工业以太网的控制系统及其应用层协议的设计

传输的为设备层信息帧， 它们是现场设备能读得懂的 原始信息， 可由节点封装成控制层信息帧。两层协议
的差异将在下节提及。 ３ 协议详解 ． ３ ３ ．数据帧 ．１ ３
｝信 帧 式 须 合 用 协 的 求 时息格必符应层议要。
３ 基本概念 ． ２ ３ ．类 ．１ ２ 在一个控制系统中不止有一种设备， 这就需要对 它们进行归类 ， 以便监控系统能方便地对它们进行识
现。经 运 试， 现场 行调 控制系 统和以 节点 能 运 且 层协 矢网 均 稳定 行， 应用 议的实 性 错 时 及容 性是能够 保障 得到 的。
关键词： 工业以太网； 控制系统； 网络架构； 应用层协议 通信；
中图分类号 二Ｐ ９ ． Ｔ ３３１ １ 文献标识码 ： Ａ
Ａ ｓ ａｔ Ｔｅ ｔ ｄ ｄｓ ｎ ｇ ｉ ｕ ｒｌ ｅ ｅ ｂｓ ｐ ｃ ｓ ｔｌ ｔ ａｄ ｌａｏ ｌ ｅ ｐ ｔ ａ ｉ ｉｔｏ ｕ ｅ ． ｂｔ ｃ ｈ ｍ ｈ ｏ ｅ ｇｉ ａ ｎ ｓｉ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｅ ｃ ｒ ｓ ｅ ｎ ａｐｃｔｎ ｒ ｏ ｌ ｎｒｄ ｃ ｄ ｒ ： ｅ ｏ ｆ ｉ ｎ ｎ ｔａ ｔ ｎ ａ ｄ ｓ ｏ ｏ ｙ ｍ ｐ ｉ ｉ ａ ｒ ｃ ｓ ｄ ｈ ｏ ｎ ｓ ｙ ｏ ｃ ｅ ｏ Ｔｅ ｗｒ ａ ｈｅ ｕ ｏ ｃ ｔｌ ｅ ｃｎ ｓ ｏ ｔｏ ｅ ； ｈｒ ａ ａ ｈｅｈｒ ｏ ｅ ｅ ｅ ｎｄ ｉｂ ｅ ｏ ＡＲＭ７ ｒ ｈ ｎｔ ｋ ｉｃ ｒ ｆ ｒ ｓ ｔ ｏｓｔ ｆ ｌ ｒ Ｔｅ ｄ ｒ ｒ ｉｃｕ ｆ ｒ ｔ ｅ ａ ｄ ｅ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｏ ｏ ｙ ｍ ｉｓ ｗ ａ ｓ ｈ ａ ｗ ｅ ｔ ｅ ｔ ｎ ｏ ｓ ｃ ｎ ｓ ｙ ｃ ｈ ｓ ｎ ｐ ｃｓ ｒＴｅ ｔ ｒ ａ ｈｅ ｕ ｉｂｓ ｏ ｕｌｕ ｅ ｂｄｅ Ｏ ； ａｐｃ ｉ ｌ ｅ ｐ ｔ ａ ｉ ｃｓｍ ｄ ｉ ｒ ｌｅ ｒ ｅ ｏ ｈ ｓ ｗ ｅ ｉｃ ｒ ｓ ｅ ｎ ｉ ｘ ｅｄｄ Ｔｅ ｌａｏ ａ ｒ ｏ ｌ ｕ ｏｅ ａｄ ｅ ｉ ｄ场 ｏ ｓ ； ｏ ａ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ Ｃ ｎ ｍ ｆ ｃ Ｓ ｈ ｐ ｉ ｔｎ ｙ ｒ ｃ ｓ ｔ ｏ ｎ ｓ ａｚ Ｃ ｇａ ． ｉ ｂｅ ｔｔ ｆ ａ ｌ ｔ ｗｏ ｓ ｔ ｉｒｉ ｌ ｌ ｕｇ Ｈｖ ｇ ｎ ｅ ｏ ｗｉ， ｈｌ ｙ ｅ ｓ ａ ｅ ａ ｎ ｅ ａ ｎ ｅ ｅ ｄ ｓ ｒ ｈｅ ｈ ｅ ｅ ｍ ｅ ｂ ． ｓ ｌ
商业以太网的技术难以满足其需要。这就需要在原有 基础上再建立一套行之有效的应用层协议来满足特 定的工业环境。国际上现已有多种工业以太网应用层 协议， Ｅｈｒ ｔＰＭ ｄｕ－Ｄ ， ｎｔ 如 ｔ ｎ ／ ， ｂｓＩＡ ｏ ｅ等。我国的 ｅ ｅＩ ｏ Ｐｆ ｒｉ
