（系统工程专业论文）EthernetIP通信适配器硬件设计.pdf

摘要 工业以太网是近年来的研究热点，相对于我国在现场总线技术上的落后现状， 我们不应该在这个领域再次落后。本文论述与上海捷准工业自动化公司合作开发的 e t h e m e t i p 通信适配器，即是符合工业以太网e t h e m e t i p 协议的工业控制现场仪 器。其应用主要包括两个方面：( 1 ) 集成在传统的工业设备上，作为工业控制系统 中信息管理层与现场设备层之间的沟通桥梁；( 2 ) 作为独立的设备，是e t h e m e t i p 工业互联网组网的基础设备，不同协议的工业设备、工业控制系统通过与 e t h e r n e t i p 工业互联网通信适配器的连接，便可实现数据集成、协议转换【4 3 1 。 本文首先介绍工业以太网的发展概况及其关键技术，并简要描述了国际上现 有的几个比较典型的工业以太网协议：m o d b u s i d a 工业以太网、e t h e m e t i p 工业 以太网、p r o f i n e t 工业以太网、f fh s e 工业以太网。并详细介绍了e t h e r n e t i p 以 太网技术，包括：e t h e m e t i p 的协议模型，应用层协议c p 。 e t h e m e t i p 通信适配器作为工业以太网控制系统中的中介点，其对实时性、 可靠性皆有很高的要求，必须构建稳定、强健的硬件平台作为其基础。由此，本 文设计了以$ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器为核心的硬件系统。硬件设计充分利用$ 3 c 2 4 1 0 a 出色的内核性能及丰富的外围设备接口，构造出带有以太网、u s b 、r s 2 3 2 、l c d 、 i o 扩展接口的硬件平台。本文完成了从原理图设计、p c b 设计等工作，并借助工 具对最终的硬件系统进行底层测试，经检测表明，e t h e m e f f l p 通信适配器有良好 的稳定性、可靠性、实时性。 最后，对课题研究进行总结，指出一些有待进一步提高和改进的地方。 关键词：e t h e r n e t i p 工业以太网嵌入式a r mc i p a b s t r a c t t h ei n d u s t r ye t h e m e ti st h ef o c u so fi n d u s t r i a lr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s c o m p a r e d t oo u ro u t d a t e dt e c h n o l o g yi nf i e l d b u sf i e l d ，w es h o u l ds t r e n g t h e nt h er e s e a r c hi nt h i s f i e l d t h i sd i s s e r t a t i o ne l a b o r a t e s t h ed e v e l o p m e n to fe t h e r n e t i pc o m m u n i c a t i o n p r o c e s s o r , w h i c hi si n d u s t r i a lc o n t r o ll o c a li n s t r u m e n tc o n f o r m i n gt h ei n d u s t r ye t h e r n e t e t h e r n e t i pa g r e e m e n t ，w h i c hc o o p e r a t ew i t hs h a n g h a ih u r c oi n d u s t r i a la u t o m a t i o n c o m p a n y t h ea p p l i c a t i o no ft h ei n d u s t r ye t h e r n e te t h e r n e t i pm a i n l yi n c l u d e st w o a s p e c t s ：( 1 ) o nt h et r a d i t i o n a li n t e g r a t e di n d u s t r i a le q u i p m e n t ，a sc o m m u n i c a t i o nb r i d g e b e t w e e nt h el e v e lo fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti n t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mt ot h e l e v e lo fl o c a li n s t r u m e n t ( 2 ) a st h ei n d e p e n d e n te q u i p m e n t ，i ti st h ei n t e r n e tn e t w o r k s f o u n d a t i o ne q u i p m e n to fe t h e m e t i pi n d u s t r y , i nt h i ss i t u a t i o n ，t h ed i f f e r e n ta g r e e m e n t s i n d u s t r i a le q u i p m e n ta n dt h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mr