工业以太网的实时调度及系统设计
|
摘要
90年代以来，以Internet为代表的计算机信息产业和数据通信网络蓬勃兴起，发展迅速，同样也对工业自动化领域形成了强大的冲击，新型的工业计算机网络如新型集散控制系统(DCS)、现场总线(Fieldbus)、工业以太网(Industrial Ethernet)等大量涌现，给工业自动化带来一场深层次的革命。但现场总线的国际标准未能统一，不同总线产品间并不能直接互连、互用和互可操作，现场总线真正实现开放性任重而道远。随着技术的发展，企业要求工业网络从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架。这时传统以太网逐渐进入了控制领域。
本文根据工业网络的要求，结合传统以太网技术、交换技术等，研究了工业以太网的控制策略、测试方法、实时调度、网络管理和系统设计等技术问题，分析了工业以太网的冗余设计，提出了理想的工业以太网理想解决方案。
本文的主要内容包括：
1、系统介绍了工业网络历史发展和研究现状，对工业以太网和DCS、现场总线进行了比较，介绍了工业以太网的历史发展和背景知识，指出了工业以太网所具有的优势、存在的问题及本文的研究方向。
2、对以太网控制策略的实施进行了深入的研究，设计了具体的网络配置实例，通过模拟软件进行了仿真，并详细分析了仿真结果；测试了吞吐量、传输时延、故障恢复时延等网络基本性能，并对测试结果进行了定性的分析。
3、针对传统以太网的不确定性，我们结合现有技术，研究了采用全双工交换式以太网、虚拟局域网、服务质量(QoS)、IPv6等技术提高工业以太网实时性的方法和途径。
4、根据网络管理系统的特性，深入研究了工业以太网管理系统的体系结构，并对基于OPC的现场获取进行分析，提出了基于XML的远程监控。
5、分析了工业以太网的核心层和分布层的冗余设计，并给出各种冗余设
浙江人学硕士学位论文
计方案；研究了工业以太网的系统设计，提出了理想的工业以太网解决方案，并
指出未来一段时间内的发展方向——混合型系统。
最后对全文进行了概括性的总结，并指出了其他有待深入研究的问题和今后
工作的重点。
工业以太网以其开放的特性和结构化的设计，在工业控制领域必然有很好的
应用前景；而目前仍有很多关键技术有待解决，积极的研究工作将有助于工业以
太网的迅速应用，并产生良好的经济效益。
After 1990s, information industry and data traffic network have greatly mushroomed and influenced industrial automation. New type industrial networks such as DCS, Fieldbus and Industrial Ethernet have brought a high-level revolution in industrial automation. However because of the disunion of the international standards of Fieldbus and indirect interconnection and interoperation between different kinds of Fieldbus products, the openness of Fieldbus can not be achieved easily. With the rapid development of information technology, the ability of seamless integration between management layer and field control layer is required as well as an open infrastructure by enterprises and consumers. Traditional Ethernet has gradually entered the industrial control field in the same time.
According to the requirement of industrial network, the scheduling of real-time traffic, Network management, control strategy and test method of Industrial Ethernet were discussed combining traditional Ethernet technology and switching technology in this thesis. We analyzed the analyzed the redundancy design and provided the ideal system design of Industrial Ethernet.
The main content of this thesis is listed as follows:
1. Firstly, we make an overview the history and the latest achievement of industrial network and compare Industrial Ethernet with DCS and Fieldbus. We also introduced the history and the development of Industrial Ethernet. We make a discussion on advantages and problems of Industrial Ethernet and pointed out the direction of research for this thesis.
2. We studied the control strategy of Ethernet in-depth and designed specific example of network configuration; then we emulated the example on simulation software and analyzed the results of emulation in detail. We also tested the basic performance of network such as throughput > transmission latency and fault recovery latency and qualitatively analyzed the results of the test.
3. To the non-deterministic of traditional Ethernet, we studied the technologies such as full-duplex switched Ethernet network, VLAN, QoS and IPv6 technology in detail, which are used to realize the ability of real-time of Industrial Ethernet.
