以太网在锌电解供电优化控制系统中的研究与应用
摘要
本文以锌电解供电优化控制系统的设计为背景，以锌电解供电控制以太网的设计为目的，提出了以太网的结构设计方案，对以太网应用于锌电解现场的关键技术作了研究，并设计了现场控制器的以太网接口。围绕这个课题，重点研究了以下几个方面的问题：
文章首先分析了优化控制系统的原理及结构，包含四部分：电解供电优化调度、整流供电优化决策系统、全数字闭环控制系统和集中监视与远程监控系统。按照工业以太网的设计原则，设计了基于分层的结构化锌电解供电控制以太网，为锌电解供电控制系统提供了一个全分布的、对等的通信平台。同时，针对工业控制对可靠性的要求，对网络结构采用了冗余设计技术。
其次，针对工业以太网应用于锌电解供电控制现场存在的一些关键技术进行了研究。主要在分析了以太网通信“不确定性”的基础上，讨论了改善以太网通信实时性的措施：全双工交换通信模式、虚拟局域网技术、网络实时调度技术；并对工业以太网应用的互可操作性进行了研究；最后对网络安全性作了分析，主要采用二级防火墙技术来解决网络安全性。
最后，对锌电解供电现场控制器以太网接口设计进行了讨论。以太网接口采用基于ARM7TDMI内核的S3C44B0X作为微控制器，而选用全双工的RTL8019AS作为以太网控制器，具有双口互为备份的特点。在采用μClinux嵌入式操作系统的基础上，开发了通信的驱动程序，并采用socket套接字技术设计了以太网通信应用程序。
Based on the optimized control system for power_supply of zincelectrolyte, to design the industrial Ethernet of zinc electrolyte, the paperhas put out the plan of the Ethernet structure. It also researches theimportant technique and design of the Ethernet interface. About this topic,the paper has done the important research about the problems below.
Firstly, the thesis analyzes the elements and structure of theoptimizing and control system, the system contains four parts: optimalscheduling of electrolyzing power system, rectified power optimaldecision-making system, total digital close-loop control system andCentralized Monitoring and long-distance Control System. Structural zincelectrolysis power supply control Ethernet based on delamination isdesigned according to the designing principle of industrial Ethernet. Fullydistributing and peer to peer communicational platform is provided forzinc electrolysis power supply control system. At the same time,redundance technique is adopted aiming at the request of the reliability ofindustrial control.
Secondly, research aims at the key techniques of the optimizedcontrol system for power supply of zinc electrolyte. The topic isdiscussed to improve the real-time of Ethernet, on the base of analyzingthe uncertainty of Ethernet: the full-duplex Exchange-communicationmode, VLAN, the message scheduling technique of network; and themaneuverability of industrial Ethernet is studied. At last, the security ofthe net is analyzed, second fireproofing technique is used to solve thenet-security.
Lastly, the Ethernet interface for the controller of power supply ofzinc electrolyte is discussed.S3C44B0X,based on the ARM7TDMI core,isused as the Micro-controller, and RTL8019AS based on full-duplex,as theEthernet controller.The Ethernet interface has two channels,being a copyfor each other.As software design, on the platform of the embeddedreal-time Operation SystemμClinux, the communication driver isdesigned. Furthermore, the communication application program isdesigned using socket technique.
文章首先分析了优化控制系统的原理及结构，包含四部分：电解供电优化调度、整流供电优化决策系统、全数字闭环控制系统和集中监视与远程监控系统。按照工业以太网的设计原则，设计了基于分层的结构化锌电解供电控制以太网，为锌电解供电控制系统提供了一个全分布的、对等的通信平台。同时，针对工业控制对可靠性的要求，对网络结构采用了冗余设计技术。
其次，针对工业以太网应用于锌电解供电控制现场存在的一些关键技术进行了研究。主要在分析了以太网通信“不确定性”的基础上，讨论了改善以太网通信实时性的措施：全双工交换通信模式、虚拟局域网技术、网络实时调度技术；并对工业以太网应用的互可操作性进行了研究；最后对网络安全性作了分析，主要采用二级防火墙技术来解决网络安全性。
最后，对锌电解供电现场控制器以太网接口设计进行了讨论。以太网接口采用基于ARM7TDMI内核的S3C44B0X作为微控制器，而选用全双工的RTL8019AS作为以太网控制器，具有双口互为备份的特点。在采用μClinux嵌入式操作系统的基础上，开发了通信的驱动程序，并采用socket套接字技术设计了以太网通信应用程序。
Based on the optimized control system for power_supply of zincelectrolyte, to design the industrial Ethernet of zinc electrolyte, the paperhas put out the plan of the Ethernet structure. It also researches theimportant technique and design of the Ethernet interface. About this topic,the paper has done the important research about the problems below.
