（检测技术与自动化装置专业论文）epa分布式网络控制系统的设计与应用.pdf

浙江大学q i_ 学位论文 e p a分布式网络控制系统的设计i j 1v 用 摘要 当前， 在工业控制领域， 多种现 场总线标准并存的局面使得人们把以 太网 技术 纳入了现场总线标准化工作的范畴。 因此， 在科技部 8 6 3 ” 计划支持下进行了e p a ( e t h e rn e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n )项目 的攻关，解决了以 太网 用于工业现场设备的 关键性技术难题。e p a 标准被列为实时以太网标准 i e c 6 1 7 8 4 - 2中的第 1 4族 ( c p f 1 4 , c o m m o n p r o f ile f a m ily 1 4 ) ， 成 为 我国 第 一 个 被ee c 组 织 正 式 承 认 拥 有 自主知识产权的现场总线国家标准。 本论文分析了工业控制技术与工业以太网技术， 围绕着如何设计和应用基于以 太网技术的工业控制系统e p a 标准的分布式网络控制系统而展开论述。原创 性地提出了 “ 总体分散、局部集中”的系统构架和网络拓扑结构，设计并实现了 e p a系统独有的确定性调度机制。在系统的整体设计之后，对 e p a分布式网络控 制系统的核心部件现场控制器和网桥的设计进行了详细的阐 述。 通过对现场 控制器和 网桥的功能需求分析，提出它们的总体设计方案;然后从硬件设计与软 件设计两个大的方面进行剖析，根据不同的功能，分解出若干硬件子模块与软件 子模块，再对各个子模块进行详细设计。 论文随后 研究分析了e p a分布式网 络控制系统的网络布线、电 力电 缆布线、 信号布线、 接地、 系统供电 等现场应用的 关键问题， 提出了工程相关的实施规范。 通过对抗干扰模型、接地模型、线缆电容分布模型、线缆电感分布模型、线缆辐 射模型的分析，结合实际的工程应用经验，提出了布线与接地规范;通过供电负 荷预测以及线缆电流容量的理论计算分析，形成了系统供电指导规范。 e p a分布式网络控制系统在龙山化工的纯碱碳化装置进行了成功的验证应用， 系统至今一直稳定可靠地运行。 【 关键字】 e p a，工业以太网，现场总线，控制器， 网桥，规范 浙 江 人 学 硕 : 学 位 论 文e p a分布式网络控制系统的设计， 刃仗 用 ab s t r a c t c o - e x i s t e n c e o f m u l t i - f i e l d b u s p r o t o c o l s i n c u r r e n t c o n t r o l f i e l d l e a d s t o w i d e a p p l i c a t i o n o f i n d u s t r i a l e t h e r n e t . wi t h t h e s u p p o rt o f t h e n a t i o n a l 8 6 3 p l a n , e p a ( e t h e r n e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n )t e c h n o l o g y i s d e v e l o p e d , a n d s o me c r u c i a l t e c h n o l o g i c a l p r o b l e m s a r e s o l v e d . n o w , d i g i t a l d a t a c o m m u n i c a t i o n f o r t h e m e a s u r e me n t a n d c o n t r o l -e p a f o r u s e in i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e ms b e c a me t h e c p f 1 4 ( c o mm o n p r o f i l e f a m i l y 1 4 ) o f t h e r e a l t i m e s t a n d a r d i e c 6 1 7 8 4 - 2 . b a s e d o n t h e in t r o d u c t i o n o f c u r r e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d i n d u s t r i a l e t h e r n e t , t h e a r c h i t e c t u r e o f c o n t r o l s y s t e ms , t h a t i s , b a s e d o n e p a i s p r o v i d e d f i r s t 珍 t h e n , t h e i m p l e me n t a t i o n o f d e t e r mi n i s t i c c o mm u n i c a t i o n s c h e d u l i n g i s a n a l y z e d . s o me c ru c