（控制理论与控制工程专业论文）智能仪表epa通信接口的开发.pdf

iyiiiiiill90111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 5 5 y 19 0 9 1 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h e d e v e l o p m e n t o fe p aco m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eca r df o ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t c a n d i d a t e ：g u y a n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h a n gq u n l i d e c e m b e r ，2 0 1 0 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 融a 日期：如，1 年，月3 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后， 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交 论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：乃炙了通 日期：矽，、年，月j 弓日 指导教师签名： | 锄彳 f 醐：勿，年，黟日 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 由浙江大学、浙江中控技术有限公司等主持制定的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 ) 标准，是我国迄今为止首个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标 准。这一具有我国完全自主知识产权的原始创新成果，一举打破了众多跨国公司长达 2 0 多年的技术垄断，实现了我国工业自动化领域国际标准零的突破。目前e p a 标准已 进入国际标准出版阶段，当前的主要工作是开发e p a 相关的各类现场仪表以及推广e p a 国际标准的应用。 本课题以实验室已成功开发的智能阀门定位器为研究对象，开发了相应的e p a 通信 接口卡，配备了此通信接口卡的智能阀门定位器可以直接应用于e p a 控制网络，在此基 础上开发a i 和a o 功能块，使得应用该接口卡的现场仪器具有较好的互操作性。 论文主要完成的工作如下： ( 1 ) 介绍了现场总线的发展背景，分析了现场总线的优缺点和新的发展方向，从而 引出e p a 研究的必要性。在简单阐述e p a 标准的发展历程和技术特性的基础上，提出 智能阀门定位器的e p a 通信接口卡的设计与开发。 ( 2 ) 针对e p a 通信接口卡的设计详细阐述了接口卡的软件和硬件设计，软件设计过 程中对通信协议的模型、驱动程序模块和协议栈软件的实现分别进行了描述，并最终给 出软件设计的总体框架。硬件设计过程中，对具体的设计方案进行了比较，在此基础上 对接口卡进行总体设计，并给出了部分控制电路的详细设计。 ( 3 ) 简单介绍e p a 功能块规范，在此理论基础上详细设计了e p a 功能块，主要包 括开发方式的选择和具体的软件实现。最后详细介绍了两种典型的e p a 功能块和 a o 的算法和软件实现流程。 ( 4 ) 详细介绍了智能阀门定位器的接口程序的开发过程，包括接口开发程序模式的 选择，串口通信程序的帧格式的具体定义，根据设计需要，最后还给出了校验码的详细 设计方法。 ( 5 ) 描述了一致性测试和互操作测试原理，结合测试需求设计测试系统。测试结果 显示本文设计的接口卡通过一致性和互操作测试，同时也表明配备了此接口卡的智能阀 门定位器可以成功应用于e p a 控制网络。 关键词：现场总线，e p a ，智能阀门定位器，接口卡，功能块 杭州电子科技大学硕十学位论文 a b s t r a c t e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ( e p a ) w a sf o r m u l a t e db yz h e ji a n gu n i v e r s i t y , z h e ji a n g s u p c o nc o l t da n do t h e ri n s t i t u t i o n s i ti st h ef i r s ta u t o m a t i o ns t a n d a r da c c e p t e da n d r e l e a s e d b yt h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o ni nc h i n a t h eo r i g i n a li n n o v a t i o nw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sh a sb r o k e nt h et e c h n o l o g i c a lm o n o