（控制科学与工程专业论文）profinet技术的研究与开发.pdf

摘要 p r o f i n e t 技术的研究与开发 摘要 由于i t 技术不断的更新与发展，并已被引入工业控制领域，工业以 太网技术的提出也就有了其理论依据，其前景也非常广阔。近年来工业以 太网技术也越来越多的应用在工业控制领域。 用工业以太网技术作为现场总线技术的主体部分，应用相应的网关设 备，可以使得现场总线技术与工业以太网技术能够较好的融合在一起，并 使工业以太网技术应用于控制系统的信息层、控制层，同时不断地向工业 控制领域的底层延伸，此技术的出现标志着现场总线技术有了重大的革 新。p r o f i n e t 是p r o f i b u s 国际组织( p i ) 创新的基于工业以太网的开放 标准，同时也可以采用网关结构，来集成p r o f i b u s 设备到工业以太网上来， 降低了产品升级的成本。分析了p r o f i n e t 技术及相应产品的发展前景， 并设计一款基于p r o f i n e t 技术的远程i o 设备，可以使p r o f i b u s 设备集 成到工业以太网络中来，同时也可以设计成网关设备。 根据工业以太网p r o f i n e t 的技术特点，设计了基于p r o f i n e t 的 远程i 0 设备，根据其特性选择了3 2 位的a t m e l 公司多接口a r m 7 芯片， 设计了硬件电路图，同时移植g c o s i i 实时操作系统，分析了嵌入式w e b 服务器的实现原理，并实现了嵌入式w e b 服务器的功能、工业以太网到 p r o f i b u s 的网关功能，同时在远程i 0 设备上是实现了m o d b u s t c p 协议。 课题完成的功能有：( 1 ) 在硬件选型方面，采用具有多接口模块的 北京化上大学硕上学位论文 a t m e l 公司的a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 ，使i o 模块具备多用途网关功能，为下一 步开发多用途的网关设备打下基础，有较好的市场价值。( 2 ) 在软件开发 方面，设计了嵌入式w e b 服务器，其独特的e g i ( 嵌入式网关接口) 功 能，使其完成更多功能。自行设计的i p 地址转换报文可以方便的进行由 客户端到服务器端的i p 地址配置。( 3 ) 自行设计的双口r a m 控制权握 手协议，为网关设备的数据缓冲提供了了解决方案。( 4 ) 基于工业以太网 p r o f i n e t 的远程i o 设备，可以通过o p e ni e ( 开放式以太网) 方式， 实现第三方设备与西门子p l c 的互连，同时也可以把以太网模块加入 m o d b u s t c p 等程序，使此远程i o 设备的应用层协议多元化。 关键词：工业以太网，p r o f i n e t ，远程i o ，嵌入式w e b 服务器 i l a b s t r a c t t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp r o f i n e t t e c h n o l o g y a b s t r a c t a st h eu p d a t ea n dd e v e l o p m e n to fi tt e c h n o l o g yc o n t i n u a l l y , a n dh a s b e e ni n t r o d u c e di n t ot h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，i n d u s t r i a le t h e r n e t t e c h n o l o g yp r o p o s e da l s oh a si t st h e o r e t i c a lb a s i s ，i t sp r o s p e c t sa r ev e r yb r o a d i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ei n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g yh a sa l s ob e e n a p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i a lc o n t r o la r e a s u s i n gi n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g ya st h em a i np a r to ft h ef i e l db u s t e c h n o l o g y ，u s i n gt h ec o r r e s p o n d i n gg a t e w a yd e v i c e ，c o u l dm a k ef i e l db u s t