i a l d e v i c e s , s u c h a s e p a f i e l d c o n t r o l l e r s a n d e p a n e t w o r k b r i d g e s , a r e d e v e l o p p e d f r o m t h e a s p e c t s o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e . a l s o , s o me o t h e r p r o b l e m s , s u c h a s p o w e r s u p p l y , c a b l in g a n d e a r t h i n g o f e p a i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m a r e d i s c u s s e d . a c c o r d i n g t o t h e t h e o ry a n a l y s i s a n d t h e e x p e r i e n c e o f t h e fi e l d a p p l i c a t i o n s , t h e p r o f i l e o f t h e a p p l i c a t i o n s i s b r o u g h t o u t . t h e s y s t e m b a s e o n e p a w a s u s e d i n ha n g z h o u l o n g s h a n c h e m i c a l p l a n t , a n d i t i s run we l l u n t i l e no w k e y w o r d s e p a, i n d u s t ia l e t h e rne t , f i e l d b u s , c o n t o l l e r , ne t w o r k b r i d g e , p o r f il e 淆 1 1 反 浙江人学硕 : 学位论文e p a 分 布 式 网 络 控 制 系 统 的 设计 与应 用 第一章综述 在连续的 过程控制中，常规仪表控制和早期的计算机控制可以归纳为仪表分 散控制系统、仪表集中控制系统和计算机集中控制系统。在常规模拟仪表控制和 计算机集中 控制的 技术积累基础_ 匕 发展形成了 计算机集散控制系统; 9 0 年代产 生的现场总线控制系统的产生满足了企业的信息集成以及综合自动化需求， 但是， i e c 6 1 1 5 8 的诞生预示着今后相当长时间内 将出现多种总线共存的局面。新千年之 后，工业以太网技术得到了充分的发展，如果采用以太网作为现场总线，可以避 免现场总线技术游离于计算机网络技术的 发展主流之外， 使现场总 线和主流的计 算机网络技术很好地融合起来。 1 .1 工业控制技术的发展 现代科技领域中， 计算机技术和自 动化技术被认为是发展最快的两个分支， 计 算机控制技术是这两个分 支相结合的产物， 它是工业自 动化的重要支柱。 工业自 动化技术的广泛应用能够提高企业生产的技术水平、节能降耗、促进生产的柔性 化和集成化。工业自动化根据生产过程的特点又可分为过程控制自动化和制造 自 动化以 及各种自 动化的测量系统。过 程控制自 动化是以流程工业 ( 如化工、 石油、 电力、造纸等)为对象;制造工业 自 动化是以离散型制造过程 ( 如汽车、飞机、 电子设备及机床等)为其对象;混合型制造业 ( 又称间隙过程工业)自动化则以 冶金、食品、玻璃、纸制品、半导体和纺织为对象，对于这些不同的工业对象发 展 相应 的 控 制 技 术。 m 21 早在 7 0年代以前，过程控制仪表 ( 包括控制器、显示仪表、检测仪表等)在 过程控制工业中广泛应用，其中控制器是控制系统的核心。过程控制仪表的发展 大体上经历了以下阶段: 3 0 年代到 4 0 年代，采用大尺寸的基地式仪表，实现单体设备就地真正的分散 控制。 4 0 年代到 5 0年代，采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表及巡回检测装 置，实现了集中显示和集中控制。 5 0 年代到7 0年代中期，晶体管技术的飞速发展，采用电气信号 ( 1 1 或i i i 型) 传输，电动组合仪表如控制器、显示仪表、记 录仪都集中安装f 时空 制室内。 7 0 年代中期至今，出现了集敞控制系统.逐渐发展并得到排广应用。 浙江大学硕 卜 学位论文e p a分布式网络控制系统的设计与应用 控制网络的出现导致了传统控制系统结构的变革， 形成了网络集成式控制系统 的新型结构， 这就是现场总线控 制系统。 9 0 年代后，采用数字信号 ( 现场总线) 传输，将网络技术引入到现场仪表 ( 变送器、控制器、执行器等)中，控制器相 应的基地化， 数据处理和控制可以“ 就地处理” ， 变送器和执行器中具 有了控制功 能，做到了真正的分散控制。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式 模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、 集散控制系 统 ( d c s ) 之后控制系统 的新型结构形式。 