e a l i z et h ed a t ai n t e g r a t i o n ，t h e p r o t o c o lc o n v e r s i o nt h r o u g hc o n n e c t i n gt ot h ei n t e r n e tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ro f t h ee t h e r n e t i pi n d u s t r y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts u r v e ya n dc o r et e c h n i q u eo fi n d u s t r y e t h e r n e tn e t w o r k ，a n ds i m p l yd e s c r i b e ss o m eo ft h ee x i s t i n gt y p i c a li n t e m a t i o n a l i n d u s t r ye t h e r n e tp r o t o c o l s ，i n c l u d i n gm o d b u s i d ai n d u s t r ye t h e m e t ，e t h e r n e t i p i n d u s t r ye t h e m e t ，p r o f i n e ti n d u s t r ye t h e r n e t ，f fh s ei n d u s t r ye t h e r n e t t h e d i s s e r t a t i o na l s oe l a b o r a t e so ne t h e m e tt e c h n i q u ea b o u te t h e m e t i ei n c l u d i n gp r o t o c o l m o d e la n da p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lc i po fe t h e m e t i p a st h em e d i a t i o np o i n to fc o n t r o ls y s t e m ，e t h e m e t i pc o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o r h a sh i g hr e q u i r e m e n t so nr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t ys ot h a ti th a st oe s t a b l i s h as t a b l ea n ds t u r d yh a r d w a r ep l a t f o r ma sf o u n d a t i o n o fc o m m u n i c a t i o np r o c e s s o r h e r e b y , t h i sa r t i c l ed e s i g n sah a r d w a r es y s t e mb a s e do nt h e c o r eo f $ 3 c 2 4 10 a m i c r o p r o c e s s o r t h eh a r d w a r es y s t e mm a k e sb e s to ft h ee x c e l l e n tk e r n e lp e r f o r m a n c e a n da b u n d a n tp e r i p h e r a le q u i p m e n ti n t e r f a c ea n dc o n s t r u c t st h eh a r d w a r ep l a t f o r mw i t h e t h e m e t ，u s b ，r s 2 3 2 ，l c da n di oe x p a n di n t e r f a c e t h i sa r t i c l ei l l u m i n a t e st h ed e s i g n w o r ko fp r i n c i p l ed r a w i n ga n dp c ba n ds oo n ，a n da l s od ot h es u b s t r a t et e s tt ot h ef i n a l h a r d w a r es y s t e mi n v i r t u eo fi n s t r u m e n t s t h et e s tr e s u l ts h o w st h a te t h e m e t i p c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o rh a se x c e l l e n t s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y a n dr e a l t i m e p e r f o r m a n c e i nt h ee n d ，t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st h es u m m a r yo ft h er e s e a r c ha n dt h ep o i n t sw