Firstly, the thesis analyzes the elements and structure of theoptimizing and control system, the system contains four parts: optimalscheduling of electrolyzing power system, rectified power optimaldecision-making system, total digital close-loop control system andCentralized Monitoring and long-distance Control System. Structural zincelectrolysis power supply control Ethernet based on delamination isdesigned according to the designing principle of industrial Ethernet. Fullydistributing and peer to peer communicational platform is provided forzinc electrolysis power supply control system. At the same time,redundance technique is adopted aiming at the request of the reliability ofindustrial control.
Secondly, research aims at the key techniques of the optimizedcontrol system for power supply of zinc electrolyte. The topic isdiscussed to improve the real-time of Ethernet, on the base of analyzingthe uncertainty of Ethernet: the full-duplex Exchange-communicationmode, VLAN, the message scheduling technique of network; and themaneuverability of industrial Ethernet is studied. At last, the security ofthe net is analyzed, second fireproofing technique is used to solve thenet-security.
Lastly, the Ethernet interface for the controller of power supply ofzinc electrolyte is discussed.S3C44B0X,based on the ARM7TDMI core,isused as the Micro-controller, and RTL8019AS based on full-duplex,as theEthernet controller.The Ethernet interface has two channels,being a copyfor each other.As software design, on the platform of the embeddedreal-time Operation SystemμClinux, the communication driver isdesigned. Furthermore, the communication application program isdesigned using socket technique.
引文
[1] 陈皓勇，王锡凡．机组组合问题的优化方法综述[J]．电力系统自动化，1999，23(4)：51-56
[2] 易伟民，申群太．整流机组效率优化中遗传算法的研究与应用[J]．贵州工业大学学报(自然科学版)，2003，32(3)：79-96
[3] 黄佩英．大型铝电解整流机组方案确定[J]．电气开关，2003，41(6)：16-19
[4] 石立宝．电力系统安全经济运行的计算智能模型及方法研究：[博士后学位论文]．上海：上海交通大学，2004
[5] 熊桂喜，王小虎译．计算机网络(第3版)[M]．北京：清华大学出版社，1998
[6] W.Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 1: The Protocols[M]. 北京：机械工业出版社，2000
[7] IEC 61158.1. Fieldbus Standard for use in industrial control system-Part1: introductory guide
[8] Dick Jchnson. Ethernet Edges Toward Process Control[J]. Control Engineering, Dec. 1998
[9] Austin.Fieldbus Foundation Releases High Speed Ethemet(HSE) Final Specifications. Control Engineering, March 2000
[10] 吴爱国，梁瑾．工业以太网的发展现状[J]．信息与控制，2003，32(5)：458-461
[11] 冯冬芹，金建祥，褚健．工业以太网关键技术初探[J]．信息与控制，2003，32(3)：219-224
[12] 徐皑冬，王宏，邢志浩．工业以太网实时通信技术[J]．信息与控制，2005，34(1)：60-65
[13] 李正军．现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M]．北京：人民邮电出版社，2006
[14] Volz M. Quo vadis Layer 7?[J/OL].Industry Ethemet Book, Issue 5 http: //ethernet.industrial_networking.com
[15] LeBlanc C.The future of industrial networking and connectivity[J/OL].Industry Ethernet Book, Issue 2.http: //ethernet.industrial_network ing.com
[16] 王威，缪学勤．试论工业以太网实时通信技术[J]．自动化仪表，2003，24(2)：1-4
[17] 徐皑冬，王宏．基于以太网的工业控制网络[J]．信息与控制，2000，29(2)：182-186
[18] Court R.Real_time Ethernet[J].Computer Communication 1992, 3