二十一世纪是信息经济的时代。随着计算机技术、 信息技术的飞速发展， 全球 市场进一步形成，竞争也空前加剧， 产品 技术含量更高、换代时间更短。 处于全 球市场之中的工业生产为了适应市场竞争的需要，在追求竞争力的过程中逐渐形 成了计算机集成制造系统。计算机集成制造系统采用系统集成、信息集成的观点 组织生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑 的 生 产 过 程， 并 采 用 计 算 机、 自 动 化、 通信 等 技 术 来 实 1n l 整 个 过 程 的 综 合自 动 化， 以改善生产加工、管理决策等。为了实现这个 目 标，必须有一个连接企业控制层、 管理层与工业现场设备级的网络、必须有一个覆盖整个企业范围的网络。 要实现整个企业的信息集成，要实施综合 自动化，首先必须有一种能在工业 现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成 现场自 动化设备之间的多点数字通信，实 现底层现场设备之间以及生产现场与外 界的信息交换。 现场总线在这样的需求下产生。 现场总线控 制系统 ( f c s ) 由于其 彻底的开放性、分散性和完全可互操作等特点， 正成为 未来新型工业控制系统的 发展方向之一。 然而 1 9 8 4年美国i n t e l 公司推出b i t b u s 标准以来，现场总线标准经历了十五 年的发展历 程， 其间产生了几十种现场总线，如w o r l d f i p , l o n w o r k s , p r o f i b u s , f f , c o n t r o l n e t , c c - l i n k 等。由 于这些标准和协议分别 代表着某些跨国大公司和 集团的利益，因此它们的竞争非常激烈，现场总线国际标准的制订也迟迟未能完 成。许多用户和组织都期盼现场总线国际标准能尽快制定，以解决现场总线技术 和产品无序竞争的问 题。然而，2 0 0 0 年 1 月 产生的包括f f , p r o f i b u s , w o r l d f ip 等八 种 总 线 类 型的 现 场总 线 国 际 标 准 -ie c 6 1 1 5 8 , 却 打 破 了 人 们 的 梦 想。 3 4 5 1 i e c 6 1 1 5 8 的诞生， 预示着今后相当 长的时间内将出现多种总线共存的 局面。 山于每种总线的通信i l 议各不相同，因此尽管该总线标准范围内的产品可实现互 操作，但从总体来说现场总线控制系统 ( f c s )的开放性、 可互操作性等特点己经 不复存在。 虽然人们一 直在努力 寻找解决 这个问题的办法， 但从现有的现场总线 中选取某 一 种总线成为唯i狗国1娇标准难度很 人，根本无法实现。国际 仁 现场总 线技术的发), p e i 入困境，进 r js - .隆 ., 浙江人学硕 卜 学位论文e p a分布式网络控制系统的设计t , 应用 总之，现场总线应用到现场时，会遇到以下问题:( i )现有的现场总线标准 过多，仅国际标准 i e c 6 1 1 5 8 就包含了8 个类型，未能统一到单一标准 上 来;( 2 ) 不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访， 难以实现信息的无缝集成: ( 3 )由 于现场总线 是专用实时通信网络，成本较高;( 4 ) 现场总线的速度较低， 支持 的 应 用 有限 ， 不便 于 和i n te rn e t 信息 集成 。 6 171 1 .2 工业以太网技术 顾名思义，工业以太网 ( i n d u s t r i a l e t h e rne t )是指应用于工业控制系统中的以 太网技术，它与人们熟知的商用以太网技术密切相关。以太网最初是为办公 自动 化而发展起来的， 这种商用主流的 通信技术发展至 今已 具有应用广泛、 价格低 廉、 传输 速率高、软 硬件资 源丰富等技术优势。由 于以 太网 采用的 c s m a i c d介质访 问控制机制，这就使得它的通信响应具有“ 不确定性” ，并成为它在工业现场控制 应用的主要障碍1 8 1 5 p1 1 , cs ma i cd ( et herne t) l 1r u以太网泪i 今牌网时间响应曲线 从以上曲线结合工业控制系统的需求我们可以得出如下结论:当负载量小于 2 5 % 时，以太网的响应时间要比令牌总线网络快得多，工业控制系统数据通讯的特点 是稳定、 连续， 变化量小， 使用以 太网 可以 得到最 好的系 统响 应。 随着以太网带宽的迅速增加 ( 1 0 / 1 0 0 / 1 0 0 0 mb s ) ，冲突几率大大减小，加之相 关技术的应用，数据传输的实时性不断提高，也使以太网逐渐趋于确定性;因而， 有些国外 自控专家认为:基于良好设计的以太网系统是确定性的实时通信系统。 经研究表明，经过精心的设计， 侧 以 太网的n 1 应时问小于 4 m s , 可满足儿乎 所 有_ _ _ 业过程控制要求( ic i 1 - 2 ! j 图 卜 3 显 j _ 的是( i : ) o mb 11 7 i 枯 : t if , 1 6 位 的c p u. 