p o l ym a d eb y m a n ym u l t i n a t i o n a lc o m p a n i e si nt h ep a s t2 0y e a r s i ta l s oh a sa c h i e v e dab r e a k t h r o u g ha b o u t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d si nt h ef i e l do fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n t h ee p as t a n d a r dh a se m e n dt h e s t a g eo fi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d sp u b l i s h m e n ta n dw h a tn e e dt od on o wi st od e v e l o p e p a r e l a t e di n s t r u m e n t sa n dp r o m o t et h ee p ai n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d b a s e do nt h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r , t h ed e t a i l so fd e s i g n a n d d e v e l o p m e n to f t h er e l a t e de p a c o m m u n i c a t i o nc a r da r ep r e s e n ti nt h ep a p e r t h ea ia n d a of u n c t i o nb l o c k sa r ea l s od e v e l o p e d s ot h a tt h ef i e l di n s t m m e n t sa p p l y i n gt h ei n t e r f a c e c a r dm a yh a v eg o o di n t e r o p e r a b i l i t y t h em a i nw o r k si nt h et h e s i sa r e 瑟f o l l o w i n g ： ( 1 ) i n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do f t h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u s ，a n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ff i e l d b u sa n dp o i n to u tt h en e wd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t ，t h e nd r e we p a n e c e s s i t y a f t e rb r i e f l y e l a b o r a t e dt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fe p a , t h ee p a c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec a r da r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e df o r t h e i n t e l l i g e n t v a l v e p o s i t i o n e r ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no ft h ee p ac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec a r d ，t h ed e s i g no ft h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ed e s c r i b e dd e t a i l t h er e a l i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l m o d e l , d r i v e rm o d u l ea n dp r o t o c o ls t a c ks o f t w a r ea r ed e s c r i b e dr e s p e c t i v e l yi ns o f t w a r e d e s i g np r o c e s s ，a n df i n a l l yg i v e st h ed e s i g no fs o f t w a r e 触m e 、 ，o r k i nt h eh a r d w a r ed e s i g n p r o c e s s ，t h es p e