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浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 摘要 现场总线技术适应了工业控制系统分散化、网络化、智能化的发展方向，成为 全球工业自动化技术的热点，取得了快速发展。然而，自2 0 世纪8 0 年代以来， 这一技术一直掌握在一些著名跨国公司手中，一直垄断着中国现场总线技术和产 品市场。“自动控制技术控制着几乎所有的工业生产领域，事关整个国民经济的 正常运行，如果不自主研发，中国将永远受制于人。 工业以太网e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 标准是我国第一个拥有自 主知识产权的现场总线标准，也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，实现了我国工业自动化领域国际标准零的突破。e p a 控制网 络将是未来工业控制系统的发展方向，但是我国的e p a 标准刚刚起步，而当前自 动化智能仪表一般都不支持e p a 通信，所以研究如何将这些不支持e p a 通信的仪 表应用于e p a 控制网络中对于扩大e p a 应用领域、提高e p a 应用规模具有重要的 现实意义。本课题的研究为如何实现这些智能仪表应用于e p a 控制网络提出了一 种通用解决方案。 本文以浙江中控自动化仪表有限公司生产的c 3 0 0 0 智能过程控制器为研究对 象，开发了相应的e p a 接口卡及监控软件。同时，为了满足智能仪表可扩充性的 要求，突破性地采用可编程逻辑器件c p l d 配合r a m 来实现仪表主机板和e p a 卡之 间的内部数据交换。配备了此接口卡的c 3 0 0 0 过程控制器可以直接应用于e p a 控 制网络，同时上位机可以通过监控软件对其执行相应的监控操作。 此接口卡只需经过少量的改动便可以适用于其他智能仪表，大大缩短了针对 其他仪表的e p a 接口卡开发周期，加快推广了e p a 标准的应用。 论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 详细综述了现场总线、智能仪表的发展及现状，并提出了针对智能仪表的 e p a 接口的设计与开发。 ( 2 ) 简要概括了e p h 标准中与本课题相关的一些内容，同时对e p a 标准中的各 类服务进行了深入的研究，结合已成功开发的c 3 0 0 0 过程控制器，分析了本课题 中e p a 接口卡的具体功能需求。 ( 3 ) 针对e p a 接口卡的软、硬件设计进行了深入而细致的分析和阐述。在阐述 e p a 接口卡功能的基础上，详细比较了各种实现方式的优缺点，最终确立了设计方 案。详细分析了e p a 接口卡中各部分电路的实现方法，同时指出了设计中需要注 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 意的问题；详细分析了e p a 接口卡各功能的软件实现方法，并给出了软件设计流 程。软件设计中的难点是各个任务之间的相应协调。 ( 4 ) 分析了e p a 接口卡的一些特殊功能，在v c + + 环境下设计开发了相应的监控 软件对这些功能进行测试。深入研究了w i n d o w s 下的网络编程，比较了各种实现 方式的优缺点，确立了最终实现方案。针对e p a 接口卡的功能，详细分析了软件 功能及实现方法，并给出了软件设计流程。 ( 5 ) 描述了e p a 接口卡、监控软件功能测试方法，并对测试结果进行了分析。 测试结果表明配备了此接口卡的c 3 0 0 0 过程控制器可以应用于e p a 控制网络；监 控软件与接口卡的通信稳定可靠。论文中所述方法是可行的，e p a 接口卡、监控软 件的开发是成功的。 【关键词】智能仪表过程控制器现场总线e p a 接口卡 h 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 a b s t r a c t i na c c o r dw i t ht h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ef i e l d b u s t e c h n o l o g yb e c o m ev e r yp o p u l a ri na u t o m a t i o nf i e l d ，a n dh a sg r o w nr a p i d l y b u ts i n c e t h e1 9 8 0 s ，t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nh e l di nt h eh a n d so fs o m ew e l l - k n o w nm u l t i n a t i o n a l c o m p a n i e sa n dm o n o p o l yo ft h ec h i n e s ef i e l d b u st e c h n o l o g ya n dp r o d u c t sm a r k e t t h ee 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 t a n d a r di st h ef i r s tf i e l d b u ss t a n d a r d ， w h i c hi p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) b