工业以太网中冗余问题的研究

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1、第一章引言1．1课题的意义自现场总线(FCS)技术于上世纪80年代发展起来，现场总线技术就已应用到各个行业。它是顺应智能现场仪表而发展起来的，其初衷是用数字通讯代替4～20mA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【lJ。然而就在FCS如火如荼发展的同时，却没有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，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容，也就使得FCS中基于各种不同

2、标准的数据难以保证其可靠性和实时性。目前多种现场总线并存的状况由来已久，IECTC65技术委员会在制订IEC．61158标准时用了大约十年时间来讨论如何用一个标准来覆盖所有标准，但没有成功，最后收纳了8个协议，而且还在不断增加。不但如此，mC其它分会也制订了一些现场总线标准。这有多方面的原因，各厂商从自身利益考虑会极力推行自己的总线标准，不肯为自己的利益做出很大的让步。不同的总线协议针对特定的应用领域，因而具有各自的特点，有其存在的环境和价值。技术在不断发展，新的理论、方法不断发明发现，新的总线协议还在继续产生，所

3、以目前看来现场总线多标准并存现象将会持续【2】。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。以太网多年来是一种可靠的通信标准，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。各类机构、银行和工业部门之间广泛的数据文件交换，包括国内的和国际的，过去和现在都是应用的重点，这也是以太网广为应用的缘故。转入工业自动化之后，其应用主要是解决管理层、生产指挥层和控制层

4、的任务。今天所达到的水平是用以太网将企业中心和自动化岛屿连接在一起。真正的自动化任务是由下位的单元级与现场级中的现场总线来解决的【31。传统的以太网采用总线式拓朴结构，在条件较为恶劣的工业环境中，网络的故障可能会引起大范围的网络瘫痪，因此对以太网的研究具有工程实用价值。在众多的现场总线技术中，工业以太网将成为未来工业控制网络的热点，对其可靠性的研究是十分有必要和有意义的。1．2当前工业以太网的研究现状和应用情况pq南人。孑：硕十。‘≯：1讧论文旧内外学者近年术存一I：、lk以太网的研究二[作中表明，新技术的介入和具

5、／fjJ实时功能的以太网协议的产，E，使工业以太网将逐步成为工业控制网络的主流技术【41。工业以太网现阶段的研究在以下的方向上取得了初步的成果，同时还有待更进一步的深入研究。1．2．1工业控制网的研究现状随着互联网技术的发展与普及推广，Ethemet技术也得到了迅速的发展，Etllemet传输速率的提高和Ethemet交换技术的发展，给解决Ethemet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethemet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面【5叫：1．2．1．1通信确定性与实时性工

6、业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性【7】。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethemet采用CSM～CD(C删erSenseMultipleAccess／CollisionDerect)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，因此传统以太网技术难以满足控制系统准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了

7、新的契机，使这一应用成为可能。首先，Ethemet的通信速率从10M、lOOM增加到如今的looOM、10G。在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethemet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞。同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而

8、降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口问两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信)，或碰撞机率大人降低(半双工)，因此使Ethemet通信确定性和实时性大大提高。1．2．1．2稳定性与可靠性以太网足以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工