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(控制理论与控制工程专业论文)基于工业以太网的智能控制器设计.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
、 ( , r r 、, 、 t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do ni n d u s t r i a l e t h e r n e t at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l u o x i a n g p i n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e r r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r : p r o f e s s o rz h a o y o n g s h e n g j u n e2 0 1 1 氓olj_ 一 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果, 撰写成博硕士学位论文 = = 基王王些丝态圆鲍蟹篚揎剑矍遮让:。除论文中已 经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定,即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中,并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 铲卜轹攀也 日期:of 1 年6 月孑de t 丫_ 一1 啄 。_ j 童 中文摘要 摘要 随着以太网技术的发展,解决了以太网在通信确定性、实时性、稳定性和可 靠性等方面问题,将其应用于工业控制网络成为近年来研究的新热点。我国自主 开发的e p a 标准被正式列入现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 中的第十四类型。 智能控制器是e p a 控制系统的重要组成部分,本文的主要内容是完成智能控 制器的设计与实现。 首先,分析了现场总线和工业以太网的发展及现状,结合以太网的特点和工 业控制网络通信的特点、要求,分析以太网用于工业控制的可行性及相对于现场 总线存在的优势。研究和学习智能控制器设计与实现过程中涉及的关键技术:e p a 工业以太网的体系结构,t c p i p 协议族,以及嵌入式的特点和实时操作系统 uc o s i i 。 其次,结合对关键技术的研究、分析以及智能控制器的特点,提出智能控制 器的总体设计。智能控制器的功能主要包括控制和通信两部分,本文侧重于通信 部分的研究。智能控制器主要功能是实现对数据的采集和处理,通过以太网通信 接口与上下层网络通信。与下层现场设备通信,完成控制信息和测量数据发布和 接收;与上层网络监控层设备通信,接收来自监控层设备的组态信息和控制命令, 以及将数据信息提交上位机进行显示更新,以实现远程监控。为适用与具有不同 通信接口的现场设备进行数据通信,还增加了c a n 通信接口、2 3 2 通信接口。 随后,完成智能控制器的软硬件的具体设计和实现。智能控制器的核心芯片 采用基于c o r t e x m 3 内核的3 2 位a r m 微控制器l m 3 s 8 9 6 2 ,硬件设计主要完成 外围接口电路的设计,具体包括:电源模块、开关量的输入输出模块、模拟量输 入模块、以太网接口、c a n 接口、r s 2 3 2 接口和j t a g 接口。软件的设计主要完 成数据的采集和处理以及e p a 通信协议的实现。最后,完成总体的调试,总结分 析过程中遇到的问题和不足。 关键词:智能控制器;工业以太网;e p a ;t c p i p ;嵌入式; 一 英文摘要 a b s t r a c t e t h e r n e th a sb e c o m ean e wh o ts p o ti ni n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ka r e ai nr e c e n t y e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe t h e m e t ,s o m ep r o b l e m si nc o m m u n i c a t i o n s ,s u c ha s a c c u r a c y , t i m e l i n e s s ,s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds oo n ,a r es o l v e d e p ap r o t o c o l ,w h i c h w a sp r o m o t e db yc h i n a ,w a sl i s t e df o r m a l l ya sc l a s s14o fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do ff i e l d b u si e c6 11 5 8 i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sa ne s