摘 要

随着信息技术三大主要基石，即计算机技术、通讯技术和控制技术的更新，在工业领域，一场模拟化转数字化，集中式转分布式的数据采集方式在近年来进行了一场革命式的跨越，现场总线在20世纪80年代中后期诞生了。现场总线首先能够应用在现场设备之间传输数据，使它们能够协调工作，其次能够连接现场设备和控制设备，方便控制设备对现场设备的的监控和调节，最后还能连接更高管理设备，以供管理人员能够通过人机交互设备进行打印日志、手动调节设备等工作^[1]。因为其系统结构简化、节约硬件成本、节约连接电缆和造价低廉且方便扩展的特点，成为现阶段全世界积极研究发展的一门新兴技术。本文所做的工作如下：

首先明确本文的主要研究和应用对象是将工业总线和以太网相结合的工业以太网，本文将介绍四种如今最普及和认同程度最高的工业以太网，包括EPA、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP，同时分析和总结四种不同工业总线的技术指标和应用优缺点。

又因为上层PC机和工业设备之间标准有所不同，本文还将进一步阐述底层的通信接口问题，以及怎么样去实现PC机中常用的RS-232串口和RS-485接口之间转换^[2]。

最后针对我所应用的船舶电站自动控制系统的需求选择一种工业以太网，同时介绍与其互补兼容的设备层现场总线，因为船上其潮湿，干扰信号大的客观环境特点和针对的是小型船舶系统设计的主观因素，最终我选择了ProfINet工业以太网和和其互补的Profibus现场总线。然后进行系统分析和设计，介绍其系统硬件设计和控制软件程序设计。该系统将明确体现工业以太网在应用中的开放可扩展性和实时性的特点。

关键词：工业以太网；自动化,PROFIBUS；现场总线；船舶电站

Abstract

With the development of three major pillars of information technology, namely computer technology, communication technology and control technology, in the industrial field, a simulation-to-digital, centralized-to-distributed data acquisition method has undergone a revolution in recent years. Span, fieldbus was born in the mid-to-late 1980s. Fieldbus is mainly used between field devices, data communication between field devices and control devices, and even data exchange with higher control management levels. Because of its simplified system structure, saving hardware costs, saving the cost of connecting cables, and being inexpensive and easy to expand, it has become an emerging technology actively researched and developed in the world at this stage. The work what I have done is as follows：

First of all, the main research and application object of this paper is industrial Ethernet combining industrial bus and Ethernet. This article will introduce the four most popular and most recognized industrial Ethernets today, including HSE, Modbus TCP/IP, ProfINet, Ethernet/IP analyzes and summarizes technical indicators and application advantages and disadvantages of four different industrial buses at the same time.

In order to solve the problem of the communication interface between the monitoring computer and the device, this article will also elaborate on the basic principles of bus communication and how to implement the intelligent conversion of RS-232 and RS-485 interfaces.

Finally, we selected an industrial Ethernet for the needs of the ship's automatic control system for ship power stations. At the same time, we introduced the equipment field bus that is compatible with it. Because of the wetness on the ship, the objective environment characteristics of large interference signals and the small ship system The subjective factors of the design, I finally chose ProfINet Industrial Ethernet and its complementary Profibus fieldbus. Then analyze and design the system, introduce its system hardware design and control software program design. The system will clearly demonstrate the open scalability and real-time characteristics of industrial Ethernet in applications.