c i f i cd e s i g ns c h e m e sa r ec o m p a r e d ，a n db a s e do nt h i s ，t om a k ea no v e r a l l d e s i g no f t h ei n t e r f a c ec a r da n dg i v e sd e t a i l e dd e s i g no f p a r to f t h e c o n t r o lc i r c u i t ( 3 ) b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ee p a f u n c t i o nb l o c k ss t a n d a r d b a s e do nt h et h e o r y ，t h ee p a f u n c t i o nb l o c k sa r ed e t a i l e dd e s i g n e d m a i n l yi n c l u d e st h ec h o i c eo ft h ed e v e l o p m e n tp a t t e r n a n dt h es p e c i f i cs o f t w a r er e a l i z a t i o n f i n a l l yi n t r o d u c e dt h ea l g o r i t h ma n dt h es o f t w a r e r e a l i z a t i o np r o c e s so f t w ot y p i c a le p af u n c t i o nb l o c k sa ia n da o ( 4 ) d e t a i l e di n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h eu s e rp r o g r a mo ft h ei n t e l l i g e n t v a l v ep o s i t i o n e r , i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no ft h eu s e r sd e v e l o p m e n tm o d e l ，t h es p e c i f i c 杭州电子科技大学硕士学位论文 d e f i n i t i o n so fs e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mf la m e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nn e e d s ，a tl a s t g i v e st h ed e t a i l e dd e s i g nm e t h o do fc h e c k c o d e ( 5 ) d e s c r i b et h ep r i n c i p l eo fc o n s i s t e n c ya n d i n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n g d e s i g nt e s ts y s t e m c o m b i n i n gw i t ht e s td e m a n d s t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r f a c ec a r dp a s s e dt h ec o n s i s t e n c y a n di n t e r o p e r a t i o nt e s t i n g ，a n da l s os u g g e s tt h a ti m e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e re q u i p p e dw i t ht h e i n t e r f a c ec a r dc a nb es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ee p ac o n t r o ln e t w o r k k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，e p a , i n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r , i n t e r f a c ec a r d ，f u n c t i o nb l o c k 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 现场总线技术概述j 1 1 1 1 现场总线简介l 1 1 2 现场总线的优缺点及新的发展方向l 1 2e p a 技术2 1 2 1e p a 技术发展简介2 1 2 2e p a 网络结构及系统特性3 1 2 3e p a 网络拓扑结构6 1 3 智能仪表的发展与趋势7 1 3 1 智能仪表简介7 1 3 2 智能仪表的特点及发展趋势8 1 4 课题背景8 1 5 本文的研究内容。