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工业控制以太网协议实现研究

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资料介绍

基于以太网的工业控制网络是工业控制系统的发展趋势.研究高速以太网的关键技术,其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题,同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件等是目前工业控制理论界的一项重要任务.通过分析工业控制以太网的工作原理和相关的性能指标及目前常用的工业控制以太网协议实现细节得出以下结论:尽管各种工业以太网技术可能会像现场总线国际之争那样,出现多协议并存局面,但以太网协议的相融统一是工业控制以太网发展的必然趋势.

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计算机技术与发展

OD】咿Un、R TEalNOI．OGY ANDDEvELJⅨm正Nr

Vd．19 No．12

Dec．2009

第19卷．第12期

。2009年12月

工业控制以太网协议实现研究

庄晓燕，周森鑫

(安徽财经大学信息工程学院，安徽蚌埠233041)

摘要：基于以太网的工业控制网络是工业控制系统的发展趋势。研究高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通

信的实时性、可互操作性、可靠性、抗于扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控

制系统和系统软件等是目前工业控制理论界的一项重要任务。通过分析工业控制以太网的工作原理和相关的性能指标

及目前常用的工业控制以太网协议实现细节得出以下结论：尽管各种工业以太网技术可能会像现场总线国际之争那样，

出现多协议并存局面，但以太网协议的相融统一是工业控制以太网发展的必然趋势。

关键词：工业控制以太网；饶|MA佃；实时性；EPA

中图分类号：TP273+．3

文献标识码：A

文章编号：1673—629X(2009)12一0243—05

ReSearch on

of Ethemet Control Network Protocol

Application

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20世纪80年代产生和发展起来的现场总线技

术，以全数字的通信代替4～20mA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，DCS和可编程控制器

(PLC)等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大

变革。

引

言

随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息

交换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。

现场总线技术在其发展过程中存在不足：

(1)现有的现场总线标准过多，仅国际标准

IEC61158就包含了8个类型，未能统一到单一标准上

来；

收稿日期：2009一03—27；修回日期：2009一06—20

(2)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；

基金项目：2009年安徽省自然科学基金重大项目(ZD[蜘5)；中华

全国供销合作总社研究项目(G)(zs0812)；安徽财经大学教研项目

(AcJyYIj200942)

(3)由于现场总线是专用实时通信网络，成本较

高；

作者简介：庄晓燕(1968一)。女．实验师，研究方向为计算机控制；周

(4)现场总线的速度较低，支持的应用有限，不便

于和Intemet信息集成。

森鑫，副教授，硕士生导师，博士，研究方向为计算机网络、计算机控

制。

万方数据

· 244·

计算机技术与发展

第19卷

工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEl粥02．

以TcP／IP协议为主(已成为以太网之上传输层和网

络层”事实上的”标准)。而对较高的层次如会话层、表

示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设

备之间是通过FTP(文件传送协议)，Telnet(远程登录

协议)，SMTP(简单邮件传送协议)。H下rP(wwW协

议)，SN脚(简单网络管理协议)等应用层协议进行信

息透明访问的，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合

应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。

为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Ether-

n吼+亿P／1P协议之上，建立完整的、有效的通信服务

模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场

控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广

大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，

进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将

以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太

网和TCP／1P技术，以及原有的低速现场总线应用层

协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HsE，

PRCIFInet，Ethemet／1P等。

3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的

强度和适用性方面能满足工业现场的需要。工业以太

网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所

趋，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

问通信提供了技术可能。据美国权威调查机构√虹配

f esearch

(AutOnlation

C锄pany)报告指出，今后Ethe卜

net不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系

统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的

发展，Ethemet和TCP／IP将成为器件总线和现场总线

的基础协议【卜41。

l工业控制以太网的工作原理和性能分析

工业以太网的通讯模型如图1所示：

网络控制系统

ISO，OSI模型

通讯协议模型

工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEE802．

3标准)兼容，但在产品设计、材质的选用、产品的强度

和适用性方面能满足工业现场的需要。即满足以下要

求：

用户层

应用层

表示层

省略

会话层

传输层

网络层

(1)环境适应性。

网

络层

包括机械环境适应性(如耐振动、耐冲击)、气候环

境适应性(工作温度要求为一40℃～+85℃，至少为一

20℃～+70℃，并要耐腐蚀、防尘、防水)、电磁环境适

应性或电磁兼容性EMC应符合EN 50081—2。EN

50082—2标准。

L L

C层

数据链路层

C层

物理层

图1 工业以太网通讯模型图

通讯协议模型可参考lSo／C6l模型并进行简化，

协议划分为高层的应用层和用户层，低层的数据链路

层和物理层。高层的功能主要是完成各种控制算法，

通过相关软件实现。低层的功能是完成通信介质访问

控制，通过网络芯片实现。而中间屋网络的功能数据

的交换和路由选择，通过交换和路由设备实现。在交

换以太网中主要是通过交换机来实现。

(2)可靠性。

工业以太网产品要适应工业控制现场的恶劣环

境，同时还包括数据传输的准确可靠。

(3)安全性。

在易爆或可燃的场合，工业以太网产品还需要具

有防爆要求，包括隔爆、本质安全两种方式。在商业应

用中，对实时性的要求基本不涉及安全，而过程控制对

实时性的要求是硬性的，常常涉及生产设备和人员安

全。

由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成

数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控

制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外。往往

还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算

与操作功能。由多个网络节点协调完成自控任务。因

而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放

系统的要求，满足互操作条件。对应于lS0／0|sI七层

(4)安装方便，适应工业环境的安装要求。

为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件

下网络也能稳定地工作的问题，一些公司专门开发和

生产了导轨式收发器、集线器和交换机系列产品，安装

在标淮DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用

牢固的DB一9结构。另外一些公司还专门开发和产

生了用于工业控制现场的加固型连接件(如加固的

通信模型．以太网技术规范只映射为其中的物理层和

数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前

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