e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g i e si n t e g r a t e b e t t e ra n de n a b l e i n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g ya p p l i e di nc o n t r o ls y s t e m si n f o r m a t i o nl a y e r , c o n t r o ll a y e r , w h i l ec o n t i n u i n gt oe x t e n dt h eb o t t o ml a y e ro ft h ef i e l do f i n d u s t r i a lc o n t r o l ，t h ee m e r g e n c eo ft h i st e c h n o l o g ym a r k sab i gi n n o v a t i o ni n f i e l d b u st e c h n o l o g y p r o f i n e ti sai n n o v a t i v eo p e n s t a n d a r d sb a s e do n i n d u s t r i a le t h e r n e tw h i c hb e l o n g st ot h ep r o f i b u si n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n s ( p i ) ，a n da l s oc a n u s et h eg a t e w a ys t r u c t u r et oi n t e g r a t ep r o f i b u sd e v i c e si n t o i n d u s t r i a le t h e m e t ，w h i c hr e d u c et h ec o s to fp r o d u c tu p g r a d e s a n a l y s i n gt h e p r o s p e c t s o ft h ep r o f i n e tt e c h n o l o g ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o d u c t s ， d e s i g n i n g ar e m o t ei od e v i c eb a s e do np r o f i n e t , w h i c hc a ni n t e g r a t e i u 北京化工大学硕上学位论文 p r o f i b u sd e v i c e st oi n d u s t r i a le t h e m e tn e t w o r k s ，a l s oc a nb ed e s i g n e di n t oa g a t e w a yd e v i c e a c c o r d i n g t ot h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi n d u s t r i a le t h e r n e t p r o f i n e t , ar e m o t ei o d e v i c e sb a s e do np r o f i n e tw a sd e s i g n e d ， c h o o s i n g a3 2 一b i ta r m 7c h i pa t m e l ，m u l t i - i n t e r f a c ea c c o r d i n gt ot h e i r c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g n i n g t h eh a r d w a r ec i r c u i t ，w h i l e g c o s - i i r e a l - t i m e o p e r a t i o ns y s t e mw a st r a n s p l a n t d e d ，a n a l y s i so f r e a l i z a t i o no ft h ep r i n c i p l et h e e m b e d d e dw e bs e r v e r , a n dt oa c h i e v et h ef u n c t i o n so fe m b e d d e dw e bs e r v e r , t h eg a t e w a yf u n c t i o nf r o mi n d u s t r i a le t h e m e tt op r o f i b u s ，w h i l et h er e m o t e i od e v i c e a c h i e v e dm o d