9 第2 章e p a 功能块规范10 2 1 功能块基本定义1 0 2 2e p a 控制系统模型一1 0 2 3e p a 现场设备模型一1 1 2 4e p a 功能块模型1 2 2 4 1 基本功能块模型l2 2 4 2 复合功能块模型13 2 5e p a 功能块的分类。1 4 2 5 1 资源块1 4 2 5 2 报警块1 4 2 5 3 技术块14 2 5 4 基本功能块1 4 2 6 数据结构定义1 5 2 6 1 功能块头信息数据结构e p ab l o c k 1 5 2 6 2 模拟量数据结构f ba n a l o g 1 5 2 6 3 数字量数据结构f bd i s c r e t e 15 2 6 4 量程数据结构f bs c a l e 1 5 2 7 功能块间的通信1 5 2 8 本章小结16 第3 章e p a 通信接口卡的设计17 3 1e p a 通信接口卡的硬件设计1 7 3 1 1 通信接口卡可选方案17 3 1 2 通信接口卡总体设计1 8 3 1 3 接口卡的对外接口设计1 9 杭州电子科技大学硕十学位论文 3 2 通信接口卡部分电路详细设计2 0 3 2 1 电源部分。2 0 3 2 2 网络变压器部分2 1 3 2 3 数据总线及摔制线接口部分2 l 3 2 4 复位电路部分2 2 3 3 通信接口卡软件设计2 3 3 3 1 通信协议模型2 3 3 3 2 硬件驱动程序模块2 4 3 3 3e p a 协议栈软件2 4 3 3 4e p a 用户应用程序2 5 3 4 系统整体设计2 5 3 5 本章小结2 8 第4 章e p a 功能块的设计与实现2 9 4 1 功能块的开发方式2 9 4 2 功能块的软件设计2 9 4 3m 功能块的实现3 2 4 3 1 仿真3 3 4 3 2 输出o u t 计算3 4 4 3 3 触功能块软件实现3 5 4 4a o 功能块的实现3 5 4 4 1a o 功能块的算法实现3 7 4 4 2a o 功能块软件实现3 8 4 5 功能块与通信协议栈通信3 9 4 6 本章小结4 0 第5 章智能阀门定位器的接口程序开发一4 l 5 1 接口程序开发模式4 l 5 2 串口通信程序开发4 3 5 3 串口通信协议4 4 5 3 1 数据帧格式4 4 5 3 2 变量命令帧及确认帧格式4 5 5 - 3 3 串口通信模式设置4 6 5 4 校验码计算4 7 5 5 本章小结4 8 第6 章协议一致性和互操作性测试4 9 6 1 一致性测试4 9 6 1 1 协议一致性测试原理4 9 6 1 2 协议一致性测试系统5 0 6 2 互操作性测试51 6 3 本章小结5 2 第7 章总结与展望5 3 7 1 本课题总结5 3 7 2 本课题展望一5 3 致 谢一5 4 参考文献5 5 v 杭州电子科技火学硕士学位论文 v i 8 9 2 6 5 5 6 6 1 2 3 4 录录录录附附附附 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 现场总线技术概述 1 1 1 现场总线简介 现场总线( f i e l d b u s ) 是2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，是应用 在生产现场，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统，被誉为 自动化领域的局域网l 。 现场总线技术是数字化技术发展的产物，它的发展结合了控制、计算机以及通信等 诸多技术。现场总线技术主要就是使用双绞线等可简单连接的媒介作为总线，把多个具 有数字处理和通信能力的现场仪表连接成一个网络系统，并按照公开的通信规范，实现 仪表之间以及仪表与上位机之间的数据交互【2 】。也就是通过现场总线的连接，将单个的 测控设备整合成一个信息互通，并可以共同完成控制任务的网络控制系统。 计算机及其网络随着计算机功能的提高和价格的大幅度下降而得到了快速发展。测 控自动化系统处于企业生产过程的基层，由于其自身的物理连接特性，因此其信号的测 量和控制一般只能采用封闭式d c s 系统或模拟信号，这就导致了设备间互相独立，系 统信息难以与外界交互，从某种程度上限制了测控自动化系统的发展。要突破这种困境， 就需要构建运行在生产现场、性能可靠、造价低廉的工厂底层网络，实现各自动化设备 间通信，完成它们之间以及现场与外界的数据交互。现场总线就是在这样的背景下产生 的【3 1 。 1 1 2 现场总线的优缺点及新的发展方向 现场总线技术作为数字化技术发展的产物，突破了传统控制系统的结构形式，应用 现场总线技术，必将获得巨大收益。其主要优势如下所示 3 - 5 ： ( 1 ) 通过现场总线这一联系枢纽，控制系统能够接受到各个现场设备的不同数据， 进而更利于存档、趋势分析、过程优化以及生成报告，提高控制性能。 ( 2 ) 随着现场总线设备的智能化发展，越来越多的设备可实现自检、动态监测等功 能，在提高的安全性的同时也为预防维护和预知维修提高了基础数据。 ( 3 ) 现场总线的接线十分简单，一条电缆或对双绞线上通常可以挂接若干设备， 大大减少了电缆和分线盒的用量，同时也减少了现场设计、安装和调试的工作量，节省 了安装费用。 ( 4 ) 由于现场总线系统的设备标准化和功能模块化发展，现场智能设备可以直接执 行传感控制和计算功能，减少了变送器的数量，还可以用工控p c 机作为操作站，从而 节省了硬件数量和投资。