（控制理论与控制工程专业论文）基于工业控制网络的水处理监控系统设计与实现.pdf

武汉理：【大学硕士学位论文 摘要 本文简要介绍了网络控制系统的发展历史和研究现状，将工业以太网和 d c s 、现场总线进行了比较，阐述了工业以太网的发展历史和背景知识，并从工 业控制网络的特点出发指出了以太网所具有的优势和存在的问题；基于以太网 的工业网络控制系统具有数据传输率高、可靠性好、易维护、可远程传输、互 操作性好等优点。所以随着互联网技术的普及与推广、以太网通信速率的提高、 交换技术的发展，基于以太网的工业控制网络系统受到了全球的拥护和软硬件 支持，并得到了迅速发展和普及。因此，基于以太网的工业控制网络是工业控 制系统的发展趋势。 本文筑工篷 三l 太网翡关键技术入手，疆交了般骧太瓣露蠢的豫竣不镶定 性；现场设铸的供电问题；传统以太网设备互可操作性不强；本质安全和远程 佟输等缺点。着煮对如何提街避信辅应实时槛酾安全性以及如何实魏逸稔传输 簿赶瑟送行了深入静探讨、分耩，使爰会双王交捺式戳太瓣技零孵凌传瓣孛遵 镶敬实时性帮确定性趣聪，捷髑交换式絮线器扩大嗣络带宽。通过用连接电缆 中的空闻线缆为现场设番提供工作电源，以实现现场总线供电。用低功耗技术 和本安陡爆技术麓决魂场设螽的安全阂麓，绘毽了魄较遴怒豹王塑激太潮解决 方案。根据工业控制领域对嘲绦支持系绞的要求，借鉴商业以太网的设计原则 和方法，设计了蒸于分鼷结椅化工业以太网结构，拟为工业控制系统提供一个 安全、稳定、互搡作往好的通信平台；阏时，按照该设计悉臻和原潮，本谦蘧 设计了一个基于m o 曲u s ，r e p 工业潋太测的水处理遨程擞控系统。 本文选择i f i x 开发水处理远程监控系统远程系统。由于水处理系统农电厂 生产中胃纛往要求较态，在系统溪侔配鬻上慕联了多种筑余接麓醣绦涯系统豹 安全。该系统已缝藏功在菜念延运行，为金敦发全生产、设备稳定遐露撼拱掇 本保证，为企业创造巨大的经济效益和 土会效麓。 美键词：阂络控裁系统，工鼗璐太潮，瑗场憨线，渤曲娃s 理c p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st 1 1 e s i s ，w em a d ea no v e r v i e wo nt h eh i s t o r ya n dt h el a t e s ta c 王l i e v e m e n t so f i n “s 砸a lr l e t 、v o r ka n dc o m p a r e di n d u s 仃i a le 也e m e t 、i t hd c s 锄df i e l d b u s ，帆 o t h e rp o p u l a rn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s w ea l s oi n 仃o d u c e d 伽em s t o r ya n d 出e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le t h e m e ta n dm a d ead i s c l l s s i o no n 1 ea d v 咖g e s 趾d d i s a d v 觚t a g e so fh l d u s 研a le t h e m e tf o ri n d u s t r i a lc o n 仃0 1 i n d u s t r i a in e m o r kc o l i 们l s y s t e mb a s e do ne m e m e th a sm a i l ya d v a 工l t a g e s ，s oa sh i g ht r a l l s m i s s i o nr a t e ，g o o d r e l i a b i l i t y e a s ym a i n t a i n ，r e m o t c 订a n s m i s s i o 玛m u t u a lo p e r a t i o na n ds oo n w i 也t l l e e x t e n s i o no fi n t e m e ta n dt h ea d v a n c e m e mo fc o m m l l 】f l i c a t i o nr a t eo fe t l l e l e ta n d 血e d e v e l o p m e n to fe x c h a l l g et e c h n o l o g y t l l ei n d l i s t i i a lc o i 灯o ls y s t e mn e t w o r kb a s e do n e 也e r n e ti ss u p p o n e di nt h ew o r l da i l dd e v e l o p e dp r o m p t l ys om ei n d u s t r i a lc o n 仃o l s y s l e mn e t w o r kb a s e d o ne t l l e l e ti sd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fi n d u s 砸a 1c o n _ t r 0 1 f r o m 也ek e yt e d h l l 0 1 0 9 yo fm d u s 埘a le t h e r n e t ，m i sp a p e rr e s e a r c h e ss o