b u s t c p p r o t o c 0 1 t h ep r i n c i p a lf u n c t i o n s ：( 1 ) i nt e r m s o fh a r d w a r es e l e c t i o n ，t ou s e m u l t i i n t e r f a c em o d u l ew i t ha t m e lc o r p o r a t i o n sa t 91s a m 7 x 2 5 6 ，w h i c h m a d et h ei om o d u l ew i t hm u l t i g a t e w a yf u n c t i o n a l i t y , t om a k eaf o u n d a t i o n f o r t h ed e v e l o p m e n to fm u l t i - p u r p o s eg a t e w a yd e v i c e ，a n dh a v i n gab e t t e r m a r k e tv a l u e ( 2 ) i ns o f t w a r ed e v e l o p m e n ta s p e c t ，e m b e d d e dw e bs e r v e rw a s d e s i g n e d ，a n di t su n i q u ee g i ( e m b e d d e dg a t e w a yi n t e r f a c e ) f u n c t i o nm a k e i t c o m p l e t em o r ef u n c t i o n s t h es e l f - d e s i g n e di pa d d r e s st r a n s l a t i o nm e s s a g e c o u l de a s i l yc a r r yo u ti pa d d r e s sc o n f g u r a t i o nf r o mc l i e n tt ot h es e r v e r ( 3 ) t o s e l f - d e s i g n e dt h ed u a lp o r tr a m h a n d s h a k ep r o t o c o lf o rt h eg a t e w a yd e v i c e ， w h i c hp r o v i d e sad a t ab u f f e r i n gs o l u t i o n ( 4 ) t h er e m o t ei 0d e v i c e sb a s e do n p r o f i n e ti n d u s t r i a le t h e r n e tc o u l da c h i e v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h i r d p a r t ye q u i p m e n ta n ds i e m e n sp l ct h r o u g ho p e ni e ( o p e ni n d u s t r i a l i v a b s t r a c t e t h e r n e t ) m o d e ，m e a n w h i l et h ei od e v i c ec o u l da d dm o d b u s t c po ro t h e r p r o g r a m st ot h ee t h e m e tm o d u l e ，w h i c hm a k et h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l o ft h er e m o t ei od e v i c e sm o r ed i v e r s i t y 1 ( e yw o r d s ：e t h e r n e t ，p r o f i n e t ，r e m o t ei 0 ，e m b e d d e dw e bs e r v e r 、j 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：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外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：侦吼竺! ：竖墨 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：兰! 竺：! ：堑 日期： 第一章绪论 第一章绪论 由于i t 技术的不断发展与创新，其传输数据的快速性、高效性及稳定性开 始不断的渗透到工业控制领域中来。在此情况下，提出了工业以太网的理论依据， 并使其广泛的应用到工业控制领域中来，其较高的稳定性、实时性、安伞性、高 效性，已被工业自动化系统所证明，它的诞生具有里程碑式的意义。 