（检测技术与自动化装置专业论文）基于以太网技术的现场总线装置研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 埘信息传递时间的苛刻实时性要求一直是制约现场总线控制系统采用以太 网技术的主要因素，因而解决以太网信息传输时间确定性问题是实现基于以太 网技术现场总线控制系统的关键。j 本文以构造具有可互操作性基于以太网技术的现场级装置为目标，对以太 网信息传输时间的不确定性进行了研究，主要内容包括：网络控制系统网络诱 导时延及稳定性研究；以太网通道服务排队模型及网性能分析；现场总线控制 系统调度信息传输机制；以及具有以太网接口的现场装置的低端实现方案。 分析网络控制系统信息传输机理，提出使网络控制系统稳定的网络诱导时 延临界条件，研究建构适用于硬实时性要求下的现场总线控制系统的策略。 分析基于以太网技术且符合控制系统实时性要求的现场总线控制系统方案 可行性，建立用于解决基于以太网技术现场总线控制系统实时性问题的调度信 息发布机制。 建立用于网性能评估的以太网通道服务排队模型，并用其分析数据帧长对 实时传输性能的影响。研究表明，合适的数据帧长也是以太网应用于硬实时工 业自动化领域的必要条件。 依照现场总线控制系统中控制功能分散及降低现场级装置成本的观点，研 究以低成本单片机为核心的具有以太网接口的现场装置实现方案。 关键词：以奠瀛现场j 螽；网络锅爵延；实哥 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e ) r i g i dr e a l t i m er e q u e s tf o rt h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nh a sl o n gb e e nt h e m a i nr e s t r i c t i o nt ot h ea d o p t i o no fe t h e m e tt e c h n o l o g yu s e di nt h ef i e l db u sc o n t r o l s y s t e m ，s os o l v i n gt h et i m ec e r t a i n t yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni ne t h e m e ti st h e k e y t or e a l i z ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne t h e m e t t e c h n o l o g y t h i sp a p e ra i m i n ga tc o n s t r u c t i n gt h ei n t e r o p e r a b l ef i e l dd e v i c eb a s e do nt h e e t h e r n e t t e c h n o l o g y , g i v e s af u r t h e r s t u d y o nt h e u n c e r t a i n t y o fi n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nt i m e ，i n c l u d i n g ：n e t w o r k i n d u c e dd e l a ya n ds t a b i l i t yi nn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ，c h a n n e l s e r v i c e q u e u i n g m o d a la n dn e t w o r k p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ； i n f o r m a t i o n s c h e d u l i n g m e c h a n i c sa n dt h el o wl e v e lr e a l i z a t i o no ff i e l dd e v i c e i n t e r f a c e dt oe t h e m e t t h i sp a p e ra n a l y z e si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm e c h a n i c si nn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ，p r o p o s e st h ec r i t i c a lc o n d i t i o n so f n e t w o r k i n d u c e dd e l a yw h i c hd e t e r m i n e t h es t a b i l i t yo fn e t w o r ks y s t e ma n ds t u d yt h es t r a t e g ya p p l i e di nt h ef r i g i dr e a l t i m e f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m