与控 制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。f c s 的典型结构分为设备 层、控制层和信息层。采用了现场总线技术使控制功能下放到现场设备成为可能， 现场总线标准不仅是通信标准，同时也是系统标准。f c s 正在走向取代d c s 并 r - n 1 推动着工业控制技术的又一次飞跃掣。 但是现场总线的出现有着固有的局限和技术瓶颈，其中最突出的问题就是缺 少统一的标准。2 0 0 0 年初i e c 公布的i e c 6 1 1 5 8 国际标准，产生了h 1 ( f f ) 、 上海大学硕士学位论文 c o n t r o i n e t 、p r o f i b u s 、p n e t 、h s e ( f f ) 、s w i t t n e t 、w o r l d f i p 、i n t e r b u s 等8 种i e c 现场总线国际标准子集。i e c 现场总线国际标准制定的结局表明，在相当 长的一段时期内，将出现多种现场总线并存的局面，并导致控制网段的系统集成 与信息集成面临困难。无论是最终用户还是工程集成商也包括制造商，都在寻 求高性能、低成本的解决方案。8 种类型的现场总线采用不同的通信协议，要实 现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的。每种现场总线都有自己最合适 的应用领域，如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使 系统的各部分都选择最合适的现场总线，对用户来说，仍然是比较棘手的问题。 其次就是系统集成问题，在一个实际系统中，根据不同的具体情况需要采用合适 的现场总线技术，这就导致了一个大型工业系统中存在着多种现场总线。如何做 到相应的总线之间的数据无缝连接从而使得整个系统管控一体化，也成为企业的 一个问题。最后技术的瓶颈包括本安防爆理论的制约、系统组态参数过分复杂和 当总线电缆断开时，整个系统有可能瘫痪等。 为了加快新一代控制系统的发展与应用，各大厂商纷纷寻找其他途径以求解 决扩展性和兼容性的问题，业内人士把目光转移到了在商用局域网中大获成功的 具有结构简单、成本低廉、易于安装、传输速度高、功耗低、软硬件资源丰富、 兼容性好、灵活性高、易于与i n t e r n e t 集成、支持几乎所有流行的网络协议的以 r 1 1 太网技术卜“。 基于以太网的工业控制系统网络有着相较于现场总线的优点，也有着自身的 缺点。优点明显：兼容性好，有广泛的技术支持、易于与i n t e r n e t 连接、成本低 廉、可持续发展潜力大和通信速率高。局限：实时性差，不确定性的问题、工业 可靠性问题、以太网不提供电源，必须有额外的供电电缆、以太网不是本质安全 系统、安全性问题以及将要考虑的现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问 题。 随着互联网技术、交换技术和通信速率的一再提高，全球软件、硬件的不断 发展，工业以太网控制系统必将是一个发展的趋势。 2 上海大学硕十学位论文 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 国外对以太网作为控制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t c p i p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。n e t s i l i c o n 公司应用 n e t + a r m 体系，生产嵌入式集成了t c p i p 的芯片。 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 ，更有一些公司已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 a n e tp r o g r a m ) ， 用高速以太网作为h 2 的一种选择，他们已组织了一个来自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，去年底已完成原形产品， 现场总线基金会宣称，效果超出预期目标，现已进入编写标准规范阶段。 目前很多研究机构也在进行节点网络控制器的硬件架构和软件体系研究，为 工业现场最底层的设备架设了单一高效的网络结构，形成了与现有i n t e r n e t 无缝 连接的数据传输通道。如带有工业以太网接口的智能仪表、嵌入式智能控制器终 端等。美国g e 公司将以太网接口做在保护装置中，g e h a r r i s 公司推出了带 双以太网接口的d 9 5 测控单元装置，a b b 也推出了带以太网接u 的间隔控制器 r 5 8 0 。美国c o n n e c t o n e 公司、p h i l i p s 公司、e m w a r e 公司、t a s k i n g 公司和国 内的p & s 公司等均提供基i n t e m e t 的d e 访c en e t w o r k m g 的软件、固件( f i r m w a r e ) 和硬件产品。o p t 0 2 2 公司应用嵌入式i n t e m e t 技术，研制开发了“以太网i o 系统”s n a pe t h e r n e ti o 系统，通过i n t e m e t 对分布在现场的i o 进行访问，从 而实现对远程设备的监测和控制。将网络功能嵌入终端设备中，使其可直接通过 i n t e r n e t i n t r a n e t ( 企业内部网) 进行网络通信、数据交换，实现远程组态、参数 修改等。并且减少了诸如网关、代理服务器等中间环节，简化了网络结构，降低 了安装、维护的难度和成本。同时现场设备通信速率和通信通道的利用率大大 提高，可直接传送图像信息、多媒体信息，满足了工业控制系统的高要求。