s e n t i a lp a r to fe p a c o n t r o ls y s t e m ,a n di t sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o na r e t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ,c o m b i n i n gt h ef e a t u r e sa n dd e m a n d so ft h ee t h e m e ta n di n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ,t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef e a s i b i l i t yo fe t h e m e ta p p l i e di n i n d u s t r i a lc o n t r o l ,a sw e l la st h es t r e n g t h so fe t h e r n e tc o m p a r i n g 州t hf i e l db u s b e s i d e s , t h ed e v e l o p m e n to ff i e l db u sa n di n d u s t r i a le t h e m e ta r ea l s oi n t r o d u c e d t h ek e y t e c h n i q u e si n v o l v e di nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ef i e l dc o n t r o l l e ra r es t u d i e d , i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo fe p ai n d u s t r i a le t h e r n e ts y s t e m ,t c p i pp r o t o c o lg r o u p s ,t h e f e a t u r e so fe m b e d d e ds y s t e m ,a n dt h er e a lt i m eo p e r a t es y s t e ml - t c o s i i s e c o n d l y ,t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sp r o m o t e dc o m b i n i n gt h ea n a l y s e s o fk e yt e c h n i q u e sa n dt h ef e a t u r e so ff i e l dc o n t r o l l e r t h em a i nf u n c t i o n so ff i e l dc o n t r - o i l e ri n c l u d ec o n t r o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i n g ,a n dt h ep a p e rf o c u so nt h el a t t e r n e m a i nf u n c t i o no f i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri st or e a l i z et h ec o l l e c t i o na n do p e r a t i o nf o rd a t a , a n dt h e nc o m m u n i c a t ew i t hu p p e ra n dl o w e rn e t w o r kl a y e rt h r o u g he t h e r n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 耽ec o m m u n i c a t i o n sw i t hl o w e rn e t w o r kl a y e ri st oc o n t r o lt h ei n f o r m a t i o na n dt od i s t r i b u t ea n dr e c e i v e dt h em e a s u r e m e n td a t a t h ec o m m u n i c a t i o n sw i t h u p p e rn e t w o r kl a y e ri st or e c e i v et h ec o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o nf r o mm o n i t o rl a y e ra n d t h ec o n t r o lc o m m a n d s ,a n ds e n dt h ei n f o r m a t i o nd a t at ot h eh o s tc o m p u t e rf o rd i s p l a y a n du p d a t et oa c h i e v et h er e m o