（控制理论与控制工程专业论文）基于多重组合petri网的现场总线间多协议转换系统机理研究.pdf

基于多重组台p e t r i 网的现场总线问多坍泌转换系统机理研究 摘要 现场总线和工业以太网技术的发展给工业控制网络的发展带来了新的机遇，但 是也带来新的问题和挑战。工业通信网络协议的多样性给生成厂商和用户提供了 广搁的生存空间和应用空闽，但同时也造成了多标准共存的混乱局萄。为了解决 上述问题，既要顾及多方的商业、技术利益，又要推动这一领域快速、有序的发 展。能够实现多个工业通信网络兼容的多协议转换按术是个有效、实用的织决 方案。 攀于现场总线协i 义的多样性，本文选拷已获得广泛应用的m o d b u s t c p 工韭 以太网协泌和在设备层具有代表性的d e v i c e n e t 现场总线、p r o f i b u sd p 现场总线 作为研究列象。深入剖析了各个协议的报文通信过程，基于多重组合p e t r i 网理论 和随机高级p e t r i 网理论，建立了多协议转换系统原理模型和性能模型。并从理论 和实验两个方面对多协议转换系统的性能进行了分析。然后以一小型锅炉为对象， 以多协议转换器为核心设备，构建了能够兼容多乎中工业通信网络的小型过程控制 系统。主要取得以下研究成果： 1 提出了多重组合p e t r i 网的概念，指出了结构相似的多个p e t r i 网模型可以基于 具有相同作用的公共库所或公共变迁实现组合，为多协议转换系统原理模型的 建立奠定了理论基础。 2 给出了多重组合p e t t i 网的两个特有性质一状态不变性和行为不变性的定义。并 分析了在不同组合情况下，多重组合p e t r i 网的有界性、活性、状态不变性和行 为不变性。提出了在不同组合情况下，多重组合p e t r i 网满足以上性质的充要条 件，为多协议转换系统原理模型的验证提供了依据。 3 以m o d b u s t c p 工业噬太网拂议、d e v i c e n e t 现场总线涛议和p r o f i b u s 现场总 线协议的通信过程为切八点，将各个通信状态机统一成通信准备、报文通信和 遵信断开三个阶段，建立了各个总线的通信模型。基于结构相似的各个总线通 惰模型，以公共报文缓冲区为公共库所，建立了s 多重组合p e t r i 网模型，从 而得到了多协议转换系统原理模型，并验证了原理模型的正确性。 4 基于多协议转换系统原理模型和具有标识变量随机高级p e t r i 网理论，将随机时 间因素引入原理模型的各个变迁，得到了多协议转换系统性能模型，并基于性 能模型，定性的分桥了多协议转换器的利用率和吞吐率。基于对实际系统的测 试数据，定量的分析了系统在不同情况下的吞吐率、丢包率，并对分别采用这 两种方法得到的分析结果进行了比较。结合基于性能模型的分析结果和基于系 i 一海火学博l 硷文基于多重组台p e t f i 网的现场总线问多协议转换系统机理研究 统洲试的分析结果，得到了随负载变化多协议转换系统的性能变化规律。 5 提出了多协议转换器的设计方案，详细说明了多协议转换器的软、硬件构成， 构建了能够同时实现m o d b u s t c p 工业以太网与d e i , i c e n e t 现场总线间以及 与p r o f i b u s 现场总线间协议转换的多协议转换器。 6 以多协议转换器为关键设备，以自主研发的带有工业以太网接口、d e v i c e n e t 和p r o f i b u s 现场总线接口的智能单元作为现场设备，以实现工业以太网客户机 节点功能的e 位机作为监控设备，以一小型锅炉为对象，构建了能够同时兼容 m o d b u s t c p 工业以太网、d e v i c e n e t 现场总线和p r o f i b u s 现场总线的小型过 程控制系统。上述成果在冶金及低压电器行业得到实际验证，能满足用户的实 际需求，提升了用户产品的技术构成，促进了现场总线技术的推广和应用。多 协议转换系统荣获了2 0 0 5 年上海市科技进步二等奖，并且在2 0 0 4 年第六届上 海国际工业| 尊览会上荣获了创新奖，创造了广泛的社会经济效益。 关键词：多重组合p e t r i 网，现场总线，工业以太网，多协议转换，性能分析 l i 掘人学博j 论文 赫十多重组台p e t r i 咧的现场总线问多协议转换系统帆理研究 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u s & i n d u s t r i a le t h e r n e ti sv e r ya d v a n t a g e o u sf o ri n d u s t r i a l c o n t r o ln e t w o r k s ，n e v e r t h e l e s si tr e s u l t si ns o m en e wp r o b l e m sa n dc h a l l e n g e s t h e d i v e r s i t yo fi n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sp r o v i d e sb r o a dl i v i n g a p p l i e ds p a c e ， b u ta tt h es a m et i m ei tl e a d st oam e s so fm u l t i p l es t a n d a r d s t h ea b o v ep r o b l e m sa r e w a i t i n gt ob es o l v e d ，m o r e o v e r ，t h ee x t e n s i v ei n t e r e s t