碩士學(xué)位論文-基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究.pdf

東北大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 姓名：邢誠(chéng) 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置 指導(dǎo)教師：王玉濤 20060201 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 摘要 以太網(wǎng)技術(shù)具有開放性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶寬易于擴(kuò)展、兼容性能好和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)， 近幾年來在工控領(lǐng)域有了許多成功應(yīng)用的例子。將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非常有價(jià)值的研究課題。本文針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的硬件與軟件等關(guān) 鍵技術(shù)做了比較全面深入的研究，并成功地將工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用在高爐煤粉噴吹 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中。主要完成了以下工作： ( 1 ) 本文對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)做了深入的研究，闡述了工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的幾 個(gè)關(guān)鍵問題，并對(duì)它的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景做了較為全面的總結(jié)。 ( 2 ) 開發(fā)了以c y g n a lc 8 0 5 1f 0 2 1 微控制器和r t l 8 0 1 9 a s 網(wǎng)卡控制芯片為核心的 單片機(jī)+ 網(wǎng)卡接口芯片的以太網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)。并根據(jù)網(wǎng)卡芯片資料開發(fā)了相關(guān)的網(wǎng)卡芯片 驅(qū)動(dòng)軟件。 ( 3 ) 深入的研究了工業(yè)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，并根據(jù)本文的傳輸要求編寫嵌入式t c p i p 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了通過以太網(wǎng)同時(shí)傳送支管數(shù)據(jù)的目的；并且編寫了w e bs e r v e r 功能， 實(shí)現(xiàn)利用i e 瀏覽器傳遞數(shù)據(jù)的目的。 ( 4 ) 編寫了煤粉噴歐系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，該軟件可以顯示系統(tǒng)上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如 兩支管的溫度、濃度、速度，還可以顯示系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、溫度濃度變化曲線等狀態(tài)信息， 而且根據(jù)專家系統(tǒng)中的故障診斷原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用以太網(wǎng)通信的煤粉噴吹系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)，即同時(shí)獲 得各個(gè)支管的狀態(tài)信息，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)利用i e 瀏覽器傳遞數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)視、控 制、診斷的功能。研究成果對(duì)今后的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有一定的參考 價(jià)值。 關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；煤粉噴吹；t c p f l p 協(xié)議；故障診斷 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文a b s t r a c t r e s e a r c ho np u l v e r i z e dc o a l i n j e c t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mo f b l a s tf u r n a c eb a s e do n i n d u s t r i a le t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t e t h e m e tt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so f o p e n i n g ，s i m p l es t r u c t u r c ，l o wc o s t ，b a n d w i d t h e x t e n d e de a s i l y , g o o dc o m p a t i b i l i t ya n dc o s tc h e a p l y i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r el o t so f s u c c e s s f u la p p l i e de x a m p l e si ni n d u s t r i a lc o n t r o lr e a l m i t sav a l u a b l et a s kt oa p p l yi n d u s t r i a l e t h e r n e tt e c h n o l o g yi nc o a lp o w d e ri n j e c t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nw a sa i m e d a tt h et h o r o u g hr e s e a r c ho ft h ek e yt e c h n i q u e si ni n d u s t r i a le t h e m e tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， s u c ha sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee t c ，a n di n d u s t r i a le t h e r n e tc o m m u n i t c a t i o nt e c h n i q u ei s a p p l i e di n t h e p u l v e r i z e d c o a l i n j e c t i n gm o n i t o r i n gs y s t e mo fb l a s t 缸t l a c es y s t e m s u c c e s s f u l l y t h em a i nc o n t r i b u t i o na n dr e s u l t sa ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n d u s t r i a le t h e m e tt e c h n o l o g yi sa n a l y z e di nd e t a i l s e v e r a lk e yc o m m u n i c a t i o n p r o b l e mo fi n d u s t r i a le t h e r n e ti se x p a t i a t e d ；t h eu n i q u ea d v a n t a g ea n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n p r o s p e c to f i n d u s t r i a le t h e r n e ta r ed i s c u s s e d ( 2 ) t h ei n d u s t r ye t h e m e tc o n t r o lg a t e w a yi sd e v e l o p e d , w h i c ht h ec o r ei st h ec y g n a l c 8 0 5 