芬 ; 3 v ; 浙江人学坝小学位论文e p a 分布i 州络挣制系统的设汁oj 眦用 总之，现场总线应用到现场时，会遇到以下问题：( 1 ) 现有的现场总线标准 过多，仅国际标准i e c 6 1 1 5 8 就包含了8 个类型，未能统一到单一标准上来：( 2 ) 不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，难以实现信息的无缝集成： ( 3 ) 由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高；( 4 ) 现场总线的速度较低， 支持的应用有限，不便于和i n t e m e t 信息集成。 6 【7 1 2 工业以太网技术 顾名思义，工业以太网( i n d u s t r i a le t h e r n e t ) 是指应用于工业控制系统中的以 太网技术，它与人们熟知的商用以太网技术密切相关。以太网最初是为办公自动 化而发展起来的，这种商用主流的通信技术发展至今已具有应用广泛、价格低廉、 传输速率高、软硬件资源丰富等技术优势。由于以太网采用的c s m a c d 介质访 问控制机制，这就使得它的通信响应具有“不确定性”，并成为它在工业现场控制 应用的主要障碍1 8 l 。 1 t i 2 5 5 0 7 5 p r c e r l tl o 自d 幽1 1普通以太l 稠车| 令牌网时间响麻曲线 从以上曲线结合工业控制系统的需求我们可以得出如下结论：当负载量小于2 5 时，以太网的响应时间要比令牌总线网络快得多，工业控制系统数据通讯的特点 是稳定、连续，变化量小，使用以太网可以得到最好的系统响应。 随着以太网带宽的迅速增加( 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b s ) ，冲突几率大大减小，加之相 关技术的应用，数据传输的实时性不断提高，也使以太网逐渐趋于确定性；因而， 有些圈外自控专家认为：基于良好发计的以太网系统是确定性的实时通信系统。 经研究表明，经过精心的砹汁，。：刚l i 以太网的响应时i i t j 小于4 d s ，j 满足l 乎所 有j 业过程控制要求( 图l 。2 与图【3 显示的是： ：1 0 m b 的带宽f ，1 6 位的c p u ， f 黜 星卜 口coano正o-oel工写t= 浙江人学倾i 学位论立 e p a 分布。l 叫络捧制系统的设计心f b 工作在3 0 m h z 的情况测试的响应特性) 。| _ 9 】 1 。 图1 = 2 性能测试示意酗 。 幽1 3 以太网响应时间 相比之下，一般的以太网技术除了通信的吞吐量要求较高以外，对其他性能 没会特殊的要求；而工业控制现场由于其环境的特殊性，对工业以太网的实时性、 可靠性、网络生存性、安全性等均有很高的要求。 推动工业以太网技术发展最直接的原因主要有两方面：一方面是计算机控制 系统在不同层次问传送的信息已变得越来越复杂，对工业网络在丌放性、互连性、 带宽等方面提出了更高的要求；另一方面是以“全数字化特性”著称的现场总线 技术至今还没有统一的标准，还无法实现工业企业综合自动化系统中自上( 如信 息管理层、控制层) 而下( 如现场设备层) 真正透明的信息互访和集成。 目前，在很多控制系统中，把以太网技术用于监控层的数据交换，尽管这些 系统在底层互相问还不能实现互操作，但通过以太网，控制系统峪控层之问、各 种控制系统之m 、以及控制系统5 亏企u k 经营决策管理信恩系统之间的数折：交换与 享已经变得非常力便、- 映速。，凶此，以太刚在控制系统躲控联的应门“j ，刁i 仪消 e p a 分布式脚络控制系统的改汁oj 啦用 除了控制系统数据传输的瓶颈，而且消除了企业内部各种自动化系统之间的“信 息化孤岛”，基本体现出了这些控制系统的开放性。 因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的的通信网络平台， 将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需单独的研究投入。最重要的 是，如果采用以太网作为现场总线，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技 术的发展主流之外，使现场总线和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来， 从而使现场总线技术和一般网络技术互相促进，共同发展。同时机器人技术、智 能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好的性能，通信协议有更高的灵 活性。这些要求以太网都能很好地满足【1 3 】【 1 。 1 3e p a 分布式网络控制系统 1 3 1什么是e p a 随着互联网技术的普及与推广，以太网( e t h e r n e t ) 通信速率的提高、交换技 术的发展使得它受到了全球的拥护和软硬件支持，并得到了迅速发展和普及。使 以太网有可能应用于实时性要求较高的工业现场控制系统。比如采用以太网交换 技术和全双工通信技术后，可以避免碰撞，冲突域不复存在，使以太网已经成为 一个“确定性”的网络，并因此具有了有限信息的通信延迟，增强了其通信延迟 叫预测能力。