so fc o m m e r c e t e c h n o l o g yh a v e t ob ec o n s i d e r e da n dt h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n o l o g yf i e l ds h o u l db ep r o m o t e d r a p i d l y a c c o r d i n gt ot h e s ef a c t o r st h et e c h n o l o g yo fm u l t i p r o t o c o lc o n v e r s i o ni s e f f e c t i v e p r a c t i c a l i n t h i sp a p e r ，t h em o d b u s t c pi n d u s t r i a le t h e r n e t ，w h i c hi sa p p l i e dw i d e l y , a n d d e v i c e n e t p r o f i b u sd pf i e l d b u s e s ，w h i c ha r er e p r e s e n t a t i v ed e v i c el a y e rf i e l d b u s e s a m o n gm u l t i p l e f i e l d b u s s t a n d a r d s ，w e r er e s e a r c h e do b j e c t s t h em e s s a g e c o m m u n i c a t i o np r o c e s s e so ft h e s ep r o t o c o l sw e r ea n a l y z e dd e e p l ya n dt h ep r i n c i p l e p e r f o r m a n c em o d e lo fm u l t i - p r o t o c o lc o n v e r s i o ns y s t e m w e r em a d e f u r t h e rt h e p e r f o r m a n c eo fm u l t i p r o t o c o l c o n v e r s i o n s y s t e m w a s a n a l y z e d a st ot h e o r y e x p e r i m e n t f i n a l l yas m a l lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，i nw h i c ht h ec o r ed e v i c ew a sm u l t i p r o t o c o lc o n v e r t e ra n dt h ec o n t r o l l e do b j e c tw a sas m a l lb o i l e r , w a sc o n s t r u c t e d t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec o n c e p t i o no fm u l t i p l ec o m p o s i t i o np e t r in e tw a sp r e s e n t e da n di tw a ss u p p o s e d t h a tm u l t i p l es i m i l a rp e t r in e tm o d e l sc o u l db ec o m p o s e db a s e do np u b l i cp l a c e so r p u b l i ct r a n s i t i o n s ，w h i c hb e h a v e ds i m i l a r l y t h ea b o v ec o n c e p t i o nl a i d t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rp r i n c i p l em o d e lo fm u l t i - p r o t o c o lc o n v e r s i o ns y s t e m 2 t w os p e c i a l i z e dc o n c e p t i o n s ，n a m e l y ，s t a t ec o n s t a n c ya n db e h a v i o rc o n s t a n c yw e r e p r e s e n t e d u n d e rd i f f e r e n tc o m p o s i t i o ns i t u a t i o n s ，t h eb o u n d n e s sp r o p e r t y , l i v e n e s s p r o p e r t y , s t a t ec o n s t a n c ya n db e h a v i o rc o n s t a n c yw e r ea l la n a l y z e da n dt h en e c e s s a r y a n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o ra b o v ep r o p e r t i e sw e r ep r o p o s e d t h e s ec o n c l u s i u