、
、
节点
节点
节点
现场 设备
现场 设备
化工作并将系统控制权交给操作系统。Ｃｉ ｘ ｕｌｕ 为嵌人 ｎ 式操作系统 ， 小巧且继承了Ｌ ｕ 系统优秀的特性， ｉｘ ｎ 由 于它自 带网络功能， 所以应用程序可以方便地在此基
础上开发 出网络应用。
应用程序
以太网节点是本协议中类 Ｉ Ｄ与对象 Ｉ Ｄ的载体。 每台节点在使用前都要对它的参数进行设置， 包括它 的类 Ｉ 、 Ｉ Ｄ 对象 Ｄ以及其关联节点等。这个工作由 Ｐ Ｃ 上的配置软件来完成， Ｐ 与节点用串口 将 Ｃ 相连， Ｐ Ｃ 上的配置软件通过相应的协议对节点进行设置。 ３ ．握手 ．５ ２ 设备在进行通信前先确认一下连接是否正常， 此 过程为握手。在本系统中握手分两阶段进行。 首先， 上位机则处于等待状态中， 以太网节点上 电经过一个随机时间后主动发送握手信息给上位机。 当上位机收到握手信号后立即回复信息。握手时节点 需将其类 Ｉ、 Ｉ Ｄ 对象 Ｄ以及 Ｉ 地址发给监控站 ， Ｐ 监控 站将节点的信息存人数据库， 以备查询。 节点与监控站握手成功后再通过串口与现场设 备进行握手。 只有两阶段握手都成功后， 节点才能进人下阶段
２ 控制 系统架构
２ 控制系统网络架构 ． １ 控制系统网络架构如图 １ 所示。控制层设备通过 以太网相互通信， 设备层设备通过串口 相互通信。监 控站可为 Ｐ ， Ｃ现场设备可为阀门、 传感器等。
监控站
尹 、
台， 建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系
统。 现在以太网正悄悄地进人了控制领域。近来以太
３． ．４参数设置 ２
ＳＣ ４ ３４ Ｂ Ｘ Ｏ
ＳＴ ９ Ｓ ３Ｖ Ｆ６ ０ １
ＨＹ５ Ｖ６ ７ ４６０ ２ １
图 ２以太网节点硬件结构图
以太网节点的软件结构如图 ３ 所示。最底层的
Ｂｏｏ ｅ为汇编与Ｃ ｏｌｄ ｔａ ｒ 混编的程序， 完成系统的初始
１ 引言
近年来， 随着计算机、 、 通信 网络等信息技术的发 展， 信息交换的领域已经覆盖了工厂、 企业乃至世界 各地的市场。因此， 需要建立包括从工业现场设备层
到控制层 、管理层等各个层次 的综合 自动化 网络平
架构、 且应用简单、 要求成本低， 可以考虑为其设计一
套简洁高效 、 且成本低廉的方案。下面就为大家介绍 笔者 自行设计 的工业 以太 网控制系统及其应用层协 议。
误。
节点一＞ Ｃ 一般回复命令， １ ０ Ｐ： 命令 ３ ０
现场设备＜ － 以太网节点： －一＞ 设备层应答帧， 命
令 １０ ３ ４
Ｐ －＞ Ｃ －节点： 配置命令， Ｏ。 命令 １
４总结