其他如虚拟局域网( v l a n ) 技术、优先权技术( 如i e e e 8 0 2 1p 然而 ， 2 0 0 0 年1 月 包 括f f , p r o fi b u s , w o r ld f ip 等 1 种 总线类型的 现场总线国际 标准 -i e c 6 1 1 5 8 的诞生，预示着今后相当 长的时间内 将 出现多种总线共存的局面，全开放的可互操作的优势将不复存在。与此同时，工 业 以太网技术得到了充分的发展，在控制层网络所有控制系统基本都采用了以太 网，并且已深入到现场设备层，可以预见在不久的将来以太网将会引起工业控制 系统的技术革新。 浙 江 大 学 j 1卜 学 位 论 文e p a分布式网络控制系统的设计与应用 第二章e p a分布式网络控制系统的总体设计 第一章已 经简单地介绍了 e p a分布式网 络控制系统的设计相关内 容， 本章将 着重对 e p a分布式网络控制系统的体系构架与网络结构进行详细的论述。 2 . 1系统体系结构 e p a系统是一种分布式系统， 它利用 i s o / i e c 8 8 0 2 - 3 , i e e e 8 0 2 . 1 1 , i e e e 8 0 2 . 1 5 等协议定义的网络，将分布在现场的若干个设备、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测量和控制。e p a 系统可以用于制造和过程控制环境。e p a 系统结构提供了一个系统框架，用于描 述若干个设 备如何连接起来， 它们之间 如何进行通信、 如何交换数据和如何组态。 集散控制系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而 自治和综合协调的 设计原则，从下而上可以分为若千级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级。 管理的集中性和控制分散性这一实际需要推动了集散控制系统的发展。但 目前主 流的 集散控制系统并没有做到真正的 分散 控制，控制站几乎承担了 所有的 运算控 制 功 能， 一 个 控制 器容 量 达到了5 0 0 0 多 加 点 甚 至靠 近1 0 0 0 0 个1/ 0点 ， 虽 然 采用了 冗余等可靠性技术，但是一旦控制器损坏或出 错风险依然相当 大。在目 前 的流程工业中流 行的f f 控制系统，将功能块控制功能分散到 现场的i o设备，做 到了 真正的分散 控制， 但是由 于单个仪表的运算功能有限，一些d c s 可以 实现的 复杂控制而f f 却无 法实现。 基于 e p a标准的 分 布式网 络 控制 系统 体 系结构 的设 计 在充分 继承了 中 控 w e b f i e ld e c s - 1 0 。 技术 上， 吸 收了 现 场 总 线 控 制 系 统的 先 进 的 设计 理 念 ， 借 鉴 先 厂 进 现 场总 线 技 术 和 信息网 络 技 术发 展 成 果， 遵 循 “ 总 体分 散 、 局 部 集中 ，的原 则， 将工 业控 制 网 络 划 分两 个 层次 ， 即 过 程 监控 层网 络 和 工 业 现场 设 备 层网 络 ( 如图 2 - 1所示) 。 过程监控层网络是系统的主干网，用于连接工程师站、 操作站、数据 服 务 器、 制 造 执 行 系 统 设 备 等 控制 室 设 备， 一 般由 冗 余 高 速以 太网 等 组 成。 n 1i3 )p 9 ) 通过刘目 前各 种系统的调研， 包括横河的c s 3 0 0 0 ,罗斯蒙特的d e lt a v系统 以 及西门子的p c s 7 系统， 可以 预见 在未来的几 年之内，基 于 e p a的分布式网络 控制系统的构架将是主流的系统体系结构，它将充分发挥现场总线控制 系统一与 d c s的优势，实现真 i -. 的分散控制、: )p x 理集中，井1;1 . 实现 e网到底 浙江大学硕 ! _学位论义 e p a分布式网络控制系统的设计与应用 图2 - 1 e p a 系统的拓扑结 构 工业现场设备层网络则可根据具体应用实际， 按信息交换的 藕合程度划分为 若干 个 控 制区 域。 每 个 控 制区 域内 包 括 现 场 控 制 器、 变 送 器、 执 行机 构、 工 业以 太网交换机 ( 或集线器、网络管理器)等现场设备，它们之间的通信流量集中在 本区域内。每个控制区域通过具有报文过滤和网络隔离功能的以太网管理设备连 接到主千网上。 这样， 所有控制区 域之间、 控制区域与主干网之间的以 太网 通信 流量不会相互干扰，最大限度的利用了网络带宽资源，又可以通过控制每个控制 区域的网络节点，将其通信流量控制在较小的范围内，从而以太网碰撞机率降到 极小，满足了工业现场设备间网 络通信的实时 性要求。 在物理上， 过程监控层网 络是系统的主千网， 可通过光纤 ( 远距离 情况下使 用 )或屏蔽双绞线组成环网，连接现场设备层的各控制区域以及工程师站、操作 站、数据服务器、 m e s 工作站等， 而现场设备 层各控制区域内 则主要采用以 屏蔽 双绞线与工业以太网交换机 ( 或集线器 h u b )组成的星型网络结构。 e p a控制系统中的设备有e p a主设备、 e p a现场设备、 e p a网桥、 e p a代理、 无线接入设备等几类。 