t em o n i t o r i n g f u r t h e r m o r e ,c a na n dr s 2 3 2t h et w o c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sa r ea d d e dt oc o m m u n i c a t ew i t hf i e l dd e v i c e sf o rd i f f e r e n t c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s t h e n ,t h ed e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra r ec o m p l e t e d t h ec o r ec h i po ft h ef i e l dc o n t r o l l e ri s3 2 - b i t sa r m m i c r - o c o n t r o l l e rl m 3s 8 9 6 2w h i c hi sb a s e do nc o r ec o r t e x - m 3 1 1 1 ed e s i g no fp e r i p h e r a l diot 了 英文摘要 i n t e r f a c ec i r c u i t si st h em a i np a r to ft h eh a r d w a r e ,i n c l u d i n gp o w e rb l o c k ,d i g i t a li o b l o c k ,a n a l o gi n p u tb l o c k s ,e t h e m e ti n t e r f a c e ,c a ni n t e r f a c e ,r s 2 3 2i n t e r f a c ea n dj t a gi n t e r f a c e d e s i g n so fs o f t w a r ei n c l u d ec o l l e c t i o na n do p e r a t i o no fs i g n a l s ,i m p l e m - e n t a t i o no fe p a p r o t o c 0 1 l a s t l y , s y s t e mo v e r a l ld e b u gi sd o n ea n dt h ee l t o r 8a n dd e f a u i t sa r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d k e yw o r d s :i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r ;i n d u s t r i a le t h e r n e t ;e p a :t c p i p ;e m b e d d e d t y p e ; 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 课题背景。1 1 2 工业以太网的发展与现状2 1 2 1 工业以太网的发展2 1 2 2 工业以太网的现状3 1 3 本课题的意义与研究任务5 第2 章e p a 工业以太网6 2 1e p a 概j 苤6 2 2e p a 的结构6 2 3e p a 网络拓扑结构7 2 4e p a 设备间的通信8 2 4 1e p a 连接对象一9 2 4 2e p a 系统管理实体9 2 4 3e p a 应用访问实体l0 2 4 4e p a 套接字映射实体1 l 2 4 5e p a 通信调度。1l 2 4 6 设备间的e p a 功能块应用进程通信过程1 2 2 6e p a 的技术特点l3 第3 章智能控制器的硬件设计与实现1 5 3 1 智能控制器的总体设计1 5 3 2 l m 3 s 8 9 6 2 概j 苤1 6 3 3 电源电路设计1 7 3 4 开关量输入输出电路设计l8 3 5 模拟量输入电路设计。19 3 6c a n 接口电路设计2 0 3 72 3 2 接口电路设计2 2 3 8 以太网接口设计2 2 3 9j t a g 电路设计2 4 第4 章智能控制器的软件设计2 5 4 1 智能控制器的软件总体设计2 5 7 一、o l ? 溶;够 r 、 目录 4 2 硬件驱动2 5 4 3 数据链路层j 2 9 4 4e p a 通信调度3 0 4 5 网络互联层3 4 4 5 1 口协议3 4 4 5 2a r p 协议3 6 4 5 3i c m p 协议3 8 4 6 传输层3 9 4 6 1 套接字3 9 4 6 2t c p 协议4 0 4 6 3u d p 1 i ! ) 议4 z i 4 7 应用层4 7 4 8 用户层4 7 4 9 在g c o s i i 上的实现4 8 4 9 1p c o s i i 内核的移植4 9 4 9 2 任务的划分与实现5 0 第5 章总结与展望- 5 3 5 1 总结5 3 5 2 展望。j :5 4 参考文献j :。0 。5 5 致 射5 7 v职撑 i 基于工业以太网的智能控制器设计 第1 章绪论 1 1 课题背景 工业自动化控制系统逐步向分布式和智能化的实时控制方向发展,使通信成为关 键,迫切要求统一的通信协议和网络的形成。