n s g u a r a n t e e dt h ec o r r e c t n e s so fp r i n c i p l em o d e lo fm u l t i p r o t o c o lc o n v e r s i o ns y s t e m 3 a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s e so fm o d b u s t c pi n d u s t r i a le t h e r n e t ， d e v i c e n e t ，a n dp r o f i b u sf i e l d b u s e s ，a l lc o m m u n i c a t i o ns t a t em a c h i n e sw e r eu n i f o r m e d i n t ot h r e e s t a g e s ，n a m e l yc o m m u n i c a t i o np r e p a r a t i o n ，m e s s a g ec o m m u n i c a t i o na n d c o m m u n i c a t i o na b o r t ，a n dc o m m u n i c a t i o nm o d e l so fe v e r yp r o t o c o lw e r em a d e b a s e d o i lt h e s ec o m m u n i c a t i o nm o d e l s ，t h es - m u l t ic o n v e r s i o np e t r in e tm o d e l 、i nw h i c ht h e i i 壮于多重组台p e t r i 嘲的现场总线问多协议转换系统机理孙f 究 p u b l i cm e s s a g eb u f f e ri sp u b l i cp l a c e ，w a sm a d e ，f u r t h e r m o r e ，t h ep r i n c i p l em o d e lo f m u l t i - p r o t o c o lc o n v e r s i o ns y s t e mw a sp r o p o s e da n dt h ec o r r e c t n e s sw a sp r o v e d 4 b a s e do np r i n c i p l em o d e lo fm u l t ip r o t o c o lc o n v e r s i o ns y s t e ma n dt h e o r yo f s t o c h a s t i ch i g hl e v e l p e t r in e tw i t hm a r k i n gv a r i a b l e s ，b yi n t e g r a t i n gs t o c h a s t i ct i m e f a c t o r si n t ot r a n s i t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c em o d e lo fm u l t ip r o t o c o lc o n v e r s i o ns y s t e mw a s p r e s e n t e db ya p p l y i n gt h i sp e r f o r m a n c em o d e l ，t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fu t i l i z a t i o n r a t i oa n dt h r o u g h p u tr a t i ow e r ep e r f o r m e d f u r t h e r m o r e ，t h eq u a n t i f i c a t i o n a la n a l y s i so f t h r o u g h p u ta n dp a c k a g el o s sr a t i ow a sp e r f o r m e db a s e d o np r a c t i c a lt e s td a t a a c c o r d i n g t oa b o v e a n a l y t i c a l a n d c o m p a r a t i v ec o n c l u s i o n s ，t h er e l a t i o n s h i p o f s y s t e m p e r f o r m a n c ev s 1 0 a d sw a sp r o p o s e d 5t h ed e s i g nt h e m ea n ds o f t w a r e h a r d w a r es t r u c t u r eo fm u l t ip r o t o c o lc o n v e r t e r , w h i c hc a np e r f o r mp r o t o c o lc o v e r s i o nf u n c t i o na m o n gm o d b u s t c pi n d u s t r i a l e t h e r n e t ，d e v i c e n e ta n dp r o f i b u sf m d b u s e s ，w a sp r e s e n t e d 6 as m a l lp r o c e s sc o n t