实行 “e ”网到底是工业控制网络必然的发展趋势，而可实现最底层设备直接融入网 上海大学硕士学位论文 络的嵌入式技术必将获得长足的发展。 1 3 2 国内研究概况 国内以浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理 工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“8 6 3 ”计划的支持下，开展了e p a ( e t h e r n e t f o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 技术的研究，重点是研究以太网应用于工业控制现场设备层 通信的关键技术，通过研究和攻关，取得了以下成果： ( 1 ) 关键技术获得重大突破 针对工业现场设备层通信具有实时性强、数据信息短、较强的周期性等特点 和要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现 场设备层的关键技术： a 实时通信技术：其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以 及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段 化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。 b 总线供电技术：采用直流电源祸合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络 供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。 c 远距离传输技术：采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及 光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。 d 网络安全技术：采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全 过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的 网络隔离。 e 可靠性技术：用分散结构化设计、e m c 设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术 等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室e m c 测试，设备可靠性 符合工业现场控制要求。 ( 2 ) 制订了e p a 标准 针对工业测量与控制系统网络通信特点，以工业控制工程师为应用对象，基 于以太网、无线局域网、蓝牙技术加t c p i p 协议，制订了用于工业测量与控 制系统的e p a 系统结构和通信标准，通过了由t c l 2 4 组织的技术评审，并正在 4 上海大学硕士学位论文 争取成为国际标准。 ( 3 ) 开发基于以太网的现场设备及原型样机，并在化工生产装置上成功应用 针对工业控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、e m c 设计措施，开 发出了基于以太网的现场设备，主要包括：基于以太网的现场设备通信模块、变 送器、执行机构、数据采集器、软p l c 等成果等。在此基础上开发的基于e p a 的分布式网络控制系统在杭州龙山化工有限公司的纯碱碳化装置上成功应用，该 系统自2 0 0 3 年4 月投运一直稳定运行至今。浙大中控、浙江大学、中国科学院 沈阳自动化所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、重庆邮电学院、大连理 工大学、清华大学、上海工业自动化仪表研究所、北京华控等联合制定的e p a 标准化工作已正式得到国际承认。 国内在这个领域起步较晚，技术水平和经济能力还有很大差距。目前，国 内的一些企业也开始研究并推出工业以太网的产品，如浙大中自集成控制股份有 限公司推出的m i c r o d c s ，兼有传统d c s 的可靠性、稳定性以及f c s 系统的开 放性和友好性，硬件配置a i o 。d i o ，1 2 8 点、2 5 6 点；可用以实现大多数工业 应用的组合装置，并通过工业以太网技术，实现无缝连接企业信息网。但是还没 有哪家企业形成系列化、规模化的工业以太网产品。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐述 了课题研究的来源、目的、意义以及国内外工业以太网研究的现状；第二章阐述 了工业以太网的发展和现状；第三章侧重于整个硬件系统的设计与构成，系统冗 余的设置等；第四章主要对系统实现可能出现的障碍困难及其解决进行理论分析 和仿真实验，主要包括对以太网延时的实验分析、优先级设置方案。第五章给出 了系统软件的设计与实现；最后第六章进行总结和展望。 5 上海大学硕士学位论文 第二章工业以太网技术简介 2 1 以太网简介 以太网( e t h o n e t ) 最初源自于1 9 7 5 年美国x e r o x 公司和s t a n d f o r d 大学建造的一 个2 1 9 m b p s i 拘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 多台计算机，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，这就是如今以太网的鼻祖。随后d e c ，i n t e l 及x e r o x 合作公布了以太网物理层和数据链路层的规范，称为d i x 规范。在此基 础上，1 9 8 2 年电气和电子工程师协会( i e e e ) 制定了i e e e8 0 2 3 标准。