（控制理论与控制工程专业论文）基于epa现场总线控制系统的功能块组态软件设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着工业控制技术的发展，工业控制系统越来越朝着以太网技术发展，并且将支持 标准m o d b u s 协议的从设备连入控制网络，更加具有通用价值。 针对e p a 现场总线控制系统开发了e p ac o n f i g 功能块组态软件，由三个基本要素 组成：e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 规范、功能块、x m l 设备描述。e p a 规范是 我国制定的工业以太网标准，现已经纳入i e c 6 1 7 8 4 2 国际标准。功能块遵循i e c 6 1 4 9 9 、 i e c 6 1 8 0 4 标准，分散于现场设备中，是分布式控制网络的基本要素。x m l 设备描述 则是设备资源和功能的描述，并且是设备内部以及设备之间通讯基本保证。 e p a 软件较传统软件来说，具有易操作性、易升级性。该软件在vc+6_config 0 平台下开发的可视化、图形化的软件。其设计方法采用模块化设计，主要包括六大模 块：设备管理模块、可视化组态模块、数据监控模块、通讯服务模块、x m l 文件管理 模块、信息报告模块。设备管理模块负责设备的上线和离线，可视化组态模块负责控 制方案形成，数据监控模块负责现场数据的显示，通讯服务模块负责与现场设备通讯， x m l 文件模块负责所有设备信息的描述，信息报告模块设备信息和操作信息的提示。 通过两个例子，证明e p ac o n f i g 界面友好，操作方便，并且稳定可靠。 关键词：e p a 控制系统；功能块；工业以太网；组态软件；x m l 设备描述 盔堡里三查堂堡主堂堡丝茎 t h ed e s i g no f f u n c t i o nb l o c kc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb a s e do n e p af i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fi n d u s t r i a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p i n gt o w a r di n d u s t r ye t h e m e tt e c h n o l o g y a n da d d i n gt h ee x t e n dd e v i c eb a s e do n m o d b u sp r o t o c o lt ot h ec o n l r o ln e t w o r kb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r a n d s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt od e s i g nt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e0 f e p as y s t e m a c c o r d i n g t ot h ec o n t r o ls y s t e m ，e p a _ c o n f i gs o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e d ，t h e r ea r e t h r e ek e yi t e r n s 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 ) s p e c i f i c a t i o n ，e p ：af u n c t i o nb l o c ka n d x m ld e v i c ed e s c r i p t i o n e p as p e c i f i c a t i o ni sa ni n d u s t r ye t h e r n e ts p e c i f i c a t i o nd e f i n e db y o n rc o u n t r yw h i c hh a sb e e na c c e p t e di ni e c 6 1 7 8 4 2 t h ef u n c t i o nb l o c k sa l ei na c c o r d a n c e w i t hi e c 6 1 4 9 9a n di e c 6 1 8 0 4s p e i f i e a t i o n , t h e ya r ed i s t r i b u t e di nf i e l dd e v i c e s n l ex m l d e v i c ed e s c r i p t i o ni su s e dt od e v i c ec o o p e r a t i o n c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o ls o f t w a r e ，e p a _ c o n f i gh a st w oa d v a n t a g e s ，e a s i l y u s i l l ga n du p g r a d i n g e p a _ c o n f i gi sav i s u a la n dg