m e s h o r t c o r n i n g st h a ta r ep o s s e s s e db yc o n l i n o ne m e m e t ，s u c ha sc o n l i n o nt r a n s m i s s i o n u n c e n a i n t y p o w e rs u p p l yp r o b l e mo ff i e l de q l l i p m e n t ，m 锄e u v e m b i l i t ) ro f 仃a d i t i o n a i e t h e m e te q u i p m e n t ，e s s e n c es e c u r i t ya 芏l dl o n g - d i s t a n c e 订肌s m i s s i o np m b l e m t l l i s p a p e ri m p o r t a l l t l yd i s c u s s e st h ep r o b l e mo fr e m o t e 啪s m i s s i o na 1 1 dt l l ep r o b l e mo f h o wt oa d v a l l c et h er e a l t i m ea n ds e c 嘣t ya n dt h er e a s o no fi n d e t e n n i n a c yo f i n d u s t r i a le m e m e t ，t h e nw eu s ef u l ld o u b l e - d u p l e xe x c h a n g ee m e m e t 恻 1 i l o l o g yf o r s o l v i l l g t i m ea n dc e 删m yp m b l e m ，u s i n ge x c h a n g eh u bf o rb r o a d e n i n gn e t 、o r k b a i l d w i d 血u s i n gl e i s u r e1 i n eo fc o 皿e c t i o nc a b l es u p p l yw o r kp o w e ro ff i e l d e q u i p m e n tt or e a l i z ep o w e rs u p p l yf o r6 e l db u s u s 址gl o w e r c o n s u m et e c h n o l o g y a 1 1 de s s e n c ea n t i e x p i o d et e c h n o l o g yr e s o i v et 1 1 es e c 删t yp r o b i e mo ff i e i de q u i p m e n t a d v a n c e sa ni d e a ls o l u t i o no fi n d u s 主r i a le t h e m e t a c c o r d j n gt o 出ed e m a i l d i n go f n e t w o r ks u p p o r ts y s t e mi n 廿1 ed o m a i l lo f 曲d u s t r i a lc o n t r o l ，a 1 1 dr e f e r r i n gt ot h e d e s i g np r i n c i p i eo fc o m m e r c i a ie t l l e m e t ，t h i sp 印e rd e s i g n ss m l c m r eo fi n d u s t r i a l e 出e r n e tw h i c hi sb a s e do nd e l a m i n a t e ds 仃u c t t i r ea n da 舒b r dac o m m u n i c a t i o n p l a “b 衄w h i c hi s s e c u r ea n ds t a b i l ea n dm u t u a lo p e m d o nf o ri n d u s 谢a lc o n 订o i s y s t e _ m ，a tt h es 锄et i m ed e s i g n sar e m o t em o n i t o f i n gs y s t e mo fw a t e rp r o c e s sw h i 6 h i i 武汉理工大学硕士学位论文 i sb a s e do nm o d b u s t c pi n d u s t r i a le m e m e t n l i sr e m o t em o n i t o rs y g t e mh a sp a s s e d t e s t 肌di sr u i l i l i n gi ns o m ef i r 印o 、v e rp l a j l t i f i sc h o s e nt od e v e l o p 出er e m o t em o n j t o r i n gs y s t e mo fw a t e rp r o c e s sf o ri t s a d v a m a g e s a st h ew a t e rp r o c e s sd e m a l l d sm o r cd 印e n d a b m t yi np o w e rp m d u