1f 0 2 1m i c r o p r o c e s s o ra n dt h er t l 8 0 1 9 a sn e t w o r kc a r dc o n t r o lc h i p m o r e o v e r , t h e n e t w o r kc a r dd r i v es o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nt h ei n f o r m a t i o no f n e t w o r kc a r dc h i p ( 3 ) t h et r a n s p o r tp r o t o c o l so fi n d u s t r i a le t h e r n e ta r er e s e a r c h e dd e e p l y ，a n dt h ee m b e d d e d t c p i pp r o t o c o l sa r ec o m p i l e da c c o r d i n gt ot h et r a n s p o r tr e q u i r e m e n t a c h i e v i n gt h e p u r p o s eo fd i f f e r e n tp i p e sc a ns e n dt h ed a t ao fa to n et i m e ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ns p e e di s i m p r o v e d t h i sd i s s e r t a t i o na c h i e v e dt h ew e bs e r v e rf u n c t i o n ，s ot h es t a t ed a t ac a nb e t r a n s f e r r e du s i n gi eb r o w s e r ( 4 ) t h es o f t w a r eo fp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo fb l a s tf u r n a c ei s d e v e l o p e d t h es o f t w a r ec a nd i s p l a yp i p e ss t a t u sd a t ai n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o n ， v e l o c i t y , f u r t h e rm o r et h ef a u l ti n f o r m a t i o nc a nb ed i a g n o s e db yt h es o t t w a r e t h ed a t ac a nb et r a n s p o r t e dr e a lt i m eu s i n ge t h e m e tc o m m u n i c a t i o n , s op u l v e r i z e dc o a l i n j e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo fb l a s tf u r n a c ec a ng a i ns t a t ei n f o r m a t i o no fe v e r yp i p ea tt h e s a m et i m e m o r e o v e r , t h ed a t ac a nb ed e l i v e r e db ym a k eu s eo ft h eb r o w s e ro fi e ，w h i c h c o m p l e t i n gt h el o n gd i s t a n c em o n i t o r i n g t h er e s e a r c hr e s u l th a ss o m ev a l u ei nd e s i g n i n gt h e i n d u s t r i a le t h e m e ts p o te q u i p m e n tf o rt h ef u t u r e 一i i i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e t ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；p c i ；t c p i pp r o t o c o l ；f a u l td i a g n o s i s i v 獨(dú)創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加 以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為 獲得其他學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論 文中作了明確的說明并表示誠(chéng)摯的謝意。 學(xué)位論文作者簽名：矛p 誡 簽字日期：弘加，2 、2 ，多 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即 學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文藏查閱和借 閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)彳亍檢索、交 流。 ( 如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流，請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?；否則視為不同意) 學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名 簽字日期；簽字日期： 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 第一章緒論弟一早硒下匕 1 1 工業(yè)以太網(wǎng)概述 近年來，隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)上用于辦公室和商業(yè)領(lǐng) 域的以太網(wǎng)卻悄悄地進(jìn)入了控制領(lǐng)域h 1 【5 】。不但在工業(yè)控制領(lǐng)域管理層和控制層等中上 層網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛應(yīng)用，并有直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的趨勢(shì)， 成為近年來工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中新的研究熱點(diǎn)朗【8 1 。以太網(wǎng)與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線的性能比較如表 1 1 所示。從表中可以得出與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)【”1 ： ( 1 ) 能夠建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)過程控制層 p c s ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) 、制造執(zhí)行層m e s ( m a n u f a c w r i n ge x e c u t i o n s y s t e m ) 和企業(yè)資源規(guī)劃層e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n 曲的真正融 合。 ( 2 ) 成本低廉。硬件產(chǎn)品種類齊全、價(jià)格低廉，目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有p r o f i b u s 、 f f 等現(xiàn)場(chǎng)總線的十分之一，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步 下降。 ( 3 ) 通信速率高。目前廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)的通信速率為1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、 1 0 0 0 m b p s ，1 0 g b p s 以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，其速率比目前的現(xiàn)場(chǎng)總線快得多。 ( 4 ) 軟硬件資源豐富。 ( 5 ) 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆?目前，以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備問通信的研究和產(chǎn)品開發(fā)處于初步階段，還沒有 個(gè)明確統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)的定義和標(biāo)準(zhǔn)，一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)是指用于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng) 的以太網(wǎng)技術(shù)和以太網(wǎng)設(shè)備。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)o e e e s 0 2 _ 3 標(biāo)準(zhǔn)) 兼容， 但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 表1 1 以太網(wǎng)與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線的性能比較腳 t a b l e l 1t h ec a p a b i l i t yc o m p a r eb e t w e e ne t h e m e ta n dt r a d i t i o nl o c a l eb u s 項(xiàng)目以太網(wǎng) 傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線 確定性穩(wěn)定是 實(shí)時(shí)性 響應(yīng)時(shí)間小于等于4 m s小于等于5 m s 報(bào)文大小所有規(guī)格有限 向上兼容性高低 開放性高低 互操作性高低 可移植性 標(biāo)準(zhǔn) i e e e 8 0 2 3e n 5 0 1 7 0 f i e l d b u sf o u n d 網(wǎng)絡(luò)安全性高( 但面臨更多問題) 高 上層協(xié)議t c p i p專有協(xié)議 管理信息層適用不適用 控制層次 控制層 適用適用 設(shè)備層適用適用 二進(jìn)制傳感器網(wǎng)關(guān)連接 適用 傳輸介質(zhì)光纖、同軸電纜、雙絞線、無線銅線、光纖 連接設(shè)備控制器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程i o 控制器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程i o 物理連接最多節(jié)點(diǎn)數(shù)6 4 0 0 0較少 接點(diǎn)間距離 最大4 0 k i n 最大2 0 k m 遠(yuǎn)距離中繼器支持支持 即插即用支持 不支持 網(wǎng)絡(luò)管理 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線、星型總線、星型、環(huán)形 h t t p 懈偈n ) 1 7支持不支持 s n h 4 p支持不支持 性能速率 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 0 1 2m b p s 升級(jí)性能高 中 1 1 1 標(biāo)準(zhǔn)化情況 對(duì)應(yīng)于i s o o s i 七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈 路層；而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以t c p i p 協(xié)議為主( 已成為以太網(wǎng)之 一2 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 上傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層“事實(shí)上的”標(biāo)準(zhǔn)) ，而對(duì)較高的層次如會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層等 沒有作技術(shù)規(guī)定，如圖1 1 所示。 恿豫璉 轂示屢 會(huì)話層 傳輸層 隅絡(luò)屢 數(shù)據(jù)漣路毖 物理屢 圖l ，1i s o o s i 七層通信模型和咀太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范映射圖 f i g 1 1i s o o s ls e v e nl a y e r se o m m u n i e a t i o nm o d e la n dm a p p i n gp i c t u r eo f e t h e r n e lt e c h n o l o g yc r i t e r i o n 為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，工業(yè)以太網(wǎng)必須在e t h e r n e t + t c p i p 協(xié)議之 上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實(shí)時(shí)通信服務(wù)機(jī)制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的 應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進(jìn)而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。為此，各現(xiàn)場(chǎng)總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入 其現(xiàn)場(chǎng)總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和t c p i p 技術(shù)，以及原有的低速現(xiàn)場(chǎng)總線 應(yīng)用層協(xié)議，從而構(gòu)成了所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。典型的有現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ) 的h s z ( h i g hs p e e de t h e m e t ) ，p r o f i b u s 國(guó)際( p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ) 的p r o f i l m i e r ， c o n t r o l n e t 國(guó)際( c o n t r o l n e t i n t e m a t i o n a l ，c o 和開放設(shè)備網(wǎng)制造商協(xié)會(huì)( o p e nd e v i c e n e t v e n d o r a s s o e i a t i o n ) 的e t h e r n e t i p , m o d b u s 用戶集團(tuán)的m o d b u s t c p , 以及中國(guó)的 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 等等 2 1 1 2 3 1 。 1 1 2 發(fā)展應(yīng)用情況 國(guó)外對(duì)以太網(wǎng)在控制中的應(yīng)用較早是用于電力系統(tǒng)的監(jiān)控嘲【9 1 。美國(guó)電力研究院 ( e p r i ) 和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)( c i g r e ) 的第3 5 工作組通過研究都證明：當(dāng)使用交換式集 線器時(shí)，1 0 m b p s 以太網(wǎng)完全可以滿足實(shí)時(shí)性要求。自上世紀(jì)八十年代開始，國(guó)外已經(jīng) 推出不少使用以太網(wǎng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，如美國(guó)g e - h a r r i s 公司的p o w e r c o m m 系 統(tǒng)、美國(guó)g e 公司的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、日本東芝公司的高壓變電站分布式測(cè)控系統(tǒng) 等。d e c 公司開發(fā)了一套以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)軟件產(chǎn)品d e c n e t ，可以將d e c 公司生產(chǎn)的各 種硬件、軟件和通信接口設(shè)備連接起來構(gòu)成各種類型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。