1 9 9 0 年2 月， 该标准被国际标准化组织采纳，正式成为国际标准。严格来讲，以太网与i e e e 8 0 2 3 在介质访问控制层( m a c ) 上采用了相同的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，但人们习惯上将i e e e8 0 2 3 标准即视为以太网【2 2 2 3 1 。 按照i s o o s i 的7 层参考模型，以太网标准只定义了物理层和数据链路层。作 为一个完整的通信系统，以太网需要高层协议的支持。7 0 年代中期，美国国防部 为其a r p a n e t 广域网( 即现在的d a r p a n e t ) 开发了t c p i p 高层通信协议，并 将以太网作为其物理层和数据链路层的协议。从此以后，以太网便和t c p i p 协议 紧密捆绑在一起了。近年来，由于国际互连i 习( i n t e r n e t ) 采用了以太网和t c p i p 协 议并得到广泛应用，人们甚至把如超文本连接h t t p 等t c p i p 协议组放在一起， 俗称为以太网技术。 以太网支持的传输介质很多，包括粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤 等，其最大优点是简单、经济，所以深受广大用户欢迎。最初的以太网主要针对 网上只传输数据的特点，因此采用共享式，网上所有节点访问网络的机会相等。 同时，采用c s m a c d 介质访问机制和1 坚持二进制指数后退( b i n a r ye x p o n e n t i a l b a c k o f f ) b e b 算法处理冲突卜一。采用这种机制，使以太网上的各站点无需依靠中 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。 当网络负荷较重的时候，就容易出现冲突，网络性能随之降低。由于冲突的处理 6 上海大学硕士学位论文 具有随机性，因此数据发送的通信延迟不确定，不能保证通信的实时性。 进入8 0 年代以后，随着网络的普及应用，传输的信息要求从单一的文本数据 发展到图、文、声、像的多媒体信息，因此对以太网通信速率、通信实时性等方 面的需求急剧增长。与此同时，微电子技术、计算机技术和通信技术的突飞猛进 也使以太网得到了飞速发展。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 以太网的传输速率从1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s ，1 g m b p s 发展到现在的1 0 g b p s ： ( 2 ) 以太网的网络结构从最初的共享式向交换式发展，交换式以太网的出现 是以太网技术发展的一次重大飞跃； ( 3 ) 以太网出现了大量的信息技术，如流量控制、信息优先级、虚拟局域网 等。随着信息技术的不断发展，以太网也必将随之不断发展。 2 2 工业以太网 2 2 1 工业以太网的出现 现场总线的出现，是自动控制领域的一次变革。从8 0 年代以来，现场总线 的发展非常迅猛，但其中也暴露出许多不足，主要有以下几个方面n n _ z4 。： ( 1 ) 现有的现场总线标准过多。自现场总线诞生以来，世界各大厂商纷纷投 入了大量人力和资金，开发了上百种现场总线，其中开放的现场总线也有二、三 十种。虽然广大仪表和设备开发商以及用户对统一的现场总线呼声很高，但由于 技术和市场经济利益等方面的冲突，各种现场总线经过l o 多年的争论也无法达 成统一。1 9 9 9 年千呼万唤中国际标准i e c 6 11 5 8 终于出台，但包含了8 个标准， 未能统一到单一标准上来。对用户而言，多标准等于无标准。 ( 2 ) 现场总线在其自身的发展过程中，都沿用了各大公司的专有技术，导致 相互之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访；同时也无一例外地过多强调了 工业控制网络的特殊性，而忽视了其作为一种网络通信技术的共性。因此，尽管 迫于市场和用户的压力，这些现场总线协议公开了，但其本质上还是“专有的” 其“开放性”仅是局部的，只是协议规范的公开，对于广大仪表和设备开发商来 讲，开发和实现技术还是专有的。同时，由于现场总线是的专有性，其成本也较 7 上海大学硕士学位论文 高。 ( 3 ) 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，要求企业从现场设备层到管理 层能够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 线由于速度较低，支持的应用有限，不便于和i n t e r n e t 信息集成，因此不能满足 企业综合自动化的发展要求。 9 0 年代中期，在现场总线迅猛发展的同时，以以太网为代表的 c o t s ( c o m m e r c i a l o f f - t h e - s h e l o ) 通信技术的发展也非常迅速，引起了自动化设 备厂商和广大用户的注意，以太网开始进入工业控制领域。与现场总线相比，以 太网具有以下优点【2 6 ，2 引： ( 1 ) 通信速率高。传统以太网的通信速率为l o m b p s - l o o m b p s 的快速以太网 已开始广泛应用，1g b p s 的以太网也己经逐渐成熟，1 0 g b p s 的以太网标准己经 推出，正得到快速发展。而传统现场总线的通信速率最高只有1 2 m b p s ，显然以 太网的通信速率比现场总线要快得多，可以满足对带宽的更高要求。 ( 2 ) 应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的网络通信技术，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 i s u a lc h 、 v i s u a lb a s i c 等。