经过一段时间的现场运行调试 ，该系统运行稳 定。即使系统在通信繁忙的情况下亦能稳定可靠的工 作。当通信因发生数据丢失而中断时， 系统可迅速恢 复工作。这说明工业以太网的架构以及以太网节点的 软硬件结构是合理有效的。另一方面， 该系统的应用 层协议也表现出了稳定高效的性能，不仅简单实用，
网更是走向前台， 发展迅速。以太网已经成为目 前市 场上最受欢迎的通信网络之一， 它在工业控制领域管 理层和控制层等中上层网络通信中得到了广泛应用， 并有直接 向下延伸应用于工业现场设备间通信的趋
势。
监控站
监控站
、
矛
、wenku.baidu.com
传统以太网是建立在 ＩＥ ８２ 及 Ｔ Ｐ Ｐ Ｅ Ｅ０． ３ Ｃ／ 基础 Ｉ 上的。但由于工业应用的特殊性， 工业以太网对实时 性、 抗干扰性以及环境等因素具有很高的要求 ， 原有
设置参数时将节点与 Ｐ 相连， Ｃ 通过配置软件对 节点进行设置。它们在通信前先要进行握手， 然后再
进行配置信息的传输。具体协议如下 ： Ｐ －＞ 握手命令， ０ｏ Ｃ －节点： 命令 ０
３ ．设备层可靠性保障机制 ．６ ３ 设备层中的信息通过串口传送， 串口两端的设备 在向对方发送信息后 ， 都会等待对方的应答帧， 只有 在收到应答帧后通信才算成功。当经过一段时间仍未 收到应答帧时， 发送方须重新发送信息给对方。当节 点察觉重发多次后仍无回音时， 则会向监控站报告错
比海 学朱雍杰 王 成 杨新志 大）
Ｚ ｕ ｏｇｅ ｎ ，ｈｎ ｇＸ ｚｉ Ｙ ｎｊ ＷａｇＣ ｅ Ｙ ｎ ，ｉ ｈ ｈ， ｉ ａ ｎ
摘要 ： 介绍 了一种运用工业以太网技术的过程控制 系统及其网络应用层协议的设计思想。 控制 系统的网络架构分为两层 ； 以 大网节点的硬件基于Ａ Ｍ Ｒ ７内核的处理器；软件基于 ｕｌｕ 嵌入式操作系统；网络的应用层协议 自行定义，由Ｃ语言实 ｃ ｎｘ ｉ
ＳＣ４Ｏ ３４ＢＸ处理器，Ｔ８１Ａ 负责以太网 Ｒ Ｌ０９Ｓ 通信功能。
２ ． ３以太网节点的软件结构
控制 系统
ＭＡＸ ２ ２ ３ Ｒ Ｌ ０１ Ｔ ８ ９ ＡＳ
我们可以设置一个以太网节点的关联节点， 最多 十个。关联节点可理解为能同该节点协同工作的节 点。当该节点产生某种行为如发生故障时， 该节点能 及时通知关联节点使之采取相应的措施， 从而使系统 能更好的工作。
注： 系统默认上层主监控站的类 Ｉ Ｄ与对象 Ｉ Ｄ为 （，） ００。系统广播的类Ｉ Ｄ与对象 Ｉ ２５２５０ Ｄ为（５， ） ５
３ ．关联节点 ．３ ２
７ 为帧头； 若该帧为设备层信息帧， Ｆ 则不包含类 Ｉ Ｄ与对象Ｉ； Ｄ 长度为所包含的命令长度； 校验为除校
验字节之外所有字节的异或结果。
Ｋ ｙ ｒｓ Ｉｄ ｓ ｉｌ ｅ ｅ；ｏ ｔ ｌ ｔ Ｎ ｔｏｋ ｃｉ ｃｕｅＣ ｍｍｕ ｉ ｔ ｎ， ｐ ｃｔ ｎ ｙｒ ｔ ａ ｅ ｗ ｄ： ｕｔ ａ Ｅｈｒ ｔ ｎｒ Ｓ ｓ ｍ； ｗ ｒ Ａ ｈｔ ｈ ｒ；ｏ ｏ ｎ ｒ ｔ ｎ Ｃ ｏ ｙｅ ｅ ｒ ｅ ｎｃｉ ；Ａ ｌａｉ Ｌ ｅ Ｐ ｏｏ ｌ ａｏ ｐｉ ｏ ａ ｒ ｃ
工作。