幾個(gè)主要的現(xiàn)場(chǎng)總 線組織也在開發(fā)基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，一些公司開發(fā)了具有以太網(wǎng)接口的儀表、 嵌入式以太網(wǎng)控制器及工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等。目前，國(guó)際電工委員會(huì)i e c 正著手起草 實(shí)時(shí)以太( r e a l t i m ee t h e r n e t ，r 1 e ) 標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的全面 一1 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 應(yīng)用【1 8 1 ”。 八十年代后期，我國(guó)電力行業(yè)從國(guó)外引進(jìn)的控制系統(tǒng)中就采用了以太網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)行 證明穩(wěn)定可靠。這幾年，我國(guó)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢(shì)。浙 江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué) 院等單位，在國(guó)家“8 6 3 ”計(jì)劃的支持下，開展了e p a ( e 1 h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 技 術(shù)的研究，在實(shí)時(shí)通信、總線供電、遠(yuǎn)距離傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全、可靠性技術(shù)等領(lǐng)域取得了 一批研究成果。其中采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，咀及確定性 數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡(jiǎn)化通信棧軟件層次、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)段化等釗對(duì)工業(yè)過 程控制的通信實(shí)時(shí)| 生措施，解決了以太網(wǎng)通信的史時(shí)性：采用直流電源耦合、電源冗余 管理等技術(shù)，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的 供電問題。起草了e p a 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信為目標(biāo)，以工業(yè)控制工程師 ( 包括開發(fā)和應(yīng)用) 為使用對(duì)象，基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙技術(shù)+ t c p ，i p 協(xié)議， 起草了“用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的e p a 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)”( 草案) ，并通過 了由t c l 2 4 組織的技術(shù)評(píng)審。開發(fā)基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制設(shè)各及相關(guān)軟件原型樣 機(jī)，并在化工生產(chǎn)裝置上成功應(yīng)用，該系統(tǒng)白2 0 0 3 年4 月投入使用以來運(yùn)行一直非常 穩(wěn)定【1 5 】 1 2 工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的意義 目前，雖然與噴煤相關(guān)的各項(xiàng)工藝技術(shù)( 如富氧、高風(fēng)溫、精料) 比較成熟，并在 高爐冶煉中得到了廣泛地應(yīng)用。但是，高爐噴吹煤粉是一種氣力輸送過程，在流體力學(xué) 范圍內(nèi)屬于氣固兩相流流動(dòng)，由于流動(dòng)的非連續(xù)性，造成了瞬時(shí)流量的波動(dòng)。如果不能 可靠、在線、實(shí)時(shí)地對(duì)進(jìn)風(fēng)口前各噴管內(nèi)高壓氣流所攜帶煤粉噴吹狀態(tài)( 如溫度、濃度、 速度等) 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，整個(gè)噴吹系統(tǒng)難以維持在合理工況下運(yùn)行，煤粉在高爐內(nèi)合理燃燒 也就無法實(shí)現(xiàn)。這阻礙了高爐煤粉技術(shù)獲得晟大的經(jīng)濟(jì)效益i 4 0 。 以往的高爐煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通訊部分采用的都是現(xiàn)場(chǎng)總線r s 4 8 5 通訊協(xié) 議，對(duì)每一支管的狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用的是查詢方式，由于支管數(shù)量較多，巡檢一次的時(shí)間較 長(zhǎng)，不能在同一時(shí)刻獲得整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，系統(tǒng)存在時(shí)滯性，因此保證不了系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)性。 將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以提高原有系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，即應(yīng) 州以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各支路的檢測(cè)裝置同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。還可以實(shí)現(xiàn)利用i e 瀏覽器傳遞數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、診斷的功能，使企業(yè)更快地掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況， 對(duì)系統(tǒng)合理的正常的工作帶來很好的保障。 對(duì)系統(tǒng)合理的正常的工作帶來很好的保障。 4 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 3 本文完成的工作和意義 基于以太網(wǎng)( e t h e m e t ) 的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸率高、可靠性好、易維護(hù)、可遠(yuǎn) 程傳輸、互操作性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與推廣，以太網(wǎng)通信速率的提高、 交換技術(shù)的發(fā)展，使得它受到了全球的擁護(hù)和軟硬件支持，并得到了迅速發(fā)展和普及。 因此，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用 于煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非常有價(jià)值的研究課題。本文針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng) 的硬件與軟件等關(guān)鍵技術(shù)做了比較全面深入的研究，并成功地將工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng) 用在高爐煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中。主要完成了以下工作： ( 1 ) 對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)做了深入的研究，對(duì)它的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景做了較全 面的總結(jié)，尤其是著重對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)進(jìn)行的研究。 ( 2 ) 以c y g n a lc 8 0 5 1 f 0 2 1 微控制器和r t l 8 0 1 9 a s 網(wǎng)卡控制芯片為核心，組成 以單片機(jī)+ 網(wǎng)卡接口芯片的以太網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)。研究了網(wǎng)卡芯片資料，開發(fā)了相關(guān)的網(wǎng)卡 芯片驅(qū)動(dòng)軟件。 ( 3 ) 研究了工業(yè)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，并根據(jù)傳輸要求編寫嵌入式t c p i p 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí) 現(xiàn)了將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到負(fù)責(zé)監(jiān)控的上位機(jī)，上位機(jī)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相 應(yīng)運(yùn)算處理。編寫了煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)處理程序 和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊程序的開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)w e bs e r v e r 功能。實(shí)現(xiàn)利用i e 瀏覽器傳遞數(shù)據(jù)。 ( 4 ) 研究了專家系統(tǒng)中的故障診斷原理，設(shè)計(jì)了適用于煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故 障診斷軟件， 5 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題 第二章工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題 2 1 實(shí)時(shí)| 生問題 在商業(yè)應(yīng)用中，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是軟的，對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求較低，一般是2 6 s ： 只要大部分時(shí)間滿足要求就可以了，偶爾幾次不及時(shí)響應(yīng)是關(guān)系不大。而工業(yè)控制對(duì)通 信的實(shí)時(shí)性則要求更高，在理論上至少要滿足香農(nóng)定理，而過程控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是 硬的，因?yàn)樗Ｉ婕鞍踩?，必須在任何時(shí)間都及時(shí)響應(yīng)且不允許有任何不確定性。 在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的地域分散性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的信息交互通過網(wǎng)絡(luò) 以信息傳遞來實(shí)現(xiàn)。為了滿足監(jiān)控任務(wù)的要求，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的信息交互必須在一定的通 信延遲時(shí)間內(nèi)完成，即必須滿足實(shí)時(shí)性的要求【”。 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及推廣，以太網(wǎng)技術(shù)在近幾年也得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn) 了交換技術(shù)、全雙工通信、信息優(yōu)先級(jí)、流量控制等一些新技術(shù) 1 1 【1 2 1 。以太網(wǎng)的通信速 率也從1 0 m b p s 提高到1 g b p s ，甚至到目前的1 0 g b p s ，這些都為提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性提供 了新的途徑。 ( 1 ) 限制以太網(wǎng)通信負(fù)荷 通過降低通信負(fù)荷，可以使以太網(wǎng)上的沖突大大降低，從而有效地提高以太網(wǎng)的通 信實(shí)時(shí)性。實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于以太網(wǎng)來說，當(dāng)通信負(fù)荷在2 5 以下時(shí)，可保證通 信暢通；當(dāng)通信負(fù)荷在5 左右時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上碰撞的概率幾乎為零。通信負(fù)荷主要由節(jié)點(diǎn)數(shù) 目、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和發(fā)送頻率決定。在過程控制中，數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率一般是固定的，為o 5 - 2 s 。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送韻數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也很小，一般僅為幾位或幾個(gè)、十幾個(gè)、幾十個(gè)字節(jié)，而且突 發(fā)性的大量數(shù)據(jù)傳輸也很少發(fā)生，因此通信負(fù)荷的大小主要取決于節(jié)點(diǎn)數(shù)量。完全可以 通過限制每個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)信息流量。同時(shí)，使用u d p 通信協(xié)議，可以 充分保證報(bào)文傳輸?shù)挠行ж?fù)荷，避免不必要的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。 ( 2 ) 提高以太網(wǎng)速度 近年來，以太網(wǎng)的通信速率不斷提高，目前1 0 g b p s 以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)推出。高 速率意味著對(duì)于相同大小的數(shù)據(jù)，其傳輸時(shí)間大大縮短。同時(shí)，以太網(wǎng)通信延遲的大小 和沖突發(fā)生的次數(shù)密切相關(guān)，而且與時(shí)間槽的長(zhǎng)度有關(guān)。這使得以太網(wǎng)的通信延遲大大 縮短，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性。 ( 3 ) 采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信 在交換式以太網(wǎng)中，交換機(jī)將以太網(wǎng)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段，這樣就增加了每個(gè)網(wǎng)段的 吞吐量和帶寬。交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù) 一7 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題 據(jù)幀能夠得到緩沖，不再會(huì)發(fā)生碰撞；同時(shí)交換機(jī)還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的傳輸只 限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有 網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。 全雙工通信可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不僅增加了可利用的寬帶( 相對(duì)半雙工，帶 寬增加了一倍) ，而且使數(shù)據(jù)可以及時(shí)傳送，減小甚至消除沖突區(qū)域，使以太網(wǎng)具有有 限的通信延遲，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)睦。 ( 4 ) 采用信息優(yōu)先級(jí)和流量平衡 在工業(yè)控制中，將測(cè)量和控制信號(hào)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)地劃分，首先 保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)地傳送，然后在考慮其他相對(duì)次要數(shù)據(jù)地傳送。對(duì)于緊急事件信息， 可以分配最高地優(yōu)先權(quán)，使其不必進(jìn)行排隊(duì)，優(yōu)先完成傳輸。主要是通過在u d p 或t c p i p 和e t h e m e t 間加一個(gè)流量平衡器，作為它們之間的接口，在本地節(jié)點(diǎn)，它給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包 以優(yōu)先權(quán)來消除實(shí)時(shí)信息和非實(shí)時(shí)信息競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)平衡非實(shí)時(shí)信息，以減少和其它節(jié)點(diǎn) 實(shí)時(shí)信息間的沖突。 