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 与模拟信号相比，智能化、数字化的现场总线设备从根本上提高了测量与控制 的精确度，从而减少传送误差；系统工作的可靠性因为其结构的简单化也得到了提高。 虽然经过了多年的应用实践和发展研究，但现在现场总线仍然存在许多缺陷。 首先，标准的不统一，在某种意义上限制了现场总线技术向统一开放的方向发展。 目前应用广泛的现场总线标准繁多，主要有基金会现场总线，p r o f i b u s ，1 n t e r b u s ， c o n t r o ln e t 等。 其次，现场总线作为一种简单的通信协议，通信速率低是其最明显的缺陷，如基金 会现场总线的h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，虽然c o n t r o ln e t 以其较快的通信速度被人 熟知，但也只有5 m b i t p s l 6 。并且随着智能化仪表的飞速发展，传输的数据量越来越大， 要求传输速率越来越高，这也就阻碍了目前的现场总线在未来通信网络中的应用，然而 以太网技术在传输速率方面则拥有明显的优势。 实践表明，目前发展最成功的网络技术是统一开放的以太网技术，世界各国科研组 织共同努力，攻破了以太网技术的众多关键技术，使其得到了快速发展，同时工业网络 的实时性、环境适应性以及总线馈电等多方面的技术要求也得到了满足。现在以太网正 在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，我国自主研制的工业以太网e p a 技术和相 关标准也取得了很大的进展【7 1 。我们有理由相信，经过国内外众多科研组织、院所及若 干企业的共同努力推动，工业以太网势必成为极具生命力的现场总线发展领域。 1 2e p a 技术 1 2 1e p a 技术发展简介 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 的简写，是一种实时以太网标准。e p a 标准是 由浙江大学、浙江中控技术有限公司等机构主持制定，我国对此标准拥有完全自主知识 产权。在工业自动化领域，它是我国第一个被国际标准组织接受并发布的标准。长期以 来，现场总线的核心技术一直掌握在国外企业手中，我国只能对其跟踪研究，然而这一 创新成果改变了这样的格局，也使我国在新一轮的实时以太网技术发展中处在了平等竞 争的状态。 e p a 标准的成功制定是一个长期而艰巨的过程，是各个单位的专家和e p a 标准工作 组代表的共同努力的结果。e p a 标准的发展历程如下o 】： 2 0 0 1 年，由浙江大学牵头，以浙江中控技术有限公司为主，众多单位联合承担国家 8 6 3 计划c i 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”，开始制定e p a 标准。 2 0 0 2 年，在t c 6 5 年会上，中国专家提出应制定工业以太网标准，但国际电工委员 会没有接收该提议。 2 0 0 3 年，多家跨国公司再次提案后，国际电工委员会开始制定实时以太网标准，但 像e p a 这样没发布的现场总线标准被排除在外。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 0 0 4 年1 月，i e c s c 6 5 c 联合工作组会议在法国南部小镇p a u l l i a c 召开，同意e p a 等实 时以太网协议作为公共可用规范p a s 标准化文件提案。 2 0 0 5 年3 月，e p a 标准以9 5 8 ( i e c 规定5 0 以上方可通过) 的赞成票通过了 i e c s c 6 5 c 成员国的投票，并以i e c p a s6 2 4 0 9 标准予以公开发布。 2 0 0 5 年6 月，现场总线国际标准i e c 6 115 8 维护工作组i e c s c 6 5 c m t 9 召开互联网电 话会议，将e p a 列入第十四类型，添加到i e c 6 11 5 8 第四版。 2 0 0 5 年1 2 月5 日一9 日，i e c s c 6 5 c m t 9 和w g l l 在美国召开了联合工作组会议。会议 上e p a 被列入i e c 6 1 1 5 8 ( 第四版) 中的第十四类型，并列为与i e c 6 1 1 5 8 相配套的 i e c 6 1 7 r 4 2 7 中的第十四应用行规簇，标志着e p a 标准得到国际电工委员会的正式承认， 并全面进入现场总线国际标准化体系。 2 0 0 7 年1 0 月，国际电工委员会发布i e c6 1 7 8 4 2 署i i e c6 11 5 8 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 的投票 结果，这些标准均以1 0 0 的赞成率通过了f d i s 阶段的投票，表明这两个标准已经正式 成为国际标准，并进入国际标准出版阶段。 其中，e p a 标准协议作为第十四类型t y p e1 4 y u 入了i e c6 11 5 8 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 ，而 e p a 的应用技术则作为c p f l 4 y u 入了实时以太网国际标准i e c6 1 7 8 4 2 。 