r a p h i cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n di ti s d e v e l o p e db yv i s u a lc 抖6 0 ，w h i c hi s d i v i d e di n t os i xm o d u l e s ，d e v i c em o d u l e ，v i s u a l c o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，d a t as u p e r v i s i o nm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o ns e r v i c em o d u l e ，x m l d e v i c e d e s c r i p t i o nm o d u l ea n dm e s s a g ed i s t r i b u t i o nm o d u l e i ts h o w st h a te p a _ c o n f i gi saf r i e n d l ya n de a s yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb yt w o a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：e p ac o n t r o ls y s t e m ，f u n c t i o nb l o c k , i n d u s t r ye t h e r n e t ，c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e 】【i m ld e v i c ed e s c r i p t i o n 1 1 1 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：鱼丝刍日期：2 = = ! 鱼f ! 自1 1 9 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 引言 本软件是基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件。e p a - - e t h e r n e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n 。是我国自己制定的工业以太网标准。全称为工业测量与控制系统的e p a 系统结构和通信标准简称e p a 标准，其目前已经纳入国际标准6 1 7 8 4 - 2 ，是e p a 现场总线控制系统进行数据传输的依据。也是本软件设计的基础，另外功能块是本软 件又一个重要的组成部分，其涉及的主要参考文献还包括：i e c 6 1 4 9 9 ( p a s ) “工业测 量与控制系统用功能块”和i e c 6 1 8 0 4 ( 队s ) “过程控制用功能块”，参考了f f 基金 会现场总线标准。i e c6 1 4 9 9 标准是国际电工协会制定的分布式工业过程测量与控制 中的功能块标准，定义了“工业测量与控制系统用功能块”模型。i e c 6 1 8 0 4 ( p a s ) 则定义了针对“过程控制用”的“功能块”模型。f f 基金会现场总线标准则对功能块 的具体实现给出了定义，并制定了一套用于描述设备的语言。 全文共总共分7 章。 第一章绪论，分析了现场总线和工业以太网两种技术，得出工业以太网是现场总 线技术发展的趋势的结论。 第二章e p a 现场总线控制系统介绍，介绍了其拓扑结构，以及主要功能。 第三章e p a 规范及分布式组态。 第四章e p a 组态软件的设计思想和实现方案。 第五章e p a 现场设备的资源定义和x m l 设备描述。 第六章e p a 组态软件应用实例，引用了实际现场使用的例子。 基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件设计 1 绪论 1 1 现场总线 现场总线是由d c s 系统发展而来，采用全数字通信代替模拟传输方式，使控制系 统与现场仪表之间不仅能传输生产过程测量与控制信息，而且还能传输现场仪表的大 量非控制信息，使整个工业企业的管理控制一体化成为可能。 所谓现场总线，按照国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，是指安装在制造或过程 区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行 和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控 $ 懒( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) t ”。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字 计算和数字通信能力，并按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量 控制设备之问以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成 各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网 络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通信息、共同完成控制任务的 网络系统与控制系统。