迫切需要建立从管理层到控制层,并向下 延伸至工业现场设备层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 信息化系统乜1 。 2 0 世纪8 0 年代中后期,出现了现场总线,它使现场智能化装置与控制室设备之间 构成一个标准的数字式通信链路,实现双向、全数字化、多站总线式的数字通信,取代 了长时间运用的4 - 2 0 m a 的模拟信号标准,为工业控制系统全数字化奠定了基石。但是, 现场总线技术也存在:标准无法统一,多总线并存;总线之间不兼容,信息的无缝集成 无法实现;传输速率低;成本高;不易与上层信息网络无缝连接等缺点。 传统的以太网因无法满足工业控制网络对通信实时性的要求,一直未采用。然而, 随着i t 技术的不断发展,以太网的发展实现了质的飞跃。以太网增加了全双工通信技 术和交换技术等,提高了通信的速率,解决了通信的确定性、实时性、稳定性和可靠性 等方面问题,使以太网用于工业控制成为可能。并且以太网与现场总线相比具有应用广 泛,通讯速率高,软硬件资源丰富,可持续发展潜力大,应用支持技术成熟,易于与i n t c r n e t 连接,实现办公自动化网络和工业控制网络的无缝集成等优点【l 】。关于以太网用于工业 控制网络的研究成为工业控制网络研究的新热点。 2 0 世纪9 0 年代中后期,以太网开始被应用于工业控制领域,各现场总线组织纷纷 将以太网引入其现场总线的高速部分,以太网的标准化工作也已有多个组织开始从事。 在国家科技部8 6 3 计划的支持下,我国自主开发了现场总线国家标准用于工业测 量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范( 简称e p a 标准) 。该标准被列入现场总线国 际标准m c 6 11 5 8 ( 第四版) 和实时以太网应用行规国际标准i e c 6 1 7 8 4 - 2 ,标志着我国第 一个拥有自主知识产权的现场总线国际标准叫p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 得到i e c 的正式承认,全面进入现场总线国际标准化体系。开发基于e p a 工业以太网的 j p , 娃一l 7 , 虹r静 第1 章绪论 智能控制器,对工业以太网e p a 标准的推广应用进行积极的探索,本文正是在这样的背 景下立题的。 1 2 工业以太网的发展与现状 1 2 1 工业以太网的发展 工业以太网是在技术上与商用以太网兼容,但是,在产品的设计时,材质的选用、 产品的强度和适用性等方面满足工业现场的要求,即实时性、安全性、环境适用性、可 靠性掣2 1 。2 0 世纪9 0 年代中后期,国内外各大工控公司纷纷将以太网应用于其控制系 统,推出了基于以太网的产品,如p l c 、数据采集器、现场仪表等。 1 9 7 5 年,美国x e r o x 公司建造了一个2 9 m b i t s 的c s m a c d ( 载波侦听多路访问 冲突检测) 系统,以曾经表示传播电磁波的“以太( e t h e r ) 命名,这就是以太网起源。1 9 8 0 年,x e r o x 、i n t e l 和d e c 三家公司共同起草了以太网标准,该标准并于1 9 8 5 年被i e e e 8 0 2 委员会吸收为i e e e 8 0 2 3 标准。 以太网采用c s m a c d 介质访问机制,网上的节点访问网络的机会均等,在网络负 荷重的时候,容易产生冲突,不能保证数据在预定的时间内到达目的端,通信的实时性 不能保证。工业控制网络与普通的数据网络不同,它直面生产过程,必须满足强实时性。 传统以太网的不确定性难以满足工业工业控制网络的实时性要求,一直未被采用。 然而,随着信息技术的发展,以太网有了很大的发展。( 1 ) 通讯速率的提高,从1 0 m 、 1 0 0 m 发展到1 0 0 0 m ,甚至1 0 g ,这意味着在数据吞吐量相同的情况下,网络负荷的减 轻,传输时延的减小,也就使碰撞几率的下降。( 2 ) 交换式以太网的出现,使用交换机作 为核心连接设备,它的各端口间同时存在多个的数据通道,这些数据通道可以是站点与 站点、站点与网段或者网段与网段间。交换机具有隔离功能,将网络划分为若干个网段, 并且交换机有数据存储和转发的功能,使各端口间数据帧的收发得到缓冲,避免发生碰 撞;同时交换机可以对网络上传输的数据进行过滤,使网段内的数据传输只限制在本地 网段内,降低所有子网段和主干网的负荷。( 3 ) 采用全双工通讯方式也大大减少了冲突。 这些从根本上解决了以太网通信的确定性和实时性问题,使其从用于办公自动化悄悄地 走向了工业自动化1 】,【2 】。 苫 基于工业以太网的智能控制器设计 另外,工业控制网络的通信还具有以下特点:周期性与非周期性信息同时存在,传 输的数据多为周期性测量和控制数据,而非周期性的数据传输很少;数据流向的方向性 也很明显,即从变送器将测量信息传到控制器,控制器将控制信息传到执行机构,网络 负荷较为平稳,对网络传输的吞吐量要求并不高,因此以太网用于工业控制网络是完全 可能的 1 】,【2 】。 在各种现场总线的激烈竞争中,工业以太网以通信速率高、应用广泛、成本低廉、 可持续发展潜力大、易于与i n t e m e t 连接、应用支持技术成熟等优点而异军突起,获得 全球的技术支持【1 1 。 