1 2 2e p a 网络结构及系统特性 e p a 标准的通信模型是一个六层结构的模型。考虑到设备的通信处理负荷，e p a 标 准在应用层上直接定义底层协议的接口，省略了国际标准化开放系统互连模型中的会话 层、表示层，而采用了其中的物理层、数据链路层、网络层和应用层，并在应用层的基 础上增加了用户层。 e p a 标准的通信模型与国际标准化开放系统互连模型的映射关系如图1 1 所示】。 o s i 各层e p a 各层 用户层( 用户应用进程) 应用层 h t t p 、f t p 、d h c p 、s n t p 、 s 脚等e p a 应用层 表示层 未使用 会话层 传输层 u d p 厂 网络层r | 黼曙姆p 数据链路层 e p a j 置信调度管理实体 i s o 瑾c 8 8 0 2 - 3 e e 8 0 2 11 物理层 i e e e 8 0 2 1 5 图1 1e p a 与i s o o s i 模型的映射 e p a 系统结构的组成除了映射图中所示的协议组件外，还包括e p a 系统管理实体、 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 e p a 应用访问实体、e p a 管理信息库等部分。另外e p a 标准在数据链路层与用户之间 定义了e p a 通信调度管理实体，这项技术主要用于确定性通信调度管理，从而保证网 络的实时性。e p a 用户层则采用i e c 6 1 4 9 9 协议定义的“工业过程测量和控制系统用功 能模块 和i e c 6 1 8 0 4 协议定义的“过程控制用功能块 。 e p a 标准是一种全新的开放性实时以太网标准，其利用高效、稳定的以太网和基于 u d p i p 协议的确定性通信调度技术，为实时工作的现场设备建立了全新的标准。 e p a 标准在工业现场实现了以太网通信的同时，也使工业现场设备层网络与主流通 信技术同步发展，使工业自动化系统各层次的信息无缝集成，加快了工业企业的信息化 改造进程。e p a 技术以商用以太网技术为基础，结合工业控制网络的特殊要求，进行创 新并使其系统具备了如下特性【1 2 - 1 4 1 ： 1 确定性通信。以太网因其采用c s m a c d 介质访问控制机制、存储转发机制和 “广播风暴”风险的存在而具有通信的“不确定性”特点，这一特点阻碍了其在工业控 制网络中的应用【l5 1 。工业控制网络的通信除了要求较高的实时性外，还具有以下特点： ( 1 ) 周期信息和非周期信息并存，且正常工作状态下周期性信息的信息量比非周期 性的大： ( 2 ) 有限的时间响应，工业控制网络对响应时间要求较高，一般范围为0 o l 一1 s 内； ( 3 ) 通信关系确定，信息流向具有明显的方向性： ( 4 ) 信息的传送会严格遵循既定的组态方案中的时序安排； ( 5 ) 工业控制网络中传输的信息量少，吞吐量小且负荷平稳。 e p a 通信系统中，控制现场被划分成多个微网段，微网段之间通过e p a 网桥连接， 整个现场的通信流量得到了限制，减少了碰撞。针对工业控制网络的通信特点，e p a 标 准创新性地定义了e p a 通信调度管理实体，该实体按照既定的组态调度方案，采用分 时发送机制，向网络上发送各个e p a 设备的周期报文和非周期报文，由此避免了碰撞， 保证了e p a 设备间通信的确定性和实时性。e p a 通信调度示意图如图1 2 所示【1 1 1 。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 d 1 d 2 d 3 1 3 4 d 5 d 6 圈周期报文 囡非周期数据声明l 非周期报文回非周期数据发送结束声 图1 2e p a 通信调度示意图 2 e 网到底。现场智能设备可以通过e p a 网络提供的实时数据通信服务实现信息 透明互访，实现了真正的“e 网到底”。 将e p a 网络应用于工业自动化系统，可以实现智能工厂从底层到上层的整个控制 系统基于以太网技术的统一，实现了水平和垂直两个方向的信息无缝集成。 利用e p a 网络也可以实现传统控制系统( 如d c s ) 与基于e p a 的现场总线控制系 统f c s 之间的信息无缝集成，工业现场设备中的大量信息能够无缝地传递到控制层和 管理层系统，再结合应用信息集成创新、数据增值挖掘、数据综合利用等技术，工业企 业生产的全过程管理将变得更高效、更智能。 3 互可操作。与传统的4 2 0 m a 标准不同，工业数据通信网络在采用统一的物理 层和数据链路层标准实现信号的互连互通的基础上，还需要解决信息的互通问题，即不 同设备间信息的互相识别，实现互可操作。 如今，越来越多的控制系统采用了基于以太网、t c p i p 协议的通信网络，因此必 须要建立统一的高层协议，用于实现设备间的信息互通，在此基础上实现系统的互可操 作。 为此，e p a 标准除了实现实时通信技术外，还为应用程序定义了应用层协议规范。 如系统管理服务、变量访问服务以及域上下载服务等。 e p a 标准还规定了设备资源、功能块及其参数接口的描述方法，并采用扩展标记语 言x m l 为设备描述语言，设备制造商可根据此标准部分对其设备资源进行描述。用户 可采用通用的d o m 技术对e p a 设备描述文件进行解释，以获得设备功能与参数接口 信息，从而实现各厂家设备之间的互可操作i i6 。 4 开放性。