r o l s y s t e m ，i nw h i c hm o d b u s t c pi n d u s t r i a l e t h e m e t ， d e v i c e n e ta n dp r o f i b u sf i e l d b u s e sa r ec o m p a t i b l e ，w a sc o n s t r u c t e d i nt h i ss y s t e mt h e c o r ed e v i c ei sm u l t ip r o t o c o lc o n v e n e ra n dt h ec o n t r o l l e do b j e c ti sas m a l lb o i l e r , m o r e o v e r ，t h ef i e l dd e v i c e sa r ei n t e l l i g e n tu n i tw i t hm o d b u s t c pi n d u s t r i a le t h e m e t ， d e v i c e n e ta n dp r o f i b u si n t e r f a c e sa n dt h em o n i t o ri sac o m p u t e rf u n c t i o n sa si n d u s t r i a l e t h e r n e tc l i e n t t h e m u l t i - p r o t o c o lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e s h a db e e nv a l i d a t e di n m e t a l l u r g ya n dl o wv o l t a g ee l e c t r i c a la p p a r a t u sf i e l d sa n dt h es u c c e s s f u lr u n s h w e dt h a t t h e s et e c h n o l o g i e sc o u l dm e e tu s e r s p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s f u r t h e r m o r e ，t h eu s e r s p r o d u c t sh a db e e nu p g r a d e da n dt h ep r o m o t i o n a p p l i c a t i o no ff i e l d b u st e c h n o l o g y h a db e e ni m p r o v e d i nt h es i x ”s h a n g h a ii n t e r n a t i o n a li n d u s t r yf a i ro f2 0 0 4 t h em u l t i p r o t o c o l c o n v e r s i o ns y s t e mw a sa w a r d e dc r e a t i o np r i z e ，b e s i d e st h es y s t e mw a s a w a r d e d2 “c l a s ss h a n g h a is c i e n c e t e c h n o l o g ya d v a n c ep r i z eo f2 0 0 5 u n d o u b t e d l y m u l t ip r o t o c o lc o n v e r s i o ns y s t e mc r e a t e se x t e n s i v es o c i a l e c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：m u l t i p l ec o m p o s i t i o np e t r in e t ，f i e l d b u s ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，m u l t i - p r o t o c o l c o n v e r s i o n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s i v 基十多重组合p e t r i 网的现场总线间多协议转换系统机理研究 图表清单 图1 1 企业三层网络架构。 图1 2 服务级协议转换示意图 图1 3 协议级协议转换示意图。+ 。 图3 1 多协议转换系统原理圈 图3 2 工业以太网服务器节点通信模型。 图3 3d e v i c e n e t 对象模型 图3 4d e v i c e n e t 主节点通信模型 图3 5p r o f u b u sd p 协议的结构 图3 6p r o f i b u sd p 主鼠站通信状态杭。 图3 7p r o f i b u s 主站通信模型。 图3 8 工韭以太掰自& 务器节点简化通信模型 图3 9d e v i c e n e t 主节点简化通信模型 图3 1 0p r o f i b u s 主节点简纯通信模型 图3 1 1 多协议转换系统原理模型 图4 1 多协议转换系统性能模型 图4 2 马尔可夫链 图4 3 多协议转换器利用率随d e v l c e n e t 总线负载变化曲线。