现场总线的技术特点和优势在于【1 】【2 】【3 】： ( 1 ) 全数字通信 现场总线采用完全的数字信号传输。这种数字化的传输方式使得信号的检错、纠 错机制得以实现，因此它的抗干扰能力和鲁棒性较高。同时全数字通信使得多参数传 输得以实现。 ( 2 ) 多分支结构 现场总线的拓扑可以为总线型、星型、树型等多种形式。 ( 3 ) 现场设备状态可控 通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加，这些信息包括功能模块组态、参 数状况、诊断和验证数据、设备材质和过程条件等。操作人员在控制室就可以对这些 信息进行管理和利用，对现场设备进行维护。 ( 4 ) 控制分散 现场总线系统采用全分散控制。现场设备既有检测、变换、工程量处理和补偿功 能，也有运算和控制功能。通过现场总线，将传统d c s 、p l c 等控制系统复杂的控制 任务进行分解，分散在现场设备中，简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性 和灵活性。 然而现场总线自身仍存在许多不足之处，现场总线标准的特点是通信协议比较简 单，通信速率比较低。如基金会总线即的h 1 和p r o f i b u s p a 的传输速率只有 3 1 2 5 k b p s 。但随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，未来传输的 大连理工大学硕士学位论文 数据可能已不满足于几个字节，甚至是w e b 网页，所以网络传输的高速性在工业控 制中越来越重要。现场总线自2 0 世纪8 0 年代产生以来，由于适应了工业控制系统网 络化和智能化的发展方向，受到全世界工业自动化领域的普遍关注，国际上产生了很 多现场总线规范。2 0 0 0 年i e c 颁布的现场总线国际标准1 e c 6 1 1 5 8 包含了f f 、p r o f i b u s 、 c o n t r o l n e t 、w o f l d f i p 、p - n e t 、h s e 、s w i f l n e t 、i n t e r b u s 等在内的8 种类型现场总线 ( 现已增加到十种类型) 1 1 3 j 。但由于现场总线标准的不统一，不同现场总线协议互不 兼容，符合不同现场总线协议的控制系统不能实现信息的无缝集成，导致了新的“自 动化孤岛”的出现，这促使人们开始寻求新的出路，并关注到以以太网技术为代表的 c o t s ( c o m m e r c i a lo f f t h es h e l f l 信息网络通信技术【9 】【1 0 】【1 1 】。 另外，工业底层网络的现场总线协议则数目众多，不同协议的兼容问题一直困扰 工业界。从1 9 8 4 年美国仪表协会( 1 s a ) 下属的i s a s p 5 0 开始制定标准以来，已经 出现了l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等总线标准4 0 多个。为此，国际电工委 员会( c ) 历时1 2 年于2 0 0 0 年1 月4 日公布通过的i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准，容纳 了8 种互不兼容的协议，多种现场总线标准共存成为事实。 在现场总线的发展受到阻碍的时候，以太网技术却得到了迅猛的发展，主要表现 在以太网速度的大幅提升和交换技术的不断完善。以太网的这些变化，使其应用于工 业现场领域成为了可能。而将以太网技术引进到工业控制网络，不仅可以解决现场总 线固有的问题，同时还可以带来以太网本身所有的巨大优势。目前，国际上许多组织、 公司都纷纷从事工业以太网技术方面的研究。因此寻求一种新的技术解决方案以成为 众多厂家和用户的关注焦点。而将以太网技术应用于现场总线则逐渐成为工业控制网 络发展的一个主要方向纠l 6 ) 。 1 2 工业以太网 在o s i i s o 七层协议中，以太网( e t h e m e t ) 本身只定义了物理层和数据链路层。 作为一套完整的网络传输协议，必须具有高层控制协议，以太网使用了t c p i p 协议； i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 用来确定信息传递路线，而t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 则是用来保证传输的可靠性。虽然t c p i p 并不是专为以太网而设计的，但实际上 e t h e m e t + t c p i p 已成为互联网上最广泛的应用1 8 】。 1 2 1 工业以太网是工业现场控制网络发展的趋势 人们以前一直认为，以太网是为商业应用领域开发的，因此在工业控制领域的应 用会受到限制，其原因主要是： ( 1 ) 以太网采用载波侦听多址访问碰撞检测( c s m d 崛d ) 方式，在网络负荷较重时， 网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求； ( 2 ) 以太网所使用的交换机、集线器、电缆和接插件等都是为办公室应用而设计的， 其抗干扰性能不适合工业现场的恶劣环境。但是随着网络技术的进一步发展，上述问 题已经或正在得到解决。 基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件设计 首先以太网的通信速率一再提高，从十兆到百兆，目前千兆以太网已在局域网、 城域网中普遍应用，万兆以太网也正加紧研制。