c t i o n m a r i vk i n d so fr e d u l l d a i l tm e a s u r e sa r et a k e n0 nh a r d w a r et oi n s u r a l l c em es a f e t vo f m es y s t e m t h i ss y s t e ：mh a sa l r e a d ys u c c e e d e di nn m m n gf o ra1 0 n gt i m e t h es y s t e m c a i lo f f 矗b a s i ca s s l l r a i i c ef o rs a f c t yp r o d u c t i o na n de q u i p m e n ts t e a d i l yr u n n i n 晷i th a s c r e a t e de n o 订n o u se c o n o i l l i cb e n e f i t sa n ds o c i a jb e i l e f i t sf b rt h ee n t e r d r i s e k e yw o r d s ：n e t w o r kc o m r 0 1s y s t e m ，i n d u s t r i a le 也e m e t ，f i e l d b u s ，m o 曲u s 厂r c p 武汉理1 i 大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 随着控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术等的飞速发展，信息交 换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆 盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。工业控制网络系统的网络 结构越来越分散，系统越来越复杂，连接更加高速化、紧密化。系统被分成了 许多独立的“控制孤岛”，对驱动器和用户接口的需求更多。信息技术的飞速发 展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的 企业信息系统。当前工业控制网络的发展趋势是从多种现场总线共存、多种系 统的集成和多种技术的集成，最终趋向统一。以太网具有这方面的潜质，它的 低成本、开放性好、广泛的开发和应用软、硬件的支持等优势，使之成为目前 应用最广泛的网络技术。如果工业控制网络采用以太网，可以使工业控制网络 纳入计算机网络技术的发展主流，但同时也要一定的技术来提高网络的实时性 和可靠性以满足工业控制现场的要求。 在控制网络体系中，信息管理层负责对下层的监控管理和与外部网络的连 接。对数据的延迟时间、同步及可确定性等要求没有工业控制那么严格，以太 网技术完全可以满足其要求。因此，这一层基本己经统一到以太网。 尽管以太网具备诸多优点，但作为传统上面向商业用途的局域网络，以太 网应用于工业控制领域仍受到多方质疑，其理由主要集中在以太网的不确定性 和实时性能欠佳等问题上，因为这将直接影响网络控制系统的稳定性及能否满 足工业控制网络的要求等。然而，由于快速以太网和交换式以太网技术的发展， 给解决以太网的不确定性问题带来了新的契机，而全双工交换式以太网的诞生 改善了以太网数据交换的实时性，满足了工业控制的要求。另外，通过结构化 的网络设计、使用智能集线器、实施主动切换、对数据传输引入优先权等手段 也可以基本解决以太网的上述问题。正是在对以太网应用于工业控制网络中存 在问题的研究基础上提出了工业控制网络系统的研究课题。本课题的基本目标 是设计一个基于工业以太网的电厂水处理远程监控系统。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 工业网络控制系统概述 网络控制系统( n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 又称为控制网络，是指用 于完成自动化任务的网络系统，它的网络节点除了常规微机、工作站等必备的 网络设备以外，更多的是具有计算与通信能力的智能设备。控制网络系统广泛 地应用于对生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视或控制，技 术上要求具备高度的实时性、安全性、可靠性，数据传输量一般较小。 控制系统的结构从最初的计算机集中控制系统( c e n t r a l i z e dc o n t r o l s y s t 鲫，c c s ) ，到第二代的集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ， 发展到目前比较流行的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 和 新兴起的工业以太网控制系统，它经历了从简单到复杂，从低级到高级，极大地 提高了自动化控制水平。 1t 3 工业网络控制系统发展与现状 1 3 1 集散控制系统( d c s ) 集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m sd c s ) ，简称集散系统。它是一种应用于过程控制的工程化的分布式计 算机控制系统。 d c s 在功能与性能上较模拟仪表及集中式数字控制系统有了很大的进步，可 在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。