各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线的高速部分,结合以太网、t c p i p 协议以及原来的低速现场总线应用层协议,构成工业以太网协议,如f f ( 现场总线基金 会) 的h s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) ,p r o f i b u s 国际( p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ) 的p r o f i n e t 、 c o n t r o l n e t 国际( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 和开放设备网制造商协会( o d v a ) 的e t h e r n e t i p 在盘囱堑 奇岢o 1 2 2 工业以太网的现状 目前,以太网已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、控制层等中上层得 到了广泛应用,并有向下延伸应用于工业控制现场的趋势,成为研究的新热点。未来, 在工业企业综合自动化系统中的现场设备间的互连和信息集成中,工业以太网将发挥越 来越重要的作用【2 1 。 国际上工业以太网的标准化工作已有多个组织从事,以推动工业以太网在工业控制 领域的全面应用。目前,比较典型的工业以太网有以下几种 ( 1 ) m o d b u s i d a 工业以太网 i d a ( i n t e r f a c ef o rd i s t r i b u t e da u t o m a t i o n ) 组织和m o d b u s 组织都致力于建立基于 e t h e r n e tt c p i p 和w e b 互联网技术的分布式智能自动化系统,m o d b u s d a 工业以太网 是两组织联合开发的。 m o d b u s i d a 通信协议建立在面向对象的基础上,提供实时服务和非实时服务。非 实时服务是基于t c p i p 协议,采用1 1 r 的成熟技术,如h t r p 、f t p 、s n m p 、s m t p 等; 实时服务建立在r t p s ( r e a l t i m ep u b l i s h s u b s c r i b e ) 上,采用实时发布者预订者模式。 西。l r 第1 章绪论 ( 2 ) e t h e m e t i p 工业以太网 c i ( c o n t r o l n e ti n t e r n e t i o n a l ) 、i e a ( t h ei n d u s t r i a le t h e r n e ta s s o c i a t i o n ) 和o d v a ( o p e n d e v i c en e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 在2 0 0 3 年发表了e t h e r n e t i p ,该协议是公开的,支持显 现和隐性报文,使用有源星形拓扑结构。 在t c p i p 上加入c 口( 控制和信息协议) ,提供公共的应用层,提高设备间的互操作 性,是e t h e r n e t i p 成功的关键。c i p 的控制部分用来实现实时i o 通信,信息部分用来 实现非实时信息交换。 ( 3 ) f fh s e 工业以太网 1 9 9 8 年,美国的f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 决定上层通信网络的主干网采用高速以太 网技术开发h 2 现场总线,控制级以下仍使用h 1 现场总线。f fh s e 网络遵循标准的以 太网规范,使用连接设备连接h 1 子系统。f fh s e 的1 4 层采用现有的以太网、t c p i p 和i e e e 标准。 ( 4 ) p r o f i n e t 工业以太网 p n o ( p r o f i b u sn e to r g a n i z a t i o n ) 组织在2 0 01 年8 月发表了p r o f i n e t ,用于p r o f i b u s 纵向集成的、开放的、一致的综合系统解决方案。 p r o f i n e t 规范将p r o f i b u s 协议与微软的自动化对象模型c o m d c o m 标准、t c p i p 协议及工控软件互操作规范o p c 技术等有机的结合起来,试图实现对所有自动化装置 都透明的、面向对象的结构体系。 ( 5 ) e p a e p a 标准是一种用于工业自动化系统的实时动态网络通讯协议。该协议是在“8 6 3 ” 计划支持下,由浙江大学、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位的科技人员 联合制定的。e p a 标准的主要内容是解决确定性通信的调度规范、功能块规范、定义基 于以太网和t c p i p 协议的应用层服务和协议规范、基于x m l 的设备描述等内容,实现 工业企业自动化系统从管理层、过程监控层到现场设备层的无缝信息集成。 1 3 本课题的意义与研究任务 以太网全面应用于工业控制网络具有美好的前景,我国对工业以太网的研究要比国 、一 vlb十“i j 基于 业以太网的智能控制器设计 外晚一些,但是经过努力,我国研制的e p a 标准得到国际电工委员会的正式承认。 本文研究基于以太网的智能控制器,对以太网用于工业控制进行积极有益的探索。 本文的研究任务是: 首先,总体分析智能控制器的特点,应具备的各项功能,采用基于c o r e t e x m 3 内 核的l m 3 s 8 9 6 2 作为核心芯片,完成外围接口电路的设计。 