e p a 标准完全兼容i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 1 p & q 、i e e e 8 0 2 1 d 、i e e e 8 0 2 1 1 、 杭州电子科技大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 5 以及u d p ( t c p ) i p 等协议。商用通信线缆( 如双绞线、同轴线缆、光纤等) 也均可应用于e p a 系统中。 e p a 网络支持其他以太网、无线局域网、蓝牙上的其他协议报文的并行传输。这样 的话，e p a 系统可以继承信息技术领域中的众多先进技术和资源。 5 分层化的安全管理策略。e p a 标准是基于以太网技术的标准，因而必将带来以 太网中存在的网络安全问题。为解决这一难题，e p a 标准对信息管理层、监控层和现场 设备层制定了分层化的网络安全管理措施。 对于现场设备层，e p a 标准采用特定的网络安全管理功能块，检测接收报文的访问 权限和访问密码等，如果检测结果合法，则处理该报文，否则予以丢弃。 对于监控层，不同微网段被逻辑隔离，阻止了非法报文流量的干扰，从而确保e p a 网络的正常通信。 对于信息管理层，主要接受来自互联网上的远程访问，e p a 网络主要采用e p a 代 理服务器措施防止远程非法访问。 6 支持冗余。e p a 标准支持网络冗余、链路冗余和设备冗余，并规定了相应的故 障检测和故障恢复措施【l 7 1 。 1 2 3e p a 网络拓扑结构 e p a 网络由现场设备级l 1 和监控级l 2 两个网段组成，其网络拓扑结构【如图1 3 所示。l l 网段用于连接工业生产现场的各种现场设备，同时也作为现场设备与l 2 网段 之间的接口；l 2 网段则主要用于远程工作站、监控室装置等之间的连接。 图1 3e p a 网络拓扑结构图 e p a 控制系统中的设备包括e p a 主设备、e p a 现场设备、e p a 网桥以及e p a 无 线接入设备等。 e p a 主设备是处于l 2 网段上的设备，具有e p a 通信接口，如工程师站、操作站 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 等。e p a 网桥主要用来连接不同的微网段或者用与微网段和l 2 网段的连接。e p a 现场 设备是指应用于工业现场环境的设备，如变送器、执行器、数据采集器等。 1 3 智能仪表的发展与趋势 1 3 1 智能仪表简介 仪器仪表随着电子和计算机技术的发展而逐渐地智能化，可以说智能化是现代仪器 仪表的发展趋势，智能化仪表以微控制器为核心，以计算机控制理论为基础，同时结合 计算机、电子和测控技术，从而产生新的智能化测控系统【l 剐。智能仪表实质上是一个专 用的微计算机系统，主要有硬件和软件两部分组成1 9 1 1 2 0 】： 硬件部分主要由微控制器及其接口电路、模拟量输入输出通道、开关量输入输出 通道、通信接口电路、人机交互通道以及其他外围设备的接口电路组成。微控制器及其 接口电路包括微控制器、存储器和i o 接口电路等。模拟量输入输出则由a d 和d a 转换器构成。开关量输入输出电路包括输入电路处理和输出功放电路。通信接口则被 用来实现与外界的数据交互。人机交互通道指的是诸如键盘、显示器接口电路等。其硬 件组成框图如图1 4 所示。 开关量 信号 开关量 信号 开关量 信号 开关量 信号 开关量的开关量的开关量的开关量的 输入电路输入电路输入电路输入电路 上土上上 微控制器及其接口电路 上j 1 l 上 开关量的开关鼍的开关最的开关量的 输入电路输入电路输入电路输入电路 信号信号信号信号 图1 4 硬件组成框图 软件部分主要由系统软件和应用软件组成。系统软件包括实时操作系统和引导程序 等，应用软件则包括监控软件、中断服务软件以及各种功能模块。监控软件主要用来接 收和分析各种命令，对整个程序的执行起到了管理和协调的作用。中断服务程序是在微 控制器对人机接口或其他外围接口的中断申请作出响应后直接执行的，实现了对任务的 实时处理。功能模块则用来实现仪表的数据处理和控制功能。 7 杭州电子科技火学硕士学位论文 1 3 2 智能仪表的特点及发展趋势 在核心部件微处理器的作用下，智能仪表相比传统仪表具备如下特剧2 l 】【2 2 】： 1 智能仪表的功能很强大。因为智能仪表内含的微处理器可以较好地存储和处理 数据，在相应软件的配合下，智能仪表的功能进一步增强。 2 智能仪表的性能更优越。因为微处理器对数据的运算处理，智能仪表更容易实 现自动补偿、自动校正和多次测量取平均等技术，再通过执行一些巧妙算法来弥补仪表 自身的硬件缺陷，仪表的整体性能得到极大改善。 3 操作的智能化程度更高。对于智能仪表，用键盘取代了传统仪表的旋钮和开关， 并实现了自动选择量程、自动校准等功能，操作更为方便，测试精度也得到了提高。 4 可实现硬件软化。因为智能仪表中使用了微处理器，更多的软件可以用来代替 硬件逻辑，减小了仪表体积，降低了功耗和成本。 5 采用面板显示。智能仪表均采用面板显示，且面板显示字迹清晰、直观。 6 具有白测试和自诊断功能。智能仪表能够测试自身各项功能是否工作正常，如 有异常，仪表会自己确定故障点并给出指示。这项功能使仪表的可靠性得到了极大提高。 目前，随着工业生产向综合自动化大规模方向的发展，生产的工艺流程日趋复杂， 同时现场总线技术和工业以太网也得到了蓬勃发展，工业仪表朝着网络化、智能化、数 字化的方