b a s e do ne t h e r n e tt e c h n o l o g y ，t h ef e a s i b i l i t yo fc o n s t r u c t i n gf i e l db u sc o n t r o l s y s t e mm e e t i n gt h er e a l t i m er e q u e s to fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e da n dt h e i n f o r m a t i o ns c h e d u l i n ga n di s s u i n gm e c h a n i c su s e df o rr e a l i z i n gr e a l t i m eo p e r a t i o n i ss e t u p t h ec h a n n e ls e r v i c e q u e u i n gm o d a li n e t h e m e tu s e df o rt h ee v a l u a t i o no f n e t w o r kp e r f o r m a n c ei sc o n s t r u c t e da n dt h ea n a l y s i so fa f f e c t a t i o no ft h ed a t af l a m e l e n g t ht ot h et r a n s m i s s i o ni sa l s og i v e no u t t h er e s u l ts h o w st h ea p p r o p r i a t ed a t a f r a m el e n g t hi st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fe t h e m e ti n t ot h ef r i g i d 华中科技大学硕士学位论文 r e a l t i m ei n d u s t r i a la u t o m a t i o na r e a s i nt h el i g h to fd e c r e a s i n gt h ec o s to ff i e l dd e v i c ea n dd i s p e r s i n gt h ec o n t r o l f u n c t i o ni nt h ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ，as t u d yo nt h er e a l i z a t i o no ff i e l dd e v i c e i n t e r f a c e dt oe t h e m e tb yt h el o w - c o s tm i c r o c o m p u t e ri sg i v e no u t k e y w o r d s ：e t h e r n e t ；f i e l db u s ；n e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ；r e a l t i m e 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 长期以来，借助数学理论所提供的问题描述与求解方法，系统论和控制论 的观点广泛被采纳和应用，并一直有效的指导着工业生产。孤立的看待局部生 产过程的观念已经过时，人们是以大系统的概念看待整个生产过程，不再追求 局部性能最优而是强调系统各部分之间的配合、系统整体性能的提高。同时， 科技界普遍认为曾推动过计算机技术迅猛发展的总线技术亦可以推动过程控制 系统的发展，整个控制系统也可以看作一台巨大的按总线方式组成的“巨型机”。 顺应这一发展趋势，使过程控制系统分散化、网络化和智能化的现场总线技术 应运而生。现场总线依照国际电工委员会i e c 6 1 5 8 的标准定义【l 】是“安装在制造 和过程区域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多 点通讯的数据总线”。以现场总线技术为基础的现场总线控制系统f c s ( f i e l d c o n t r o ls y s t e m ) 使得过程控制系统由分散控制向现场控制发展、现场仪表由模 拟仪表向智能仪表发展、数据传输机制由点到点向“总线”方式发展，同时具 有将操作站指令、现场智能仪表信息和生产管理信息无缝连接的潜质，也就是 说现场总线控制系统不仅具有高效传递控制信息的功能，而且同时具备向物流 管理系统、人力资源管理系统、设备维护系统、质量信息系统、决策支持系统 等生产管理系统提供实时信息的机制。 1 1 发展中的过程控制系统 过程控制技术经历了如下五个阶段1 2 】： 第一代过程控制体系是基地式气动控制仪表系统。其传输的控制信号是5 3 0 p s i 的气动信号，主要利用压缩空气产生的动力实现大型阀门的开启和关闭控 制，其操作模式简单，这时控制方式多以人工控制为主，控制理论的发展处在 起步阶段，尚不能有效的指导工业生产。 第二代过程控制体系是电动单元组合式模拟仪表控制系统。