近年来，为了使d c s 更加适用于 工业生产现场，新一代d c s 还进一步做出一些改进，比如系统开放化、采用通 用工作站、超大型化和微型化、通信介质多样化、d c s 与p l c 相互融合以及软件 的不断丰富等等。但是，在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存 在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能 互连，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困 难i ”。 】 3 2 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线控制系统可以很好地解决集散控制系统存在的问题，随着自动化 武汉理： 大学硕士学位论文 技术的迅速发展，新型的现场总线控制系统突破了d c s 中通信由专用网络的封 闭系统来实现所造成的缺陷。实现了基于公开化、标准化的解决方案即可以把 来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系 统，实现综合自动化的各种功能。同时把d c s 集中与分散相结合的集散控制系 统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智 能设备本身便可实现基本控制功能”】。 现沥总线是面向工厂底层融动化及倍意集崩的数字化鳓络技术，它怒连接 臻场设鍪翻爨动化系统的数字式、双囱健输、多分支结构豹通傣姻络，是计算 机嬲络技术衣工厂底层的延伸，更鼹现场通信网络和控制系统的集成。现场总 线靛节患楚现场设备或现场仪表，粥飘行器、终感嚣、交迭器帮编餐器等。凌 场慧线技术楚计算税接零、羽络技术帮控稍技术稽缝合露产生魏。 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。现场总线系统由于采用了 智能现场设备，能够把原先d c s 中位于羧制室的控制模块、各输入输出模块转 入磁场设备，燕上凝场设备具蠢通信麓力，瑷场的测量变遴搜袋可以与耀门等 执雩亍机构逡接转送信号，因丽控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制 仪表，赢按在现场完成，实现了彻底的分散控制。控制嘲络的屡次缩梅一般分 三蒺，3 个瑟次分辆是：联场设餐罄、控制落帮僖怠餐理瑟。 现场总线系统在技术上具肖以下特点啪： ( 1 ) 系统的开放性：开放是指对相关标准的一致健、公开往，强调对标礁的 共谈与遴驮。缓璐戆线开发毒靛愚爨蘩力予建立统一豹疯层圈终豹器敖系绞。 簿户可按蠡跫豹需要和考虑，把寒巍不同供应嶷豹产是组戏大小随意的系统。 ( 2 ) 互操作性与互用性：互操作性，是指实现强连设备间、系统间的信息传 送与沟滤；黼互用意睬繁不淄懋产厂商的经能藕缓静设备霹实醮穗曩替按。瑶 场设备镌智皴化与功能翻治性，它撼传感测量、孙偿计算、工魏量处理与控制 等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备帮可完成自动控制的基本功能， 荠珂随时谂繇设备酌运 亍状态。 ( 3 ) 系绞结构熬嵩度分教烂：现场总线跫掏戒一秘掰豹全分教槛控铡系绞结 构，从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结含的熊散控制系统体系，简化了 系统结椽，爨高了w 靠浚。 ( 4 ) 对联场环境毂逶戍性：工 乍在生产现场瓣端，捧为注利网络底层的现场 总线，怒专为现场环境耐设计晌，w 支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红 武汉理工大学硕士学位论文 外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并 可满足安全防爆要求等。 现场总线控制系统由于其特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向 之一，但是就目前情况看，现场总线技术的发展还存在诸多问题，最主要的是 没有一个统一的国际标准( 目前的现场总线国际标准i e c 6 儿5 8 ，包含了8 种不同 类型献现场总线) ，由于各大总线厂商为了各自的利益，把持着标准的制定工作， 近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于不同现场总线的通信协议有很 大差异，所以要实现不同总线产品互连非常困难。现场总线领域的这种不统一， 使现场总线不易广泛应用。 1 3 3 工业以太网发展现状 工业自动控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂， 各部的连接也越来越高速化与紧密化。虽然现场总线控制系统在工业控制领域 具有多方面的优势，但是不同的现场总线通信协议有很大差异，要实现整个工 厂的全系统自动化集成就存在了诸多的问题，因此易于实现工厂全系统自动化 集成的工业控制网络逐渐成为研究的热点。 以太网由于其应用的广泛性和技术的先进性，己逐渐垄断了商用计算机的 通信领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到 工业现场的趋势。 