同样的通信量，通信速率的提高意味 着网络的负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性。有人作过试验在网络负 荷不超过3 6 的情况下，以太网发生碰撞的可能性极小。 其次交换技术的快速发展已经消除了以太网应用于控制领域的障碍。交换式以太 网技术产生于1 9 9 2 年。这项技术使得多个网上设备之间同时进行通信时不会有冲突发 生。其做法是把网络用交换器分割成互不相连的几个网段，每个设备独占一个网段， 从而大大降低冲突的可能性。 另外，现代以太网采用非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力与4 2 0 m a 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1 1 1 1 2 1 1 7 1 。 当将以太网技术应用于现场工业网络成为可能时，以太网技术的优越性就开始得 到了体现。与现场总线相比，以太网因其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而 获得全球的技术支持，目前不仅在办公室自动化领域，而且在各个企业的管理网络、 监控网络也都广泛使用以太网技术，并开始向现场设备层网络延伸。其具有以下优点 1 9 l 【2 0 1 1 2 1 j ： ( 1 ) 应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有 的编程语言都支持e t h e m c t 的应用开发，如j a v a 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等。这些 编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此， 如果采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 ( 2 ) 成本低廉 由于以太网应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视和广泛支持， 有多种硬件产品供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有 p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分之一甚至百分之一，而且随着集成电路技术的发展， 其价格还会进一步下降。 ( 3 1 通信速率高 目前以太网的通信速率为1 0 m ，1 0 0 m 的快速以太网也开始广泛使用，1 0 0 0 m 以 太网技术也已经成熟，1 0 g 以太网正在研究。其速率比目前的现场总线快很多，因此 以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。 ( 4 ) 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，人们对以太网技术的设计、应用等方面有很多的经验， 对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的整体成本，并 大大加快系统的开发和推广速度。 ( 5 1可持续发展潜力大 由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入。并 且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有 效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此可以 保证以太网技术不断地持续向前发展。 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 )资源共享能力强 利用e t h e m e t 作现场总线，很容易将i o 数据连接到信息系统中，数据很容易以实 时方式与信息系统上层资源、应用软件和数据库共享。 ( 7 )易与i n t e m e t 连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络信息无缝集成。 因此，如果工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术 的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证 技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。 1 2 2 当前国内外工业以太网的发展状况 国际上一些组织如工业以太网协会( i n d u s t r i a le t h e m e t a s s o c i a t i o n ) 、工业自动化开 放网络联合会i a o n a ( i n d u s t r i a la u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ) 、j d a ( i n t e r f a c e f o rd i s t r i b u t e da u t o m a t i o n ) d 、组都在进行以太网应用于工业控制现场的相关技术和标 准的研究【2 5 l 【硐【2 7 1 。 