这些编程语言由于得到广泛使用，并受到软件开发商的高度重 视，具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证有多 种开发工具、开发环境可供选择。 ( 3 ) 成本低廉。由于以太网的应用广泛，因此受到生产厂商的高度重视与普 遍支持，有许多硬件产品可供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。目前以太网 网卡的价格只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线网卡的1 1 0 ，而且随着微电子技术的 发展，其价格还会进一步下降。 ( 4 ) 易于信息集成。由于具有相同的通信协议，以太网很容易与i n t e r n e t 连接， 能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。因此，工业控制网络采 用以太网，可以避免其发展游离于网络技术的发展主流之外，从而使工业控制网 络与信息网络技术互相促进，共同发展。 ( 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 的重视和吸引大量的技术投入。在信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很 8 上海大学硕士学位论文 大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将 更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。 此外，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，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 既然与现场总线相比，以太网具有诸多优点，那为什么一直以来以太网未能 用于工业控制领域呢? 这是因为以太网最初得到广泛应用是在办公自动化领域， r 1 ，1 它应用于工业控制领域时存在以下主客观障碍一1 ： ( 1 ) 通信存在不确定性，不能满足实时性要求。以太网采用c s m a c d 介质 访问机制和坚持b e b 算法处理冲突，和其他网络如令牌网、令牌环网、主从式 网络等相比，这是一种非确定性或随机性通信方式，导致了网络传输延时和通信 响应的不确定性。对于工业控制网络，以太网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：在有紧急事件发生时，还 可能因报警信息不能得到及时响应而导致灾难事故的发生，这是以太网应用于工 业控制领域的主要障碍。对于以太网的具体通信过程和通信响应的不确定性，本 文在第四章进行了详细的分析。 ( 2 ) 不适用于恶劣的工业现场环境。由于工业现场环境与商业环境相比，条 件恶劣，因此要求工业控制网络必须具备气候环境适应性，耐冲击、耐振动、防 尘防水，抗腐蚀以及较好的电磁兼容性，并要求很高的可靠性。 ( 3 ) 安全性和总线供电。对于应用于工业现场的网络，还要求具有向现场仪 表提供电源的能力，即总线供电：在易爆或可燃场合，还需要解决防爆包括隔爆、 本质安全等问题。 ( 4 ) 作为工业现场智能设备的核心组成部分微处理器，在2 0 世纪8 0 年代时 还处于初期发展阶段，功能简单，数字处理能力不强，不能处理以太网上捆绑使 用的t c p i p 协议。同时以太网发展初期的优势不够明显，其通信控制芯片价格 昂贵，应用不广泛，人们对其的熟悉程度非常有限，各种软硬件资源缺乏。 9 上海大学硕士学位论文 2 2 2 工业以太网发展现状 近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的突飞猛进，以太网也得 到了飞速发展，使以太网全面应用于工业控制领域成为可能。 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时， 在实时性、材质的选用、产品的强度( 耐压、耐温等性能) 以及适用性等方面能 满足工业现场的需要，表1 1 给出了工业以太网和商业以太网的性能比较。当前 工业以太网的发展体现在以下几个方面【3 4 3 s 1 ： ( 1 ) 通信实时性。 以太网的发展，给解决以太网的实时性问题带来了新的契机。 首先，以太网的通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减 小，同时发生冲突的机率大大下降。其次，采用交换式以太网减少或者消除了网 络上的冲突域，全双工通信使得端口间同时接收和发送信息，避免冲突的发生。 使以太网的实时性得到很大提高。再次，采用星型网络拓扑结构，以太网交换机 将网络划分为若干个网段，对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内数据的 传输只限在本网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而 降低了所有网段和主干网的网络负荷。此外以太网在近几年出现的信息优先级、 流量控制、虚拟局域网等新技术也都有助于提高以太网的实时性。 通信实时性问题是以太网应用于工业控制领域的关键，也是本论文的主要研 究内容，在下一节中，将对工业以太网的实时性问题予以专门的阐述。 ( 2 ) s e 、_ l k 环境适应性和可靠性。 工业以太网和商用以太网在工业环境适应性和可靠性的区别如下表1 1 所示。 在工业以太网的工业环境适应性和可靠性方面，国外一些公司也积极开发适用于 工业环境的网络设备和连接器件。美国s y n e r g e t i 微系统公司和德国h i r s c h m a n n ， j e t t e