h i c h n e e df u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d ：e t h e r n e t i p i n d u s t r i a le t h e r n e te m b e d d e da r mc i p 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论 文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人 依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：关i 侈萄 劢舯j 月膨日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密() ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：襄昌六 日期：泖g 年 a - 月z6 日 导师签名：曼，i 暾乐 日期：枷零年分月 日 第一章绪论 1 1 课题背景介绍 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟一智能化与功能自治 性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地 接入了现场总线。 现场总线控制系统( f c s ) 是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数 字通讯代替4 - - 2 0 m a 模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化 ( 仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录) 的发展，在控制领域内引起了一场前所 未有的革命。控制专家们纷纷预言：f c s 将成为2 1 世纪控制系统的主流。 然而在控制届对f c s 进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的 不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8 种现场总线经过 1 4 年的纷争，最后i e c 的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8 种现场总线 成为i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准，即：f fh 1 ，c o n t r o ln e t ，p r o f i b u s ，i n t e r b u s ，p n e t ， w o r l df i p ，s w i f tn e t ，f f 之高速e t h e m e t 即h s e 2 3 1 。这8 种现场总线互不兼容， 这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的f c s 中兼容。此外，f c s 的传输速率也 不尽人意，以基金会现场总线( f f ) 正在制定的国际标准为例，它采用了i s o 的参 考模型中的3 层( 物理层、数据链路层和应用层) 和极具特色的用户层，其低速总 线h 1 的传输速度为3 1 2 5 k b p s ，高速总线h 2 的传输速度为1m b p s 或2 5 m b p s ， 这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。又如广泛用于汽车行业的c a n 总线 系统，其最高的传输速率为1m b p s 4 0 米；这些现场总线受通讯距离制约较大。 由于上述原因，使f c s 在工业控制中的推广应用受到了一定的限制【5 j 。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它 支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网 采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测( c s m a c d ) 通讯方式，在实时 性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的 “不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2 3 0 m s 之间， 这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研 e t h e m e t i p 通f 斋适配器硬件设计 究具有工程实用价值，从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一工业 以太网。 1 2 工业以太网国内外研究动态 e t h e r n e t 进军工业自动化的主要动力是：成本低；速度的提高，因普通 遍应用所形成的硬件资源、软件资源和广泛支持。e t h e r n e t 是世界上应用最多的 网络，超过9 3 的网络节点为e t h e r n e t | 3 6 】。 工业以太网与普通的商用以太网不同，在产品设计时，材质的选用、产品的 强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面要 能满足工业现场的需要。 1 2 1 以太网存在的主要问题及解决方法 e t h e r n e t 用于工业自动化有以下4 个问题需要解决。 