[19] Venkatramani C, Chiueh T. Supporting real_time traffic on Ethernet [C].In Proc.of Real_time System Symposium, 1994
[20] Stan Schneider, Gerardo Pardo_Castellote, Mark Hamilton.Can Ethernet be Real Time?http: //www.rti.com
[21] 王忠锋，于海斌．工业以太网确定性通信实现方案[J]．仪器仪表学报，2005，26(8)：12-16
[22] 毛金花，申群太．基于蚁群算法的整流效率优化研究与应用[J]．电气传动自动化，2007，29(1)：28-31
[23] 冉全，肖德宝．工业以太网的系统设计方案研究[J]．武汉理工大学学报，2003，25(2)：8-11
[24] 阳宪惠．工业数据通信与控制网络[M]．北京：机械工业出版社，2003
[25] 陈磊．以太网在工业应用中的实时能力分析[J]．化工自动化及仪表，2003，30(1)：44-47
[26] Panl Taylor．工业以太网专栏——确定性分析．国内外机电一体化技术，2002(5)：38-41
[27] 沈志伟．基于以太网的工业网络系统研究：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2002
[28] 刘晓辉．以太网组网技术大全[M]．北京：清华大学出版社，2001
[29] 电气和电子工程师协会．IEEE802．1D．美国：ISO
[30] 宰守刚，王智，孙优贤等．交换机在工业以太网中的应用探讨[J]．化工自动化及仪表，2003，30(1)：48-51
[31] 美国西斯科系统公司，希望图书创作室．路由交换服务[M]．北京：北京希望电子出版社，1999
[32] 帕克赫斯特，Parkhurst，京京工作室．Cisco组播路由与交换技术[M]．北京：机械工业出版社，1999
[33] 侯维岩，侯维强．工业控制网络中的以太网技术[J]．自动化仪表，2003，24(1)：48-51
[34] Jean J. Labrosse.MicroC/OS-Ⅱ The Real-Time Kernel Second Edition[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003
[35] Qing Li著，王安生译．嵌入式系统的实时概念[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004
[36] J. Nilsson.Real-time control systems with delays, Ph.D.dissertation, Dept. AutomaticControl, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, Jan. 2001.
[37] Wei Zhen, Li Chang-hong, Xie Jian-ying. Improved control Scheme with online dealy evaluation for networked control systems, Proceedings of the 4th world congress on Intelligent control and Automation June, 2002: 1319-1323
[38] 陈磊，冯冬芹．“工业以太网及其应用技术”讲座[J]．自动化仪表，2003，24(7)：67-70
[39] 孙进生，姜建国．总线的发展趋势——工业以太控制网络[J]．河北理工学院学报，2002，24(2)
[40] 刘军，雷振明．以太网流量工程研究[J]．计算机工程与应用，2002，38(15)：8-10
[41] 顾洪军，张佐，吴秋峰．网络控制系统的实时特性分析及数据传输技术[J]．计算机工程与应用，2001，37(6)：38-40
[42] George Thomas. Improving the Performance of Ethernet Networks [J] Intech, Sept.2000
[43] Tony Kinsella, Richard. Ethernet in Industrial Automation-Today and Tomorrow [J].Intech.Mar.2001
[44] Yeqiong Song, A. Koubaa, F. Simonot. Switched Ethernet for real-time industrial communication: modelling and message buffering delay evaluation, in 4th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 2002: 27-35
[45] T.Skeie, S.Johannessen, O.Holmeide. Highly accurate time synchronization over switched Ethernet, in Proceedings of 2001 8th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, vol. 1, 2001: 195-204
[46] Lee Kyung Chang, Lee Suk. Performance evaluation of switched Ethernet for real-time industrial communications, in Computer Standards and Interfaces, 24(5), November 2002: 411-423
[47] Tim Boyles, Dave Hucaby. Switching[M].Cisco Press, Nov.2000
[48] Todd Lammle, Kevin Hales, CCNP Switching Study Guide[M].Sybex Press, Sep.2000
[49] 陈磊．从现场总线到工业以太网的实时性问题研究：[博士学位论文]．杭州：浙江大学，2004
[50] IDA group, http: //www.ida-group.org/
[51] Michael.M.Wu.Modeling Robust Asynchronous Communication Protocols with Finite-State Machine, IEEE Trans Communication, 1993, 42(5), 492-505
[52] 胡道元，陆明．网络安全技术[J]．金融电子化，1999，23(6)：23-27
[53] 张超．Internet／Intranet实用安全技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社．1999
[54] 刘红砾，李晓．Intranet／Extrane的安全技术[J]．计算机应用研究，2001，32(3)：54-56