传输信号是0 华中科技大学硕士学位论文 1 0 t r l 二或4 2 0 m a 的模拟信号，这是一个明显的进步，它的出现宣告了电气自 动控制时代的全面到来。电动单元组合式模拟仪表控制系统内部传输信号的幅 值指示信号的含义，从信息论的观点，在控制性能上一般只能实现单参数的p i d 调节和简单的串级控制，无法实现复杂的控制形式。在这一时期提出的设立控 制室及控制功能分离的模式一直沿用至今。 第三代过程控制系统即集中式数字控制系统。这种控制系统的传输信号依 然沿用4 2 0 m a 的模拟信号，以计算机为核心的集中控制系统的数据传输、运 算、存储和控制功能得到了充分的体现。虽然它已具备完成一些较为复杂过程 的控制能力，但是其系统整体可靠性问题却令人担忧。计算机内部信号可以携 带大量的信息量，具备实现复杂控制的能力。 第四代过程控制系统为集散式控制系统，是目前仍在普遍使用的一种控制 结构。它以微型计算机为核心，采用单元组合方式，可以根据不同需求选择各 种以微处理器为测控仪表来组合构造一个完整系统。集中管理及分散控制方式 是它有别于第三代集中控制系统的主要特征。控制系统内部传输信号也不仅仅 依赖于4 2 0 m a 的模拟信号，而逐渐以数字信号取代模拟信号。 第五代过程控制系统为现场总线控制系统。在上个世纪8 0 年代，微处理器 及其相关技术的不断发展使得数据传输效能成为d c s 发展的瓶颈。1 9 8 2 年，现 场总线的概念首先在欧洲提出，两年后在各国开始进行现场总线标准的研究和 制定。1 9 8 6 年由r o s e m o u n t 提出的通讯协议h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r 可寻址远程传感器数据通路) ，主要是在4 2 0 m a 信号上叠加f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g 频率调制键控) 数字信号，取得了较好的效果；同时 i n t e r b u s 等简单的现场总线也都取得了成功。这样d c s 发展方向也就转为基于现 场总线的新一代控制系统f c s 。 1 2 寻求标准化的现场总线 可将一个典型的企业网络信息集成系统分成三层结构，即控制网( i n f r a n e t ) 、 企业内部网( i n t r a n e t ) 和全球信息互联网( i n t e m e t ) 。i n t r a n e t 是企业内部小范 2 华中科技大学硕士学位论文 围的因特网，并采用防火墙技术防止外部非法闯入，有效的集成了网络开放性、 安全性和访问透明性等特点【3 】。 图i1 现场总线三层结构图 因此，在企业综合自动化的定义下，现场总线控制系统不再是单独分离的 底层现场设备网络，而是企业信息网的测控子网，是整个网络信息流的起点。 现场总线控制系统由现场仪表及控制器、现场总线系统、监控组态计算机三个 部分组成 4 1 ，如图1 1 。在此三层结构的系统中，仪表、控制器和计算机都需要 按照一致的通讯协议通过现场总线网络接口卡连接到网段上。此三层结构的现 场总线控制系统的特征在于提供了实现企业从最高决策层到最低设备层综合管 理和控制的无缝连接解决方案。 然而在f c s 的发展过程中，各国各个厂商出于扩大对市场的占有率以及维 3 华中科技大学硕士学位论文 护数十年来投资利益的考虑，仍然坚持开发和使用各自专用的现场总线协议， 阻碍了现场总线控制系统向其既定的开放性架构目标发展的步伐f 5 】。目前多种现 场总线标准并立的情况会导致在一个具体应用中可能涉及多种不同标准的现场 总线仪表，需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题，必然会增加 用户的投资和使用维护的复杂性。实现现场总线控制系统的开放性和可互操作 性特征依然是一个受非技术因素主宰的难题。如同d c s 的发展，f c s 的发展也 是举步维艰 6 】。 正因为如此，国际电工委员会极为重视总线标准的制定以维护各方利益， 1 9 8 4 年就筹备成立了i e c t c 6 5 s c 6 5 c w g 6 工作组，开始起草现场总线标准， 但由于各国意见很不一致，工作进展十分缓慢。1 9 9 3 年i e c 6 1 1 5 8 2 现场总线 物理层规范才正式成为国际标准；i e c 6 1 1 5 8 3 链路层服务定义和i e c 6 1 1 5 8 4 链路层协议规范都经过了五轮投票才于19 9 8 年2 月才成为f d i s ( f i n a ld r a f to f i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s ，国际标准最终草案) ；i e c 6 1 1 5 8 5 应用层服务定义和 i e c 6 1 1 5 8 6 应用层协议规范于1 9 9 7 年1 0 月成为f d i s 标准。而根据渥太华会 议纪要i e c 6 5 c 2 1 8 i n f ，新的i e c6 1 1 5 8 t y p e 3 t y p e 6 将保留原技术规范的 内容并作为t y p e l ，其它总线将按原技术规范的格式作为t y p e 2 t y p e 8 进入 i e c 6 115 8 。 