1 2 1 1 实时性问题 实时性就是信号传输足够快加上确定性。e t h e r n e t 采用c s m a c d 碰撞检测方 式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求。 e t h e r n e t 发展的现实是：交换式1 0 0 me t h e r n e t 已广泛应用，能提供足够的带宽 和减少冲突；全双工网络和具优先权的传送机制得保证确定性。经研究表明：典 型的工业应用，峰值负载为i o me t h e r n e t 的5 ，在l o o me t h e r n e t 网络负载为 0 5 ，而e t h e r n e t 只有当负载达4 0 以上时才会有明显的延迟现象 4 1 1 2 1 1 。 在l o o me t h e r n e t 网中，发送一个包延时超过2 m s 的状况，5 年也不会发生 一次。美国电力研究院的实验结果可保证4 m s 以内。 1 2 1 2e t h e r n e t 如何满足现场环境问题 e t h e r n e t 所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的， 不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中，e t h e r n e t 抗干扰性能较差。若 用于危险场合，它不具备本安特性，也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。 随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不问断的工 业应用领域，在极端条件下网络也能稳定地工作的问题，美国s y n e r g e t i c 微系统 公司和德国h i r s c h m a n 公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机系 第一章绪论 列产品，安装在标准d i n 导轨上，并有冗余电源供电，接捅件采用牢固的d b - 9 结 构。 现在的工业e t h e r n e t 现场总线采用一种称为连接装置( 1i n k i n gd e v i c e ) 类似 带丌关的集线器结构，很好地解决了e t h e r n e t 的时间确定性问题。目前，p r o f i b u s 、 d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 和l o n w o r k s 等都打算使用e t h e r n e t 。这些公司都在研究 通过隧道( t u n n e l ) 的简单传输机构，使用e t h e r n e t 传送报文。 1 2 1 3 在工业控制中使用e t h e r n e t 如何获得技术支持。 由于采用与商用e t h e r n e t 相同的技术，因此具有最广大的支持网络和资源。 为了促进e t h e r n e t 在工业领域的应用国际上成立了工业e t h e r n e t 协会和i a o n a ， 并与美国a r ca d v i s o r yg r o u pa m rr e s e a r c h 研究中心和g a r t n e tg r o u p 、a m r r e s e a r c h 研究中心和g a r t n e rg r o u p 等机构合作，开展工业e t h e r n e t 关键技术的 研究。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。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。 1 2 1 4 e t h e r n e t 与网络安全问题 在工厂运用互联网技术并不意味着工厂网络一定要连接到互联网。采用网络 的工厂，连入互联网均使用t c p i p 。这样就面临互联网类似的安全问题。安全隐 患：病毒、工业间谍、黑客、软件b u g 、恐怖主义。 一些提高安全性的方法：物理连接管理提高安全性：p l c 操作系统是专有的， 不易受到黑客、病毒的侵略。r a s 、v p n 提供远程访问：硬件身份识别。可提供多 种安全机制：用户密码、数据加密、防火墙等。随着生物信息技术的发展，指纹、 声音等生物信息将提高网络的安全性。 1 2 2 工业以太网发展趋势 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用 支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的信息层与控制 层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国 际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在控制层已得到广泛应用， 并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设 e t h e r n e “l p 通信适配器硬件设计 备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用f 6 】。 工业以太网技术作为后起之秀，迅速抢占着其它总线形式的市场，推动其发 展的两大动力是：光纤环网的应用、分布智能装置仪表。 