第三章以太控制网络系统

现场总线与嵌入式网络系统胡景春

第三章 以太控制网络系统3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 控制网络系统的设计 控制网络系统的构建 以太控制网络的软件 Internet嵌入式控制网络 以太控制网络的应用

3.1 控制网络系统的设计 控制网络系统的设计包括： 分析设计目标并确定主要性能指标； 确定组网方式； 网络拓扑结构设计； 网络与通信协议的却确定； 网络设备与网络硬件、软件的选择与配置。

3.2 控制网络系统的构建 控制网络系统的构建一般分为五个阶段： 系统分析、总体规划与设计、详细设计、 工程实施、运行维护。 系统分析 总体规划与设计 详细设计 工程实施 运行维护

3.3 以太控制网络系统的组成采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议 (CSMA / CD ) , 以太网被认为是一种非确定性的网 络系统. 对于响应时间要求严格的控制过程会存在产 生冲突的可能性, 造成响应时间不确定, 使信息不能 够按要求正常传递。当以太网发展到今天的交换式 以太网时, 这些问题已得到解决： (1) 采用交换机, 接入网络的节点各自独占一条线路, 避 免了冲突。 (2) 采用高速背板交换或微处理器交换, 响应时间是确 定的. 据ARC 公司的分析, 126 个节点的100M 交换式以太 网的响应时间是2~ 3m s, 几乎可以满足各种控制系统的 要求。 (3) 现代以太网采用非屏蔽双绞线, 它的抗干扰能力与 4~ 20mA 模拟传输线路相当, 如果需要更强的抗干扰能力 可以采用屏蔽双绞线或光纤通讯。

与其它控制网络相比以太网的优势主要体现在以 下几个方面： (1) 以太网可以满足控制系统各个层次的要求, 使企 业信息网络与控制网络得以统一. (2) 设备成本下降. 以太网网卡的价格为500 元, 而 现场总线卡则在9000~ 17000 元之间. 因为安装量的缘 故, 今后现场总线的成本也远远无法与以太网相比. (3) 用户使用成本下降. 几乎每家企业都有具备以太 网网维护能力的人员, 无需再专门学习一种控制网络. (4) 以太网易于与Internet 集成. 在与现场总线的对比测试中以太网显示出的明显优 势, 使其能够完全胜任控制环境中对实时性、可靠性、抗 干扰性的严格要求, 以太网已被证明是未来控制网络的最 佳解决方案。

以太控制网络系统的组成如图3-1。

图3-1 以太控制网络系统组成

以太控制网络系统以交换式集线器或网络交换机为中心，采 用星型结构，包括数据库服务器、文件服务器，控制网络操作 系统等，一般通过100Mbps 端口连到服务器，以满足控制设备、 工作站实时访问服务器的带宽要求。监控工作站用于监视控制 网络工作状态。 若要求监控工作站具有多媒体功能，可接入25Mbps端口。 控制设备可以

是一般的工业控制计算机系统、现场总线控制网 络、PLC、嵌入式控制系统等。一般的工业控制计算机系统通 过以太网卡接入网络交换机或交换式集线器，现场总线控制网 络通过网关与以太控制网络互联，PLC 有带以太网卡和不带以 太网卡的PLC两种情况，带以太网卡的PLC可通过以太网卡接 入网络交换机或交换式集线器，不带以太网卡的PLC通过 485/232转换及工业控制计算机接入网络交换机或交换式集线器， 嵌入式控制系统可通过嵌入式控制器自带的以太网卡接入网络 交换机或交换式集线器。控制设备可以接入网络交换机，也可 通过交换式集线器接入。高速控制设备可通过25Mbps端口接入， 一般控制设备，数量较多可接入10Mbps交换式集线器端口。当 控制网络规模较大时，可采用分段结构，连成更大的网络，每 一个交换式集线器及控制设备构成相对独立的控制子网。若干 个控制子网互联组成规模较大的控制网络。