法国施耐德公( s c h n e i d e r ) 推出的基于嵌入式w e b 的“透明工厂”系统，其中将 以太网、嵌入式w e b 等商用互联网技术已经应用于信息管理层、监控层和现场设备层。 并且s c h n e i d e r 公司于2 0 0 2 年5 月发表了工业以太网规范m o d b u s 佃c p 规范，该 规范用简单方式将m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧或u d p 帧中，在e t h e m e tt c p m 网络上 的装置之间提供c l i e n t s e r v e r 模式的通信，这种模式建立在4 种类型的报文基础上， 它们是m o d b u s 请求、m o d b u s 证实、m o d b u s 指示和m o d b u s 响应。m o d b u s 服务用于 网络上装置之间的实时信息交换。 1 9 9 8 年初，c o n t r o ln e t 国际组织( c o n t r o ln e ti n t e r n a t i o n a l ) 也开发了e t h e m e t i p 工 业以太网规范，该规范是一种开放的工业网络标准，它支持显性和隐性报文，并且使 用目前流行的商用以太网芯片和物理媒体；其物理层和数据链路层协议采用 i e e e 8 0 2 3 标准，网络层和传输层采用t c p i p 协议，同时在应用层采用控制和信息协 议( c l e ) ，提供i 0 报文和信息，以及对等通信报文。 1 9 9 8 年，美国基金会现场总线组织( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，f 聊也决定采用高速以太 网f f i i g hs p e e de t h e m e t ，h s e ) 技术开发h 2 现场总线，作为现场总线控制系统控制级 以上通信网络的主干网，并于2 0 0 0 年发布h s e 规范，h s e 的1 4 层由现有的以太 网、t c p 佃和i e e e 标准所定义，h s e 和h i 现场总线规范使用同样的用户层，现场 总线信息规范( f m s ) 在h 1 中定义了服务接口，现场设备访问代理( f d a ) 为h s e 提供接 口。h s e 的用户层规定了功能模块、设备描述( d d ) 、功能文件( c f ) 以及系统管理( s m ) 等功能i 冽1 2 9 】【3 0 1 。 2 0 0 1 年8 月，p n o ( p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 组织发表了p r o f i n e t 规范，这是 一个在p r o f i b u s 现场总线基础之上发展而来的工业以太网规范，它将工厂自动化和企 业信息管理较高层r r 技术有机地融为一体，同时保留了p r o f i b u s 现有的开放性。 在国内，国家“8 6 3 ”计划c l m s 主题重点课题“基于高速以太网技术的现场总线 控制设备”，“基于e p a 的分布式网络控制系统”专门支持对工业以太网的研究。该 课题已经通过国家科技部验收与成果鉴定。通过该课题的支持，国内目前在以太网应 基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件设计 用于现场设备间通信的关键技术上取得了重大突破，这些技术包括实时通信技术、总 线供电技术、远距离传输技术、网络安全技术和可靠性技术【3 1 i 3 2 1 【3 3 1 。同时，我国第一 个关于工业以太网的标准“用于工业测量与控制系统的e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准”( 草案) 也已诞生。除此之外，在该课题的支持下还 开发出一系列基于以太网技术的现场控制设备。并在此基础上，推出了基于e p a 的分 布式网络控制系统，该系统将以太网应用于变送器、执行机构、现场控制器等现场设 备间的通信，实现了从设备层、控制层和管理层等网络基于以太网的统一，即所谓的 “e ( e t h e m e t ) m 至l j 底”。 1 3 组态软件 “组态”的概念是伴随着d c s 的出现才开始被生产过程自动化技术人员所熟知 的。组态的概念来自c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源 进行配置，达到使计算机或软件按照预先配置，自动执行任务，满足使用者要求的目 的。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动化控制系统监控 层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良 好的用户开发界面和简洁的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易的实现 和完成监控层的各项功能。 组态软件最突出的特点是实时多任务，其主要目地是使自动化工程设计师在生成 适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码。