工、i k 以太网p r o f 仆厄t 是p r o f i b u s 国际组织( p i ) 创新的基于工、i k 以太网 的开放标准，它的提出也是针对现今以太网技术的发展而产生的一种新的技术， 它将工厂自动化的设备层和企业管理层有机地连接到了一起，完整的保留了 p r o f i b u s 的开放性，用来集成p r o f i b u s 设备到工业以太网上来，可降低了产品升 级的成本，同时它的提出有助于高速通信数据的快速传输。 现场总线控制系统已经广泛的的应用在工业生产与控制领域，由于产品更新 换代，需要应用工业以太网技术，但如果大量改用工n k 以太网系统，会造成巨大 的浪费，由此针对工业以太网到现场总线系统的网关设备的开发业具有很大的市 场前景。各控制设备问的通信都是传统的r s 2 3 2 通信接口或者是以r s 4 8 5 通信 接口为底层的m o d b u s 协议，在扩建、改造、升级或加大生产时，如果要使用更 高效、更快速、更安全的工业以太网技术，为了降低改造升级成本，则需要网关 设备即协议转换器，再加以i o 功能，即可实现工业以人网远程i o 的功能。这 样的产品不仅有网关( 协议转换) 的作用，同样可以具有i o 的采样能力，可以 更好的开拓t 业以太网技术的产品开发市场，对工业以太网技术的应用具有重要 的意义。 1 1 工业以太网的提出及发展 现场总线控制系统现阶段已经广泛的应用在现场级别的通信与控制方面，由 于i t 技术的不断创新，智能设备也逐渐的应用到了现场总线控制系统中来，随 着智能设备的不断增加，数据量的传输不断加大，导致了传输瓶颈的出现，现场 总线控制系统也达到其性能的极限，需要新技术来进行扩充。由于l t 技术的加 入，工、i k 以太网可以承担起现场总线控制系统的多数据量的高速传输，它的引入 使得性能极限得以突破，由于其具有海量数据的高速交换功能，未来将广泛的应 用在工业生产控制领域大有取代现场总线之势【l 】。 自动化技术的发展不断的受到计算机网络技术以及已确立的网络标准的影 响，工业以太网技术也越来越多的应用到自动控制领域，用工业以太网技术作为 现场总线技术的主体部分，使用相应的网关设备，可以使得现场总线技术与工j i k 北京化工大学硕上学何论文 以太网技术能够较好的融合在一起，并使工业以太网技术应用于控制系统的信息 层、控制层，同时不断地向工业控制领域的底层进行延伸，此技术的出现标志着 现场总线技术有了重大的革新【2 j 。 1 9 8 5 年，i e e e 8 0 2 3 被采纳为标准，西门子公司在s i n e ch 1 名下引入应用 在工业中的以太网，这就是工业以太网的诞生。跟普通的以太网技术相比较，西 门子公司名下s i n e ch i 的优势在于其具有固定的螺钉连接、抗干扰性强、以及 设备系统范围的接地概念，相比于普通以太网技术来说更加稳定安全。s i n e ch 1 体现了工业以太网的一个基本的理念，即工业以太网的提出需要充分应用现有的 标准。当普通以太网的标准定义没有考虑到牛产过程及恶劣环境影响的时候，才 应该考虑对现有标准进行改变，从而保证了工业以太网和传统以太网设备交互的 畅通无刚3 1 。各大公司也随着工业以太网技术的提出，加快了自己工业以太网研 发的速度，提出了具有各自特色的工业以太网技术，其中包括p r o f i n e t ， c o n t r o i n e t ，m o d b u s t c p 等，它们都有着工业以太网的特性。p r o f i n e t 就是 工业以太网技术中的一种，它是p r o f i b u s 国际组织( p i ) 创新的基于工业以太网 的开放标准，同时也可以采用网关结构，来集成p r o f i b u s 设备到工业以太网上来， 它降低了产品升级的成本，同样支持在工厂自动化领域和运动控制领域中的解决 方案。 1 2 课题的来源 本课题来自中国现场总线p r o f i b u s 技术资格中一g ( c p c c ) 与北京鼎实创新 科技有限公司。该公司作为中国地区唯一一家p r o f l b u s 技术资格中心，多年 来从事于现场总线产品的研究与开发工作，已经有多种产品问世。由于工业以太 网技术已经渗透到工业领域，本课题就是针对工业以太网技术的发展前景及应用 市场，提出了一种基于工业以太网p r o f i n e t 技术的远程i o 设备。此设备具 有可以与其他工业以太网络系统中的设备相通信的功能，同时也可以作为集成 p r o f i b u s 总线系统的网关设备米设计的。 1 3 课题的主要任务 就工业以太网技术的发展而言，已有多家公司推山了针对自己产品的工业以 太网技术，p i 组织也推出y s l l 业以太网p r o f i n e t 技术，已经在我国有多家工 厂进行了应用。目前在国内市场，p r o f i n e t 的应用还处于初级发展阶段，只 有为数不多的公司采用p r o f i n e t 结构进行布局。国内针对p r o f i n e t 技术开 2 第一章绪论 发的设备还在起步阶段，也有诸多问题需要解决，同时随着工业以太网技术的不 断发展，这种基于工业以太网的远程i o 设备具有较大的市场潜力与前景。 