e l o n g st oo u rc o u n t r ye n t i r e l y f u r t h e rm o r e ，i ti s e m b o d i e db yi e c 6 1 1 5 8 ( e d i t i o n4 ) f o r m a l l y i t sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da d m i t t e db y i e c e p ac o n t r o ln e t w o r kw i l lb et h ef u t u r ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e c o n t r o ls y s t e m ，b u tt h ee p as t a n d a r d si nc h i n ah a sj u s ts t a r t e d ，a n dt h ec u r r e n t i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sg e n e r a l l yd on o ts u p p o r tt h ee p a c o m m u n i c a t i o n s s oh o wt o m a k et h e s ei n s t r u m e n t su s e di nt h ee p ac o n t r o ln e t w o r kh a si m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h ep a p e ra c h i e v e sac o m m o ns o l u t i o no fh o wt oa p p l yi n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti nt h ee p ac o n t r o ln e t w o r k t h i sp a p e rd e s i g n e sae p ai n t e r f a c ea n dm o n i t o rr o u t i n et h a tb a s e do nt h ec 3 0 0 0 p r o c e s sc o n t r o l l e rw h i c h h a sb e e nd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l yb ys u p c o ni n s t r u m e n t t om e e tt h ed e m a n do fi n s t r u m e n te x t e n s i b i l i t y , c p l d ，t o g e t h e rw i t hr a m ，w a s o r i g i n a l l yu s e dt oc o m m u n i c a t ei n t e r n a ld a t ab e t w e e nt h em a i nb o a r do fi n s t r u m e n t sa n d e p ai n t e r f a c e t h ee p ai n t e r f a c ew i l l e q u i p c 3 0 0 0p r o c e s sc o n t r o l l e rt h e c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yb a s e do ne p a m o n i t o rr o u t i n ee q u i pu st oo p e r a t et h ec 3 0 0 0 p r o c e s sc o n t r o l l e rt h r o u g ht h ec o m p u t e r ia c c o m p l i s h e dt h ef o l l o w i n gw o r k s ， ( 1 ) t h ea c t u a l i t ya n dt r e n do ft h ef i e l d b u sa n dt h ei n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ta r e d e s o i b e d ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe p a i n t e r f a c eb a s e do ni n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t i sp r e s e n t e d ( 2 ) c o n t e n t sw i t hr e f e r e n c et ot h ed e s i g ni ne p as t a n d a r da l ed e s c r i b e d ，t y p e so f s e r v i c ea r er e s e a r c h e d ，a s s o c i a t e dt ot h ec 3 0 0 0p r o c e s sc o n t r o l l e r , t h ed e t a i lf u n c t i o n s o fe p ai n t e r f a c ea t ea n a l y