1 9 9 9 年成立的工业自动化开放网络联盟( i a o n o ) 正在制定一系列旨在推广 以太网在工厂自动化、过程自动化、建筑自动化的现场层使用的标准和指南， 为此，i a o n o 与o d v a ( o p e nd e v i c ev e n d o ra s s o c i a t i o n ) ，m o d b u s i d a ，e t h e r n e t t e c h n 0 1 0 9 yg r o u p 、e t h e r n e tp o w e rl i n ks p e c i f i c a t i o ng r o u p 、i n t e r e s t s g r o u ps e r c o si n t e r f a c e 制定了共同的策略，以开发基于e t h e r n e t 的工业自动 化产品。美国电气工程师协会( i e e e ) 正着手制定现场装置与e t h e r n e t 通信的新 标准。该标准让网络直接看到对象( o b j e c t ) 。这些工作为e t h e r n e t 进入工业自 动化的现场级打下了基础。 为了适应市场趋势，全球主要自动化厂商和组织加强了工业以太网的研究。 目前工业以太网技术主要有4 个竞争者，它们是：m o d b u s i d a ( m o d b u sd r o t o c 0 1 o nt c p i p ) 工业以太网、e t h e r n e t i p ( t h ec o n t r o l n e t d e v i c e n e t0 b e c t so n t c p i p ) 工业以太网、f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 工业以 武汉理工大学硕士学位论文 太网、p r o f i n e t ( p r o f i b u so ne t h e r n e t ) 工业以太网【4 。 ( 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 ) 组织是由德国p h o e n i x c o n t a c t 公司和法国s c h n e i d e r 电气公司等多家公司于2 0 0 0 年3 月联合成立的， 该组织提出一套基于e t h e r n e tt c p i p 用于分布式自动化的接口标准，利用这 个接口标准，可以建立基于e t h e r n e t 和w e b 的分布式智能控制系统。为了实现 不同生产商设备间的对象交换，使用基于x m l 的对象描述和交换机制；通过定 义一个安全层，将大大增强网络的安全性；为了同步设备的时钟，定义了高精 度同步方法；定义了设备描述、i p 寻址和设备映像等方法，简化设备的安装和 替换，实现真正意义上的即插即用。 m o d b u s 协议原为美国m o d i c o n 公司于7 0 年代所发表的用于p l c 产品的通信 协议。由于其功能比较完善，很容易实现，适用于不少工业用户所需要的通信 类别，所以被许多系统供应商采纳，得到很广泛的应用，己成为事实上的工业 通信标准。早期的m o d b u s 协议建立在t i a e 1 a 标准r s 一2 3 2 e 和r s 一4 8 5 串行链 路的基础上，近年来，随着m o d b u s 协议不断发展，己经将w e bs e r v e r ，e t h e r n e t 和t c p l p 等技术引入应用协议。 m o d b u st c p i p 基本上用简单方式将m o d b u s 帧嵌入t c p 帧，这是一种面向 连接的传送，它们需要响应。使用u d p 不需要响应。其差错检验通常在应用层 完成。上述请求响应技术很适用于m o d b u s 的主站从站特性。在t c p 帧中使用 开放的m o d b u s 可提供一种系统规模可伸缩的方案，由1 0 个网络节点到1 0 0 个 网络节点，无需采用多目的传送( m u l t i c a s t ) 技术。 从上面的叙述可以看出，m o d b u s 组织和i d a 集团都致力于建立基于 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，因此，合并后 m o d b u si d a 工业以太网将会更加完善，管理级采用以太网t c p i p 标准，它由目 前流行的商用以太网集线器、交换机和收发器等构成，可完成用户各种管理功 能；控制级包括p l c 、i p c 、分布式i o 、人机界面、电机速度控制器和网关等， 采用 f o d b u st c p i p 协议，完成各种控制功能；现场级采用基于m o d b u s 协议的 各类设备和i o 装备；嵌入式w e b 服务是系统核心技术之，使用标准的 i n t e r n e t 浏览器就可以读取设备的各类信息、修改设备的配置和查看历史故障 记录。同时，集成式w e b 服务器可以完成系统设备的诊断功能。 ( 2 ) e t h e r n e t i p 工业以太网 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 8 年初，c o n t r o l n e t 国际组织( c 0 n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ，c i ) 开发了 由c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 共享的、开放的和被广泛接受的应用层规范，上述 两种网络都是基于e t h e r n e t 。