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)場總線技術的出現(xiàn)，標志著新一代控制技術的產生，以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字控制系統(tǒng)必將成為21世紀自動化控制系統(tǒng)的主流。但是，現(xiàn)場總線領域還沒有形成一個統(tǒng)一的協(xié)議，各大生產廠家各自為政，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，以太網以其特有的優(yōu)勢，正在迅速進軍工業(yè)控制領域，專家認為，現(xiàn)場總線在今后幾年中如果不能出現(xiàn)一個統(tǒng)一的標準，很有可能向以太網方向轉型。當然，這種轉型不是簡單的全面套用以太網成為控制

2、網絡，而是吸收以太網之長，改造以太網使之更加適應工業(yè)控制通訊的特殊性?，F(xiàn)場總線技術是一種新興的控制技術，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)場總線進行了分析和比較，重點是對介質訪問控制方法的比較，總結了它們各自的優(yōu)缺點和局限性。工業(yè)控制網絡對數(shù)據(jù)實時性的要求往往比較高，而網絡協(xié)議模型中數(shù)據(jù)鏈路層的介質訪問控制方法對網絡的實時性能有很大的影響。目前，各種現(xiàn)場總線技術采用的介質訪問控制方法在具體的應用環(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訪問控制方法。它充分利用了以太網使用的CSMACD的優(yōu)點，同時改進了以太網通過1一堅持退避算法可能導致重載時產生阻塞的缺點，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)場總線產品直接連接到以太網上，是現(xiàn)場總線向以太網靠攏的另一種表現(xiàn)形式。本文研究了一種新的現(xiàn)場總線和以太網互聯(lián)的方法，該方法使用了隧道技術的思想，將隧道技術由原本的網絡層應用到數(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)場總線向以太網發(fā)送數(shù)據(jù)的實時性。在此路由模型的基礎上，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，使設計實現(xiàn)更趨簡單化。關鍵字:現(xiàn)場總線，以太網，介質訪問控制，隧道技術，網絡互聯(lián)上海交通大學碩士學位論文第一章緒論隨著計算機及網絡的發(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氣動標準，4^20mA模擬信號標準發(fā)展成為分布式計算機控制(DCS)體系。DCS的出

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

6、往往決定了整個現(xiàn)場設備的配置，開放性差。為了克服DCS這些缺點，各生產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)行機構，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)不必再進入主控室，就可以現(xiàn)場進行處理。為了充分發(fā)揮智能儀表的優(yōu)勢，控制網絡也必須進行改進，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運而生的?，F(xiàn)場總線是用來連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構

7、的通訊網絡。它克服了DCS存在的種種不足，將計算機網絡成功的應用于過程控制中，引發(fā)了控制技術的一次大變革?，F(xiàn)場總線技術標志著新一代控制技術的產生，并將引起控制領域的一次深刻變革。人們認為自動化領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備的制造商紛紛投巨資研究、開發(fā)現(xiàn)場總線技術，力爭成為市場的主導者。目前已經出現(xiàn)了FoudationFieldb

8、usPROFIBUSLonWorksCAN等40余種現(xiàn)場總線。由于不同現(xiàn)場總線技術代表著不同集團、不同廠商的利益，使得目前現(xiàn)場總線技術的發(fā)展出現(xiàn)了十分復雜的局面，現(xiàn)場總線技術很難實現(xiàn)統(tǒng)一。通過對新一代控制技術根本特點的研究，可以指引新一代控制技術的發(fā)展方向和發(fā)展策略，對現(xiàn)場總線技術的發(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技術階段，除了應用外國現(xiàn)有的現(xiàn)場總線產品進行控制集成，在理論上還比較薄弱，這除了和我國起步較晚有關外