z e d ( 3 ) t h ei n - d e p t ha n df i n ea n a l y s i sa n de x p a t i a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no fe p ai n t e r f a c ea l ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so f c u r r e n ti n d u s t r i a li n s t r u m e n t sd e s i g n ，m a n yl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dr e l i a b i l i t y m 浙江火学硕+ 学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 d e s i g nm e t h o d sa r ea d o p t e ds y n t h e t i c a l l y b a s e do nt h ed e s c r i p t i o no fe p a i n t e r f a c ea n d t h ec o m p a r i s o no fm a n ym e t h o d s ，t h eb l u ep r i n ti se s t a b l i s h e d ( 4 ) b a s e do nt h ea n a l y s i s o ff u n c t i o n so fe p ai n t e r f a c e ，m o n i t o rr o u t i n ei s d e v e l o p e di nv i s u a lc + + t ot e s tt h e s ef u n c t i o n s b a s e do nt h ei n d e p t ha n a l y s i so f n e t w o r kp r o g r a mi nw i n d o w sa n dc o m p a r i s o no fm a n ym e t h o d s ，t h eb l u ep r i n ti s e s t a b l i s h e d f u n c t i o n sa n dr e a l i z em e t h o d sa r ea n a l y z e db a s e do nt h ef u n c t i o no fe p a i n t e r f a c e ；t h ef l o wc h a r to fs o f t w a r ed e s i g ni sp r e s e n t e d m e t h o d st od e s c r i b et h ee p a d e v i c ea r er e s e a r c h e d ，f u n c t i o n so fe a c hb l o c ka r ea n a l y z e dd e e p l y ( 5 ) m e t h o d st ot e s t t h ef u n c t i o no fe p ai n t e r f a c ea n dm o n i t o rr o u t i n ea r e i n t r o d u c e d ；t h er e s u l t so ft e s ta r ea n a l y z e d n et e s ts h o w e dt h a tt h ec 3 0 0 0p r o c e s s c o n t r o l l e re q u i p p e dw i t he p ai n t e r f a c ec a l lw o r ki ne p ac o n t r o ln e t w o r kw e l l ；t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne p ai n t e r f a c ea n dm o n i t o rr o u t i n ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e n em e t h o d sp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o na r er e l i a b l e ；t h ed e v e l o p m e n t so fe p a i n t e r f a c ea n dm o n i t o rr o u t i n ea r es u c c c s s f u l k e yw o r d s i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，p r o c e s sc o n t r o l l e r , f i e l d b u s ，e p ai n t e r f a c e i v 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 1 1 现场总线技术概述 1 1 1 现场总线的提出 第一章绪论 现场总线技术的开发始于2 0 世纪8 0 年代。