光纤环网解决了两大问题：第一，轻松解决了在化工、矿业等极端条件的本 质防爆问题，这一下子将以太交换设备向前推动了一个层次，使以太网可以到达 工业现场层，第一次成为真正的f i e l d b u s ；第二，通过环网的冗余提高以太交换 的可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高的应用环境中。 而分布智能的装置仪表，解决了所谓以太传输时滞不确定性的诟病。首先， 光纤环网的千兆交换速度，已经使绝大部分工业控制数据在可接受的时间内交换， 对于大部分的工业生产信息，在1 0 0 m s 的时滞都是可以接受的。而如果所有的控 制均需要通过集中的方式进行，显然这个时滞又太大了。可喜的是，工业控制装 置和智能仪表正在向分布式发展。这种发展趋势，导致大量的本地控制指令不需 要通过冗长的总线来传输，而是由仪表或装置的本地计算完成，这就不需要通过 数据交换的方式苛刻地要求工业以太网的确定时延。 目前还有大量的现场总线标准，但没有任何一种标准比工业以太网更具生命 力。其中最显著的原因就是灵活的组网结构、广泛的厂商支持和开放的交换协议 体系，即便没有i p v 6 技术的普及，工业以太网也可以提供上百万数据源的高速交 换，这是目前的其他总线给予的【7 】【2 1 】。目前，转向生产集成工业以太网技术的仪 器仪表、装置的厂家是十分明智的，可以预见，在未来的十年，工业以太网将不 断统各种标准，使企业生产信息交换的结构变得上下统一，简单高效。目前还 有大量的现场总线标准，但没有任何一种标准比工业以太网更具生命力。其中最 显著的原因就是灵活的组网结构、广泛的厂商支持和丌放的交换协议体系，即便 没有i p v 6 技术的普及，工业以太网也可以提供上百万数据源的高速交换，这是目 前的其他总线无法给予的。 随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通 信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间 通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。为 此，国际电工委员会工e c 正着手起草实时以太网( r e a l t i m ee t h e m e t ，r t e ) 标准， 旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。针对这种形势，我国的一些科 第一章绪论 研院所在国家“8 6 3 ”计划的支持下，开展了e p a ( e t h e m e tf o rp 1 a n t a u t o m a t i o n ) 技 术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术。 1 3 研究课题的意义 本文研究的e t h e r n e t i p 通信适配器集成在传统工业设备上，传统工业设备 可实现向e t h e r n e t i p 工业互联网设备的升级；作为独立设备，e t h e r n e t i p 通信 适配器是e t h e r n e t i p 工业互联网组网的基础设备，承担着高效传输工业控制现 场实时数据和配置信息的重任。e t h e r n e t i p 通信适配器实现通用工业协议c l p 与标准t c p i p 互联网相结合，产生了全新工业互联网体系结构( i e c 6 11 5 8 i e c 6 1 7 8 4 ) 。采用e t h e r n e t i p 通信适配器，国内企业在组建e t h e r n e t i p 工业互 联网时可以自由选择传统的控制技术与设备，自动化产品供应商可以完全平等的、 自主、自由地选择t c p i p 互联网芯片和开发平台，开发符合各种工业应用的c i p 工业互联网产品，不再受限于特定的某家国外公司。在突破西方发达国家对 e t h e r n e t i p 工业互联网技术垄断的同时，在e t h e r n e t i p 工业互联网设备的开 发、制造和组建上，中国厂商和全球范围内的厂商站在的同一起跑线上，中国用 户不仅能够使用操作简单、维护简单、功能全面和成本低廉的e t h e r n e t i p 工业 互联网，而且直接受益于标准t c p i p 互联网的持续创新、功能增强和成本降低等 带来的好处，具有十分显著的社会效益。特别重要的是，本项目的实施将突破西方 发达国家的技术贸易壁垒，填补我国在e t h e r n e t i p 工业互联网技术研究和产品 开发方面的空白，具有十分显著的科技、经济和社会效益。 工业以太网的研究才刚刚开始，还没有形成统一的工业以太网标准；在工业 控制的转型期，对我国的工控行业追赶国际先进的工业控制技术是一个非常好的 机遇。本文所研究的e t h e m e t i p 通信适配器，就是要实现工业以太网应用于工业 现场基于以太网的通信适配器，实现远程监控、访问及数据的传输，探索以太网 用于工业控制现场，期望对我国工业以太网的研究与发展有积极的作用。 1 4 本文结构 第一章：介绍了课题的背景，工业以太网发展的一些现状，以及研究开发工业以 太网系统的意义。 e t h e m e t i p 通f 膏适配器硬件设计 第二章：介绍了工业以太网的发展，现有的几种典型的工业以太网协议。 第三章介绍了e t h e m e t i p 工业以太网技术，并简要描述了c i p 协议。 第四章介绍e t h e r n e t i p 通信适配器的硬件原理设计。 第五章介绍e t h e r n e t i p 通信适配器的p c b 设计。 第六章介绍e t h e m e t i p 通信适配器的测试方法、测试效果和测试中遇到的一些问 题及其解决方法。 