本课题的主要任务是设计开发基于工业以太网p r o f i n e t 的远程i o 设备。 需要对工业以太网p r o f i n e t 技术进行研究，研究其系统模型和通信调度机制， 并根据技术特点从硬件和软件两方面阐述远程i o 设备的实现方案，在此基础上 可进行p r o f i n e t 远程i o 的设计和开发。其内容包括： ( 1 ) 远程i o 设备的硬件电路设计及软件开发实现。充分了解远程i o 的 通信机理，完成工业以太网的通信，并实现其功能。 ( 2 ) 在a r m 平台下，设计开发嵌入式w e b 服务器，分析嵌入式w e b 服务 器的实现原理，针对现行的嵌入式w e b 服务器提出新型的解决方案。 ( 3 ) 研究网关设备的组成架构，设计完成网关设备的硬件架构，熟悉不同 协议间的数据传输的形式，开发设计了数据转换的握手协议，针对双口r a m 进 行编程，为实现多用途的网关设备提供硬件条件。 ( 4 ) 实现远程i o 平台作为第三方设备，与西门子p l c 相通信。 1 4 课题的实现意义 基于p r o f i n e t 的远程i o 设备的开发具有广阔的市场前景，由于它既可以 应用于p r o f i b u s 系统中，又可以提供接口使数据传输剑工业以太网中，为设备的 升级提供了个低成本的解决方案，同时多种接口的开发，也可以为不同协议间 的数据传输提供了一个转换的平台，使其他总线上的数据可以传送到工业以太网 ( p r o f i n e t ) 中来。 工业以太网p r o f i n e t 技术在工业控制领域的有着非凡的性能，由于 p r o f i n e t 技术刚刚在国内推广，应用在工业以太网络中的设备没有相应的接 口，有些企业的设备仍旧应用p r o f i b u s 接口或r s 2 3 2 ( r s 4 8 5 ) 接口，如果单纯 使用工业以太网技术，会造成成本的增加和设备的浪费。本课题的研究开发工作， 就是针对工业以太网( p r o f i n e t ) 技术，研发远程i o 设备，同时可以兼做工 业以太网至p r o f i b u s 或者r s 2 3 2 ( r s 4 8 5 ) 接口的网关模块，势必将推动工业以 太网技术的发展。本课题对工业以入网国际标准之一的p r o f i n e t 技术进行了 研究，并针对其特点进行了开发，设计了基于工业以太网p r o f i n e t 的远程i o 设备，具有极大的市场开发潜力，对自动化控制技术和工业网络通信的研究具有 推动作用。 木课题介绍了广泛应用在工业现场的p r o f i n e t 技术，选用3 2 位a r m 7 平台，构建多接口网关模块，研究并设计了基于t 业以太嘲p r o f i n e t 的远程 北京化上大学硕士学位论文 i 0 设备，更好的实现了高性能、低成本、实时性高、安全且可靠的工业以太网 的要求。 1 5 小结 本章简单介绍了工业以太网的提出及其近些年来的发展，同时阐述了本课题 的主要任务、课题来源及未来实现的重要意义。 4 第二章工业以太网p r o f i n e t 的标准概述 第二章工业以太网p r o f i n e t 的标准概述 2 1p r o f i n e t 的概述 p r o f i n e t 是国际p i 组织创新的一种开放的自动化标准，用于实现工业以 太网的集成和一体化的自动控制解决方案，它可以应用在基于工业以太网通信的 分散式的现场级设备和需要苛求时间的应用集成，以及基于组件的分布式自动化 系统的集成【4 j 。p r o f i n e t 是一种基于工业以太网的自动化通信系统，它也是一 套全面的以太网标准，可以在工业控制领域中使运用以太网所有的需求得到满 足。工业以太网p r o f i n e t 的标准涵盖了控制器各个层次的通信、其中包括i o 设备的普通自动控制领域和功能更加强大的运动控制领域。所以，工业以太网 p r o f i n e t 适用于所有的工业控制领域的应用。 p r o f l n e t 的标准还在不断的更新与发展中，有关故障安全和网络安全方面 的标准也在定义之中，使p r o f i n e t 适合在运动控制领域中应用，从而将p r o f i b u s 下的p r o f i d r i v e 行规映射到p r o f i n e t 中的定义工作也在改进中。表2 1 为 p r o f i n e t 与i s o 组织的o s i 七层模型之间的对应关系5 1 。 