2 2 安全性問題 用于存在易燃、易爆與有毒氣體的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備以及通信設(shè)備，都必須采取 一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆技術(shù)包括兩類，即隔爆性 ( 如氣密、膠封等) 和本質(zhì)安全型。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能 量作為防爆手段，可以帶來以上技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、造 價(jià)低；可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換；安全可靠性高：適用范圍廣。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的 關(guān)鍵技術(shù)是低功耗技術(shù)和本質(zhì)安全防爆技術(shù)。 由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在6 0 7 0 m a ( 5 v 工作電壓) ， 因此低功耗的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備( 如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)，傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器 和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等) 設(shè)計(jì)較為難以實(shí)現(xiàn)。因此在目前的技術(shù)條件下，對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆 防爆的措旌比較可行。另一方面，對(duì)于沒有嚴(yán)格的本質(zhì)安全要求的非危險(xiǎn)場(chǎng)合，則可以 不考慮復(fù)雜的防爆措施。 采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將會(huì)面臨其它工控網(wǎng)絡(luò)所沒有的一類網(wǎng)絡(luò)安全問題。將工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)控制設(shè)備通過以太網(wǎng)連接起來時(shí)，由于可以和民用以太網(wǎng)進(jìn)行對(duì)等的連接，并且使用 了t c p i p 協(xié)議，因此可能會(huì)受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威 脅，并因此成為眾人關(guān)心的另一個(gè)重要問題。對(duì)此，一般可采用網(wǎng)絡(luò)隔離的辦法，將控 制區(qū)域內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分開。此外，還可一以通過用戶密碼、數(shù)據(jù)加 密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。 一8 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題 2 3 嵌入式設(shè)計(jì)問題 以單片機(jī)或微控制器( m c u ) 為核心，與一些監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的 功能，通稱嵌入式系統(tǒng)。這種將m c u 嵌入有關(guān)的設(shè)備中的技術(shù)己經(jīng)在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域 得到了應(yīng)用。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段。在一些工業(yè)和汽車應(yīng)用中， 為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)嵌入式系統(tǒng)之間的信息交流，利用c a n ，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等總線將嵌入 式系統(tǒng)組網(wǎng)，但這種網(wǎng)絡(luò)的有效半徑比較有限，有關(guān)的通信協(xié)議也比較少，并且一般是 孤立于i n t e m e t 以外的。 將嵌入式系統(tǒng)與i n t e m e t 結(jié)合起來的主要困難，在于將t c p i p 通信協(xié)議根據(jù)工業(yè)應(yīng) 用的特點(diǎn)，加以適當(dāng)?shù)倪x擇和剪裁并嵌入到工業(yè)系統(tǒng)大量應(yīng)用的以8 位和1 6 位m c u 為核心的智能節(jié)點(diǎn)( 測(cè)控單元、傳感器和執(zhí)行器等) 中，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的i n t e m e t 網(wǎng)絡(luò)化。 嵌入式系統(tǒng)的軟件可以采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或簡(jiǎn)單利用循環(huán)加中斷結(jié)構(gòu)。部分實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)內(nèi)部具有對(duì)t c p i p 協(xié)議的支持。有些公司提供了支持c 語(yǔ)言的t c p i p 協(xié)議的庫(kù) 函數(shù)，這些庫(kù)函數(shù)既可以運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下，也可以直接連接到用戶的軟件中。 2 4 遠(yuǎn)程傳輸和控制問題 由于通用以太網(wǎng)的傳輸速率比較高( 如1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s ，1 0 0 0 m b p s ) ，考慮到信號(hào)沿 總線傳播時(shí)的衰減與失真等因素，以太網(wǎng)協(xié)議( i e e e 8 0 2 3 協(xié)議) 對(duì)傳輸系統(tǒng)的要求作了 詳細(xì)的規(guī)定，如每一段雙絞線( 1 0 b a s e t ) 的長(zhǎng)度不得超過1 0 0 米；使用細(xì)同軸電纜 ( 1 0 b a s e 一2 ) 時(shí)每段的最大長(zhǎng)度為1 8 5 米；而使用粗同軸電纜( 1 0 b a s e 。5 ) 時(shí)每段的最大長(zhǎng) 度也僅為5 0 0 米，對(duì)于距離較長(zhǎng)的終端設(shè)備，可使用中繼器( 但不超過4 個(gè)) 或者光纖通 信介質(zhì)進(jìn)行連接。 然而，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于生產(chǎn)裝置一般都比較復(fù)雜，各種測(cè)量和控制儀表的空 間分布比較分散，彼此間的距離較遠(yuǎn)，有時(shí)設(shè)備與設(shè)備之間的距離長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里。對(duì)于這 種情況，如遵照傳輸?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)以太網(wǎng)絡(luò)，使用1 0 b a s e t 雙絞線就顯得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，雨 使用1 0 b a s e 2 或1 0 b a s e 一5 同軸電纜則不能進(jìn)行全雙工通信，而且布線成本也比較高。 同樣，如果在現(xiàn)場(chǎng)都采用光纖傳輸介質(zhì)，一是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的供電易解決，二是成本同樣也 非常高，不利于大范圍的應(yīng)用。 為此，在設(shè)計(jì)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將控制室與各個(gè)拉制域之間用光纖連 接成骨干網(wǎng)，這樣不僅可以解決骨干網(wǎng)的遠(yuǎn)距離通信問題，而且由于光纖具有較好的電 磁兼容性，因此可以大大提高骨干網(wǎng)的抗干擾能力和可靠性。通過光纖連接，骨干網(wǎng)具 9 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題 有較大的帶寬，為將來網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充、速度的提升留下了很大的空間。