一个组态软件主要解决的 问题： ( 1 ) 为使用者提供灵活多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； ( 2 ) 如何与采集、控制设备间进行数据交换； ( 3 ) 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； ( 4 ) 处理数据报警及系统报警； ( 5 ) 存储历史数据及历史数据的查询； ( 6 ) 各类报表的生成和打印输出： ( 7 ) 最终生成的应用系统稳定可靠； ( 8 ) 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 一般情况下，组态软件可分为开发系统和运行系统两大部分。开发系统的主要功 能是对现场网络的所有软硬件资源进行有效的配置，使整个现场网络成为一个有机整 体，协同工作，完成预定任务，并利用图形开发系统生成用于现场监控的人机界面。 运行系统的主要功能包括监控现场设备，与现场采集、控制设备交换数据，处理数据 报警及系统报警，存储历史数据及历史数据查询等b 6 1 1 7 】【2 1 】。 1 4 小结 现场总线是自控领域的局域网，它为自动化现场控制领域带来了革新性的变化。 但是随着计算机技术、通信技术、控制技术的飞速发展，现场总线自身的一些缺陷逐 6 大连理工大学硕士学位论文 渐成为其进一步发展的瓶颈。而将以太网技术应用于工业现场网络则能有效的克服现 场总线的不足之处。e p a 规范是我国制定的工业以太网标准。开发e p a 组态软件已成 为发展下一代工业控制网络不可缺少的部分。本课题的研究重点就是e p a 组态软件的 设计和开发。 基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件设计 f p a 现场总线控制系统介绍 本系统的硬件平台采用大连理工计算机控制工程有限公司研发的e p a 现场总线 控制系统，以以太网控制器d u t 5 0 0 0 为主控制单元，外扩基于r s 4 8 5 总线的各种从 设备，包括d u t 6 0 0 0 ，d u t 4 0 0 0 ，d 1 0 2 0 0 0 ，以及其它产家生产的p l c ，仪表等。d u t 5 0 0 0 硬件包括6 路电流、电压、温度传感器信号的输入、2 路标准电流或电压信号的输出、 8 路开关量隔离输入和8 路开关量隔离灌电流输出，d u t 5 0 0 0 拥有丰富的通信手段， 同时具备1 0 b a s e - t 以太网、r s 4 8 5 通信能力，因此它既可用于工业以太网系统，也可 以用于传统r s 4 8 5 总线网络，完成现场数据的输入与控制的输出功能，还可以在工业 以太网与r s 4 8 5 总线网络相结合的系统中，充当网关作用，完成两种网络的转换。 2 1f p a 现场总线控制系统拓扑结构 e p a 控制系统结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1d u t 5 0 0 0 作为主控制器的系统结构 f i g 2 - 1 t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fd u t 5 0 0 0u s e da s a i c ac o n t r o l l e r d u t 5 0 0 0 硬件具备以太网、2 个r s 4 8 5 通信接口，因此可将d u t 5 0 0 0 通过r s 4 8 5 接口连入现场设备层的r s 4 8 5 总线通信网络，充当主控设备，同时还可通过以太网接 口将d u t 5 0 0 0 与过层监控层网络进行连接。此时r s 4 8 5 总线网络中所有从设备通过 d u t 5 0 0 0 连入以太网，d u t 5 0 0 0 实质起到了一个网关作用，完成r s 4 8 5 总线与以太 网之间的信息交换。 d u t 5 0 0 0 当主设备，下面可同时扩展1 6 个支持r s 4 8 5 的从设备。如 d u t 6 0 0 0 ，d u t 4 0 0 0 ，d 1 0 2 0 0 0 ，变频器，p l c ，各种仪表等。协议如m o d b u s 协议、研华 a d a m 协议，可以读取每个从设备的数据或者输入输出状态以及寄存器值；或者写数 据值到从设备中。d u t 5 0 0 0 将r s 4 8 5 通信网络上的从设备映射为内部r a m 的一个数 s - 大连理工大学硕士学位论文 据区，当每次对从设备进行读写操作时，均会对相应的映射数据区进行刷新；当上位 机或本地人机交互设备需要对r s 4 8 5 通信网络上从设备进行访问时，只需对d u t 5 0 0 0 中的映射数据区进行访问，d u t s 0 0 0 将为它们提供一个透明的服务。 2 2 小结 通过介绍e p a 现场总线控制系统的功能，有利于上位机软件的设计。 基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件设计 3e p a 规范及分布式组态 e p a 是e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n 的缩写，它基于以太网( i e e e 8 0 2 3 ) 和无线 局域网( i e e e 8 0 2 1 1 ) 、蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 等信息网络c o t s ( c o m m e r c i a l 饼i e s h e l f ) 通信技术以及t c p ( u d p ) i p 协议，是一种适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪 表问、以及工业自动化仪器仪表问数据通信的工业控制网络技术。 