新标准将采用的八种类型为7 】 t y p e l ：i e c 6 1 1 5 8 技术规范； t y p e 2 ：c o n t r o ln e t 现场总线； t y p e 3 ：p r o f i b u s 现场总线； t y p e 4 ：p n e t 现场总线； t y p e 5 ：f fh s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) ， t y p e 6 ：s w i f tn e t 现场总线： t y p e 7 ：w o r l df i p 现场总线： t y p e 8 ：i n t e r b u s 现场总线。 经过长期的讨论后，2 0 0 0 年1 月4 日，虽然经修改的i e c6 1 1 5 8 3 6 1 5 5 8 6 4 华中科技大学硕士学位论文 标准获得通过，但遗憾的是人们所期望具有统一性的现场总线标准最终也未能 推出。 1 3 互不兼容的i e c 6 1 1 5 8 标准 1 3 1 t y p e l 现场总线 1 9 9 9 年1 季度出版的i e c 6 1 1 5 8t s ( t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n ) 技术规范所定 义的现场总线称作t y p e l 现场总线。该现场总线的网络协议是按照i s oo s i 参考 模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层、以及考虑到现场装置的控制 功能和具体应用而增加的用户层组成。由t y p e1 现场总线构成的系统示于图1 2 。 数据链路层负责实现链路活动调度、数据的接收发送、活动状态的响应、 总线上各设备间的链路时间同步等。在t y p e l 类型现场总线标准中，总线访问 控制采用链路活动调度器( l a s ) 方式，l a s 拥有总线上所有设备的清单，由它来 掌管总线段上各设备对总线的操作。l a s 的全部操作分为：c d 调度、活动表维 护、数据链路时间同步、令牌传送和l a s 冗余。 e t h e m e tt c p i 】p 图1 2 i e c 推荐的现场总线控制系统体系结构( t y p e l ) 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 t y p e2 现场总线 t y p e2 现场总线得到c o n t r o ln e ti m e m a t i o n a l ( c i ) 组织的支持。c o n t r o l n e t 的基础技术最早于1 9 9 5 年面世。该总线网络是一种用于对信息传送有时间苛刻 要求的、高速确定性网络，同时，它允许传送无时间苛求的报文数据。 在数据链路层，信息是通过建立节点间的连接来传送的。网络的媒体存取， 通过限制时间存取算法来控制，即采用并行时间域多路存取( c t d m a ) 方法， 在每个网络刷新间隔( n u i ) 内调节节点的传送信息机会。客户通常选择m s 级 的网络刷新时间( n u t ) 来组态n u i ，客户能够指定的最小n u t 为2 m s 。 1 3 3 t y p e 3 现场总线 t y p e 3 现场总线得到p r o f i b u s 用户组织p n o 的支持，德国西门子公司则是 p r o f i b u s 产品的主要供应商。 p r o f i b u s 数据链路层总线存取有两种方式，即令牌环( t o k e nr a n g ) 方式和主站 从站( m a s t e r s l a v e ) 方式。令牌环方式能够确保在一个指定的时间帧内将总线存 取权( 令牌) 给予每个主站：主站从站方式允许当前拥有令牌的主站对指定的从站 进行存取。传输的帧格式使用i e c 8 7 0 5 - 1 标准中规定的启始和终止定界符，从而 保证传输数据的安全性。 1 3 4 t y p e4 现场总线 t y p e4 现场总线由丹麦p r o c e s s d a t as i k e b o r ga p s 公司从1 9 8 3 年开始开发， 主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业，现已成为e n 5 0 1 7 0 欧洲标准的第一部 分。它得到p - n e t ( p r o c e s sa u t o m a t i o nn e t ) 用户组织的支持，在现场大约有5 0 0 0 个应用系统。 p - n e t 为带多网络和多端口功能的多主总线，允许在几个总线区直接寻址， 无需递阶网络结构，是一种多网络结构。该总线通信协议包括第一、二、三、 四和七层，并利用信道结构定义用户层。通信采用虚拟令牌( v i r t u a lt o k e n ) 传递 方式。主节点发送一个请求，被寻址的从节点在3 9 m s 内立即返回一个响应，只 6 华中科技大学硕士学位论文 有存放到从节点内存中的数据才可被访问。每个节点含有一个通用的单芯片微 处理器，配套2 k be p r o m ，不仅可用作通信，而且可用于测量、标定、转换和 应用功能。p - n e t 接口芯片执行数据链路层的所有功能，第三和第四层的功能由 宿主处理器中的软件解决。该总线物理层基于r s 4 8 5 标准，使用屏蔽双绞线电 缆，传输距离1 2 k m ，采用n r z 编码异步传输。 