各控制域的主交換 機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間可采用屏蔽雙絞線，而各控制域交換機(jī)的安裝位置可選擇在靠近現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備的地方。 在有些情況下，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備離控制域交換機(jī)之間的距離確實(shí)較長(zhǎng)，直接從以太網(wǎng)的集 線器端口到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的距離可能超出了以太網(wǎng)規(guī)定的距離限制，即信號(hào)有可能衰減到不 能復(fù)原。為了實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離下端對(duì)端的可靠連接，必須保證：第一、接收到的信號(hào)必須 有足夠的強(qiáng)度，接收器中的電路能夠檢測(cè)并還原該信號(hào)。第二、信號(hào)電平必須比噪聲電 平高，保證接收到的數(shù)據(jù)才沒有錯(cuò)。第三、頻率越高衰減越嚴(yán)重。 基于以上考慮，從控制區(qū)域到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的遠(yuǎn)離傳輸采用降低信號(hào)傳輸速率的方 法，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠正常接收信號(hào)。降低速度帶來了兩個(gè)方面的益處：一方面可以減少 傳輸線路對(duì)信號(hào)的衰減，另一方面還能滿足本安型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的要求。根據(jù)雙絞線的傳輸 特性，傳輸速率越低，信號(hào)衰減越小，傳輸距離也就越長(zhǎng)。事實(shí)上，根據(jù)1 9 8 7 年制訂 的1 b a s e 5e t h e m e t 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 m b p s 時(shí)每段雙絞線( 1 類雙絞線) 的長(zhǎng)度可達(dá) 2 5 0 米。 但降速通信同時(shí)也帶來了兩個(gè)不利的方面：一方面是與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊的網(wǎng)絡(luò)性能變 差，另一方面由于降速后造成許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不兼容。然而，由于在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng) 儀表需要通信的信息量較小，因此網(wǎng)絡(luò)吞吐量較小。同時(shí)，采用全雙工通信和以太網(wǎng)交 換機(jī)后，由于每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獨(dú)享傳輸介質(zhì)的帶寬，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的帶寬仍然非常高，從網(wǎng) 絡(luò)到設(shè)備完全避免了c s m a c d 的約束，因此適當(dāng)范圍f 如現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端通信速率降到3 1 2 5 k b p s 時(shí)，單段網(wǎng)絡(luò)的通信距離可達(dá)1 9 0 0 m ) 內(nèi)的降速傳輸不會(huì)對(duì)系統(tǒng)通信響應(yīng)的實(shí)時(shí) 性產(chǎn)生任何影響。 除此之外，還可以通過進(jìn)一步改進(jìn)通信接口，增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)接收能力；采用自 適應(yīng)回波抵消技術(shù)，使端口發(fā)送出去的較強(qiáng)信號(hào)不致對(duì)接收到的較弱信號(hào)產(chǎn)生干擾，從 而使以太網(wǎng)信號(hào)的傳輸距離能夠更遠(yuǎn)。 一1 0 一 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章“ r , _ l k v ；z 太網(wǎng)通訊接口總體設(shè)計(jì) 第三章工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口總體設(shè)計(jì) 3 1 概述 近年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，以h a t e r n e t 和i n t r a n e t 為應(yīng)用背景的分布式計(jì) 算機(jī)技術(shù)也隨之受到重視并被日益完善。作為這些技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故 障診斷正開展得如火如荼。特別是隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程測(cè)控技 術(shù)正在世界范圍內(nèi)興起。國(guó)內(nèi)外在基于i n t e r n e t 的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 10 】方面作了大量的研究， 對(duì)此相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用有通過i n t e m e t 的原子微探針的遠(yuǎn)程控制，外科醫(yī)療診斷【l ”的遠(yuǎn)程 監(jiān)控系統(tǒng)，表面結(jié)構(gòu)和成分分析的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)1 2 i 等等。在工業(yè)控制領(lǐng)域，人們也正在 深入地研究嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并努力地將兩種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，正是在這樣的背 景下，本文提出了一種簡(jiǎn)便的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的方案。 本裝置為高爐煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，基于t c p i p 傳輸協(xié)議，可以在以太網(wǎng)中直 接使用。裝置主要由以下幾部分組成。 ( 1 ) 現(xiàn)場(chǎng)溫度、濃度、速度測(cè)量接口： 裝置采用l m 3 5 溫度傳感器，它的精度可以達(dá)到o 5 “ c ，測(cè)量范圍為一5 5 。c 1 5 0 。c ， 輸出電壓隨環(huán)境溫度線形變化，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。 濃度檢測(cè)是通過螺旋式極板結(jié)構(gòu)的電容傳感器，這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有最均勻的檢 測(cè)場(chǎng)靈敏度分布，其均勻性誤差低于5 。電容傳感器的電容檢測(cè)線路采用了具有較強(qiáng) 抗雜散電容能力的c v 轉(zhuǎn)換電路。其靈敏度指標(biāo)為1 9v p f ，非線性度指標(biāo)為0 6 。 這完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的要求。 速度檢測(cè)也是通過電容傳感器完成的。 ( 2 ) 以太網(wǎng)通信接口： 電路的設(shè)計(jì)是采用m c u + 網(wǎng)絡(luò)接口卡( n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ，n i c ) 組成網(wǎng)絡(luò)接口電 路。網(wǎng)絡(luò)接口卡通常稱之為“網(wǎng)卡”，網(wǎng)卡的工作原理就是整理計(jì)算機(jī)上將發(fā)送的數(shù)據(jù)并 將數(shù)據(jù)分解為適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)包之后向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；同時(shí)接收通過網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)給 計(jì)算機(jī)處理。