5 6 图4 4 多协议转换器稠闵率随p r o f i b u s 负载交化曲线 图4 5 多协议转换器利用率随工业以太网负载变化曲线 图龟6d e v i c e n e t 擐文吞吐率变化壁目线 图4 7p r o f i b u s 报文吞吐率变化曲线 图4 8 工业以太网报文吞吐率变化曲线 图5 1d e v i c e n e t 报文吞吐率变化曲线 图5 2d e v i c e n e t 报文丢包率变化曲线 图5 3p r o f i b u s 报文吞吐率变纯曲线 s 7 5 7 5 9 6 0 6 0 图5 4p r o f i b u s 丢包率变化曲线 酷 “ 6 8 7 0 图5 5 工业以太网吞吐率( 上位机向d e v i c e n e t 总线发送数据) 。7 2 图5 6 工业以太网吞吐率( 上位机向p r o f i b u s 总线发送数据) 。7 2 圈5 7 工业以太刚丢包率( 上位机向d e v i c e n e t 发送数据) 图5 8 工业以太网丢包率( 上位机向p r o f i b u s 发送数据) 图6 1 多协议转换系统结构 v i i i 7 4 7 5 7 8 0曲科孙驰朝艚柏北鹌配 海凡学博，l 论文 毖十多重组台p c t r i 网的现场总线问多悱议转换系统机理研究 图6 2 多协议转换系统运行图 图6 3 多协议转换器结构图 图6 4 多协议转换器实物图 图6 5 多协议转换报文模型 图6 6 主程序流程图 图6 7 初始化程序流程图 图6 8 读总线数据程序流程图。 8 3 图6 9 向上位机送数程序流程图。 图6 1 0 读上位机程序流程图。 图6 i i 向总线送数程序流程图 图6 1 2 工业以太网报文传输过程 图6 1 3 扫描d e v i c e n e t 网络 图6 1 4d e v i c e n e t 从节点输入输出区域设定 图6 1 5d e v i c e n e t 从节点自动映射 8 5 8 6 图6 1 6p r o f i b u s 配置网络节点。 图6 1 7p r o f i b u s 配置从节点数据区。 表3 1 预定义主从连接组分配3 5 表4 1 变迁实施速率及其影响因素5 0 表4 2 性能模型的可达集。5 1 表4 3 状态转换表。5 3 表4 4 各个状态稳定概率 ”。5 5 表4 5 不同负载情况下转换器利用率。5 6 表4 6 多协议转换器对各总线报文吞吐率随负载变化情况。5 9 表5 1 系统对d e v i c e n e t 报文吞吐率变化测试数据6 5 表5 2d e v i c e n e t 报文丢包数据。6 5 表5 3 不同t d 下的t e 上限阈值。6 7 表5 4 不同t 。下的t d 下限阈值6 7 表5 5 系统对p r o f i b u s 报文吞吐率变化测试数据。碉 表5 6p r o f i b u s 报文丢包数据。6 9 表5 7 不同t d 下的t 。上限闽值7 0 表5 8 不同t 。下的t 。下限阈值。7 0 表5 9 工业以太网报文吞吐率测试数据( 上位机向d e v i c e n e t 总线发送数据) 。7 1 表5 1 0 工业以太网报文吞吐率测试数据( 上位机向p r o f i b u s 总线发送数据) 。7 2 表5 1 l 工业以太网报文丢包数据( 上位机向d e v i c e n e t 发送数据) 7 3 表5 1 2 工业以太网报文丢包数据( 上位机向p r o f i b u s 发送数据) 7 4 基于多重组台p e t f i 列的现场总线问多协议转换系统机理研究 主要符号说明 ：s p n 模型中变迁实施速率 l = 多协议转换器报文转换周期 n ：多协议转换器利用率 p1 ：多协议转换器对d e v i c e n e t 总线报文吞吐率 p2 ：多胁议转换器对p r o f i b u s 总线报文吞吐率 d3 ：多协议转换器对工、世以太网报文吞吐率 t d ：d e v i c e n e t 总线从节点向多协议转换器发送数据的周期 t 口：p r o f i b u s 总线从节点向多协议转换器发送数掘周期 t 。：t 位机接收数掘时的查询周期 t e ：在某一d e v i c e n e t 总线负载下，为了不产生丢包现象，上位机奄询周期t c 的上 限位 t 。”= 在某一p r o f i b u s 总线负载下，为了不产生丢包现象，上位机查询周期t e 的上 限值 t d ：在某一上位机查询周期下，d e v i c e n e t 总线发送数据周期的下限阈值 t d ：在菜上位机查询周期下，p m f i b u s 总线发送数据周期的下限阂值 t d l ：d e v i c e n e t 总线从多协议转换器接收数据的周期， t p l ：p r o f i b u s 总线从多协议转换器接收数据的周期。 l l ：上位枧向d e v i c e n e t 总线或p r o f i b u s 总线发送数据的周期 t e l ：在某一d e v i c e n e t 总线数掘接收周期下，上位机向d e v i c e n c t 总线周期性发送 数据蛔下限闽值。 l l ：在某一p r o f i b u s 总线数据接收周期下，上位机向p r o f i b u s 总线周期性发送数 据的下限阕僮。 t l ：d e v i c e n e t 总线向上位机发送1 0 0 次数掘所需的时间 n l ：d e v i c e n e t 总线开辟的数据缓冲区 d a t a l ：t i 时间内上位梳收到的d e v i c e n e t 总线发送的数据量 ul ：多协议转换系统对d e v i c e n e t 总线报文吞吐率 k 1 ：d e v i c e n e t 总线报文丢包次数 6l ：d e v i c e n e t 总线报文丢包率 t 2 ：p r o f i b u s 总线向上位枧发送1 0 0 次数据所需的时间 n 2 ：p r o f i b u s 总线开辟的数据缓冲区 d a t a 2 ：t 2 时间内上位机收到的p r o f i b u s 总线发送的数据量 。