第七章结语 第_ 二章丁业以太网技术 2 1 以太网概述 第二章工业以太网技术 以太网( e t h e r n e t ) 最初源于1 9 7 5 年美国x e r o x 公司建造的一个2 9 m b i t s 的 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 系统，他以无源电缆作为总线来传输数 据，在1 0 0 0 m 长的电缆上连接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。严格来讲，e t h e m e t 与c s m a c d 在m a c ( 介质访问控 制) 层上采用相同的协议以及极为类似的帧格式，但并不完全相同，只是人们的习 惯将i e e e 8 0 2 3 标准即视为e t h e r n e t 。 以太网主要针对网络上只传输数据的特点，网络上所有节点访问网络总线的 机会均等，为此采用了c s m a c d 介质访问机制。c s m c d 的优势在于站点无需 依靠中心控制就能进行数据发送【2 9 1 。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，网络性能也随之下降，不 能保证数据在预定时间内到达目的节点，通讯实时性无法保证。 以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最 大的优点是简单、经济、易为人们所掌握，因此深受广大用户的欢迎。随着网络 的应用和普及，以太网技术也不断的发展；传输的信息要求从单一的文本数据发 展到图、文、声、像等多媒体信息，因此对以太网应用范围、传输实时性等方面 的要求急剧增长【2 4 1 1 3 2 1 。 近年来，随着计算机、通讯、网络等信息技术的发展，信息交互的领域已经 覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层 到控制层、管理层等各个层次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。 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运 行一线测量与控制、信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转 换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线 供电等特殊要求和特点。 与此同时，开放性、分散化和低成本也是工业控制网络应具备的另外3 个重 要特征。即工业控制网络应该： e t h e m e t i p 通信适配器硬件设计 1 ) 具有较好的响应实时性。工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业 自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为m s 级。 2 ) 高可靠性，即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防 尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下， 能在很短的时间内重新建立新的网络链路。 3 ) 力求简洁，以减小软硬件开销，从而降低设备成本，同时也可以提高系统 的健壮性。 4 ) 开放性要好，即工业控制网络尽量不要采用专用网络。 在d c s 中，工业控制网络是一种数字与模拟的混合系统，控制站与工程师站 操作站之间采用全数字化的专用通信网络，而控制系统与现场仪表之间仍然使用 传统的方法，传输可靠性差，成本高。 2 0 世纪8 0 年代产生和发展起来的现场总线技术，以全数字通信代替4 - 、2 0 m a 电流的模拟传输方式，使得控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过程的测量 与控制信息，而且能够传输现场仪表的大量非控制信息，使得工业企业的管理控 制一体化成为可能，并且促使目前的自动化仪表、d c s 和可编程控制器( p l c ) 等产 品所面i 临的体系结构和功能结构产生重大变革【1 3 】【3 9 】【4 7 】。 然而，现场总线技术在其发展过程中也存在许多不足，具体表现为：现有 的现场总线标准过多，仅国际标准i e c6 1 1 5 8 就包含了1 0 个类型，未能统一到单 一标准上来【3 9 】【删；不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法 实现信息的无缝集成；由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高；速度 较低，支持的应用有限，不便与i n t e m e t 信息集成。 与此同时，传统上用于办公室和商业领域的以太网却悄悄地进入了控制领域。 以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。以太网已经成为目前市场上最受 欢迎的通信网络之一，它不仅垄断了办公自动化领域的网络通信，而且在工业控 制领域管理层和控制层等中上层网络通信中电得到广泛应用，并有直接向下延伸 应用于工业现场设备问通信的趋势，并成为近年来- r 、d k 控制网络新的研究热点。 2 2 工业控制网络的发展趋势 现场总线发展至今，世界各大企业拖入大量的资金和技术力量，开发了数百 第二章工业以太网技术 种现场总线，其中开放的现场总线有数十种【1 4 】。虽然广大的仪表和系统丌发商以 及用户对统一的现场总线有迫切的需求，但是由于技术和市场利益等诸多方面的 冲突，市场上的现场总线经过将近2 0 年的发展及争论也无法最终达成统一，多标 准等于无标准。