4. Base on the characteristic of Network Management System, we discussed
VI
the architecture of Industrial Ethernet Network Management System. We analyzed data-obtaining process of industrial field based on OPC and put forward a new remote supervise system based on XML technology.
5. Lastly, we analyzed the redundancy design of the core layer and the distributing layer of Industrial Ethernet and provided the schemes of redundancy design. At the same time, we discussed the pattern design of Industrial Ethernet, provided the ideal system design of Industrial Ethernet and pointed out the new direction-hybrid system of Industrial Ethernet in the future.
Finally, we drew a conclusion and propose the future research directions.
We believe that Industrial Ethernet will have a bright future of application in industrial control field. There are still some key problems needed to resolve. Positive study would be helpful to push Industrial Ethernet forward in application.
本文根据工业网络的要求，结合传统以太网技术、交换技术等，研究了工业以太网的控制策略、测试方法、实时调度、网络管理和系统设计等技术问题，分析了工业以太网的冗余设计，提出了理想的工业以太网理想解决方案。
本文的主要内容包括：
1、系统介绍了工业网络历史发展和研究现状，对工业以太网和DCS、现场总线进行了比较，介绍了工业以太网的历史发展和背景知识，指出了工业以太网所具有的优势、存在的问题及本文的研究方向。
2、对以太网控制策略的实施进行了深入的研究，设计了具体的网络配置实例，通过模拟软件进行了仿真，并详细分析了仿真结果；测试了吞吐量、传输时延、故障恢复时延等网络基本性能，并对测试结果进行了定性的分析。
3、针对传统以太网的不确定性，我们结合现有技术，研究了采用全双工交换式以太网、虚拟局域网、服务质量(QoS)、IPv6等技术提高工业以太网实时性的方法和途径。
4、根据网络管理系统的特性，深入研究了工业以太网管理系统的体系结构，并对基于OPC的现场获取进行分析，提出了基于XML的远程监控。
5、分析了工业以太网的核心层和分布层的冗余设计，并给出各种冗余设
浙江人学硕士学位论文
计方案；研究了工业以太网的系统设计，提出了理想的工业以太网解决方案，并
指出未来一段时间内的发展方向——混合型系统。
最后对全文进行了概括性的总结，并指出了其他有待深入研究的问题和今后
工作的重点。
工业以太网以其开放的特性和结构化的设计，在工业控制领域必然有很好的
应用前景；而目前仍有很多关键技术有待解决，积极的研究工作将有助于工业以
太网的迅速应用，并产生良好的经济效益。
After 1990s, information industry and data traffic network have greatly mushroomed and influenced industrial automation. New type industrial networks such as DCS, Fieldbus and Industrial Ethernet have brought a high-level revolution in industrial automation. However because of the disunion of the international standards of Fieldbus and indirect interconnection and interoperation between different kinds of Fieldbus products, the openness of Fieldbus can not be achieved easily. With the rapid development of information technology, the ability of seamless integration between management layer and field control layer is required as well as an open infrastructure by enterprises and consumers. Traditional Ethernet has gradually entered the industrial control field in the same time.
According to the requirement of industrial network, the scheduling of real-time traffic, Network management, control strategy and test method of Industrial Ethernet were discussed combining traditional Ethernet technology and switching technology in this thesis. We analyzed the analyzed the redundancy design and provided the ideal system design of Industrial Ethernet.
The main content of this thesis is listed as follows:
1. Firstly, we make an overview the history and the latest achievement of industrial network and compare Industrial Ethernet with DCS and Fieldbus. We also introduced the history and the development of Industrial Ethernet. We make a discussion on advantages and problems of Industrial Ethernet and pointed out the direction of research for this thesis.
2. We studied the control strategy of Ethernet in-depth and designed specific example of network configuration; then we emulated the example on simulation software and analyzed the results of emulation in detail. We also tested the basic performance of network such as throughput > transmission latency and fault recovery latency and qualitatively analyzed the results of the test.