e p a主设备是过程监控层 l 2网段上的 e p a设备，具有 e p a通信接 口，不要 求具有控制功能块或功能块应用进程. e p a主设备一般指 e p a控制系统中的组态、 监控设备或人机接口等。e p a主设备的 i p地址必须在系统中惟一。 e p a现场设备是指处于工业现场 应用环境的设 备， 如变送器、 执行器、 开关、 数据采集器、现场控制器等。e p a现场设备必需具有 e p a通信实体，并包含至少 一个功能块实例。e p a现场设备的 i p地址必须在系统中惟一。 e p a网桥是个微网段 与其他微网段连接的设各。一个 e p a网桥至少有两个 通信接r _ ，分别连接两个微网段。e p a 网桥是可以组态的设务，具有通信隔离报 第 9 公 土 浙江大学硕 卜 学位论义 e i a分布式网络控制系统的议计 与应用 文转发与控制功能。 在一个e p a微网 段内， 所有e p a设备的通信均按周期进行， 完成一 个通信周 期所需的时间t 称为一个通信宏周期 ( c o m m u n i c a t i o n ma c r o c y c l e ) . 娜 翔 麟排q 2 _ _ _ _ .习 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 _瀚麟u 川dzd3 j叼jro ddd 因 “ 期 报 “圈 非 周 期 数 据 声 明 报 文 . 非 周 期 报 “口 非 周 期 w ai 发 送 结 束 )w w 4u c 图2 - 2 e p a 通信调 度示意图 一 个通 信 宏 周 期t 分 为 两 个 阶 段 ， 其中 第 一 个阶 段为 周 期 报文 传 输 阶 段t p i 第二个阶段为非周期报文传输阶段t n( 如图2 - 2 所示) 。 在周期报文传输阶段t p ， 每 个e p a设备向网 络上发 送的 报文是包含周期数据 的报文。 周期数据是指与过程有关的数据，如需要按控制回路的控制周期传输的测量 值、控制值， 或功能块输入、 输出 之间需要按周期更新的数据。 周期报文的发送 优先级 应为最高。 在非周期报文传输阶段 t n ， 每个e p a设备向网络上发送的报文是包含非周期 数据的报文。 非周期数据是指用于以 非周期方式 在两个通信伙伴间 传输的数据，如程序的 上下载数据、 变量读写 数据、 事件通知、 趋势报告等数据， 以及诸如a r p , r a r p , h t t p , f t p , t f t p , i c mp , i g mp等应用数据。 非周期报文按其优先级高低、i p地址大小及时间有效方式发送。 2 .2 系统实施总体方案 本项 目的具体实现方案如图 2 一 3 所示 第i o 贝 浙江人学埘l 学位论文 e p a 分布式嘲络拎制系统的改计1 j j 忆旰 文转发与控制功能。 在一个e p a 微网段内，所有e p a 设备的通信均按周期进行，完成一个通信周 期所需的时间t 称为一个通信宏周期( c o m m u n i c a t i o nm a c r oc y c l e ) 。 1趔1 露jq 划t r l h lh j - j 、l 1 一 日制t k 卫脯删舣l ” r11 r ，q 月j m i + * 1n 7 | l 霹i 圈岫啊 翮 阑 日 盯 随阑 蕊。爿圳报文 匿非硎期数撕8 删擞文i 柑报文田非问期数槲发送结柏“叫撤立 图2 - 2e p a 通信调度示意图 一个通信宏周期t 分为两个阶段，其中第一个阶段为周期报文传输阶段t 口， 第二个阶段为非周期报文传输阶段t n ( 如图2 2 所示) 。 在周期报文传输阶段t d ，每个e p a 设备向网络上发送的报文是包含周期数据 的报文。 周期数据是指与过程有关的数据，如需要按控制回路的控制周期传输的测量 值、控制值，或功能块输入、输出之间需要按周期更新的数据。周期报文的发送 优先级应为最高。 在非周期报文传输阶段t n ，每个e p a 设备向网络上发送的报文是包含非周期 数据的报文。 非周期数掘是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传输的数据，如程序的 上下载数据、变量读写数据、事件通知、趋势报告等数据，以及诸如a r p 、r a r p 、 h t t p 、f t p 、t f t p 、i c m p 、i g m p 等应用数据。 非周期报文按其优先级高低、i p 地址大小及时问有效方式发送。 2 2 系统实施总体方案 本项目的具体实现方案如圈2 - 3 所示 叭 m 阱 ；s 肼 浙江人学倾l 。学位论文e p a 分布式嘲络摔制系统的设汁1jj ；, i 用 纤域肼蔽双绞 i 主墼 h u b 或交 换机 操作站 工程师站 数据 服务器 m e s 工 环形：i ：i 拄层叫络主十 光纤或骈蔽职绞ii 光纤或埘蔽双绒 线中继 线中继器 具有嘲管功能的 e p a 现场控制站 e p a h u b 或交换机 ：控制室：i现场控制区域j 变送器 执行器 便携式 操作器 j 光嚣豁绞 远程i ，o 控制站 其 他 网 段 具有删管功能的 e p a 现场控制站 e p a h u b 或交换机 ! 