3.4 以太控制网络的软件以太控制网络底层协议为IEEE802.3,基本通信 协议采用TCP/IP,高级应用协议为CORBA或DCOM, 网络操作系统为WINDOWS、LINUX或Unix。 3.4.1 以太控制网络操作系统 实时控制网络软件是集实时控制、数据处理、信 息传输、信息共享、网络管理于一体的、庞大的、复 杂的软件工程，最突出的特点是它的实时性。针对实 时性的要求，实时应用程序通常由若干个分系统和若 干个进程组成，这些进程必须严格地协调工作，这就 要求有高性能、实时的控制网络操作系统的支持。实 时控制网络操作系统必须提供固定优先级调度策略、 文件同步、抢占式内核、异步输入输出、存储保护等 实时特性，以满足实时应用的要求。

1.RT-Linux网络操作系统 1991年，芬兰赫尔辛基大学的Linus Torvalds开始开发Linux。经 过几年的努力，Linux 成为了正式的操作系统。Linux操作系统与其 它操作系统显著不同的一点就在于Linux的网络功能是操作系统本身 固有的，Linux从其初期的发布版本开始就包含了相对完整的网络功 能，也就是说该系统中网络与操作系统的结合更为紧密。近几年， Linux操作系统取得突飞猛进的发展。 Linux网络操作系统的特点： 借助共享软件的发展策略，全新的软件开发模式。Linux是由分布 在全世界的数以万计的程序员设计和实现的，而不是由一个团队开发 的。 Linux工作相对稳定，而且对系统的配置要求较低。 Linux 操作系统是自由软件，自由意味着可以自由得到或自由再 开发发行，也就是说没有任何条款能限制它，或者说如果想得到原代 码，就能毫不费力地得到。用户可以修改它，或用其部分代码，改正 这些代码等。

用户可以在自由软件上做任何想做的工作。 Linux操作系统支持TCP/IP协议，为Linux操作系统在以太控制网 络的应用创造了有利的条件。 修改Linux操作系统的核心，构成.RT-Linux,可使其具有实时操 作系统的功能。 在网络版Linux操作系统的基础上，可以构建RT-Linux。RTLinux完全支持以太控制网络系统，是一个资源开销小、功能强的网 络操作系统。

2. Windows NT网络操作系统 在研究以太控制网络系统中，Windows NT网络操作系统备受工业控 制界的重视。 (1)Windows NT网络操作系统技术优势 系统的可靠性高，安全性好，且支持多种硬件平台。 支持多种通信协议：支持NetBEUI协议、NW link协议、及TCP/IP协 议。提供安全、可靠、简单的TCP/IP网络配置。 支持客户- 服务器机制：Windows NT网络操作系统全面支持客户- 服 务器机制，提供强大的服务器功能，管理各类资源。 支持多种网络服务：利用Windows NT网络操作系统可以访问网络上 的共享资源。 Windows NT的内核通过处理中断、异常、调度线程来管理进程，同 时采用了先进的多任务技术。 Windows NT采用面向对象的编程方式，具有丰富成熟的开发工具和 知识库，广泛支持第三方软件。 这些技术优势使得控制界在以太控制网络系统中可能利用Windows NT网络操作系统。当以太控制网络系统中接入的控制器要求强实时操作 系统支持时，最近微软推出的Windows NT Embedded 4.0,完全集成 Windows NT技术，可供应用参考。Windows NT Embedded 4.0丰富的功 能都是建立Windows NT技术基础上

(2)Windows NT Embedded 4.0的功能特点 ·图形用户界面。Windows NT Embedded 4.0可提供Windows NT图形用户界面功能的全集且支持高分辨率的显示设备。 ·支持网络功能。Windows NT Embedded 4.0支持,TCP/IP协 议、安全套接层(secure sockts layer,SSL)、点对点协议 (point to point protocol,PPP), 支持更高级的网络服务， 如 远程登陆、DCOM、简单网络管理协议(simple networks management protocol,SNMP),也支持多种网络结构，如以太 网、令牌网等。 · 系统服务。实时操作系统能为高端应用提供系统服务。如多级 安全机制、远程管理、日志和NTFS文件系统等。
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