3. To the non-deterministic of traditional Ethernet, we studied the technologies such as full-duplex switched Ethernet network, VLAN, QoS and IPv6 technology in detail, which are used to realize the ability of real-time of Industrial Ethernet.
4. Base on the characteristic of Network Management System, we discussed
VI
the architecture of Industrial Ethernet Network Management System. We analyzed data-obtaining process of industrial field based on OPC and put forward a new remote supervise system based on XML technology.
5. Lastly, we analyzed the redundancy design of the core layer and the distributing layer of Industrial Ethernet and provided the schemes of redundancy design. At the same time, we discussed the pattern design of Industrial Ethernet, provided the ideal system design of Industrial Ethernet and pointed out the new direction-hybrid system of Industrial Ethernet in the future.
Finally, we drew a conclusion and propose the future research directions.
We believe that Industrial Ethernet will have a bright future of application in industrial control field. There are still some key problems needed to resolve. Positive study would be helpful to push Industrial Ethernet forward in application.
引文
[1]张浩，工业计算机网络，西安交通大学学报，2000，12(12)：98-101
[2]张文超，徐保国。工业计算机网络，工业控制计算机，1991，4：23-26
[3]魏晓东，分散型控制系统。上海：上海科学技术文献出版社，1999
[4]王树清，赵鹏程。集散型计算机控制系统(DCS)。杭州：浙江大学出版社，1994
[5]郑文波等。控制网络技术。北京：清华大学出版社、施普格林出版社，2001
[6]阳宪惠等。现场总线技术及其应用。北京：清华大学出版社，1999
[7]缪学勤，工业控制系统用现场总线，自动化仪表，1998，11
[8]刘曙光，现场总线技术的进展与展望，自动化与仪表：2000，15(3)：1-6
[9]缪学勤，德国PROFIBUS现场总线技术概况，仪器仪表标准化与计量，1998，2：4-10
[10]阳宪惠，基金会现场总线技术简介，化工自动化与仪表，1998，25(4)：14-18
[11]史学玲，认识WorldFIP现场总线，测控技术，1999，18(5)：15-17
[12]姚竹亭，王宪朝等。现场总线及应用，测试技术学报，1998，12(3)：340-345
[13]Richard H. Caro. Overview of ISA/IEC Fieldbus, June, 1997
[14]IEC 61158.1, Fieldbus Standard for use in industrial control system-Part 1: introductory guide
[15]冯大为，阳宪惠等。从信息集成看现场总线技术的发展，冶金自动化，2001，6：22-27
[16]刘朝晖，自动化技术的三大革新，仪器仪表标准化与计量，2002，2：22-25
[17]杨昌焜，正在进入控制领域的工业以太网，世界仪表与自动化，2001，5(11)：1-4
[18]A S. Tanenbaum. Computer Network: Third Edition. Englewood Cliffs: Prentice Hall. 1996
[19]D. Comer. Internetworking TCP/IP: Vol .Ⅰ. Englewood Cliffs: Prentice Hall. 1995
[20]W. Richard Stevens. TCP/IP Illustrated: Vol Ⅰ. Pearson Education, Inc. 1994
[21]陈平，张安年等。工业以太网在现场总线控制系统中的应用，洛阳工学院学报，2000，3：65-68
[22]韩毅刚等译。高性能通信网络。北京：电子工业出版社，2000
[23]Karen Webb. Building Cisco Multilayer Switched Networks. Cisco Press. 2000
[24]刘晓辉等。以太网组网技术大全。北京：清华大学出版社，2001
[25]宰守刚，王智，孙优贤等。交换机在工业以太网中的应用探讨，化工自动化及仪表，2003，30(1)：48-51