1 3 5 t y p e5 现场总线 t y p e5 现场总线即为i e c 定义的h 2 总线，它由f i e l d b u sf o u n d a t i o n ( f f ) 组 织负责开发，并于1 9 9 8 年决定全面采用己广泛应用于i t 产业的高速以太匿 ( h i g h s p e e de t h e m e t ，h s e ) 标准。该总线使用框架式以太陋 ( s h e l f e t h e m e t ) 技术，传输 速率从1 0 0 m b s 到i g b s 或更高。h s e 完全支持t y p el 现场总线的各项功能， 诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与 h l 装置相连接。连接到一个连接装置上的h l 装置无需主系统的干预可以进行对 等层通信。连接到一个连接装置上的h l 装置同样无需主系统的干预也可以与另 一个连接装置上的h l 装置直接进行通信。 h s e 总线成功地采用c s m a c d 链路控制协议和t c p i p 传输协议，并使用 了高速以太网i e e e 8 0 2 3 u 标准的最新技术。t y p e5 现场总线于2 0 0 0 年3 月完成 了规范制定、实验室测试和现场试验，并开始推向市场。这也标志着e t h e m e t 网络开始全面进入工业自动化领域。 1 3 6 t y p e6 现场总线 t y p e 6 s w i f t n e t 现场总线由美国s h i ps t a r 协会主持制定，得到美国波音公 司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时一陛强的 总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。一 物理层传输速率为5 m b s ，此时每秒传送1 0 5 个不同的报文。总线使用 t d m a ( s l o t t e d t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 槽路时间片多路存取方式，提供专用 高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。专用通道适用于自动状态数据的 分配或交换；按要求指定的通道则适用于非调度报文。t d m a 方式是将总线上 7 华中科技大学硕士学位论文 的时间分割为相等长度间隔，称作槽路。只有当总线上的站分配到槽路时，它 才能监听和发送。每个站还能根据所占的比例，协调总线存取、数据传输和接 收数据。 1 3 7 t y p e7 现场总线 成立于1 9 8 7 年的w o r l d f i p 协会制定并大力推广t y p e7 现场总线。w o r l d - f i p 协议是e n 5 0 1 7 0 欧洲标准的第三部分，物理层采用i e c 6 1 1 5 8 2 标准，其产品在 法国占有6 0 市场，在欧洲市场占有大约2 5 的份额。它广泛用于发电与输配 电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。 用单一的w o r l d f i p 总线满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统的需 要。为了适应低成本的要求，开发了低成本的d e v i c e w o r l d f i p ( d w f ) 总线，它是 装置一级的网络，能很好适应工业现场的各种恶劣环境，并具有本质安全防爆 性能，可以实现多主站与从站的通信。 1 3 8 t y p e8 现场总线 t y p e8 现场总线由德国p h o e m x c o n t a c t 公司开发，i n t e r b u sc l u b 俱乐部支 持。它是一种串行总线系统，适用于分散输入输出，以及不同类型控制系统间 的数据传输。协议包括物理层、数据链路层和应用层，它已成为德国d i n1 9 2 5 8 标准。 i n t e r b u s 总线可构成主从式和环型拓扑网络，传输速率为5 0 0 k b s ，采用 r s 4 8 5 屏蔽双绞线电缆。数据链路层采用整体帧协议( t o t a lf r a m ep r o t o c 0 1 ) 方 式传输循环过程数据和非循环数据，共有1 6 个二进制过程数据同时被集成在循 环协议中；应用层服务只对主站有效，用于实现实时数据交换、v f d 支持、变 量访问、程序调用和1 2 个相关的服务。i n t e r b u s 总线对单主机的远程i o 具有良 好的诊断能力。 以上i e c 6 1 1 5 8 推荐的8 种类型现场总线采用完全不可兼容的通信协议。 t y p e1 采用l a s 方式和p u b l i s h e r s u b s c r i b e r 模式；t y p e2 使用c t d m a 方法和 p r o d u c e r c o n s u m e r 模式；t y p e3 是令牌环和主站从站方式；t y p e4 通信采用虚 8 华中科技大学硕士学位论文 拟令牌传递方式；t y p e5 为c s m a c d 方式；t y p e6 总线使用t d m a 多路存取 方式；t y p e7 使用总线裁决方式；t y p e8 则采用整体帧协议。