利用这种技术，c i 、工业以太网协会( t h e i 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 ，i e a ) 和开放的d e v i c e n e t 供应商协会( 0 p e n d e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o no d v a ) 于2 0 0 0 年3 月发表了e t h e r n e t i p ，打 算将这个基于e t h e r n e t 的应用层协议作为工业自动化标准。 以太网协议( e t h e r n e t i p ) 是一种开放的工业网络标准，它支持显性和隐性 报文，并且使用目前流行的商用以太网芯片和物理媒体。e t h e r n e t i p 网络使用 有源星形拓扑结构，一组装置点对点地连接到交换机。星形拓扑的优点是支持l 0 m b p s 和l o o m b p s 的产品，可以将1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 产品混合使用。星形拓扑 接线简便，很容易查找故障，维护也简单等。 e t h e r n e t i p 是一种开放协议，它使用现有的成熟技术： i e e e8 0 2 3 物理和数据链路协议： e t h e r n e tt c p i p 协议组： 控制和信息协议( c i p ) ，它提供实时的i o 报文和信息，以及对等层通 信报文。 e t h e r n e t i p 成功之处在于它在t c p u d p i p 之上附加c i p ，提供一个公共 的应用层，c i p 的控制部分用于实时i o 报文或隐性报文。c i p 的信息部分用于 报文交换，也称作显示报文。c o n t r 0 1n e t ，d e v i c en e t 和e t h e r n e t i p 都使用 该协议通信，三种网络分享相同的对象库，对象和装置行规( d e v i c ep r o f i l e ) 使得多个供应商的装置能在上述三种网络中实现即插即用。e t h e r n e t i p 能够用 于处理多达每个包1 5 0 0 个字节的大批量数据，它以可预报方式管理大批量数据。 目前，e t h e r n e t 网络技术正在快速发展，成本在迅速下降，因而e t h e r n e t i p 得到了越来越广泛的应用1 9 j 。 ( 3 ) f fh s e 工业以太网 1 9 9 8 年，美国现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i 。nf f ) 决定采用高速以 太网( h i g hs p e e de t h e r n e t ，h s e ) 技术开发h 2 现场总线，作为现场总线控制系 统控制级以上通信网络的主干网，控制级以下仍使用解决了两线制供电的h i 现 场总线，从而构成了信息集成开放的体系结构。 现场级网络h 1 以3 1 2 5 k b p s 速度工作，支持过程控制应用。h s e 网络遵循 标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加 武汉理工大学硕士学位论文 的功能可以在标准的e t h e r n e t 结构框架内无缝地进行操作，因而f fh s e 可以 使用当前流行的商用以太网设备。1 0 0 m b p s 吼太网拓扑采用交换机构成星形连 接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。h s e 使用标 准的i e e e8 0 2 3 信号传输、标准的e t h e r n e t 接线和通信媒体。设备与交换机 之间距离，使用双绞线为1 0 0 m ，使用全双工光缆则可达2 0 0 0 m h s e 支持冗余通 信，如果一条线路断开，则数据流将立即移至后备线路传送。采用冗余的交换 机和连接装置可以实现网络的冗余与容错，h s e 上的任何设备都能作冗余配置。 其协议规范已被国际电工委员会接受，成为i e c 6 1 1 5 8 国际标准。f f h s e 的 1 4 层由现有的以太网、t c p i p 和i e e e 标准所定义，h s e 和h i 使用同样的用户 层，现场总线信息规范( f m s ) 在h l 中定义了服务接口，现场设备访问代理( f d a ) 为h s e 提供接口。用户层规定功能模块、设备描述、功能文件以及系统管理。 f f 规范了2 1 种功能模块供基本且先进的过程控制使用，这些功能模块驻留 在连接至h s e 网络的现场设备中，仅需要组态并予以链接。f f 还规定了新的柔 性功能模块( f f b ) ，用以进行复杂的批处理和混合控制应用。f f b 支持数据采集 的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集、p l c 和与其他协议通信的网间 连接器。 h s e 工业以太网为连续的过程工业和断续的制造工业所需的连续实时控制 提供了各种解决方案。它也为各类传感器、连续与断续自动控制系统、监控和 批量系统、资源规划系统以及信息管理系统的集成提供了一种标准的协议。 ( 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 a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 组织于2 0 0 1 年8 月发表的p r o f i n e t 规范是用于p r o f i b u s 纵向集成、开发一致的综合系统解决方案。