其次,学习e p a 工业以太网的体系结构以及t c p i p 协议,采用模块化设计,完成 e p a 通信协议栈的软件实现。 然后,学习l ac o s i i 嵌入式实时系统,实现l ac o s i i 在l m 3 s 8 9 6 2 上的移植以及 在l ac o s i i 平台上实现各模块的功能。 最后,进行总体的调试和通信测试。 , , - ,稃卜, 第2 章e p a 工业以太网 第2 章e p a 工业以太网 2 1 e p a 概述3 1 e p a 系统是一种分布式系统,利用g b t1 5 6 2 9 3 1 9 9 5 、i e e es t d8 0 2 1 1 、i e e es t d 8 0 2 1 5 等协议定义的网络,将分布在现场的若干个设备、小系统以及监控设备连接起来, 所有设备一起运作,共同完成工业生产过程和操作中的测量和控制。e p a 系统结构提供 了一个系统框架,描述若干个设备如何连接起来,以及它们之间是如何进行通信、交换 数据以及组态。 2 2e p a 的结构 e p a 采用了i s o o s i 中的一、二、三、四、七层,即物理层、数据链路层、网 络层、传输层、应用层,并在数据链路层上增加了e p a 通信调度实体,在应用层上增 加了e p a 用户层。 e p a 的系统结构如图2 1 所示,除了i t 应用协议,e p a 套接字映射实体,u d p t c p , i p ( a r p 、r a r p 、i g m p 、i c m p ) ,i s o i e c8 0 2 3 i e e e8 0 2 11 i e e e8 0 2 15m a c , i s o i e c8 0 2 3 i e e e8 0 2 11 i e e e8 0 2 15 物理层,还包括: ( 1 ) 应用进程a p 。 a p ( a p p l i c a t i o np r o c e s s ) 包括e p a 功能块应用进程与非实时应用进程,两者可以在 一个e p a 系统中并行运行。 e p a 功能块应用进程是根据i e c6 1 4 9 9 1 、i e c6 1 4 9 9 2 、i e c6 1 4 9 9 4 协议定义的“工 业工业过程测量和控制系统用功能模块”和i e c6 1 8 0 4 协议定义的“过程控制用功能块” 所构成。功能块间的互操作模块化为将一个功能模块的输入连接到到另一个功能模块的 输出【3 1 。功能块间的信息交换可能存在于功能块a p 之间或之内。位于同一e p a 设备内 的功能块间的接口由本地定义,不同设备间的由e p a 应用层服务实现。 非实时应用进程是指基于h t t p 、f t p 等i t 应用协议的应用进程,如h t t p 服务应 用进程。 ( 2 ) e p a 应用实体。 j r 掣 专 , “ ! 叁 基于工业以太网的智能控制器设计 它由e p a 系统管理实体和e p a 应用访问实体组成,描述通信对象、服务以及与上 下层接口模型,为功能应用进程的实例间的通信提供通信服务,包括:域上载下载、变 量访问、事件管理、设备管理、系统管理信息库等。功能块应用进程的功能块实例问通 过这些服务实现测量数据、控制命令的传输等功能。 ( 3 ) e p a 通信调度管理实体 它采用分时发送机制,按事先组态好的调度方案,控制e p a 设备周期性与非周期 性报文发送时间,避免碰撞。 非实时应用进程 e p a 套接字映射实体 i t 应用协议 u d p i p ( a r p 、r a r p 、i g m p 、i c m p ) e p a 通信调度管理实体 i s o i e c8 0 2 3 i e e e8 0 2 11 i e e e8 0 2 15m a c i s o i e c8 0 2 3 i e e e8 0 2 1i i e e e8 0 2 15 物理层 图2 1e p a 的通信协议模型 f i g 2 1c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm o d e lo f e p a 2 3e p a 网络拓扑结构 e p a 的网络拓扑结构如图2 2 所示,由监控级l l 网段和现场设备级l 2 网段组成。 l 1 和l 2 均可以划分为若干个微网段。 曲l ? 第2 章e p a 工业以太网 图2 2e p a 系统网络拓扑结构 f i g 2 2t h e n e t w o r kt o p o l o g yo fe p a s y s t e m e p a 控制系统主要有e p a 主设备、e p a 网桥、e p a 现场设备、e p a 无线接入设备 等几类【3 】o e p a 主设备是监控级网段上的e p a 设备,如操作站、工程师站等,具有e p a 通信 接口,一般是实现组态、监控的设备或是人机接口等。在系统中,它的口地址是唯一 的。 e p a 现场设备即处于工业现场的设备,具有e p a 通信实体,并包含至少一个功能 块实例,如变送器、开关、智能控制器、执行器等。 一个微网段就是一个控制区域,由几个e p a 设备连接组成。在微网段内,e p a 设 备间互相通信以实现某些特定的测量和控制功能。 2 4e p a 设备问的通信 两个e p a 设备间的通信过程如图2 3 所示。 。 