由此可见，要实现 这些总线的相互兼容和互操作，几乎是不可能的。现场总线标准斗争的焦点实 质上是数据链路层，数据链路层解决了，应用层也就不难解决。 数字技术的发展完全不同于模拟技术，数字技术标准的制定往往早于产 品的开发，标准决定着新兴产业的健康发展。市场迫切需要一个统一标准的 现场总线控制系统。实践证明，统一的t c p i p 协议使得i n t e m e t 网络十分 快速发展；统一的超级v c d 标准解决了c v c d 和s v c d 之争，带来了市场 的繁荣。现场总线协议长期争论不休，使得f c s 系统的发展十分缓慢。为了 加快新一代系统的发展，实现现场总线控制可互操作性特征，人们开始寻求 新的标准化出路【8 】【9 】【10 1 。 1 4 可互操作性的支撑技术 现场总线自动化设备的可互操作性问题【1 l 】主要是解决异构计算机环境下数 据的共享使用问题。如果总线系统上各节点所用的计算机都具有开放系统的特 征，则当在网上某节点运行时，即使各节点均是异种结构，它也可以使用网上 其它节点的数据、处理能力和类似资源；如可将自己的部分任务委托其它节点 上的计算机来帮忙完成，此即所谓的可互操作性。其中的关键是信息集成技 术，信息集成技术的目标是要解释系统中复杂的、分布的、异构的数据，以及 常规的结构化数据的交换、转换、共享与集成。可见统一的标准是实现现场总 线系统的可互操作性的前提条件。 在目前现场总线系统供应商割据而战的局面下，若要使不同品牌的产品具 有可互操作性，用户唯一可选择的方案就是回到4 2 0 m a 。 就现场总线装置的可互操作性设计而言，需要重点解决：数据链路层、应 用层( 设备描述规则) 这两个层次上的统一。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 4 1 可作为标准的以太网技术 国际电工委员会于2 0 0 0 年2 月公布的i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准指定了八种 采用完全不同通信协议且不可能实现总线间相互兼容和互操作的现场总线标 准。这一现场总线标准最终并没有实现其统一现场总线控制系统标准的既定目 标，八种不可实现总线间相互兼容和互操作的现场总线标准的争论焦点主要集 中于数据链路层。 数据链路层是o s i 开放系统互连模型的第二层，该层协议处理两个有物理 传输通道直接相连的邻接站之间的通信。数据链路层协议的目的是在于提高数 据传输的效率，为其上层提供透明的无差错的通道服务，把传输媒体的不可靠 因素尽可能的屏蔽，让高层协议免于考虑物理介质的可靠性问题，而把通道看 作无差错的理想通道。由于局域网中多个设备共用公共的传输介质，在传输介 质之前，需要解决由哪些设备占用介质的问题，因此数据链路层必须具有介质 访问功能，也即通道访问技术。通道访问控制技术，则是研究如何有效的利用 通道的问题，目的是如何适应数据传输的间歇性( 突发性) 特点，采用适当的 复用策略，以提高通道的利用率，减少数据传输的时延，提高网络的吞吐率。 网络的性能在很大程度上都与所采用的通道访问方式有关。通道访问控制也称 作通道访问协议( a c c e s sp r o t o c 0 1 ) ，中心问题是解决通道复用问题【l 。 目前在异构计算机环境中实现互操作性的方法均是基于中间件思想【”1 ，采 用这种机制可将不同硬件体系结构、操作系统、通信协议转换为统一的体制而 后互联。而鉴于以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与 控制网络得以统一的特点，许多国际组织和公司致力于将为办公室应用而开发 的以太网技术应用到工业领域，使其成为工业领域事实上的数据链路层协议f 】”。 最著名的有两家：t h ei n d u s t r i a le t h e m e ta s s o c i a t i o n ( i e a ) 和i n d u s t r i a la u t o m a t i o n o p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ( i a o n a ) 。这些组织正致力于分析在工业自动化领域应 用以太网和i n t e m e t 协议的障碍，研究可能的实现方法，并提出相关标准f 7 】。其 它公司如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 等都在研究通过一种称 1 0 华中科技大学硕士学位论文 作管道( t u m e l ) 的简单传递机制，使用e t h e m e t ( 以太网) 网络传送报文。这种 中间件机制简单可行，现场装置保持不变，仅需要一个专用的e t l l e m e t 网络 接口取代原来的线驱动器，就可完成与以太网的连接。与此同时，美国电气工 程师协会f i e e e ) 正着手制定现场装置与e m e m e t 通信的新标准，该标准能够使 网络直接“看到”对象( o b j e c t ) 。 1 4 2 统一的设备描述规则 即使统一了数据链路层，仍需值得注意的是：在自动化环境中，通道访问 控制技术在相互竞争的两个客户设备间不能提供互操作性和互换性【1 6 】。这是因 为通道访问控制技术自身只提供了系列的物理介质定义和一个共享的构架， 构架包括物理介质、简单的帧格式和设备数据包传输的寻址方案。