随着微处理器与计算机功能的不断 增强及价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联络 的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的测控自动化系统，由于仍在通过开 关、阀门和传感测量仪表间的一对一连线，用电压和电流的模拟信号进行测量控 制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界 之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛；严重制约了其本身的发展。要 实现企业的信息集成，实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运 行、可靠性高、实时性强和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，实现现场设备之间以及自动化设备与外界的信 息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的i 。 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内自动控制装置、 系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。或者说，现场总线是以单 个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实 现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统和控制系到2 1 。 现场总线主要有如下的优越性：( 1 ) 使得智能仪表中安装的微处理器能够直接与 数字控制系统通信，而不需要i o 转换，节约了费用；( 2 ) 它可以取代每个传感器 到控制器的单独布线，大大减少了连线费用；( 3 ) 它可以将一些先进功能，如线性 化、工程量转换以及报警处理等赋予现场仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性； ( 4 ) 它提高了控制精度，这意味着应用数字信号所受到的限制将主要来自于传感器 的精度；( 5 ) 可提供控制器与传感器、执行器之间的双向通信，方便操作员与被控 设备之间的交互；( 6 ) 使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并 将最终取代模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与保修费用；( 7 ) 其开放性将使用 户有可能对各仪表厂商的产品任意进行选择，并组成系统，而不必考虑接口是否 匹配的问题1 3 儿4 j 。 由于现场总线技术有上述众多优点，使得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，而且能够传输现场仪表的大量非控制信息，使得工业 企业的管理控制一体化成为可能，适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 化的发展方向，所以一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，取得了快速发 展【5 1 。 1 1 2 现场总线发展存在的问题及出路 现场总线快速发展的同时，也出现了一些问题，主要包括有：( 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f fh 1 、c o n t r o ln e t 、p r o f i b u s 、 i n t e r b u s 、卜n e t 、w o r l df i p 、s w i f tn e t 、h s e 等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，无法实现信息 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 r n e t 信息集成1 6 1 。 p n e t 和s w i f tn e t 是专用总线；c o n t r o ln e t 、p r o f i b u s 、w b r l df i p 和 i n t e r b u s 是p l c 发展而来的；而f fh 1 和h s e 是从传统d c s 发展而来的。这 8 种现场总线采用的通信协议完全不同，因此，要实现这些总线的兼容和互操作是 十分困难的l n 。 原有的现场总线一般通信速度较低，比如f fh 1 为3 1 2 5 k b i t p s ，i n t e r b u s 为5 0 0 k b i t p s ，c o n t r o ln e t 的通信速度较快，但也只有5 m b i t p s 。但e t h e r n c t 的通信 速度则可以是1 0 m b i t p s 、1 0 0 m b i t p s 、1 g b i t p s 乃至更高，具有相当明显的优势【8 】。 解决现场总线发展中出现的问题可能有这样的出路：( 1 ) 各种现场总线统一到 1 2 种。但i e c 6 1 1 5 8 的产生本身就说明这种可能性很小。( 2 ) 开发所有现场总线通 用的接1 ：3 。此方法成本较高且难度较大。( 3 ) 各国不理睬i e c 6 1 1 5 8 ，采用自主知识 产权的协议。这不符合经济全球化发展趋势。( 4 ) 采用已经是通用的国际标准 e t h e m e t 、t ( 驯i p 等协议，并使其在工业现场成熟应用。此种方法易于被广大国家 用户、集成商、o e m 及制造商接受和欢迎i _ 7 1 。 