[55] 张文政，孟庆志．访问控制与数字签名[J]．电脑技术信息，1999，14(6)：22-26
[56] 张新宝，杨帆．计算机网络安全与防火墙[J]．西安石油学院学报(自然科学报)，2001，16(1)：57-59
[57] 贾智平，张瑞华．嵌入式系统原理与接口技术[M]．北京：清华大学出版社．2005
[58] 田泽．嵌入式系统开发与应用教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2005
[59] 沈文斌．嵌入式硬件系统设计与开发实例详解[M]．北京：电子工业出版社．2005
[60] 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用[M]．北京：清华大学出版社．2002
[61] 王学龙．嵌入式Linux系统设计与应用[M]．北京：清华大学出版社．2001
[62] 陈翌，田捷，王金刚．嵌入式软件开发技术[M]．北京：国防工业出版社．2003
[63] 斯瑞德哈，彭甫阳，王怀彬．嵌入式通信软件设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004
[2] 易伟民，申群太．整流机组效率优化中遗传算法的研究与应用[J]．贵州工业大学学报(自然科学版)，2003，32(3)：79-96
[3] 黄佩英．大型铝电解整流机组方案确定[J]．电气开关，2003，41(6)：16-19
[4] 石立宝．电力系统安全经济运行的计算智能模型及方法研究：[博士后学位论文]．上海：上海交通大学，2004
[5] 熊桂喜，王小虎译．计算机网络(第3版)[M]．北京：清华大学出版社，1998
[6] W.Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 1: The Protocols[M]. 北京：机械工业出版社，2000
[7] IEC 61158.1. Fieldbus Standard for use in industrial control system-Part1: introductory guide
[8] Dick Jchnson. Ethernet Edges Toward Process Control[J]. Control Engineering, Dec. 1998
[9] Austin.Fieldbus Foundation Releases High Speed Ethemet(HSE) Final Specifications. Control Engineering, March 2000
[10] 吴爱国，梁瑾．工业以太网的发展现状[J]．信息与控制，2003，32(5)：458-461
[11] 冯冬芹，金建祥，褚健．工业以太网关键技术初探[J]．信息与控制，2003，32(3)：219-224
[12] 徐皑冬，王宏，邢志浩．工业以太网实时通信技术[J]．信息与控制，2005，34(1)：60-65
[13] 李正军．现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M]．北京：人民邮电出版社，2006
[14] Volz M. Quo vadis Layer 7?[J/OL].Industry Ethemet Book, Issue 5 http: //ethernet.industrial_networking.com
[15] LeBlanc C.The future of industrial networking and connectivity[J/OL].Industry Ethernet Book, Issue 2.http: //ethernet.industrial_network ing.com
[16] 王威，缪学勤．试论工业以太网实时通信技术[J]．自动化仪表，2003，24(2)：1-4
[17] 徐皑冬，王宏．基于以太网的工业控制网络[J]．信息与控制，2000，29(2)：182-186
[18] Court R.Real_time Ethernet[J].Computer Communication 1992, 3
[19] Venkatramani C, Chiueh T. Supporting real_time traffic on Ethernet [C].In Proc.of Real_time System Symposium, 1994
[20] Stan Schneider, Gerardo Pardo_Castellote, Mark Hamilton.Can Ethernet be Real Time?http: //www.rti.com
[21] 王忠锋，于海斌．工业以太网确定性通信实现方案[J]．仪器仪表学报，2005，26(8)：12-16
[22] 毛金花，申群太．基于蚁群算法的整流效率优化研究与应用[J]．电气传动自动化，2007，29(1)：28-31
[23] 冉全，肖德宝．工业以太网的系统设计方案研究[J]．武汉理工大学学报，2003，25(2)：8-11
[24] 阳宪惠．工业数据通信与控制网络[M]．北京：机械工业出版社，2003
[25] 陈磊．以太网在工业应用中的实时能力分析[J]．化工自动化及仪表，2003，30(1)：44-47
[26] Panl Taylor．工业以太网专栏——确定性分析．国内外机电一体化技术，2002(5)：38-41
[27] 沈志伟．基于以太网的工业网络系统研究：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2002
[28] 刘晓辉．以太网组网技术大全[M]．北京：清华大学出版社，2001
[29] 电气和电子工程师协会．IEEE802．1D．美国：ISO
[30] 宰守刚，王智，孙优贤等．交换机在工业以太网中的应用探讨[J]．化工自动化及仪表，2003，30(1)：48-51
[31] 美国西斯科系统公司，希望图书创作室．路由交换服务[M]．北京：北京希望电子出版社，1999
[32] 帕克赫斯特，Parkhurst，京京工作室．Cisco组播路由与交换技术[M]．北京：机械工业出版社，1999
[33] 侯维岩，侯维强．工业控制网络中的以太网技术[J]．自动化仪表，2003，24(1)：48-51
[34] Jean J. Labrosse.MicroC/OS-Ⅱ The Real-Time Kernel Second Edition[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003
[35] Qing Li著，王安生译．嵌入式系统的实时概念[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004
[36] J. Nilsson.Real-time control systems with delays, Ph.D.dissertation, Dept. AutomaticControl, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, Jan. 2001.