所以尽管 e t h e m e t 是一个开放标准，但它并不是一个完整的网络协议。e t h e m e t 只涉及网 络协议的头两层( 物理层和数据链路层) 。 一个开放的网络协议必须包含开放标准所定义的所有层。依据开放式系统 互联7 层参考模型定义，在一类通道控制方式之上可以选择一种或多种上层协 议，实现数据传输和网络管理功能。上层协议决定了网络支持的功能集、连接 到网络的设备和网络中设备实现互操作。而t c p f l p 协议只确保应用层信息能在 两个设备间传输。在商业领域，它的互操作性由因特网应用层的文件传输fft p ) 、终端仿真( te 1r le t ) 、电子邮件( s mtp ) 、超文本传输( htt p ) 和其它公共协议保证。但在工业自动化领域，情况没那么简单，原因仍是目前 尚无标准的应用层。采用以太网tcp ip 的自动化厂商都有自己的专用应用 层，这就意味着同一个厂房以太网的不同厂商设备可以物理共存，但不能互操 作，这样不利于实现开放式解决方案的多选化。为了在不同的网络设备中实现 互操作，公共的应用层也是必需的。 设备描述d d ( d e v i c ed e s c r i p t i o n ) 又被称为设备驱动程序【3 】，其功能在应用层 实现。因为不同供应商设备提供的信息内容均具有各自独立的含义，一串连续 的0 可能是信息结束符，也可能是当前采样数据的编码，添加到控制网络中的 华中科技大学硕士学位论文 设备必须首先向系统提供自身的d d ，同时获取系统内其它设备的d d ，此后添 加了设备的现场总线系统才可正常运行。实际运行时，应用程序通过设备描述 服务( d d s ) 解释d d ，向设备功能模块提供所需要的设备信息，以此实现不同制 造商开发的a i ( 模拟量输入) 、d i ( 开关量输入) 、p 、p d ( 比例、比例微分控制) 、 p i d ( p i d 控制) 、a o ( 模拟量输出) 、d o ( 开关量输出) 等功能块之间的相互连接、 调用、实现互换与互操作。因此现场总线标准不单是信号标准和通信标准，而 是一个系统标准，同时也需要定义统一的设备描述规则，这也是现场总线标准 和简单的i 0 现场总线的关键区别。 。 1 5 基于以太网技术的现场总线装置 过去人们一直认为，e t h e r n e t 是为i t 领域应用而开发的，应用到工业自动 化领域有诸多困难，这是由于e t h e m e t 采用c s m a c d 冲突检测方式，不具有确 定性( d e t e r m i n i s m ) ，在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，不能满足工业控制的实时要 求。 但随着网络技术的发展，以太网技术已经具备进入工业控制领域的基本条 件：首先是以太网的通信速率迅速提高，目前千兆以太网技术已经得到普遍应 用，而通信速率的提高意味着网络负荷的降低，从而间接降低了信息传输不确 定时间：其次是网络高层中的层次流量控制手段也对降低信息传输时间做出贡 献，美国电力研究院对于以太网信息传输时间的测试也表明，可使基于以太网 的现场总线控制系统的信息传输时间小于4 m s ；再次是交换技术的发展在结构上 消除了以太网技术应用于控制领域的障碍：同时基于工业以太网的通信接口芯 片价格也已经降至现场级设备可以容忍的价格。以上的这些进步均为以太网进 入工业自动化的现场级领域打下坚实的基础。 基于以太网技术的现场总线控制系统的实时性设计有如下两种方式： ( 1 ) 在现场总线控制系统使用的通信协议中采用各种避塞算法和流量调度 策略，保证信息传输时间。 ( 2 ) 将网络协议和网络信息流通量作为给定的条件，设计的系统控制策略 1 2 华中科技大学硕士学位论文 明显的考虑信息传输途径的物理条件约束。 1 6 全文内容及主要工作 本文认为在改进系统控制策略最大限度降低系统对信息传递时间要求的同 时，在高级网络协议增加流量控制机制、实旄过程规划算法的方式，是可以解 决以太网信息传输时间不确定问题，并使基于以太网技术的现场总线控制系统 在网络负荷较重时仍可满足工业现场实时性要求。全文内容安排如下： 1 叙述过程控制系统的发展历史以及影响i e c 6 1 1 5 8 标准颁布的非技术因 素，讨论目前在现场总线过程控制系统发展中迫切需要解决的可互操作性问题， 指出实现现场总线控制系统可互操作性的关键技术问题，并提出实现基于以太 网技术的现场级装置迫切需要解决的信息传输时间不确定性问题。 2 建立实时事件模型，并以此为依据描述一般系统实时性要求，比较实现 实时性的各种调度策略，讨论可获得实时性的门限条件。 3 分析网络控制系统信息传输机理，给出网络控制系统稳定的网络诱导时 延临界条件，从控制系统稳定性角度提出对现场装置信息传递的最大可容忍时 间延迟。 4 建立用于网性能评估的以太网通道服务排队模型，并用其分析个体最坏 情况下数据帧长对实时传输性能的影响。针对以太网通道控制方式，依据实时 是可调度的观点，分析基于以太网技术且符合控制系统实时性要求的现场总线 控制系统的可行性，建立用于解决基于以太网技术现场总线控制系统实时性问 题的调度信息发布机制。 5 依照设备可互操作性问题的中间件技术解决方案，构建可用低成本单片 机为核心具有以太网接口的现场级装置，提供现场级装置可互操作性功能的数 据链路层支撑，并分析其性能。 6 对全文的理论分析和技术关键进行总结，并指出尚需完善的几个方面。