現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層研究.pdf

1、現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層研究摘要一現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著新一代控制技術(shù)的產(chǎn)生，以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)必將成為21世紀(jì)自動化控制系統(tǒng)的主流。但是，現(xiàn)場總線領(lǐng)域還沒有形成一個統(tǒng)一的協(xié)議，各大生產(chǎn)廠家各自為政，這明顯與現(xiàn)場總線原本要求的開放性原則相違背子目前，以太網(wǎng)以其特有的優(yōu)勢，正在迅速進(jìn)軍工業(yè)控制領(lǐng)域，專家認(rèn)為，現(xiàn)場總線在今后幾年中如果不能出現(xiàn)一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，很有可能向以太網(wǎng)方向轉(zhuǎn)型。當(dāng)然，這種轉(zhuǎn)型不是簡單的全面套用以太網(wǎng)成為控制

2、網(wǎng)絡(luò)，而是吸收以太網(wǎng)之長，改造以太網(wǎng)使之更加適應(yīng)工業(yè)控制通訊的特殊性。現(xiàn)場總線技術(shù)是一種新興的控制技術(shù)，目前還處于發(fā)展階段，具有較大的爭議。本文對目前現(xiàn)有的幾種比較流行的現(xiàn)場總線進(jìn)行了分析和比較，重點是對介質(zhì)訪問控制方法的比較，總結(jié)了它們各自的優(yōu)缺點和局限性。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)實時性的要求往往比較高，而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型中數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制方法對網(wǎng)絡(luò)的實時性能有很大的影響。目前，各種現(xiàn)場總線技術(shù)采用的介質(zhì)訪問控制方法在具體的應(yīng)用環(huán)境中都

3、有很大的局限性，因此，本文研究了一種新的介質(zhì)訪問控制方法。它充分利用了以太網(wǎng)使用的CSMACD的優(yōu)點，同時改進(jìn)了以太網(wǎng)通過1一堅持退避算法可能導(dǎo)致重載時產(chǎn)生阻塞的缺點，并能夠提供比較公平的優(yōu)先級以滿足系統(tǒng)的實時性要求。通過簡單的路由把現(xiàn)有的現(xiàn)場總線產(chǎn)品直接連接到以太網(wǎng)上，是現(xiàn)場總線向以太網(wǎng)靠攏的另一種表現(xiàn)形式。本文研究了一種新的現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)互聯(lián)的方法，該方法使用了隧道技術(shù)的思想，將隧道技術(shù)由原本的網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用到數(shù)據(jù)鏈路層，從而簡化了路

4、由的協(xié)議模型，大大提高了現(xiàn)場總線向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的實時性。在此路由模型的基礎(chǔ)上，給出了簡單的軟硬件實現(xiàn)。尤其在硬件實現(xiàn)方面，使用目前比較流行的硬件描述語言，使設(shè)計實現(xiàn)更趨簡單化。關(guān)鍵字:現(xiàn)場總線，以太網(wǎng)，介質(zhì)訪問控制，隧道技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論隨著計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，工業(yè)過程控制出現(xiàn)了驚人的變革，由傳統(tǒng)的0.2LOxgfarnz氣動標(biāo)準(zhǔn)，4^20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展成為分布式計算機(jī)控制(DCS)體系。DCS的出

5、現(xiàn)，實現(xiàn)了開放式、多層次計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的管理一體化。但是DCS體系在很多方面存在局限性。首先，在DCS中主控機(jī)構(gòu)和變送器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場儀表間的數(shù)據(jù)傳遞仍是采用傳統(tǒng)的4^20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，這與上位機(jī)間通過數(shù)字信號進(jìn)行通訊形成強(qiáng)烈反差，成為控制網(wǎng)路發(fā)展的一個瓶頸。其次，DCS是采用主從結(jié)構(gòu)體系，所有現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信號都傳送到控制室里，這將不可避免的導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性低，實時性差等缺點。還有，由于所有現(xiàn)場節(jié)點都和主控機(jī)打交道，所以主控機(jī)的選擇，

6、往往決定了整個現(xiàn)場設(shè)備的配置，開放性差。為了克服DCS這些缺點，各生產(chǎn)廠商紛紛推出各種智能化儀表，這些儀表不但包括數(shù)字化變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，連控制模塊也逐漸加入到現(xiàn)場儀表的行列，這就使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)不必再進(jìn)入主控室，就可以現(xiàn)場進(jìn)行處理。為了充分發(fā)揮智能儀表的優(yōu)勢，控制網(wǎng)絡(luò)也必須進(jìn)行改進(jìn)，以保證其處理的可靠性和高效性，現(xiàn)場總線(Fieldbus)就是在這種要求下應(yīng)運而生的?，F(xiàn)場總線是用來連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)

7、的通訊網(wǎng)絡(luò)。它克服了DCS存在的種種不足，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成功的應(yīng)用于過程控制中，引發(fā)了控制技術(shù)的一次大變革?，F(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)志著新一代控制技術(shù)的產(chǎn)生，并將引起控制領(lǐng)域的一次深刻變革。人們認(rèn)為自動化領(lǐng)域這場變革的深度和廣度將超過歷史上任何一次變革，必將開創(chuàng)自動控制的新紀(jì)元[I]o為了在這場變革中不被潮流拋在后面，世界各大自動化儀表和設(shè)備的制造商紛紛投巨資研究、開發(fā)現(xiàn)場總線技術(shù)，力爭成為市場的主導(dǎo)者。目前已經(jīng)出現(xiàn)了FoudationFieldb

8、usPROFIBUSLonWorksCAN等40余種現(xiàn)場總線。由于不同現(xiàn)場總線技術(shù)代表著不同集團(tuán)、不同廠商的利益，使得目前現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了十分復(fù)雜的局面，現(xiàn)場總線技術(shù)很難實現(xiàn)統(tǒng)一。通過對新一代控制技術(shù)根本特點的研究，可以指引新一代控制技術(shù)的發(fā)展方向和發(fā)展策略，對現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和成熟也具有重要意義。我國目前正處于跟蹤這一世界先進(jìn)技術(shù)階段，除了應(yīng)用外國現(xiàn)有的現(xiàn)場總線產(chǎn)品進(jìn)行控制集成，在理論上還比較薄弱，這除了和我國起步較晚有關(guān)外