[37] Wei Zhen, Li Chang-hong, Xie Jian-ying. Improved control Scheme with online dealy evaluation for networked control systems, Proceedings of the 4th world congress on Intelligent control and Automation June, 2002: 1319-1323
[38] 陈磊，冯冬芹．“工业以太网及其应用技术”讲座[J]．自动化仪表，2003，24(7)：67-70
[39] 孙进生，姜建国．总线的发展趋势——工业以太控制网络[J]．河北理工学院学报，2002，24(2)
[40] 刘军，雷振明．以太网流量工程研究[J]．计算机工程与应用，2002，38(15)：8-10
[41] 顾洪军，张佐，吴秋峰．网络控制系统的实时特性分析及数据传输技术[J]．计算机工程与应用，2001，37(6)：38-40
[42] George Thomas. Improving the Performance of Ethernet Networks [J] Intech, Sept.2000
[43] Tony Kinsella, Richard. Ethernet in Industrial Automation-Today and Tomorrow [J].Intech.Mar.2001
[44] Yeqiong Song, A. Koubaa, F. Simonot. Switched Ethernet for real-time industrial communication: modelling and message buffering delay evaluation, in 4th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 2002: 27-35
[45] T.Skeie, S.Johannessen, O.Holmeide. Highly accurate time synchronization over switched Ethernet, in Proceedings of 2001 8th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, vol. 1, 2001: 195-204
[46] Lee Kyung Chang, Lee Suk. Performance evaluation of switched Ethernet for real-time industrial communications, in Computer Standards and Interfaces, 24(5), November 2002: 411-423
[47] Tim Boyles, Dave Hucaby. Switching[M].Cisco Press, Nov.2000
[48] Todd Lammle, Kevin Hales, CCNP Switching Study Guide[M].Sybex Press, Sep.2000
[49] 陈磊．从现场总线到工业以太网的实时性问题研究：[博士学位论文]．杭州：浙江大学，2004
[50] IDA group, http: //www.ida-group.org/
[51] Michael.M.Wu.Modeling Robust Asynchronous Communication Protocols with Finite-State Machine, IEEE Trans Communication, 1993, 42(5), 492-505
[52] 胡道元，陆明．网络安全技术[J]．金融电子化，1999，23(6)：23-27
[53] 张超．Internet／Intranet实用安全技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社．1999
[54] 刘红砾，李晓．Intranet／Extrane的安全技术[J]．计算机应用研究，2001，32(3)：54-56
[55] 张文政，孟庆志．访问控制与数字签名[J]．电脑技术信息，1999，14(6)：22-26
[56] 张新宝，杨帆．计算机网络安全与防火墙[J]．西安石油学院学报(自然科学报)，2001，16(1)：57-59
[57] 贾智平，张瑞华．嵌入式系统原理与接口技术[M]．北京：清华大学出版社．2005
[58] 田泽．嵌入式系统开发与应用教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2005
[59] 沈文斌．嵌入式硬件系统设计与开发实例详解[M]．北京：电子工业出版社．2005
[60] 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用[M]．北京：清华大学出版社．2002
[61] 王学龙．嵌入式Linux系统设计与应用[M]．北京：清华大学出版社．2001
[62] 陈翌，田捷，王金刚．嵌入式软件开发技术[M]．北京：国防工业出版社．2003
[63] 斯瑞德哈，彭甫阳，王怀彬．嵌入式通信软件设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004