苎篓翼坚j 幽2 3e p a 具体实现方案 在上述实旌方案中，基于以太网的分布式网络控制系统分为控制宝区域 ( c o n t r o lr o o m ) 和若干现场控制区域( f i e l dc o n t r o ld o m a i n ) 。其中，控制室区 域由操作站、工程师站、数据服务器、m e s 工作站等控制室设备组成，控制室区 域直接与系统主干网相连，对工业现场进行测量监视与控制设置等操作；而现场 控制区域则由基于以太网的变送器、执行机构、数据采集站、远程i o 、现场以太 ；网交换机、集线器等现场设备组成，每个控制区域通过具有网管功能的现场控制 站连接到主干网上。 从网络结构生看，基于高速以太网技术的分布式网络控制系统分为系统主干网 ( 即过程监控层网络) 与现场设备层网络两个层次，均基于e p a ( e t h e m e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) 通信标准协议。 2 3 过程监控层网络 过程监控层网络由光纤或屏蔽双绞线环网组成，它将系统控制室内的设备与各 控制区域内的现场设备网连接起来，丽控制室交换机、各控制区域内的现场控制 器( 起到过程监控层与现场设备层之间信息转发的作用，通常情况下可为控制区 域内的工业以太网交换机) 则通过中继器( 可利用技术中心开发的光纤中继器， 降低系统成本) 连接到主干网或过程监控层网络上。 过程监控层网络用快速以太网组成，通信速率一般为1 0 m 、1 0 0 m ，或更高。 这是因为考虑到：过程监控层网络 i 传输的是用于在线蠊视的过程测量与控制数 捌，或暂历史数据，其特点是网络所传输的数攒容董大，所需的带宽也较高，数 浙江人学硕 卜 学位论文 e p a分布式网络控制系统的设计与应用 一1.1，11-|jlee| 图2 - 3 e p a 具体实现方案 在上述实施方案中， 基于以太网的分布式网络控制系统分为控制室区域 ( c o n t r o l r o o m)和若干现场控制区域 ( f i e l d c o n t r o l d o ma i n ) 。其中，控制室区 域 由操作站、工程师站、数据服务器、me 5工作站等控制室设备组成，控制室区 域直接与系统主干网相连，对工业现场进行测量监视与控制设置等操作;而现场 控制区域则由基于以太网的变送器、执行机构、 数据采集站、远程 1 / 0、现场以太 网交换机、 集线器等现场设备组 成，每个控制区 域通过具有网管功能的现场控制 站连接到主干网 上。 从网络结 构上看， 基于高 速以太网 技术的 分布式网 络控制系 统分为系统主干网 ( 即过程监控层网络) 与现场设备层网络两个层次， 均基于 e p a ( e t h e r n e t f o r p l a n t a u t o ma t i o n )通信标准协议。 2 . 3 过程监控层网络 过程监控层网络由光纤或屏蔽双绞线环网组成， 它将系统控制室内的设备与各 控制区域内的 现场设备网 连接 起来，而控制室交换机、各控制区域内的 现场控制 器 ( 起到过程监控层与现场设备层之间信息转发的 作用，通常情况下可为控制区 域内的工业以太网交换机)则通过中继器 ( 可利用技术中心开发的光纤中继器， 降低系统成本 )连接到主干网或过程监控层网络上。 过程监控层网络用快速以太网组成，通信速率一般为 i o m, l o o m,或更高。 这是因为考虑到: 过程监 控层网 络 卜 传 输的是用于 在线监视的过程测量与 拄制数 据，或 者历史数据，其特点是网络所传输的数据容最大，所需的带帘 之 较 言，数 i i i) , 浙江大学( ! : 学位论文e p a分布式网络控制系统的设计，i 1 ,v 用 据传输的周期性比较明显，( 当然也需要传输组态信息等非周期信息) ，数据传输 的方向性也较强， 即主要的传输方向 是由 控制区域向 控制室设备传输。 过程监控层网络采用光纤或屏蔽双绞线组成的环网， 具体使用什么传输介质可 视具体情况而定: 对于现场设备分 布范围较广的控制系统， 采用光纤环网可提高 可靠性，而 对于分 布相 对集中的 场合， 可用屏蔽双绞 线组成的环网，以降 低成本。 过程监控层网络之间的通信采用 e p a标准通信协议。 2 . 4现场设备层网络 如前所述， 本项 目 将控制系统分为若干个控制区域， 各个控制区域内相关现场 设备 ( 如完成一个独立控制功能的变送器、执行机构、控制器等)均通过适用于 工业控制现场的以太网络连接在一起，根据组态，相互协调工作，从而完成一定 的控制功能。 因此， 每个控 制区域均可以看成是通过现场设备层网 络连接起来而形成的一个 个子控制系统。这些分布于不同控制区域的子系统之间、子系统与控制室设备之 的间的通信均通过控制区域内的现场控制器进行信息的转发。 由 于现场设备间的 通信 所需的带宽不是很大， 所以 现场设备层网络采用 l o m 以太网 ( 共享式或交换式) ，所采用的介质一般情况下为屏蔽双绞线，( 在设备间 距离较远的 情况下可 使用光纤) ， 可冗余或不冗余。 现场设备层各控制区域内 现场设备之间的通信采用 e p a标准通信协议。 2 .5过程监控层与现场设备层之间的通信 本项目 设计的控制系统在结构上， 介于d c s 的 集中 式控制与基于f f 的全分散 控制之间，采用了 “ 总体分散、区域集中”的结构。 