Keywords：Industrial Ethernet；automation,Profibus；Field bus；Ship power station

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2 以太网进入工业领域的掣肘和克服手段 2

1.3 船舶电站自动化概述 4

1.4 本论文研究的主要内容 5

第2章 四种主流工业以太网简介和分析 6

2.1 MOSBUS TCP/IP 6

2.2 ProfINet 7

2.3 EPA 11

2.4 Ethernet/IP 12

第3章 PROFIBUS总线及接口技术简介 14

3.1 PROFIBUS总线的基本特征 14

3.2 PROFIBUS协议内容 15

3.3 PROFIBUS实现原理 15

3.4 PROFIBUS总线接口技术 17

第4章 船舶电站系统总体方案设计 19

4.1 船舶电站系统组成部分 19

4.2 控制系统的功能需求 20

4.3 系统网络总体硬件设计方案 21

4.4 本章小结 23

总结 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1选题的背景及意义

在工业过程领域，最早出现的模拟信号一直使用至今，但是后续发现的数字信号因为其数据传输相较于模拟信号的众多优势，得到技术人员的青睐。因此，20世纪70年代，集中式控制处理出现在工业领域测控系统。20世纪80年代，微处理得到了极大的发展，嵌入式计算机体系进入控制领域，得以释放控制权，使一些生产信息在现场就可以通过数据分析，设备控制器可以自行在现场进行分析和处理，使线路从一个控制器一根线，形成如今的一根线就得以传输所有的通讯信息，形成了如今的分布式控制系统，这样使工业生产的实时性和生产力得到了极大的提升，同时降低了工业信息化成本。因此，自现场总线被欧洲提出伊始，因其在技术指标上的巨大优势，就得到了全世界的关注，各国纷纷投入巨资，建立自己的总线标准，企图占领技术的制高点。

但是后来又出现的分布式控制理论，分布也对应着更加透明且开放的通信协议，于是以太网也逐渐进入了工业生产的视野。可是又因为跨领域式的应用，以太网想在工业控制领域搅局，也存在着一些掣肘。因此克服这些问题就成了以太网进军工业行业的一个挑战，但是很明显，已经被克服。

工业以太网就是按照工业控制的要求，适当修改成合适工业需求的应用层和用户层协议，使以太网TCP/IP技术能够被应用到控制层，然后渗透到现场层，而在信息层又尽量和现有IT行业里面的以太网标准保持一致。所以工业以太网和在工业领域利用以太网又全然不是一个东西，属于两个不同的概念。

目前，四种主要的工业以太网，它们分别是最为简单实用施耐德公司的Modbus TCP/IP，德国西门子的的ProfiNet，ODVA和Control Net International的EtherNet/IP，基金会的HSE，它们在物理层和数据链路层都一致服从IEEE802.3协议，而是在应用层和用户层根据自己的需求进行修改，从而适应工业化需求，而究其原因，主要是因为他们的应用领域和所属公司的发展背景和牵扯利益的不同。虽然，INONA和OPC基金会一直在争取缓解和调解这场潜在的标准风波，但是因为背后的巨大的公司背景和利益纷争的存在，一直都杯水车薪，这场纷争一直难以停息。

船舶是交通领域的一个重要手段，船舶是所有交通运输方式中成本最低的，也是国家之间外贸物流的基本方式。我国作为一个海岸线漫长的国家，发展航运是我国发挥优势，实现中国民族伟大复兴的一个不可获取的一环，同时，船舶不仅是体现一个国家综合国力的一个方面，也是一个国家军事力量的象征，所以发展航运能力是我们永远都要专注的。同时，也正是由于船舶的全球巨大需求，各种新型船舶技术也是日异月新。当然，现场总线技术由于其技术的先进性，也率先被应用在船舶上，成为船舶新的生命力。而由于新中国成立之前船舶技术没有得到重视，各种工业基础百废待兴，因此船舶自动化技术研究较西方发达国家比，属于较晚的，自主研发的船舶自动化水平远低于国际先进水平，为了与国际先进技术相结合，降低船舶的运营成本，增加其运营效率，简化工作人员的操作流程，所以我便想借本次毕业论文的机会，用现场总线的框架，尝试为船舶电站自动化规划出一套现场总线方案。

1.2 以太网进入工业领域的掣肘和克服手段

我们都知道以太网最开始是作为商用办公的局域网而开发的一门技术，它使用的是CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突监测)技术，这也是标志以太网正式诞生的一个里程碑。作为商用的一门技术，和工业领域应用不同的环境和实时性要求，其技术性指标和应用标准，使以太网不能直接应用于工业领域。因此，以太网进入工业领域是需要针对工业环境的特点，适当修改其网络协议的^【3】。