2 ：多协议转换系统对p m f i b u s 总线摄文吞吐率 x 娃于多蓬组台p e t f i 网的现场总线问多协泌转换系统机埋研究 k 。：p r o f i b u s 总线报文丢包次数 61 ：p r o f i b u s 总线报文丢包率 t 3 ：上位机向d e v i c e n e t 总线发送1 0 0 次数据所需的时间 b ：上位枫向p r o f i b u s 总线发送1 0 0 次数据所需的时闯 f 1 3 ；工业以太网开辟的数据缓冲区 d a t a 3 ：在b 时闻内d e v i c e n e t 总线收到的上位机发送的数据量 u ，：上位机向d e v i c e n e t 总线发送数据时多协议转换系统对工业以太网报文吞吐 率 d a l a 4 ：在t 4 时问内p r o f i b u s 总线收到的上位机发送的数据量 u 。：、e 位机向p r o f i b u s 总线发送数据时多协议转换系统对工业咀太网报文吞吐率 k 3 ：上位机向d e v i c e n e t 总线发送数据时工业以太网报文丢包次数 6 ，：上位机向d e v i c e n e t 总线发送数据时工业以太网报文丢包率 k 4 ：上位机嗣p r o f i b u s 总线发送数掘时工业以太网报文丢包次数 64 ：上位机向p r o f i b u s 总线发送数据时工业以太网报文丢包率 x 】 原创性声明 本人声明：所早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训的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成粜。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 r 贡献均已在硷文中作了明确的说明并表乐了谢意。 签名：镒：塑塾匹! j 日期迎：2 ：! 矿 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 校柯权保留沦文及送交沦文复印件，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) 虹大学博! 论文赫于多重组合p e t r i 网的现场总线问多卧议转换系统机理研究 第一章绪论 随着亡1 算机( c o m p u t e r ) 技术、通信( c o m m u n i c a t j o n ) 技术和控制( c o n t r 0 1 ) 技术 的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向 发展，尤其是以现场总线为代表的工业控制网络更是获得了广阔的发展空间【1j 。在 工、控制系统网络化发展的基础上，企业三层网络架构的体系也日趋清晰，逐渐 形成了以设备层、控制层和信息层为核心的三层网络架构吐如图1 1 所示，设备 层和控制层网络多是以现场总线构建，信息层网络主要采用以太网来构建。这种 网络架构在给用户带来便利的同时也带来了一系列问题，其中最为突出的就是基 于不同协议的工业控制网络的兼容性问题。 图1 1 企业三层网络架构 1 1 现场总线技术及其性能分析发展概况 1 1 1 现场总线技术的发展 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络【”，基于 现场总线的自动化系统被称为现场总线控制系统( f c s ) 。现场总线采用多分支机 构和全分散控制，实现了全数字通信，并且采用开放的协议提高了互操作性和互 换性。它突破了分散控制系统( d c s ) 专用通信网络的局限，克服了封闭系统所 造成的缺陷，同叫又把d c s 集中与分散相结合的结构变成了新型全分布式结构， 把控制功能彻底下放到现场，可以蜕，开放性、分散性与数字通信是现场总线控 捧十多重组含p c t r i 刚的现场总线问多协议转换系统目l 理研究 制系统最显著的特征【4 - 7 | 。 现场总线协议标准多种多样。由于多家公司和机构推出各自的现场总线协议， 并且均占有一定的市场份额，而各个总线协议之间是互不兼容的，这给用户、生 产商以及现场总线技术的推广应用带来了很大的负面影响。为了解决这一问题， 很多机构尝试推出一种统一的总线协议或者将现存的某种总线协议作为应用的标 准，但是这种一厢情愿的想法被市场的现实情况否决了。因为每种总线协议背后 都有一个或几个国际大公司、机构支持 响力，都极力推崇自己支持的总线协议 为了各自的商业利益和对市场的持久影 谁也不愿意将这一具有极大发展潜力的 领域拱手让给别人。为此，国际电工委员会( i e c ) 于2 0 0 0 年公布通过了i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准，容纳了8 种互不兼容的控制层协议，2 0 0 3 年的新版本进一步达到 了1 0 种现场总线标准，再加上3 种设备级现场总线标准，统称“1 0 - - 3 ”标准【1 2 1 。 标准的制定看似使现场总线有了可以遵循的统一规定，但并未起到统一各个协议 标准的作用，现场总线的发展进入了多种标准共存，互相竞争的时期。 在i e c “1 0 + 3 ”种协议标准中，由美国r o c k w e l l 公司等支持的d e v i c e n e t 协 议和由德国s i e m e n s 公司等支持的p r o f i b u s 协议在市场中占有的份额最大， d e v i c e n e t 属3 种波各层协议标准之一，而p r o f i b u s 属1 0 种控制层协议标准之一， 是两种具有代表性的现场总线。 