在每个控 制区域自 成一个完全自 治的 控制子系统: 由 变送器自 动化完成过程参 数的测量、变换，并将它传送到本控制区域内的现场控制器 类似于 d c s中的主 控制卡)中，由现场控制器自动完成 p i d等控制算法的运算，并将控制信号传送 到现场执行机构，用于控制阀门的动作。 控制区域与主干网之间的数据交换也通过现场控制器进行转发。 采用这种系统 结构的 目的是:通过现场控制器可以将现场控制区域内的网络与主干网进行物理 上的分隔 ( 在逻辑 _ 两个层次的网络设备之间仍能进行正常通信) ，以便可以充分 利用过程监控层和现场设备层网络的带宽，使主干网与各控制区域内的现场设备 网_l . 传输的信l1 , 1 1 不千扰，即在某拧 i ll 区域内的广 播消息，不会i i: 接影响其他控 又 1 2 贝 浙江人学硕 卜 学位论文e p a分布式m 8 4 控制系统的设计与应用 制区域网段和主千网，反之 ，在过程监控层网络 ( 主干网)传播的广 一 播消息，也 不会直接到达各 控制区域内部。 过程 监控层网 络与现场设备层网 络之间的 通信( 特 别是广播)信息，将由现场控制器中的通信模块进行判断和筛选，只有将必须要 转 发的 信 息 ( 如 组 态、 报 警等 信 息) 进 行 转发 ， 对其 他 信息 将不 予 进一 步 转 发处 理，因此可以降低主干网和现场设备网上的不必要的广播通信负载。 举个例子来 说， 如果 控制区域内 的变送器需要向 现场设备网上发送一组测量信 息，如与之相连的网 络设备是共享式集线器， 这组测量信息会通过集线器的每个 端口进行转发而到达其他设备，如果这个集线器的一个端口连接到主干网上，则 这组测量信息会通过主干网与其他控制区域内的现场设备进行共享，从而占用了 主干网和其他控制区域网络的带宽。而事实上，这组测量信息是只需要在它所在 的控制区域内部进行传输，而无需传送到主干网或其他控制区域内上的设备网上 去 的。 因此， 如果不将过程监控层网络与控制区域内的现场设备层网络进行隔离， 那 么在网 络中使用发布者 / 预订者 ( 或生产者 / 消费者) 通信方式 ( 即 通常所说的广播 方式)时，会将消息发布到所有网段上，从而占用所有网段的带宽资源，降低了 网络带宽的使用效率，也增大了碰撞机率，增大了通信不确定性。 在过程监控层网络 ( 主干网)与 现场设备网 之间 需要交换的 数据有: 过程测量与控制数据 ( 以 每组 4 , 8 , 1 6 , 个历史数据成组传送)的上载 传输，以 提高网络带宽利用率; 报警信息的上传; 组态信息的信息下载传输; 修改 后 的 控 制 参 量 ( 如p , 1 , d , t , s e tp o in t 等 ) 数 据 的 下 载; 等等。 2 . 6 本章小结 通过对目前各种系统的调研， 包括横河的c s 3 0 0 0 、 罗斯蒙特的d e l t a v系统以 及西门子的p c s 7 系 统，可以 预见在未来的几年 之内，基于e p a的分布式网络控 制系统的构架将是主流的系统体系结构，它将充分发挥现场总线控制系统与 d c s 的优势，实现真正的分散控制、管理集中，并且实现 e网到底。 男 i 3 贝 浙江大学硕 卜 学位论文 e p a分布式11络控制系统的设计i liv . 用 第三章e p a分布式网络控制系统现场控制器的设计 基于 e p a标准的分布式网络的现场控制器是整个系统的核心部件， e p a分布 式网络控制系统的 现场控制器继承和借鉴了 浙大中 控 e c s - 1 0 0的主控制器。 e p a 分布式网络控制系统的现场控制器采用底板和背板的结构，底板负责运算控制， 背板负责基于e p a通信标准的网 络通信， 对上层与工程师站和操作站进行通信， 对下层和现场智能设备进行通信。 3 .1 e p a系统现场控制器的总体设计 e p a分布式网络控制系统的现场控制器是整个控制系统的软硬件核心， 负责协 调控制区域的所有软硬件关系和各项控制任务，完成控制区域内的 1 / o信号处理、 控制计算、与上下网络通信控制处理、冗余诊断等功能 ( 当然各个控制区域之间， 还可以通过具体数据交互功能实 现夸网 段的数据交互，并实 现相应的控制功能) ， 主控制单元的功能和性能 将直接影响系统系统的可 用性、 实时性、可维护性和可 靠性。 现场控制器在 e p a分布式网络控制系统中所处的逻辑位置如下图3 - 1 所示。 卜层 控 制 网 络 ep a k 9 4 弄 微网 殷内h u 启 维 线器 图3 - 1 现场控制器在系统中的逻辑位置 现场控制器是是由控制底板与通信背板构成，主控底板集成现有的控制软件 技术不做f 千 何的重新设计，改保持底板和背板的数据交互以及通信接 曰不变的基 础上面进行通信背板的服新设计通信背板完成两个任务，其一 ，与e p a微网段 1 4 以 浙江人学顶l 学位论文 e p a 分布目络控制系统的碰汁j 应用 第三章e p a 分布式网络控制系统现场控制器的设计 基于e p a 标准的分布式网络的现场控制器是整个系统的核心部件，e p a 分布 式网络控制系统的现场控制器继承和借鉴了浙大中控e c s 一1 0 0 的主控制器。e p a 分布式网络控制系统的现场控制器采用底板和背板的结构，底板负责运算控制， 背板负责基予e p a 通信标准的网络通信，对上层与工程师站和操作站进行通信， 对下层和现场智能设备进行通信。 3 1 e p a