表2 - 1p r o f i n e t 与o s i 模型 t a b l e 2 1p r o f i n e ta n do s im o d u l e 层任务o s i 的参考模型 7 b 应用层p r o f i n e ti o 服务p r o f i n e tc b a ( i e c 处理 p r o f l n e ti o 协议6 11 5 8t y p e l 0 ) 7 a 应用层面向无连接r p cd c o m 面向连接的r p c 6 表示层表示没有使用没有使用 5 会话层通信没有使用没有使用 4 传输传输u d p ( r f c7 6 8 )t c p ( r f c7 9 3 ) 3 网络层交换 i p ( r f c 7 9 1 ) 2 数据链路层安全性全双工( i e e e 8 0 2 3 ) ，优先级标签( i e e e 8 0 2 1 q ) 1 物理层传输比特流 l0 0 b a s e t x ，lo o b a s e f x 工业以太网p r o f i n e t 标准提供了模块化概念，如图2 1 所示，这个标准 包含了过程、实时通信、分布式现场设备、运动控制等多方面功能，可以为不同 类型的应用提供最优的技术支持。 北京化i 大学顺i 学位沦史 圈2 - 1p r o f i n e f 模块化 f i g 2 1 t h e m o d u l eo f p r o f i n e t 为了给币同类型的自动化应用提供最佳的技术支持，工业以太嗍p r o f i n e t 标准提供了两种解决方案：第一种，集成分布式的p r o f i n e tl y o ；第二种， p r o f i n e tc b a 一一它是分布式自动化并创建模块化设备系统。通过代理 ( p r o x y ) ，p r o f l n e t 可以使现场总线控制系统的不同设备问实现连接，无缝集 成到现场总线控制系统刚络中束，对于普通车间的扩展与升级来说，降低了升级 成本，这也是p r o f i n e t 的一项重要功能 3 , s l 。 2 11p r o f i n e t 0 p r o f i n e ti o 是在工业以太网中实现分布式应用和模块化的通信标准。通 过p r o f i n e ti o 网络，它支持现场设备和分靠式f o 集成到工业以太州络中束， 所有使用的设备都可以连入一致的网络结构巾来，生产车间中的所有通信模式是 一致的。p r o f i n e ti o 设备的编程步骤与p r o f i b u sd p 一致，其组巷、编程 和诊断也丈体相同 】。 p r o f i b u s d p 中通信原理是主从轮询制的形式，即为主站从站间的通信原理， 在应用p r o f i n e t f o 时，则执行工业以太网的模式，各设备问有相等的权利， 变为发送接收，也为服务器客户端之间的关系。当p m f i b u s 设备需要接入 p r o f i n e t 网络中时，需要用到网关设备，通过使用网芙设备( 即代理服务器) ， 从p r o f i b u s 到p r o f i n e t ，通过它可以使p r o f i b u s 网络中的每个设备无缝集成到 p r o f i n e t i o 网络中束”j ，p r o f i n e t i o 设备类型有以下四种见表2 - 2 。 表2 - 2 蹬需类i ! ! 第一二章工业以a 网p r o f i n e t 的标准概述 t a b l e 2 2d e v i c et y p e 设备类型功能 i 0 监视器：工程设备，一般为h m i 、p c 或编程器 i o 监视器 ( p r o g r a m m i n gd e v i c e ) ，用于诊断以及调试i o 设备和 i o 控制器。运行时可与i o 监视器相连接，可用于故 ( i om o n i t o r ) 障诊断、处理及调试 等同于p r o f i b u s 网络中的2 类主站 i o 控制器 i 0 控制器：可编程逻辑控制器( p l c 等) ，可运行自动 化程序。p r o f i n e ti o 组态操作时需要i o 控制器 ( i oc o n t r o l e r ) 等同于p r o f i b u s 网络中的从站功能 i o 设备：用p r o f i n e ti o 机制与一个或多个i o 控制 i o 设备器进行数据交换的分布式现场设备。p r o f i n e ti o 组 ( i od e v i c e ) 态操作时需要一个i o 设备 等同于p r o f i b u s 网络中的从站功能 i o 参数服务器 i o 参数服务器：保存和加载组态数据的服务器站点 ( i op a r a m e t e rs e r v e r ) p r o f i b u s 网络中没有与i o 参数服务器相致的设备【7 】 p r o f e ti o 定义了i o 控制器与各个设备问的数据通信方式，且定义了 i o 控制器和i o 设备的诊断方法和参数化配置。采用p r o f i n e ti 0 的形式， 分散式现场设备可以无缝集成到工业以太网络中来。p r o f i b u s d p 主从访问方式 在p r o f i n e ti o 中转换为提供者消费者模型，也可以看做是发送者接收者的 关系。在通信形式上看，工业以太网上的每一个设备都有一样的权利。应用组态 软件用以分配中央控制器及网络中的现场设备，所以网络中的具有p r o f i b u s 接口 的设备可以转换为p r o f i n e t 网络中的设备【引。 