工业以太网在控制领域的研究与应用.pdf

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南京工业大学硕士学位论文

摘要

　　　　二十一世纪是信息经济的时代，网络成为各项信息交流的热门手段。工业以

太网以其独特的优点成为工业控制领域公认的２１世纪控制网络的最佳解决方

案。目前，基于以太网的工业控制系统正逐渐替代现有的现场总线式控制系统，

应用在各个控制领域。

　　　　本文首先在系统设计中解决了一般以太网固有的传输不确定性；现场设备的

供电问题；传统以太网设备互可操作性不强：本质安全和远程传输等缺点。我们

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，．曰州户．

使用全双工交换式以太网技术解决传输中通信的实时性和确定性问题，使用交换

式集线器扩大网络带宽。通过用连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电

源，以实现现场总线供电。用低功耗技术和本安防爆技术解决现场设备的安全问

题。其次以太网介入工业控制领域共有三种途径：１、以太网与其它现场控制网

络的结合；２、专用的工业以太控制网络；３、基于通用以太网的监控平台。在本

论文中介绍了结合某厂的生产需要，搭建了一个以太网与其它现场控制网络混合

控制的网络结构。再次，详细阐述工业以太网与信息网络的集成技术，其中有

ＤＤＥ．　Ｗｉｎｓｏｃｋ．　ＯＤＢＣ等技术。并成功应用到某厂的生产实践中，满足了工厂

的实际生产需要。

关键词：工业以太网现场总线ＴＣＰ（ＵＤＰ）／ＩＰ协议信息集成ＤＤＥ

ＯＤＢＣ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

２１ｔｈ　ｃｅｎｔｕｒｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｅｒａ．　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｉｓ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｗａｙ

ｏ

ｆ

Ａ

ｉ

ｆｏｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｍｅｔ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ

ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｉｅｌｄ　ａｃｃｅｐｔｅｄ　ｉｎ　２１　ｔｈ　ｃｅｎｔｕｒｙ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ

ｓｐｅｃｉａｌ

ｇｒａｄｕａｌｌｙ

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ｆｉｅｌｄ　ｂｕｓ

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ｆｉｌｌｉｎｇ　ｉｎ

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Ｆｉｒｓｔｌｙ，　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ

ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｓｏｌｖｅｓ　ｓｏｍｅ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ　ｔｈａｔ　ａｒｅ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｍｏｎ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，　ｓｕｃｈ

ａｓ　ｃｏｍｍｏｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ，　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，

ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｅｔｈｅｍｅｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，　ｅｓｓｅｎｃｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ

ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ．　Ｗｅ　ｕｓｅ　ｆｕｌｌ　ｄｏｕｂｌｅ－ｄｕｐｌｅｘ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｅｔｈｅｍｅｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ

ｓｏｌｖｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ，　ｕｓｉｎｇ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｈｕｂ　ｆｏｒ　ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ

ｂａｎｄｗｉｄｔｈ．　Ｕｓｉｎｇ　ｌｅｉｓｕｒｅ　ｌｉｎｅ　ｏｆ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｃａｂｌｅ　ｓｕｐｐｌｙ　ｗｏｒｋ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｆｏｒ　ｆｉｅｌｄ　ｂｕｓ．　Ｕｓｉｎｇ　ｌｏｗｅｒ－ｃｏｎｓｕｍｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ａｎｄ　ｅｓｓｅｎｃｅ　ａｎｔｉ－ｅｘｐｌｏｄｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｒｅｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｔｈｒｅｅ　ｗａｙｓ　ｏｆ　Ｅｔｈｅｍｅｔ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｉｅｌｄ：

Ｉ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　２．　Ｓｐｅｃｉａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ

ｎｅｔｗｏｒｋ．　３．　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｃｙ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｎｅｅｄ　ｏｆ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｐｌａｎｔ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ

ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　Ｅｔｈｅｍｅｔ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．　Ｔｈｉｒｄｌｙ，　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ｅｘｐａｔｉａｔｅ

ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，

ｉｎｃｌｕｄｅ　ＤＤＥ，Ｗｉｎｓｏｃｋ，ＯＤＢＣ　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．　Ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｏｎ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，　ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｍｅｔ，　Ｆｉｅｌｄ　Ｂｕｓ，　ＴＣＰ／ＩＰ，　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，　Ｄｙｎａｍｉｃ

Ｄａｔａ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ，　Ｏｐｅｎ　Ｄａｔａｂａｓｅ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ

南京工业大学硕士学位论文

第一章绪论

＇１．１引言

　　　　随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，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。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［１１。本篇论文提出

的原因是根据当前工业控制网络的发展趋势，这种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、广泛的开发和应用软、硬件的支持，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。

　　　　本章从分析现场总线技术特点入手，指出现场总线的局限性，并提出将工业

以太网应用到工业控制领域中。

＇　１．　２现场总线的产生

　　　　　　纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老

一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争的外因

推动下占领市场的主导地位，现场总线的产生也不例外。

　　　　　　控制系统的发展历程如下：

　　　　　　ｔ、模拟仪表控制系统

　　　　模拟仪表系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低、

易受干扰。

　　　　　　２、集中式数字控制系统

　　　　集中数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、ＰＬＣ．　ＳＬＣ或微

机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中

的模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优

点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机的选择上可以

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南京工业大学硕士学位论文

化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。

１．３．１现场总线主要技术优势

１）便于现场设备级控制网和工厂管理网的信息集成

　　　　现场总线上的设备是由微处理器为控制核心智能仪表，把原先ＤＣＳ系统中处

于控制室的控制模块、各个输入输出模块转入到现场设备中，由现场智能仪表完

成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据通过现场

总线传送到控制室的控制设备上，控制设备还将提供对现场智能仪表工作状况的

监视或维护功能，同时完成现场仪表无法完成的高级控制功能。

　　　　另外，ＦＣＳ还可通过网关和企业的上级管理网络相连，以便企业管理者掌握

现场情况，为决策提供依据。

２）系统的开放性、互可操作性和互用性

　　　　系统的开性是指现场总线控制系统采用公开化的通信协议，遵守同一通信标

准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。互操作性和互用性是指不同

厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态，实现同一的控制策略，

对于同一总线标准的设备，不同厂商的设备可以互换，用户可按自己的需要和对

象把来自不同供应商的设备互连，达到最佳的系统集成。开放性意味着ＦＣＳ将打

破ＤＣＳ大型厂家的垄断，使用户对不同厂家的工控产品可以有更多的选择余地，

同时也为生产工控产品的中小企业发展带来了机遇。

３）现场设备的智能化与功能自治性

　　　　它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，

仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

４）系统结构的高度分散性

　　　　由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种

新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有ＤＣＳ集中与分散相结合

的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

５）对现场环境的适应性

　　　　工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工

作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有

较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，常用的数据传输线是双绞线，

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