d e v i c e n e t 现场总线是在1 9 9 4 年由美国的a l l e n b r a d l y 公司开发的基于c a n 总线的一种现场总线，后由o d v a ( 开放式设备网络供货商协会) 负责推广。 d e v i c c n e t 是一种低成本的通信连接，它将工业设备( 如：限位开关、光电传感器、 阀组、电动机启动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和 操作员接口等) 连接到网络。d e v i c e n e t 是种简单的网络解决方案，适于对通信 速率要求不高的底层设备之问的连接。o d v a 于2 0 0 3 年4 月2 3 日宣布，中国标 准化委员会f s a c l 已将d e v i c e n e t 采纳为国家标准。浚标准为g b t 1 8 8 5 8 - - 低压 开关设备和控制设备控制器设备接口( c d i ) 第3 部分：d e v i c e n e t ) ) ，中国标 准从2 0 0 3 年4 月起生效。 p m f i b u s 是由1 3 家工业企业和5 家科研机构在德国联邦科技部的资助下，于 1 9 8 7 年开始联合开发的生产过程现场总线标准规范。自1 9 8 7 年起被批准为德国国 家标准d i n l 9 2 4 5 。到1 9 9 6 年6 月，p r o f i b u s 被批准为欧洲现场总线标准的组成部 分之一。2 0 0 0 初p r o f i b u s 被i e c 6 1 1 5 8 国际标准采纳，并且在2 0 0 1 年加月被批准 为中国的第一个国家行业标准。f r o f i b u s 由p l ( p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ) 负责协议标准 的制定和推广。它由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、和 p r o f i b u s f m s 。p r o f i b u s d p 是一种高速数据通信，用于设备级控制系统与分散式 i o 的通信，d p 代表分散化的外围设各。p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，并有 ：瓶大学饿l 论文慕于多重组合p e t r i 州的现场总线间多协泌转换系统机理研究 本质安全规范，通过总线给现场设备供电，p a 代表过程自动化。p r o f i b u s f m s 用 于面n x , l 象的场合和单元层、现场层的数据通信，通常用于车1 刈级监控网络，f m s 为现场总线报文规范。 9 0 年代中期，随着现场总线的迅速发展，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 f ) 通信技术也有了较大发展，以太网开始进入工业控 制领域1 8 9 l 。与现场总线相比，以太网具有通信速率高、应用广泛、成本低廉等特 点，并且易于集成，可持续发展潜力大1 1 0 - 1 3 。自工业以太网提出以来，多个机构 都推出了与现场总线相结合的工业以太网网络架构”2 ”】。其中主要的有以下几 种： ( 1 ) s c h n e i d e r 公司于1 9 9 9 年公布了m o d b u s t c p 协议，它在应用层没有对 m o d b u s 防议做出修改，但是改变了数据的传输方法和通信速率。在协议 中将m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧中。以一种面向连接的方式通信，每个请 求都要求应答。这种请求脏答机制与m o d b u s 的主从机制相配合，使交 换式以太网具有很高的确定性。 ( 2 ) h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 是现场总线基金会推出的基于以太网的协议。 它在低四层直接采用以太网+ t c p 1 p ，在应用层和用户层直接采用f fh 1 的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备将f fh 1 网络连接 到h s e 网段上。 ( 3 ) p r o f i n e t 协议是由p r o f i b u s 国际组织推出的，采用以太网+ t c p i p 作为低 层的通信模型，采用t c p i p 协议加上应用层的r p c d c o m 来完成节点之 洲的通信和网络寻址。 ( 4 ) e t h e r n e t l p 协议主要是由r o c k w e l l 公司推出的。协议由i e e e s 0 2 3 物理层 和数据链路层标准、t c p i p 协议组和控制与信息协议c i p ( c o n t r o l i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 等三部分组成。 国内也有一些单位在进行相关研究，其中尤其是浙大中控公司的e p a ( e t h e m e t f o rp r o c e s s a u t o m a t i o n ) 开放网络通信平台，在将工业以太网应用于工业控制现场 设备问的通信上取得了可喜的进展。 除了工业以太网协议自身的发展，世界上成立了许多关于工业以太网的行业 协会和组织阻”】。在美国成立了i e a ( i n d u s t r i a le t h e r n e t a s s o c i a t i o n ，工业以太网协 会1 ，其主要目的在