2 1 2p r o f i n e tc b a p r o f i n e t c b a ( c o m p o n e n tb a s e d a u t o m a t i o n ) ，即基于组件的自动化，也可 以称作分布式自动化，它描述了未来工厂车间的自动化的场景。p r o f i n e tc b a 提供了一个可以预先确定技术模块的工具，解决了每一次重新使用设备系统模块 的时候都不得不重复地对控制器进行调试及测试的问题。当对设备系统的扩展 时，不同厂家制造的控制器需要在一个不一致的车问环境中进行通信，这些问题 都可以由p r o f i n e t c b a 分布式自动化来解决1 9 1 。不同的技术特点在组态中 产生不同的技术模块，在网络中以自动化组件形式存在并加以使用。i 一样，一个 北京化上大学硕士学何论文 自动化车间可以根据许多不同的情况分解成不同任务的单元，即技术模块，这些 技术模块就由p r o f i n e tc b a 来体现。其中技术模块般由一定数量的输入信 号进行控制。技术模块的功能实现由用户自身编写的控制程序来定义。技术模块 将编写的控制程序产生的信号输出到另外一个控制器q l n 3 , 5 , 9 】。 p r o f i n e tc b a 把组件的应用部分与组件的创建部分分离。p r o f i n e t c b a 由以下内容组成：创建p r o f i n e t 组件的工程方法，分布式自动化应用的 每个设备间的通信体系结构，现场总线控制系统的移植机制，通过o p c 对h m i 系统进行的集成。p r o f i n e tc b a 定义了工业以太网上的通信机制，阐述了用 于自动化设备系统的技术模块间通信的工程模型【l o 】。 p r o f i n e t 组件是一种技术模块的代表，其中的所有输入信号以及输出信号 都在工程系统中体现，它的实现与厂商没有关系，且基于组件的系统中的通信部 分是经过编程来实现的1 3 ，l 。p r o f i n e tc b a 可以支持具有确定性的通信和基于 异常的通信，它们的传输周期可以达到1 0 m s ，非常的适合控制器与控制器问的 通信传输。 2 2p r o f i n e t 的拓扑结构 网络拓扑需要根据网络中设备单位的要求而设定，即为传输介质的空间结 构，不同的网络拓扑结构会对网络传输能力有不同的影响作用，网络拓扑结构式 由三种基本拓扑来组合而成的：总线型、星形和环形。实际项目应用中由这三种 基本拓扑结构混合搭接完成，在p r o f l n e t 网络系统中可以完成下面结构 2 a o j 。 星形拓扑结构：星形拓扑结构是指每个站点设备都连接到一个交换机呈现为 星形分布，它可以应用在设备密度高、覆盖范围不大、空间扩展小的领域中。 例如：大型车问的控制区、独立的生产机器或小型的自动化车间。当 p r o f i n e t 网络中其他设备发生故障，不会影响整个网络，只有交换机发生 故障才会造成网络通信的故障。 树形拓扑结构：由几个星形拓扑结构连接到一起就组成了树型结构。它可以 将复杂设备的安装分成几个部分，作为自主设备来进行通信。树形拓扑结构 有几个优点：层次非常清晰；网络的传输能力高；数据具有较好的安全性。 总线型拓扑结构：p r o f i n e t 网络结构类似于p r o f i b u s 的总线型结构，所有通 信设备都是串行连接的，应用安装在p r o f i n e t 网络中的交换机，实现 p r o f i n e t 总线拓扑结构。总线型拓扑结构是应用靠近连接端子的转换开关 实现，它可应用在需要扩展结构的总线系统巾，同样可以优先选用最佳传送系 统、装配线等设备。为了减少布缆量，可以选择总线形结构。总线型拓扑结 8 * 一e 工业u 月p r o f i n e t 繇* 述 构有几个优点：布线节省；易于维护和修理。 环形拓扑结构( 冗余) ：所有站点由一条环形电缆连接起米形成环形拓扑结 构。在当系统为具有高度可用性时，为了防止发生电缆断丌或有救障的嘲络 部件时候，可以应用环型拓扑。为了增加有效性，可以选择带冗余的环形拓 扑结构。环形拓扑结构的好处在与可以应对网络组件故障，增加殴蔷可用性 及有效性j 。 2 3p r o f i n e t 的通信 2 3lp r o f i n e t 的可伸缩性 在p r o f i n e t 中基于以太网的通信是可以缩放的，如图2 - 2 所示，它具有 三种不同的等级： ( 1 ) 用于非苛求时问数据的t c p ，【p 通信，它是一个普通t c p i p 等级，可用于 f o 控制器与p c 机( 或人工界面站h m i ) 间的通信。例蜘i ：参数配置和组 悉部分； ( 2 ) 用于苛求时间过程数据的软实时( s r t ) ，可以用在工厂自动控制领域； ( 3 ) 用于时自j 要求特别严格的等时同步( i r t ) ，可以用在运动控制领域“。 1 w 五r 一1 葡西一蕊五一 图2 - 2 可以缩放的p r o f i n e t f i g 2 2 t h e $ o a l a b l e p r o f i n e t 三种不同性能等级的p r o f i n e t 网络通信覆盖了自动控制领域的全部应用 范围。