[26]魏庆福，现场总线技术的发展与工业以太网综述，工业控制计算机，2002，15(1)：1-5
[27]徐垲冬，王宏，杨志家等。基于以太网的工业控制网络，信息与控制，2000，29(2)：182-186
[28]Dick Jchnson. Ethernet Edges Toward Process Control. Control Engineering,Dec, 1998
[29]Dave Harrold. Ethernet Meets Requirements of Deregulated Electric Industries. Control Engineering, April, 1999
[30]Austin. Fieldbus Foundation Releases High Speed Ethernet (HSE) Final Specifications. Control Engineering, March ,2000
[31]Jonas Berge. Ethernet in Process Control, Intech, June,2001
[32]施奈德电气资料：透明工厂——开放的自动化世界
[33]熊育悦，赵哲身等。工业以太网在控制系统中的应用前景，仪表技术，2002，3：37-39
[34]Eric Byres. Ethernet to link automation hierarchy. Intech, June, 1999
[35]Gadi Kaplan. Ethernet is winning ways. IEEE SPECTRUM, June, 2001
[36]Rob McKeel. Ethernet connects the top floor and shop floor. Plant Engineering, July,2001
[37]Perry Sink. Eight Open Networks and Industrial Ethernet. Industrial Ethernet Association.2001
[38]George Thomas. Improving the Performance of Ethernet Networks. Intech, Sep, 2000
[39]李逢天等译。组建可扩展的Cisco网络。北京：人民邮电出版社，2001
[40]黄俊飞、寿国础，IP网络的测试方法，通信世界，2001，9：28-29
[41]Ander Martinsson. Scheduling of Real-time Traffic in a Switched Ethernet Network.
[42]卢光辉，孙世新，邵子立，张艳等。基于组播的网络时延测试，软件学报，2001，12(11)：1704-1709
[43]沈志伟，基于Ethernet的工业网络系统研究，浙江大学硕士学位论文，2001
[44]Srinidhi Varadarajan. Tzi-cker Chiueh. Fault Recovery in a Real-Time Switched Ethernet Architecture. State University of New York, May, 1998.
[45]Tzi-cker Chiueh. Chitra Venkatramani. Fault Tolerance Mechanisms in The RETHER Protocol. Pacific Rim International Symposium on Fault-Tolerant Systems, Dec, 1997
[46]S. Han. K.G. Shin. Fast Restoration of real-time communication service from component failures in multi-hop networks. Proc. SIGCOMM Symposium, Sep, 1997
[47]Michael D. Schroeder. Andrew D. Birrell. Autonet:A High-Speed, Self-Configuring Local Area Network Using Point-to-point Links. IEEE Journal, Oct, 1991: VOL9, NO8
[48]陈积明，孙优贤等。工业以太网的研究现状及展望，化工自动化及仪表，2001，28(6)：1-4．
[49]吴秋峰等。自动化系统计算机网络。北京：清华大学出版社，2001
[50]Tim Boyles. Dave Hucaby. Switching. Cisco Press, Nov, 2000
[51]Todd Lammle. Kevin Hales. CCNP Switching Study Guide. Sybex Press, Sep, 2000
[52]方伟，多业务企业网QoS保障方案，计算机世界，2001，5
[53]孙岳，常江等。IP网络QoS问题研究，计算机世界，2001，8
[54]屈智成，新一代因特网协议IPv6，成都教育学院学报，2002，16(9)：60-62
[55]梁义，IPv6的首部，伊犁师范学院学报，2002，(3)：89-92
[56]熊三炉，IPv6：下一代Internet的核心技术，中国信息导报，2002，9：57-59
[57]李平康，杜秀霞等。以太网在DCS中的应用与发展，测控技术，2002，21(4)：4-7
[58]Sean Harnedy. Total SNMP. Englewood Cliffs: Prentice Hall. 1996
[59]Black Uyless. Network Management Standards: SNMP, CMIP, TMN,MIBS,and Objiect Libraries: 2nd ed. New York: McGraw-Hill, inc. 1995.