ｕ ｌｕ 内核 Ｃｉ ｘ ｎ
Ｂｏ ｔ ａ ｅ ｏｌ ｄ ｒ ｏ
３ ．信息帧格式 ．６ ２ 本协议中信息帧主要分为两种 ：数据帧与命令
帧。
图３以太网节点软件结构图
３ 应用层协议的设计
３１ ． 概述 此协议 为用 于工业 以太 网控制系统 的应用层协
控制 系 统
文章编号： ０－５０ ０６ ５１０７－３ １ ８０７（ ０） －－０４０ ０ ２ ０
中文核心期刊 《 微计算机信息）测控自动化） ０ 年第 ２ 卷第 ５ 期 （ ２６ ０ ２ － ，
基于工业以太网的控制系统及其应用层协议的设计
Ｄ ｓ ｎ Ｃ ｎｒｌ ｔｍ ｄ ｐｉ ｔ ｎ ｙ ｒ ｔｃｌ ｅ ｏ Ｉｄ ｓｒ ｌ ｅｎ ｔ ｅｉ ｏ ｏ ｔ Ｓ ｓｅ ａ Ａ ｌａｉ Ｌ ｅ Ｐｏｏ ａ Ｂ ｓ ｄ ｎ ｕ ｔａ Ｅｈ ｒｅ ｇ ｆ ｏ ｙ ｎ ｐ ｃ ｏ ａ ｒ ａ ｎ ｉ ｔ
数据帧为一般的ｖ ０信息， 而命令帧则包含控制、 查询及设置等命令。
在本协议中控制层与设备层的信息帧格式略有 不同。节点与监控站之间传输的为控制层信息帧， 它 们可由节点转换成设备层信息帧。节点与现场设备间
议， 基于Ｔ ＰＰ Ｃ／ 协议之上。工业以太网节点作为该协 Ｉ
议解析器。现场设备可通过连接以太网节点具有网络 通信功能。现场设备、 节点和上层监控系统进行通信
朱雍杰： 士研 究生 硕
７ ４一３ ０ ／ 邮局仃阅号 ：２９ ６ ６元 年 ８ －４
图１ 控制系统结构图
２ ． ２以太网节点的硬件结构 以太网节点可使现场设备能与监控站相互通信 ， 它可对应用层协议进行解析。其硬件结构如图 ２ 所 示 。 ＣＵ 为 三 星 公 司 基 于 Ａ Ｍ Ｔ Ｍ Ｐ Ｒ ７Ｄ Ｉ内 核 的
别与控制， 并且各个现场设备间也能进行互相通信。
在本协议 中用类 Ｉ Ｄ来对各种现场设备进行识
别， 范围为１２４ 它的 －５，
３． ．２对象 ２ 在一个控制系统中， 一类设备可能不止一台， 我 们用对象来定义一类设备中的每个实例。它的范围为
１２ ４ －５ ０
７ 若该帧为设备层信息帧， Ｅ为帧头； 则不包含类 Ｉ Ｄ与对象Ｉ； Ｄ 长度为所包含的数据长度； 校验为除校 验字节之外所有字节的异或结果。 ３ ．命令帧 ．２ ３
３ ．参数设置信息帧 ．３ ３
心 。。 邮 、 号８９ ３ 元 年一 － 。 局 阅 ：－６ ／ ７ ２４ ６ ０ ５ ， 抽‘护
控 制 系统
中文核心期刊 《 微计算机信息）测控自动化） ０ 年第 ２ 卷第 ５ 期 （ ２６ ０ ２ － １
每台以太网节点在投人工作前都要进行参数设 置， 该工作按照特定的协议进行。
现场 设备
标准 Ｅ Ａ受国家“６” Ｐ ８３计划支持， 已由多家权威部门
共同制订而成。 诚然上述多种标准技术成熟 、且都有大公 司背 景， 但其技术相对较复杂、 有一定门槛 、 且配套设备成 本较高， 这就对实际应用与维护有较高要求 ， 所以适 用于大型系统 。而有些控制系统并不需要复杂的网络