不同厂商居于各自标准的设备和系统无法兼容，这使得用户的可 选择性大大降低，这是用户所不希望看到的。 现场总线在其自身的发展过程中，无一例外地沿用了各大公司的专有技术， 导致相互之间无法兼容，同时也无一例外的过多强调了工业控制网络的特殊性， 从而忽视了其作为一种通信技术的通用性【3 0 1 。因此，尽管迫于用户和市场的压力， 这些现场总线的协议公开了，但是其本质上还是专有的，其开发性只是局部的。 各大厂商之间的技术保护，导致他们的产品很难被兼容【1 5 1 。 与此相反，以e t h e m e t 为代表的c o t s ( c o m m e r c i a lo f f t h es h e l f ) 信息网络通 讯技术却以其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持【8 1 。与现场总线相比其有以下优点： 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。几乎所有的编成语言都支持e t h e r n e t 的应用开发，如j a v a 、v i s u a l n e t 等等。这些编成语言应用广泛，并受到软件丌发商( 如m i c r o s o f t 、s u n ) 的重视，技 术资料相当丰富，开发难度小，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，因此受到各个硬件厂商的鼎力 支持，有种类繁多的以太网硬件产品可供用户选择。而且因为应用广泛，硬件价 格也相对低廉。目前以太网的硬件价格只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分之一， 并且随着集成电路技术的不断进步，在性能不断提高的同时其价格还会进一步下 降。 3 ) 通讯速率高。目前以太网的通讯速率为1 0 0 m b i t s ，1 0 0 0 m b i t s 以太网技 术也日趋成熟，1 0 g b i t s 以太网技术以投入使用3 1 1 。以此可看出，以太网的通讯 速率是市场上任何现场总线所不能比拟的，它可以满足用户对带宽的更高要求。 4 )软硬件资源丰富。由于以太网的应用时限长、应用范围广，人们对以太 网的设计、应用等方面积累了丰富的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件和 硬件的设计资源可以显著降低系统得开发和培训经费，从而可以显著降低系统得 e t h e m e f f l p 通信适配器硬件设计 整体成本，并大大加快系统得丌发和推广速度。 5 )a 因此，工业业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于汁算机网络技 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， 并保证技术七的可持续发展，在技术升级方而无需单独的研究投入。 以太网由于采用c s m a c d 介质访问控制机制，各个节点采用b e b ( b i n a r y - e x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 算法处理冲突【3 3 】，具有排队延迟不确定的缺陷，无法保证确定 的排队延迟和通信响应确定性，使之无法在工业控制中得到有效的使用。 随着i t 技术的发展，以太网的发展也取得了本质的飞跃。针对以太网的排队 延迟不确定性，以太网又增加了全双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提 高实时性，并改进了容错技术。其中交换式以太网避免了交换机各端口之间的碰 撞，全双工通信又避免了各节点发送和接收报文之间的冲突，从根本上解决了以 太网通信传输延迟存在不确定性的问题。 经研究发现，通信负荷在3 0 以下时，1 0 m b i t s 以太网的通信响应实时性要 好于2 5 m b i t s 的a r c n e t ( 一种曾被广泛用于工业控制网络的令牌总线) 。而负荷在 1 0 以下时，以太网几乎不发生碰撞，或者说，因碰撞而引起的传输延迟几乎可 以忽略不汁。另一方面，在工业控制网络中，传输信息多为周期性测量和控制数 据，报文小、信息量少，信息流向也具有明最的方向性，即由变送器传向控制器； 由控制器传向执行机构。在拥有6 0 0 0 个i o 的典型工业控制系统中，通信负荷为 1 0 m b i t s 以太网的5 左右，即使有操作员信息传输( 如设定值的改变，用户应用 程序的下载等) ，1 0 m b i t s 以太网的负荷也完全呵以保持在1 0 以下。 因此，通过采用适当的系统设计和流量控制技术，以太网完全能用于工业控 制网络。事实也是如此，2 0 世纪9 0 年代中后期，国内外各大工控公司纷纷在其控 制系统中采用以太网，推出基于以太网的d c s 、p l c 、数据采集器、以及基于以 太网的现场仪表、显示仪表。 2 3 工业以太网的特点及要求 工业以太网在技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计 时，在材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要，即满足 第二章工业以太网技术 以下要求【1 9 】： 1 ) 环境适应性。包括机械环境适应，p t ( 女h 耐振动、耐冲击) 、气候环境适应性( 工 业温度要求为一4 0 + 8 5 ，至少应为一2 0 + 7 0 ，并要耐腐蚀、防尘、防水) 、 电磁环境适应性或电磁兼容性e m c 应符合e i g 5 0 0 81 2 、e n 5 0 0 8 2 2 标准。 