基于e p a 的分布式网络控制系统的基本出发点面向控制工程师的应用，利用标准 的、开放的、分布式的、可重用的自控系统基本模块( 如功能块) ，通过一种明晰的、 易于实现的连接关系( 如链接对象) 联系起来，和谐的组成不同的系统，以满足不同 工程应用要求。这意味着控制工程师通过一个系统开发商提供的应用平台工具包对标 准的组件进行组态配置就能快速而有效的构成一个实际应用系统，满足单个用户的要 求。完整的组件能够集成到工具包中，并且可以在相同或其他应用程序中重用，以达 到自控系统应用中的降低系统应用复杂性、高工程成本和设计、施工周期，提高工程 应用质量和系统可重用性的目的。 3 1e p a 规范概述 3 1 ，1e p a 分布式网络控制系统特点 一、开放性 e p a 充分利用开放的信息网络成熟技术( 如i e e e 8 0 2 3 以太网、i e e e 8 0 2 1 1 无线 局域网、匝e e 8 0 2 1 5 蓝牙接入网，以及t c p ( u d p ) i p 、h t i p 、t e l n e t 、x m l 、 嵌入式w e b 技术等) ，结合工业自动化控制系统及其应用的特殊性，与开放的工业自 动化测量与控制国际、国家标准接轨( 如i e c 6 1 4 9 9 、i e c 6 1 8 0 4 等) ，提供基于以太网 和无线通信技术的开放的网络通信平台，用开放的、可重用的标准功能块以及用户自 定义的功能块组件构成开放的自控系统。 从用户的角度看，开放性意味着产品具有开放的接口，这些接口可无缝地集成到 现有的自动化任务中。对于开放性的需要既与运行期组件( 如控制器、变送器、执行 机构、h m i 等) 密切相关，也与工程设计平台密切相关。 二、一致性 e p a 采用公共的信息网络通信技术和开放的数据接口，使得工业企业综合自动化 系统从信息管理层到自动化现场设备层具有一致的、透明的数据传输，并贯穿从生产 计划到运行、维护和服务等相关的每一阶段都有明晰的开放接口。 三、易于集成 e p a 从系统集成的观点，为用户层功能模块提供组件化的数据传输接口、服务接 口、链接对象和管理功能块。由于这些组件的可重用性，使得用单个的组件组成新的 自控解决方案成为可能，同时也可提高系统应用质量和可靠性。 大连理工大学硕士学位论文 根据本规范，开发商提供组件化的应用开发工具，以及经过封装的和已经测试的 功能单元，控制应用工程师灵活地根据工程应用需求，进行组态和集成，从而可以降 低工程设计、投运、验收和服务阶段的成本。 本标准定义了e p a 控制系统的模型、体系结构和特征，系统中各组件之间的相互 通信关系与操作，以及如何管理、组态e p a 控制系统中的各物理设备。 3 1 2e p a 系统模型 e p a 控制系统模型如图3 - 1 所示。 图3 - 1 e p a 系统模型 f i g 3 - 1t h es y s t e mm o d a lo fe p a e p a 控制系统模型基于i e c6 1 4 9 9 ( p a s ) 介绍的功能模块结构模型和i e c 6 1 8 0 4 定义的功能模块元素。这两个标准规定了工业测量和控制系统分布式应用的结构模型 和原子级的功能模块，并通过分布式网络通讯功能模块联系起来。 从用户应用的角度看，e p a 控制系统是由一些基本的功能模块元素( 如模拟输入 模块a i 、模拟输出模块a o 、开关量输入模块d i 、开关量输出模块d o 、控制运算模 块如p i d 等) 组成，它们分布在一个或多个现场设备中。每个现场设备中都具有一个 e p a 通信实体，不同设备间的功能模块之间由e p a 通信服务来传输数据或事件信息， 以实现相互之间的协调工作，共同完成分布式控制应用任务。而基于x m l 的设备描 述则为不同设备间的互可操作提供保证。 基于e p a 的控制系统( 或e p a 系统) 是一种分布式现场网络控制系统，以e p a 通信网络为基础，并结合工业自动化生产现场物理环境，将若干个分散在现场的设备、 小系统以及控制监视设备连接起来，所有设备一起运作，共同完成工业生产过程和操 作中的i o 数据采集和自动化控制。 基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件设计 e p a 系统结构提供了一个系统框架，用来描述由基于以太网、无线局域网、蓝牙 等网络连接在一起的物理设备。在e p a 系统中，有三种子网：即基于以太网( i e e e 8 0 2 3 ) 、无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 ) 和蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 的子网。e p a 系统中的网 段可以是相同类型的子网，或者是两种或三种的结合。 每个物理设备通过提供一个或多个应用进程，来执行整个系统的一部分工作，应 用进程之间的通信通过e p a 通信实体实现。 3 1 3e p a 通信模型 e p a 通信模型参照i s o o s i 通信参考模型，取其物理层、数据链路层、网络层、 传输层、应用层，并在应用层之上增加用户层( 采用i e c 6 1 4 9 9 6 1 8 0 4 标准) ，以网络 层和传输层之间增加e p a 实时通信管理接口，共构成六层结构的通信模型。如图3 2 所示。 