現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層研究.pdf

1、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層研究摘要一現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)化控制系統(tǒng)的主流。但是，現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域還沒(méi)有形成一個(gè)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(chǎng)總線原本要求的開(kāi)放性原則相違背子目前，以太網(wǎng)以其特有的優(yōu)勢(shì)，正在迅速進(jìn)軍工業(yè)控制領(lǐng)域，專家認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)總線在今后幾年中如果不能出現(xiàn)一個(gè)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(jiǎn)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(zhǎng)，改造以太網(wǎng)使之更加適應(yīng)工業(yè)控制通訊的特殊性?，F(xiàn)場(chǎng)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(zhēng)議。本文對(duì)目前現(xiàn)有的幾種比較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行了分析和比較，重點(diǎn)是對(duì)介質(zhì)訪問(wèn)控制方法的比較，總結(jié)了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(wèn)控制方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能有很大的影響。目前，各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用的介質(zhì)訪問(wèn)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(wèn)控制方法。它充分利用了以太網(wǎng)使用的CSMACD的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改進(jìn)了以太網(wǎng)通過(guò)1一堅(jiān)持退避算法可能導(dǎo)致重載時(shí)產(chǎn)生阻塞的缺點(diǎn)，并能夠提供比較公平的優(yōu)先級(jí)以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。通過(guò)簡(jiǎn)單的路由把現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品直接連接到以太網(wǎng)上，是現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)化了路

4、由的協(xié)議模型，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)總線向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。在此路由模型的基礎(chǔ)上，給出了簡(jiǎn)單的軟硬件實(shí)現(xiàn)。尤其在硬件實(shí)現(xiàn)方面，使用目前比較流行的硬件描述語(yǔ)言，使設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更趨簡(jiǎn)單化。關(guān)鍵字:現(xiàn)場(chǎng)總線，以太網(wǎng)，介質(zhì)訪問(wèn)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(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，工業(yè)過(guò)程控制出現(xiàn)了驚人的變革，由傳統(tǒng)的0.2LOxgfarnz氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，4^20mA模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展成為分布式計(jì)算機(jī)控制(DCS)體系。DCS的出

5、現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式、多層次計(jì)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(chǎng)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(hào)，這與上位機(jī)間通過(guò)數(shù)字信號(hào)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(gè)瓶頸。其次，DCS是采用主從結(jié)構(gòu)體系，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信號(hào)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(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。還有，由于所有現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置，開(kāi)放性差。為了克服DCS這些缺點(diǎn)，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(chǎng)儀表的行列，這就使得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不必再進(jìn)入主控室，就可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。為了充分發(fā)揮智能儀表的優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)總線(Fieldbus)就是在這種要求下應(yīng)運(yùn)而生的?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用來(lái)連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成功的應(yīng)用于過(guò)程控制中，引發(fā)了控制技術(shù)的一次大變革?，F(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化領(lǐng)域這場(chǎng)變革的深度和廣度將超過(guò)歷史上任何一次變革，必將開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)控制的新紀(jì)元[I]o為了在這場(chǎng)變革中不被潮流拋在后面，世界各大自動(dòng)化儀表和設(shè)備的制造商紛紛投巨資研究、開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，力爭(zhēng)成為市場(chǎng)的主導(dǎo)者。目前已經(jīng)出現(xiàn)了FoudationFieldb

8、usPROFIBUSLonWorksCAN等40余種現(xiàn)場(chǎng)總線。由于不同現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了十分復(fù)雜的局面，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。通過(guò)對(duì)新一代控制技術(shù)根本特點(diǎn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和成熟也具有重要意義。我國(guó)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(guó)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)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(guó)起步較晚有關(guān)外