p r o f i n e t 将工 厂自动化和企业信息管理技术有机地融为一体，同时又完全保留了p r o f i b u s 现 有的开放性。p r o f i n e t 特别重视有关保护投资的要求，以确保现有工厂的继续 运行，同时还要求现有的系统可以集成已经安装的系统。 p r o f i n e t 通信系统支持开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使 用的e t h e r n e tt c p u d p i p 基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要 求。基于对象应用的d c o m 通信协议是通过该协议标准建立的。以对象的p d u 形 式表示的p r o f i n e t 组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象即c o m 对 象作为d c o m 协议定义的形式出现在通信总线上。连接对象活动控制( a c c 0 ) 确保 了己组态的互相连接的设备件通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事件 武汉理工大学硕士学位论文 控制的，a c c o 也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输、连接的 监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试和诊断。 p r o f i n e t 构成从i o 层直至协调管理层的基于组件的分布式自动化系统的 体系结构方案，p r o f i b u s 技术可以在整个系统中无缝集成。p r o f i b u s 可以通过 代理服务器( p r o x y ) 很容易地实现与其他现场总线系统的集成。在该方案中，通 过代理服务器将通用的p r o f i b u 8 网络连接到工业以太网，通过以太网t c p i p 访问p r o f i b u s 设备是由p r o x y 使用远方程序调用和m i c r o s o f td c o m 进行处理 的。代理服务器是一种实现自动化对象功能的软件模块，该自动化对象既代表 p r o f i b u s 用户，又代表工业以太网上的其他p r o f i n e t 用户。 p r o f i n e t 通信协议使用i e e e8 0 2 1 标准、e t h e r n e tt c p u d p i p 协议、特 定的实时协议、c o m d c o m 组件模型、对象模型以及网络管理等技术。 综上所述，p r o f i n e t 规范将现有的p r o f i b u s 协议与微软的自动化对象模型 c 0 m d c 0 m 标准、t c p i p 通信协议以及工控软件互操作规范o p c 技术等有机地结 合成一体。p r o f i n e t 试图实现所有的自动化装置都是透明的、面向对象的和全 新的结构体系。 1 3 4 以太网应用于工业控制领域的优势 以以太网为代表的c 0 r r s ( c o f l l i n e r c i a lo f ft h es h e l f ) 信息网络通信技术以 其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。与其它 控制网络相比，以太网的优势主要体现在以下几个方面f 5 】。 ( 1 ) 应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，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 + + 、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。 ( 2 ) 成本低廉 由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛 支持，己有多种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 ，而且随着集成电路技 术的发展，其价格还会进一步下降。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 通讯速率高 目前以太网的通信速率为l o m b s ，1 0 0 s 的快速以太网己开始广泛应用， 1 0 0 0 m b s 以太网技术也逐渐成熟，1 0 g b s 以太网也正在研究。其速率比目前的 现场总线快得多。以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。 ( 4 ) 软硬件资源丰富 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，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广 速度。 ( 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大量的技术投 入；并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程上依赖于 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。 