备 奄 ; 峥 基于工业以太网的智能控制器设计 e p a 连接对 功能块实例 功能块实例 ,+千+ e p a 连接对 象 象 e p a 应用访 e p a 应用访 问实体 问实体 千 , e p a 系统管lie p a 套接字 映射实体r 叫一理妥袜9理实体r 叫 映射实体 + u d p u d p 千 千 e p a 设备1 i p i p e p a 设备2 + e p a 通信调 e p a 通信调 度管理实体 度管理实体 0;了三 i s o i e c8 0 2 3 i e e e8 0 2 11 i e e e8 0 2 1 5m a c p h y 图2 3e p a 设备闻通信 f i g 2 3t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne p ad e v i c e s 2 4 1e p a 连接对象 e p a 链接对象描述了功能块实例间的通信链路,以及设备在通信关系中所扮演的角 色,即指示数据从何而来去向何方【3 】。e p a 链接对象由o b j e c t l d 标识符唯一标识。功能 块实例间的通信链路由3 级标识符组成: ( 1 ) 设备的p 地址,源目的设备的口地址s o u r c e l p 和d e s t i n a t i o n l p ; ( 2 ) 功能块实例标识符a p p i d ,源目的功能块实例标识符:s o u r c e a p p i d 和 d e s t i n a t i o n a p p i d ; ( 3 ) 功能块实例中参数的索引o b j e c t l d ,源目的对象索引s o u r c e o b j e c t i d 和 d e s t i n a t i o n o b j e c t i d ; 2 4 2e p a 系统管理实体 e p a 系统管理实体及其服务支持对设备的各种管理操作,包括设备的识别、地址分 配、对象定位、时间同步等【3 1 。 第2 章e p a 工业以太网 e p a 设备可以由设备标识符d e v i e e i d 、设备物理地址p dt a g 、设备冗余号 r e d u n d a n c y n u m b e r 或p 地址来标识。d e v i c e i d 是由设备的制造商设定的唯一标识符, p d t a g 是在设备组态时分配的一个物理位号。 e p a 网络上的物理设备由设备的口地址或是p dt a g 来进行定位;设备中的功能 块对象由功能块实例位号或功能块实例标识符定位;功能块实例的参数由对象标识符定 位。 系统管理实体提供的服务有以下6 种,优先级均为2 : ( 1 ) e p a 设备查询服务:无证实的服务,根据设备的p dt a g 或功能块实例位号( f b t a g ) 或功能块实例中参数对象的索引查询网络地址,实现定位,以广播或单播的方式发 送。刚加入网络的设备用该服务查询自己的p dt a g 与网络上的其他设备p dt a g 是否冲 突。 ( 2 ) e p a 设备查询应答服务:作为e p a 设备查询服务的应答,返回被查询对象的 i p 地址,以及该对象所在设备的d e v i c e i d 、p dt a g 。 ( 3 ) e p a 设备属性查询服务:证实服务,主机发送这个服务来读取指定设备的各个 属性,可以检查设备在网络上是否运行正常。 ( 4 ) e p a 设备声明服务:无证实服务,设备以周期广播的方式发送该服务报文,以 表示设备在网络上存在。 ( 5 ) e p a 设备属性设置服务:设置指定设备物理位号等属性。 ( 6 ) e p a 设备属性清除服务:清除设备的p dt a g ,恢复设备的出厂设置。 2 4 3e p a 应用访问实体 e p a 应用访问实体为应用进程间的通信提供接口,由域a s e ( 应用服务元素) 、事件 a s e 、变量a s e 等组成。 域是存储器的一部分,可以用来存储数据或是程序。对域对象的操作有域上载服务 和域下载服务2 种,优先级均为2 。域上载和下载的数据的最大不能超过5 1 2 个字节, 超过可以分包编号依次下载或上载。 ( 1 ) 域上载服务:证实服务,将设备域对象中的数据或程序上载到用户应用程序。 、= j c 譬 q b 蝠 基于工业以太网的智能控制器设计 、( 2 ) 域下载服务:证实服务,实现向e p a 设备的域下载数据或程序。 事件a s e 主要功能是发送重要的事件信息到一个或多个甚至是所有设备。发送条 件由用户定。提供以下3 种服务,优先级均为1 。 ( 1 ) 事件通知服务:无证实服务,应用进程通过调用此服务来报告事件,传送事件 的序列号及事件的数据( 如测量值、状态等) ,采用组播或广播的方式发送; ( 2 ) 事件确认服务:证实服务,接收到事件通知方调用此服务对事件进行确认; ( 3 ) 改变事件条件服务:证实服务,事件通知服务的接收方通过调用此服务来锁定 或不锁定事件通知。 变量a s e 实现对变量对象的读写、信息发布功能,变量对象由唯一的索引o b j c t i d 标识它的逻辑位置。对变量对象的操作服务有以下3 种: ( 1 ) 变量读服务:证实服务,优先级为2 ;调用此服务读取变量的具体数值; ( 2 ) 变量写服务:证实服务,优先级为2 ;用于设置变量的具体数值; ( 3 ) 变量发布服务:非证实服务,优先级为o ;用来分发变量对象的具体数值,实 现功能块间输入输出参数的交互,采用组播或广播
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