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 实时性 实时是指物理进程发生的真实时间。实时系统是那些时间因素非常关键的 系统。如核反应堆中的安全控制系统、飞行器中的自动驾驶仪、医院特护病房 中的监控系统，在这些系统中，迟到的响应即使正确，也和没有响应一样糟糕。 对于实时系统最重要就是满足对时间的限制和要求。 2 1 实时模型 一般系统模型均由两类元素构成【1 7 】：表示状态的元素和表示变化的元素。 就客观的物理世界而言，其中的变化取决于自然规律，具有异步并发的特点。 但是人类根据自身思维方式的模式，用所谓控制流将系统的变化安排成全序， 主观认为事件并行发生的效果和以任意顺序发生的效果一样。如果系统的中间 状态和系统的最终状态同样重要，则需重新定义为事件并行发生的效果和以特 定顺序发生的效果一样。更进一步，系统的实时性要求可定义为事件发生的效 果不仅取决于事件发生的顺序同时还取决于在同一全局时钟下事件发生的时 刻。因此，可用如下的五元组定义系统的实时事件模型。 e ”a 1 t i m c i = ( i i ，o i ，t o i ，t i ，t p i ，) 其中，e 。小i 。i 表示具有实时性要求的事件e ： i i 表示事件i 发生的前置条件； o i 表示事件i 发生后生成的后置条件用以触发其它事件： t o i 为事件发生的初始时刻； t i 为事件的实时性要求，即事件i 必须在，t o 。+ t i 时段范围 内完成； t p i 为事件的开销时间，受实时性要求约束，t 。必须小于t 。 定义实时事件之后，可用下图2 1 表示实时系统中事件的交互关系。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 系绕实时性要求 事件的实时性要求 、厂 l 一匹刁：= 匠荭匀三兰匠互z 2 z 刁一 “ t o lt a t 。t o i& f i a t ，kt 越+ a t it ( 系统全局时钟) 图2 i实时系统事件交互关系 对实时模型的补充解释： 全局时钟：模型中的全局时钟在系统的物理尺寸足够小、运动速度远小 于光速的前提下是可实现的。否则对于没有相互依赖关系的两个事件，则它们 的先后发生顺序往往依赖于观察：观察者的位置，使用的工具，甚至他的主观 愿望都可能影响观察的结果。同时，还必须考虑时钟具有的物质特性：会损坏， 有误差。 事件发生的初始时刻：对于事前调度方式，初始时刻由设计时作出的调 度决定，在充分考虑任务执行的各种约束后，如前趋关系，互斥、端到端时限 等，将所作出的决策以静态表格的形式存储在系统中，运行时靠时钟驱动完成 具体的事件：对于运行调度，事件发生的时刻由外界环境决定，是不可预测的。 2 2 实现实时性的调度机制 实时系统通常可分为硬实时( h a r dr e a lt i m e ) 系统和软实时( s o f tr e a lt i m e ) 系统 1 8 】 2 0 】，前者意味着对作业的发生与结束存在必须满足的时间限制，否则 整个系统的效益降为零；后者意味着偶尔超过时间限制是可以容忍的，否则系 统的效益逐渐下降，直至为零。 实现实时系统技术手段是调度【2 l 】，即采用各种算法和策略，始终保证系 统行为的可预测性( p r e d i c t a b i l i t y ) 。可预测性是指在系统运行的任何时刻，在 任何情况下，实时系统的资源调度策略都能为争夺资源( 包括c p u 、内存、网 络带宽等) 的多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都 能得到满足。对一给定的作业集，调度是指如何分配相应的处理资源以保证 1 5 华中科技大学硕士学位论文 作业的时限要求，采用合适的资源调度策略较提高处理器的速度能更有效的 保障系统的实时性。 对于广泛应用于自动控制领域的分布式实时控制系统，实时性具有使控制 系统能够根据现场信息并立即启动或终止活动的含义，而实时网络和实时操作 系统是分布式实时系统组成要素。实时网络是指网络中各节点间数据传输的时 间是确定的即可预测的。也就是说，实时网络中的数据传输是具有时f 1 ( t i m e c o n s t r a i n t ) 的。如果网络中数据传输的时间超出了时限，即使接收方收到了数据， 系统也认为此次数据传输失败。实时操作系统的获得是通过将程序分成许多进 程，而每个进程的行为都预先可知。这些进程通常生存周期很短，当检测到一 个外部事件时，管理程序按满足它们最后期限的方式调度这些进程。就其本质， 实时操作系统和实时网络均是研究作业如何使用公共资源及依照何种策略释放 资源的问题。该类问题普遍的存在于综合自动化的复杂系统中，基本上是一个 考虑子系统的动态响应的优化调度问题【2 2 1 。 按文献【2 3 】，实时调度可分为如下两类： 运行调度：依据当前任务的请求所做出的调度。划分的依据为任务是 否允许抢占，运行调度可分为抢占调度和非抢占调度；根据调度器是否掌握 任务的主要特性，可分为静态调度和动态调度。目前在实际中广泛采用的是 基于静态优先级抢先调度，单率( r m ) 或时限单调( d m ) 算法提供了相应的调 度分析工具。 事前调度：设计时做出的调度决定，因此，可充分考虑任务执行的各种 约束，如前趋关系、互斥、端到端时限等。调度决策通常以分派表的形式存储在 系统中，运行时靠时钟驱动来完成具