因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台， 可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总 线技术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在 技术升级方面无需单独的研究投入。这一点是任何现有现场总线技术所无法比 拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好 的性能，通信协议有更高的灵活性。这些要求以太网都能很好地满足。 1 3 5 以太网应用于工业控制领域存在的问题 以太网是目前应用最广泛的局域网技术，它具有开放性、低成本和广泛应 用的软硬件支持等明显优势。它最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p i p 。它的 底层是e t h e r n e t ，网络层和传输层采用国际公认的t c p i p 。 在工业控制现场，能否将以太网用于网络控制系统的底层完全替代现场总 线目前还处于研究和讨论阶段。普通以太网向下延伸到工业现场，面临一系列 的如下的主要问题【6 】： ( 1 ) 以太网存在实时性差和不确定性的问题 确定性是指网络中任何节点、在任何负载情况下都能在规定的时间内得到 数据发送的机会，任何节点都不能独占传输媒介。而实时性主要通过响应时间 9 武汉理工大学硕士学位论文 和循环时间来反映。 另外，以太网虽然在商业领域得到了广泛的应用，但用标准的u d p 或t c p i p 协议与e t h e r n e t 一起来构建实时控制网络是困难的。这主要是因为以太网的媒 介访问控制协议c s m a c d 有无法预见的延迟特性。网络每个节点要通过竞争来 取得信息包的发送权：节点监听信道，只有当发现信道空闲时，才能发送信息； 如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息 如发生碰撞，需退出重发。当实时数据与非实时数据在普通以太网上同时传输 时，由于实时数据与非实时数据在源节点的竞争以及与来自其它节点的实时与 非实时数据的碰撞，实时数据将有可能经历不可预见的大延时，甚至出现长时 i 训发不出去的情况。而且以太网的整个传输体系并没有有效的措施及时发现某 一节点故障而加以隔离，从而有可能使故障节点独占总线而导致其它节点传输 失效，工业控制响应的实时性问题就不能得到解决。 以太网的这一缺陷使它与过程控制系统的要求有一定的距离。这是因为信 息传输系统与过程控制系统在通信的要求上有很大的不同：信息传输的主要要 求是速度快，过程控制系统不仅要求速度快，还要求响应快，即实时性好。信 息传输系统对响应时间要求较低，一般是2 6 s ，过程控制对系统的实时要求较 高，一般是o 5 2 s 。信息传输系统对实时性的要求是软的，只要大部分时间满 足要求就可以了，偶尔几次不及时响应影响不大；过程控制对实时性的要求是 硬的，它涉及安全可靠性问题，必须在任何时间都及时响应，不允许有任何不 确定性。显然过程控制的实时性要求高得多，过程控制通信将分散的节点接入 系统时常采用广播方式和多组方式，信息传输系统通信时一个自主系统和另一 个自主系统只在需要通信时建立一对一的方式。 因此，普通的以太网要应用于工业控制系统必须解决实时性和确定性的问题。 ( 2 ) 以太网的工业可靠性问题 以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性 需要，工厂环境中，以太网抗干扰性能较差，如超高或超低的工作温度，大马 达或大导体产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。工业以太网如要在车间 底层应用必须解决可靠性的问题。 ( 3 ) 以太网的总线供电问题 采用总线供电可以减少网络线缆，降低安装复杂性与费用，提高网络和系 统的易维护性。特剐是在环境恶劣与危险场合，总线供电具有十分重要的意义。 1 0 武汉理 ：大学硕士学位论文 由于e t h e r n e t 以前主要用于商业计算机通信，一般的设备或工作站( 如计算机) 本身己具备电源供电，没有总线供电的要求，因此传输媒体只用于传输信息。 ( 4 ) 以太网设备的本质安全与安全防爆问题 在生产过程中，很多工业现场不可避免地存在易燃、易爆以及有毒气体等 场合。对应用于这些工业现场的智能装备以及通信设备，都必须一定的防爆技 术措施来保证工业现场的安全生产。以太网系统的本质安全包括几个方面，即 工业现场以太网交换机、传输媒体以及基于以太网的变送器和执行机构等现场 设备。 ( 5 ) 以太网的安全性问题 工业以太网的应用，不但可降低系统的建设和维护成本，还可实现工厂自 上而下更紧密的集成，并有利于更大范围的信息共享和企业综合管理：但同时， 也带来了网络安全方面的隐患。以太网和t c p i p 的优势在于其在商业网络的广 泛应用以及良好的开放性，可是与传统的专用工业网络相比，也更容易受到自 身技术缺点和人为的攻击。 1 4 课题的主要工作 本课题结合某电厂基于m o d b u s t c p 工业以太网的水处理控制网络系统，对 工业控制网络体系结构进行了研究。着重研究了以太网应用于工业控制网络存 在的问题及解决方法。论文主要研究内容如下： 1 ) 深入研究以太网应用于工业控制网络中存在