對(duì)于網(wǎng)卡而言，每塊網(wǎng)卡都有一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址( b 1 1 4 8 位物理地址， 占6 個(gè)字節(jié)) ，這里討論的網(wǎng)卡是1 0 m bn e 2 0 0 0 兼容型以太網(wǎng)卡，它主要有n o v e l l 公司 的n e 2 0 0 0 和r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s ，r t l 8 1 3 9 c d 等。 用單片機(jī)控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是當(dāng)前令人感興趣的一個(gè)研究方向，通過 單片機(jī)控制網(wǎng)卡編程就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意終端之間的通信而完全拋開網(wǎng)絡(luò)操作系 統(tǒng)，即在脫離p c 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡與其它微處理器之間的接口，從而建立基于j z p c 平臺(tái) 一1 1 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口總體設(shè)計(jì) 的局域網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)采用c y g n a lf 0 2 1 單片機(jī)來控制網(wǎng)卡控制主芯片r t l 8 0 1 9 a s ( 下簡(jiǎn) 稱網(wǎng)卡) 的，主要研究單片機(jī)在以太網(wǎng)卡數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān) 測(cè)裝置的網(wǎng)絡(luò)化，完成對(duì)各支路裝置監(jiān)測(cè)參數(shù)的同時(shí)采集。采用這款單片機(jī)的主要是因 為它內(nèi)部?jī)?nèi)置了6 4 k 程序存儲(chǔ)器，有足夠的程序存儲(chǔ)空間來存放簡(jiǎn)化的t c p i p 協(xié)議。 r t l 8 0 1 9 a s 是一種與n o v e l ln e 2 0 0 0 兼容的8 1 6 位i s a 總線網(wǎng)卡芯片，遵循 i e e e 8 0 2 ，3 標(biāo)準(zhǔn)；可實(shí)現(xiàn)1 0 b a s e t ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e 5 單芯片解決方案，1 0 0 腳p q f p 封裝：支持即插即用、跳線模式；內(nèi)置1 6k bs r a m 用于收發(fā)緩沖，可降低對(duì)主處理器 的速度要求；支持a u i 、b n c 、u t p 多種傳輸介質(zhì)的自動(dòng)偵測(cè)。此外，還可阻工作在全 雙工模式下，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到1 0m b p s ：自動(dòng)產(chǎn)生c r c 校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)幀同步碼、幀起始定 界符，完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。這些功能可以節(jié)省軟件的開銷，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。 本設(shè)計(jì)中設(shè)定r t l s 0 1 9 a s 工作在8 位模式。即通過一個(gè)阻值為2 7 k o 的下拉電阻使 i o c s l 6 接地。為了減少連線、降低成本，通過使j p 腳接高電平，r t l 8 0 1 9 a s 將工作 在跳線模式。單片機(jī)通過r t l 8 0 1 9 a s 收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)際上也就是控制r t l 8 0 1 9 a s 的3 2 個(gè)端口寄存器完成收發(fā)功能，所以只用單片機(jī)的幾條地址總線與r t l 8 0 1 9 a s 的地址總 線相連即可。芯片的外部i o 腳t p i n 士、t p o u t 士通過耦合隔離變壓器2 0 f 一0 1 接入r 1 4 5 ， 實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的物理連接。 本裝置的結(jié)構(gòu)如圖3 1 所示。 圖3 1 高爐煤粉噴吹狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo f b l a s tf u r n a c ec o a lp o w d e rb l o w i n g s t a t em o n i t o r i n ge q u i p m e n t ( 3 ) 軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)通信部分，數(shù)據(jù)采集部分主要完成對(duì)底 層傳感器信號(hào)的采集。主要就是a d 采集程序、系統(tǒng)初始化程序等。 a d 采集主要使用的是單片機(jī)內(nèi)部集成的a d 轉(zhuǎn)換單元，初始化程序包括對(duì)各個(gè)控 制參數(shù)和片內(nèi)寄存器的初始化。 裝置的通信主要使用t c p i p 協(xié)議，由于t c p i p 協(xié)議是一個(gè)龐大的協(xié)議族，如何在 一1 2 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章t - , a kr x 太網(wǎng)通訊接口總體設(shè)計(jì) 工業(yè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)t c p f i p 成為以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)中的難點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用的是簡(jiǎn)化的 t c p i p 協(xié)議，主要完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)娜蝿?wù)，在實(shí)現(xiàn)基本的功能的同時(shí)比較完整地實(shí) 現(xiàn)了t c p l p 協(xié)議，該設(shè)計(jì)不依賴于操作系統(tǒng)，軟件完全獨(dú)立，并具有占用資源少、易 于集成、可裁減等優(yōu)點(diǎn)。 一般使用i s o 七層協(xié)議中的四層實(shí)現(xiàn)t c p i p 協(xié)議棧的軟件，如圖3 2 所示。為了有效 利用單片機(jī)系統(tǒng)有限的資源并提高效率，各層協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)和通常的t c p 1 p 協(xié)議相比 作了較大的簡(jiǎn)化。 i 旦衛(wèi)! l 匝口 固 圖3 2 t c p i p 協(xié)議棧 f i g 3 2t c p i pp r o t o c o l 最底層是物理層，它定義了以太網(wǎng)控制器的工作方式，以太網(wǎng)幀的封裝和分析、發(fā)送 以及接收等，本文采用了r e a l t e k 公司的以太網(wǎng)控制器芯片r t l 8 0 1 9 a s 。 第二層是i n t e m e t 層，它完成了i p 數(shù)據(jù)報(bào)的封裝和i p 頭的分析，并根據(jù)幀的類型 ( i c m p 、t c p 或u d p 等1 進(jìn)行相應(yīng)的處理。 第三層是傳輸層，主要是t c p ，它對(duì)i n t e r n e t 提供點(diǎn)到點(diǎn)服務(wù)，在這層上只允許單個(gè) 連接。它實(shí)現(xiàn)了r f c 7 9 3 中相應(yīng)的功能，包括三次握手建立連接，各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換， 超時(shí)重傳，連接的撤銷等。 最上層是應(yīng)用層，解決用戶特定的應(yīng)用，而不用關(guān)心底層的具體實(shí)現(xiàn)。本文實(shí)現(xiàn)了 h t t p 協(xié)議，管理者可以利用m 瀏覽器輕松地獲得各傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 3 2 以太網(wǎng)控制接口 以太網(wǎng)接口 1 5 】【1 8 1 主要包括兩個(gè)部分，分別為c y 弘a lf 0 2 1 單片機(jī)電路和r t l 8 0 1 9 a s 接口電路。下面簡(jiǎn)單的介紹c 8 0 5 1f 0 2 1 單片機(jī)和r t l 8 0 1 9 a s 以太網(wǎng)