p r o f i n e t 标准的关键特性有以下几点： 同一网络中实时通信( r t ) 与营通以太网通信可以同时存在； 北京化工大学硕上学位论文 标准化的实时通信协议( r t ) 适用于所有应用：包括p r o f i n e tc b a 组件 间的通信和p r o f i n e ti o 间的通信。 可以从普通性能到高级性能、可以实现时间同步的的实时通信。 图2 3 为p r o f i n e t 的通信通道，p r o f i n e tc b a 包括了t c p i p 和r t 两 种基于组建的通信模式。p r o f i n e ti o 包括了u d p i p 通信，以及针对分布式 设备的l 盯和i r t 设备。通过网络层( 1 p 层) 到达传输层( t c p m d p ) 可以完成 一般的i t 通信以及p r f i n e tn r t 的通信，实时通信部分( p r o f i n e ti 玎) 则 省略掉两个部分，快速的由数据链路层到达应用层。p r o f i n e t 的特色在于可缩 放的、标准化的通信。 图2 - 3p r o f i n e t 的通信通道 f i g 2 - 3t h ec o m m u n i c a t i o n sc h a n n e lo fp r o f i n e t 2 3 2p r o f i n e t 的实时性分析 实时( r e a lt i m e ) 表示系统在一个确定的时“l j 内处理外部事件。实时通信 有着两个一般要求：1 ，确定性的相应；2 ，标准应用的相应时间ela10r) a 缆o e r a i la o r a 2 la l r a 3 la 2 r a 4 l a 3 r 篓研c y 7 7 c 1 3 囝1 篓 a 9 la 8 r i la 9 r 1 0 2 l妁豫 i 0 3 l1 0 6 r 1 0 4 l1 0 5 r z c 跹1 0 3 r 袷7 l幻媪 g n di 0 0 r s a l s 铸 s a ： 3 受d s a 0 s a s a 二 s a ：5 s ；霹 s a i o s r d s a 0 s a l s a 2 s a ； s a 3 s a _ ： s a j s a 6 s a i s a 4 s a 5 s a 6 s a s s a 9 s a 7 s a g s a 9 s d 7 s 0 6 s d 5 s d o s d j s d 二 s d ； s d 0 h 一 r 一 ； ； 图3 - 4 双口r a m 的硬件电路图 s 】d 7 s d 6 s d 5 s d l 4 s d 3 s d 2 s d l s d 睁 f i 9 3 - 4t h eh a r d w a r e 仔a m eo fd p r a m 数据格式的互相转换由双c p u 来进行管理，数据存储在双口r a m 中 鲁互导互争夏争互争互争一蔓争互争互 一一一一勰一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ；，；h；。l ；， t：j ， 、 ，l；“l 1 北京化工大学额f j 二学位论文 ( c y 7 c 1 3 1 ) ，双口r a m 一端与a v r l 6 2 相连接，另一端与a r m 相连接。c p u 用来控制数据的读写操作，同时设置4 个握手信号( l r e q 、l s t a 、r r e q 、 r s t a ) 的高低电平来完成数据通信功能。a v r l 6 2 端完成数据从网关设备一端 的发送或者接收，同时通过双口r a m 把数据缓冲存储在罩面，同时另一端的 c p u a r m 端也同时在工作，接收并发送网关另一端的数据，数据同样存储 在双口r a m 中，通过不同的地址来存储双c p u 传输过来的数据，并且通过握 手信号，交换控制权，完成数据间的转换，并在c p u 中进行报文分析和协议处 理，并把数据由一种格式转换为另一种格式发送出去或接收进来。表3 1 为握手 信号与管脚的分配情况。 表3 - 1 握手信号与管脚分配 t a b l e 3 - 1t h eh a n d s h a k es i g n a l sa n dp i na l l o c a t i o n a r m 请求存1 6 2 请求存取 r r e qp a 6l - r e q p b 2 取d p r a md p r a m a r m 正在存1 6 2 正在存取 r s t ap a 7 l s t ap b 3 取d p r a md p r a m a i u 订7a v r l 6 2 1 6 2 请求存取a r m 请求存 l r e q p a 4 r r e q p b o d p r a m取d p r a m 1 6 2 正在存取a r m 正在存 l s t ap a 5r s t ap b l d p r a m取d p r a m 3 4 通信接口的设计 各通信接口的硬件设计也是控制器设计的重要的部分，它的作用可以使多个 不同协