[60]Stallings William. SNMP, SNMPv2,and CMIP:The Practical Guide to Network Management Standard. Reading. MA:Dddison-Wesley. 1993
[61]OPC技术综述www.opcchina.org/download
[62]马龙华，OPC数据存取规范的研究和应用，化工自动化及仪，2002，1：43-45．
[63]苑明哲等，OPC技术在现场总线控制系统中的应用，工业仪表与自动化装置，2000，3：20-23．
[64]许宝祥，过程控制系统中的OPC技术，冶金自动化，1999，6：20-23．
[65]胡俊，工业以太网和基于Internet的远程监控系统，世界仪表及自动化，2002，6(2)：43-45
[66]李立，工业网络的桥接方法及应用分析，微计算机信息，2002，18(6)：19-20
[67]金昊，柯冬香，设备网与计算机工业通信，工业控制计算机，1999，2：38-40
[2]张文超，徐保国。工业计算机网络，工业控制计算机，1991，4：23-26
[3]魏晓东，分散型控制系统。上海：上海科学技术文献出版社，1999
[4]王树清，赵鹏程。集散型计算机控制系统(DCS)。杭州：浙江大学出版社，1994
[5]郑文波等。控制网络技术。北京：清华大学出版社、施普格林出版社，2001
[6]阳宪惠等。现场总线技术及其应用。北京：清华大学出版社，1999
[7]缪学勤，工业控制系统用现场总线，自动化仪表，1998，11
[8]刘曙光，现场总线技术的进展与展望，自动化与仪表：2000，15(3)：1-6
[9]缪学勤，德国PROFIBUS现场总线技术概况，仪器仪表标准化与计量，1998，2：4-10
[10]阳宪惠，基金会现场总线技术简介，化工自动化与仪表，1998，25(4)：14-18
[11]史学玲，认识WorldFIP现场总线，测控技术，1999，18(5)：15-17
[12]姚竹亭，王宪朝等。现场总线及应用，测试技术学报，1998，12(3)：340-345
[13]Richard H. Caro. Overview of ISA/IEC Fieldbus, June, 1997
[14]IEC 61158.1, Fieldbus Standard for use in industrial control system-Part 1: introductory guide
[15]冯大为，阳宪惠等。从信息集成看现场总线技术的发展，冶金自动化，2001，6：22-27
[16]刘朝晖，自动化技术的三大革新，仪器仪表标准化与计量，2002，2：22-25
[17]杨昌焜，正在进入控制领域的工业以太网，世界仪表与自动化，2001，5(11)：1-4
[18]A S. Tanenbaum. Computer Network: Third Edition. Englewood Cliffs: Prentice Hall. 1996
[19]D. Comer. Internetworking TCP/IP: Vol .Ⅰ. Englewood Cliffs: Prentice Hall. 1995
[20]W. Richard Stevens. TCP/IP Illustrated: Vol Ⅰ. Pearson Education, Inc. 1994
[21]陈平，张安年等。工业以太网在现场总线控制系统中的应用，洛阳工学院学报，2000，3：65-68
[22]韩毅刚等译。高性能通信网络。北京：电子工业出版社，2000
[23]Karen Webb. Building Cisco Multilayer Switched Networks. Cisco Press. 2000
[24]刘晓辉等。以太网组网技术大全。北京：清华大学出版社，2001
[25]宰守刚，王智，孙优贤等。交换机在工业以太网中的应用探讨，化工自动化及仪表，2003，30(1)：48-51
[26]魏庆福，现场总线技术的发展与工业以太网综述，工业控制计算机，2002，15(1)：1-5
[27]徐垲冬，王宏，杨志家等。基于以太网的工业控制网络，信息与控制，2000，29(2)：182-186
[28]Dick Jchnson. Ethernet Edges Toward Process Control. Control Engineering,Dec, 1998
[29]Dave Harrold. Ethernet Meets Requirements of Deregulated Electric Industries. Control Engineering, April, 1999
[30]Austin. Fieldbus Foundation Releases High Speed Ethernet (HSE) Final Specifications. Control Engineering, March ,2000
[31]Jonas Berge. Ethernet in Process Control, Intech, June,2001
[32]施奈德电气资料：透明工厂——开放的自动化世界
[33]熊育悦，赵哲身等。工业以太网在控制系统中的应用前景，仪表技术，2002，3：37-39
[34]Eric Byres. Ethernet to link automation hierarchy. Intech, June, 1999
[35]Gadi Kaplan. Ethernet is winning ways. IEEE SPECTRUM, June, 2001
[36]Rob McKeel. Ethernet connects the top floor and shop floor. Plant Engineering, July,2001
[37]Perry Sink. Eight Open Networks and Industrial Ethernet. Industrial Ethernet Association.2001
[38]George Thomas. Improving the Performance of Ethernet Networks. Intech, Sep, 2000
[39]李逢天等译。组建可扩展的Cisco网络。北京：人民邮电出版社，2001
[40]黄俊飞、寿国础，IP网络的测试方法，通信世界，2001，9：28-29
[41]Ander Martinsson. Scheduling of Real-time Traffic in a Switched Ethernet Network.