2 ) 可靠性。由于工业控制现场环境恶劣，对工业以太网产品的可靠性也提出 了更高的要求。 3 ) 安全性。在易爆或可燃的场合，工业以太网产品还需具有防爆要求，包括 隔爆、本质安全两种方式。 4 ) 安装方便，适应工业环境的安装要求，如采用d i n 导轨安装。 工业以太网设备与商用以太网设备之间的区别见表2 1 ： 表2 。l 工业以太网设备与商用以太网设备之间的区别 工业以太网设备 商用以太网设备 元器件工业极 商用级 耐腐蚀、防尘、防水、如加固型 接插件 一般r j 4 5 r j 4 5 、d b 9 、航空接头等 工作电压 d c 2 4 va c 2 2 0 v 电源冗余双电源一般没有 可采用d i n 导轨或其他方式固定 安装方式桌面、机架等 安装 工作温度4 0 - - - + 8 5 。c ，至少应为2 0 , - + 7 0 。c 5 4 0 e n 5 0 0 8 1 - 2 ( 办公用 e n 5 0 0 8 1 2 ( - e q l 级e m c )e m c ) 电磁兼容性标准 e n 5 0 0 8 2 一( 工业极e m c )e n 5 0 0 8 2 一( 办公用 e m c ) m t b f 值至少l o 年3 5 年 目前，由于市场上大多数以太网设备所用的接插件、集线器、交换机和电缆 等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。在工厂环境中商 用以太网的抗干扰性能较差。若用于对实时性及安全性要求较高的场合，它不具 备安全特性，也不具备通过信号线项现场仪表供电的能力。 随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工 业应用领域以及在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国s y n e r g e t i c 微系统公 司和德国h i r s c h m a n n 公司专门开发和生产了导轨式收发器、集线器和交换机等系 列产品，安装在标准d i n 导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的d b 9 e t h e m e t i p 通信适配器硬件设计 结构。美国w o o d h e a dc o n n e c t i v i t y 公司还专门开发和生产了用于工业控制现场的 加固型连接件( 如加同的r j 4 5 接头、具有加固r i j 4 5 接头的工业以太网交换机、加 固型光纤转换器中继器等) ，可以用于工业以太网变送器、执行机构等【1 2 1 。美国 n e t s m o n 公司也已经研制出工业级以太网通信接口芯片，每片价格已降至l o 美 元左右，与各种现场总线芯片相比，具有很大的价格优势。 当然，以太网全面应用于工业控制网络，还需要解决以下关键技术问题： 1 ) 适用于工业控制现场的以太网媒体规范。尽管各大工控开发和制造商都在 开发、生产工业以太网设备，并且在产品设计时都采用相应的可靠性技术，但在 工业以太网线缆、接插件等方面均还没有统一的标准。如果没有统一的规范，不 同厂商生产的设备之间的连接就比较困难 2 ) 适用于工业自动化控制的应用层协议。由于以太网技术规范只定义了物理 层和数据链路层，在其之上的网络层和传输层协议以t c p p 协议为主，而在与用 户应用程序接口的应用层，商用计算机通信领域采用的是f t p ( 文件传送协议) 、 t e l n e t ( 远程登录协议) 、s m t p ( 简单邮件传送协议) 、h t t p ( w w w 协议) 等，它们如 今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性，不 适用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通讯，因此还需要定义统一的应用 层规范。 3 ) 工业以太网通信实时性服务质量( q o s ) 控制策略与客观评价。以太网应用于 工业控制现场时，应根据对工业现场控制系统实时通信要求和特点的分析，制定 相应的系统设计、流量控制、优先级控制、数据报文重发控制机制等策略，在响 应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、优先级等方面，使工业以太 网满足工业自动化实时控制要求【4 们。 4 ) 网络安全性。工业以太网由于使用t c p i p 协议，因此可能会受到包括病毒、 黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。对此，一般可采用用户密码、数据 加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理，但针对工业自动化控制网络 安全问题的解决方案还需要认真研究。 现阶段对于现场总线技术以及工业以太网技术的争论，焦点在于两种技术哪 种更具优势，在未来的自动控制领域谁能取代谁。从本质上看现场总线技术来源 于网络技术，而工业以太网技术是进入总线概念的以太网，两者在很长的一段时 第一二章t 业以太网技术 问内必将互为支持，协同发展。 2 4 工业以太网的关键技术 工业以太网有着许多令人所信服的优点。但是传统商业以太网技术应用到工业 现场仍然有着或多或少的不足和缺陷，经过许多研究机构和工程技术人员的不懈 努力和对关键技术的研究，使传统以太网技术不断改进来满足工业现场控制要求。 这些关键技术包括通信确定性和实时性技术、系统稳定性技术、系统互操作性技 术、网络安全性技术