图3 - 2 e p a 通信模型 f i g 3 - 2 t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo fe p a 表格3 1e p a 通信模型同i s oo s i 七层参考模型比较 t h b 3 1t h ec o m p a r i s o no fe p ac o m m u n i c a t i o na n di s oo s im o d e l i s o o s i 参考模型e p a 通信结构模型 无 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 物理层、数据链路层 用户层( 用户应用进程) h 1 1 甲、f r p 、d h c p 、s n i p 、s n m p 、 e p a 应用层规范、e p a 管理功能块 未定义 未定义 t c p u d p 口及e p a 通信调度接口 正e e8 0 2 3 i e e e8 0 2 1 1 i e e e8 0 2 1 5 大连理工大学硕士学位论文 3 1 4 基于l e c6 1 4 9 9 、6 1 8 0 4 的分布式自动化参考模型 i e c 6 1 4 9 9 和i e c 6 1 8 1 m 具有以下主要的共同目标：基于部件的分布式网络化控制 系统，独立于制造商的工程设计和开放的通信。i e c 6 1 4 9 9 是国际电工委员会的工作组 ( i e c t c 6 5 w g 6 ) 制定的“工业测量与控制系统用功能块”。为了给从事各种应用技 术和特定现场总线领域的其它标准化组织和工业联合体提供一致的基础。 图3 - 3 基于功能块组件的e p a 分布式控制应用 f i 9 3 - 3t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o la p p l i c a t i o no f e p a b a s e do i lf u n c t i o nb l o c k e p a 和c 6 1 4 9 9 参考模型采用了具有多层的分层结构。其中，最上层称为系统 模型( s y s t e mm o d e l ) 。控制系统应用进程分布在一组设备上，这些设备通过通信网络 ( 如以太网、无线局域网、蓝牙等) 互连，这些分布式应用进程共同完成对过程对象 的控制过程。在第二层，设备模型( d e v i c em o d e l ) ) 包含由一个或多个资源组成的设 备，通过对这些资源的组合，在这些资源上执行分布式应用程序的本地部分。这些设 备可包括变送器、执行机构、现场控制器等不同种类的设备，最底一层，是具有分布 “ “ti 设备1 。 设备2 ： 【j 1 、 匕 1 f i _ t u j 压卜 资源x 资源y 资源z 图3 4 分布式应用进程的资源模型 f i g 3 _ 4t h ei c s o u l c cm o d e lo fd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n 基于e p a 现场总线控制系统的功能块组态软件设计 式应用程序的资源模型( r e s o u r c em o d e l ) ，它由互连的软件对象组成。它们在设备内 直接彼此通信或者它们具有通过e p a 通信网络的连接。在i e c 6 1 4 9 9 中的这些对象称 为e p a 功能块。 其中，功能块是e p a 系统中原子级的元素，也就是说它们是不可再分割的基本元 素，存在于一个包含可执行算法的实体内，而且具有用于输入和输出数据的可互连的 外部接口。 利用开发商提供的组态工具，控制应用工程师可选用这些功能块元素对象的实例 并将它们放在组态界面上( 组态工具完成这些对象的实例化) ，此后，在输入和输出 之间用图形化的线将这些实例的接口连接起来。这样就隐性地设计了e p a 网络上的通 信链。 在如图3 3 、3 - 4 所示的基于e p a 的分布式网络控制系统应用模型中，可以看出， 系统中各种设备可在一条或多条通讯链路上互相通讯，而且可对处于控制下的过程对 象进行接口。功能块应用进程由一个或多个功能块实例组成，它们之间由事件连接 ( e v e n tc o n n e c t i o n ) 和数据连接( d a t ac o n n e c t i o n ) 互联( 如图3 - 3 ) ，功能块实例可可 分布于一个或多个设备中。 个应用进程可以分布在同一或不同设备的多条资源中。资源利用此应用进程指 定的因果关系，决定对事件的合适响应，这些事件来自通讯和过程接口或资源的其他 功能。这些响应包括：算法的调度和执行、修改变量值、附加事件的生成、与通信和 控制对象过程接口的相互作用。 在分布式控制系统应用中，应用进程通过指定功能块或子应用进程之间的事件和 数据流因果关系，来决定每个功能块的算法所指定操作的相关资源的调度和执行。 3 1 5e p a 功能块 功能块以及功能块实例是一个软件功能单元，功能块由它们的输入、输出、内含 参数以及对这些参数进行操作的算法组成，并可用一个功能块位号来标识【柚l 。 功能块参数定义了输入、输出、和用来控制功能块操作的数据，输入和输出参数 可被用来通过连接在功能块间交换数据。功能块参数由一个元素标识( e l e m e n t i d ) 来 标识，并可用e p a 应用层服务来访问。 功能块里包含的算法原则上来说对功能块外部是不可见的，除非由功能块提供者 正式或非正式的予以描述。此外，此功能块可包含内部变量或状态信息，或两者都有， 它们在两次功能块的算法调用之间保持不变，但它们对功能块外部的数据流连接来说 都是不可访问的。 大连理工大学硕十学位论文 这里，输入事件调用执行控制的相应状态转换，这些状态转换激活相应算法并在 适当的时候发送输出事件。对于这些功能块，i e c 6 1 4 9 9 定义了执行和编程的内部模型。 事件输入端口 事件输出端1 2 1 数据流