[42]卢光辉，孙世新，邵子立，张艳等。基于组播的网络时延测试，软件学报，2001，12(11)：1704-1709
[43]沈志伟，基于Ethernet的工业网络系统研究，浙江大学硕士学位论文，2001
[44]Srinidhi Varadarajan. Tzi-cker Chiueh. Fault Recovery in a Real-Time Switched Ethernet Architecture. State University of New York, May, 1998.
[45]Tzi-cker Chiueh. Chitra Venkatramani. Fault Tolerance Mechanisms in The RETHER Protocol. Pacific Rim International Symposium on Fault-Tolerant Systems, Dec, 1997
[46]S. Han. K.G. Shin. Fast Restoration of real-time communication service from component failures in multi-hop networks. Proc. SIGCOMM Symposium, Sep, 1997
[47]Michael D. Schroeder. Andrew D. Birrell. Autonet:A High-Speed, Self-Configuring Local Area Network Using Point-to-point Links. IEEE Journal, Oct, 1991: VOL9, NO8
[48]陈积明，孙优贤等。工业以太网的研究现状及展望，化工自动化及仪表，2001，28(6)：1-4．
[49]吴秋峰等。自动化系统计算机网络。北京：清华大学出版社，2001
[50]Tim Boyles. Dave Hucaby. Switching. Cisco Press, Nov, 2000
[51]Todd Lammle. Kevin Hales. CCNP Switching Study Guide. Sybex Press, Sep, 2000
[52]方伟，多业务企业网QoS保障方案，计算机世界，2001，5
[53]孙岳，常江等。IP网络QoS问题研究，计算机世界，2001，8
[54]屈智成，新一代因特网协议IPv6，成都教育学院学报，2002，16(9)：60-62
[55]梁义，IPv6的首部，伊犁师范学院学报，2002，(3)：89-92
[56]熊三炉，IPv6：下一代Internet的核心技术，中国信息导报，2002，9：57-59
[57]李平康，杜秀霞等。以太网在DCS中的应用与发展，测控技术，2002，21(4)：4-7
[58]Sean Harnedy. Total SNMP. Englewood Cliffs: Prentice Hall. 1996
[59]Black Uyless. Network Management Standards: SNMP, CMIP, TMN,MIBS,and Objiect Libraries: 2nd ed. New York: McGraw-Hill, inc. 1995.
[60]Stallings William. SNMP, SNMPv2,and CMIP:The Practical Guide to Network Management Standard. Reading. MA:Dddison-Wesley. 1993
[61]OPC技术综述www.opcchina.org/download
[62]马龙华，OPC数据存取规范的研究和应用，化工自动化及仪，2002，1：43-45．
[63]苑明哲等，OPC技术在现场总线控制系统中的应用，工业仪表与自动化装置，2000，3：20-23．
[64]许宝祥，过程控制系统中的OPC技术，冶金自动化，1999，6：20-23．
[65]胡俊，工业以太网和基于Internet的远程监控系统，世界仪表及自动化，2002，6(2)：43-45
[66]李立，工业网络的桥接方法及应用分析，微计算机信息，2002，18(6)：19-20
[67]金昊，柯冬香，设备网与计算机工业通信，工业控制计算机，1999，2：38-40