在世界各国研发机构的共同推动下，以太网技术获得了极其快速的发展，关键 技术正逐个被攻破，工业现场环境的安装应用将被解决。随着初期研发投资被消 化以后，工业以太网相对于现场总线的性价比优势逐渐凸现，工业以太网将成为工 业控制网络的主流发展方向。 1 2 工业以太网技术概述 1 2 1 工业以太网的优势 工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在实 2 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 时性、可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种典型的工业 通信网络。工业以太网成为现场总线的发展方向主要是由于以太网在应用中有众 多优点1 6 】【9 l 【1 0 l ： ( 1 ) 以太网是应用最为广泛的国际联网标准，几乎是世界通用。由于以太网已经 被市场和用户广泛接受，大部分工程师都或多或少了解一些以太网的知识。广大 的以太网用户群大大降低了市场推广的费用和难度； ( 2 ) 以太网数据传输速率高。以太网可高速处理大量数据，因此可以在网络中支 持多种应用，满足工业现场应用的各种传感器和执行器对速度的要求； ( 3 ) 安装规模可以很大。如果采用目前最通用的1 0 b a s e t 标准，一个网段内最 多可以达到1 0 2 4 个节点，并且可以通过路由器扩展搭建以太网时，节点距离集线 器的最长有效距离可以达到1 0 0 m 1 1 1 1 ； ( 4 ) 以太网是通用、可靠、价格低廉的网络。由于以太网产品巨大的市场份额和 生产规模，使得它们非常便宜，绝大部分用户都可以承受。另外大部分的以太网 产品都十分成熟，经过了比较全面的测试和实际应用的检验，因此非常可靠。支 持以太网的应用软件种类繁多，用户可以自由选择适合自己应用的软件。以太网 硬件和相关软件容易安装，这也大大降低了安装和组网的费用； ( 5 ) 由于各种以太网的硬件( 如电缆、芯片、插头、集线器、交换机等) 都有许 多生产商生产，并且这些产品都符合i e e e8 0 2 3 标准，因此用户可以根据性能和 成本的要求，自由选择不同产品组成性价比很高的网络，而不必担心互操作性和 兼容性问题。而这些问题，由于商业利益等原因，曾经极大的阻碍了现场总线的 应用和推广1 1 2 】【1 3 1 。 工业以太网的优势与现场总线相比不言而喻，所以也取得了蓬勃发展。 1 2 2 工业以太网发展的瓶颈 由于工业以太网是一个正在发展的标准，其各种标准依然在制定和完善中，因 此在实际应用中依然存在着许多需要解决的问题，具体表现如下： ( 1 ) 现行的工业以太网缺乏一个通用应用层工业标准。由于以太网( i e e e 8 0 2 3 ) 只映射到i s o o s i 参考模型中的物理层和数据链路层，t c m 旷映射到网络层和传 输层，而对更高层次没有作技术规定1 1 4 1 。以太网上没有统一的应用层协议，因此， 这些以太网设备中的应用程序是专用的，而不是开放的，不同应用程序之间的差 异非常大，相互之间不能实现透明互访。缺少统一稳定的工业标准，虽然实际上 多个应用层协议可以在同一个网络上并存，但是必将增加高层监控软件和网络管 理软件的开发费用，影响工业以太网的推广并且从现场总线的发展历史可以看 3 浙江人学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 出，由于涉及巨大的商业利益，现在各个设备供应商之间几乎不可能就一个统一 的协议达成一致i t l 。 ( 2 ) 以太网协议缺乏实时性和确定性。以太网采用的c s m a c d 协议，不支持 优先级1 1 4 1 。它实际上不是一个可以保证报文实时传输的协议，它只是尽量地发送 报文，它不但无法保证报文的到达，更无法保证报文传输的时间限制。对协议的 分析可以看出在最坏情况下，报文需要等待无限长的时间。这对那些需要实时性 和确定性的工业应用是无法接受的。虽然用户可以采用增加网络速度、降低接入 节点、采用以太网交换机隔离碰撞域等措施提高网络性能，但是组网成本也会因 此而增加。 ( 3 ) 缺乏通用的应用层的工业标准实际上降低了设备的互操作性。虽然以太网物 理层保证了报文的传输，但是它只提供报文发送的一种物理连接，不保证报文的 成功传输和正确解释。显然缺少设备的互操作性很容易造成一种事实上的垄断， 用户一旦选择了一个厂商的产品，在以后的扩展中，就不得不继续选择这个厂商 的产品，用户肯定会担心供货的稳定性和价格。虽然这种情况对于设备制造商是 很有利的，但是会影响一些用户的选择。现场总线的发展历程对工业以太网的发 展提供了有益的借鉴，虽然现在工业以太网处于发展的初期阶段，但已经存在着 形成一个统一应用层标准的强烈要求，相应的国际组织也已经建立。可以预料， 随着工业以太网产品供货商的增多和竞争的加剧，最终市场的压力将使供应商提 供一个标准应用接口，现在的混乱将被规则取代，它将成为一个开放和通用的协 议1 1 5 】i 蚓。 ( 4 ) 报文头部比较大，载荷数据相对较少，相对现在广泛应用的一些现场总线协 议而言，报文利用率较低。 ( 5 ) 总线上无电源。这不但增加了重新购买电源和布置电源线的费用，而且现有 以太网线比现场总线更容易受到电磁干扰。噪声干扰必将降低网络性能。现在的 解决方案一般是采用光纤通讯，而光纤的使用将提高成本。 ( 6 ) 缺乏工业级的接插件。商用以太网中常用的r j 4 5 塑料插头不适合在工业现 场使用。由于工业现场存在的腐蚀性气体，震动、维修和检测时的经常拔插等问 题，因此需要一种通用工业级接插件。一种工业级连接器对于推广工业以太网具 有很现实的意义，但是工业级接插件的引入势必增加设备的投资。 ( 7 ) 随着工业以太网的进一步发展和普及。用户会试图在一个网络节点上开发很 多应用，相应也会带来一些安全性问题1 1 6 j 1 1 7 1 。 综上所述，由于工业以太网的工业标准没有最终确定，其硬件和软件都需要在 应用实践中不断改进，对工业现场的适用性也缺乏成功的具体应用案例。因此工 业以太网最终要在激烈的竞争中取得成功，还有一段比较长的路要走【1 8 】【1 9 1 1 2 0 。 4 浙江大学硕七学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 1 2 3 工业以太网研究发展现状 目前，发展较好的有6 种实时工业以太网1 2 l j ： ( 1 ) e t h e m e t i p 实时以太网 e t h e m e t i p l 2 2 】1 2 3 l 实时以太网技术是由c o n t r o l n e t 国际组织c i 、工业以太网协 会l e a 和开放的d e v i c e n e t 供应商协会o d v a 等共同开发的工业网络标准。 e t h e r n e t i p 实时扩展成功之处在于在t c p i p 之上附加c i p ( c o m m o ni n d u s t r i a l p r o t o c 0 1 ) ，并在应用层进行实时数据交换和运行实时应用。2 0 0 3 年o d v a 组织 将l e e e l 5 8 8 精确时间同步协议用于e t h e r n e t i p 制定了c i p s y n c 标准以进一步提高 e t h e m e t i p 的实时性。 ( 2 ) m o d b u s i d a 实时以太网 m o d b u s i d a l 2 4 】实时以太网由m o d b u s 组织和i d a ( i n t e r f a c ef o rd i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ) 集团合并后开发的基于e t h e r n e tt c p i p 和w e b 互连网技术的分布式 智能自动化系统。m o d b u s i d a 实时扩展的方案是为以太网建立一个新的实时通信 应用层，采用一种新的通信协议r t p s ( r e a l t i m ep u b l i s h s u b s c r i b e ) 实现实时通 信。通信协议同时提供实时服务和非实时服务。非实时通信基于t c p i p 协议，充 分采用r r 成熟技术，如基于h t t p 、f t p 、s n m p 、b o o t p d h c p 和s m t p 等。 实时通信服务建立在r t p s 实时发布者预订者模式和m o d b u s 协议之上。r t p s 协 议及其应用程序接口( a p i ) 由一个对各种设备都一致的中间件来实现，它采用美 国r t i ( r e a l - t i m ei n n o v a t i o n s ) 公司的n d d s3 0 ( n e t w o r kd a t ad e l i v e r ys e r v i c e ) 实时通信系统。r t p s 建立在p u b l i s h s u b s c r i b e 模式基础上，并进行了扩展，增加 了设置数据发送截止时间、控制数据流速率和使用多址广播等功能。它可以简化 为一个数据发送者和多个数据接收者之间通信编程的工作，极大地减轻网络的负 荷。r t p s 构建在u d p 协议之上，m o d b u s 协议构建在t c p 协议之上。 ( 3 ) p r o f i n e t 实时以太网 p r o f i n e t l 2 5 1 1 2 6 1 实时以太网是由p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ( p 1 ) 组织提出的基于以 太网的自动化标准。p r o f i n e t 构成从i o 级直至协调管理级的基于组件的分布式 自动化系统的体系结构方案，p r o f i b u s 技术和i n t e r b u s 现场总线技术可以在整个系 统中无缝地集成。p r o f i n e t 已有3 个版本。在这些版本中，p r o f i n e t 提出了 对i e e e 8 0 2 1 d 和i e e e l 5 8 8 进行实时扩展的技术方案，并对不同实时要求的信息 采用不同的实时通道技术。p r o f i n e t 提供一个标准通信通道和两类实时通信通 道。标准通道是使用t ( ：p 佃协议的非实时通信通道，主要用于设备参数化、组态 和读取诊断数据。实时通道r t 是软实时s r t ( s o f tr t ) 方案，主要用于过程数 据的高性能循环传输、事件控制的信号与报警信号等。为优化通信功能，p r o f i n e t 5 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 根据i e e e 8 0 2 1 p 定义了报文的优先级，最多可用7 级。实时通道i r t 采用了i r t ( 1 s o c h r o n o u sr e a l - t i m e ) 等时同步实时的a s i c 芯片解决方案，以进一步缩短通 信栈软件的处理时间，特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输、以及 快速的时钟同步运动控制。 ( 4 ) e t h e r n e tp o w e r l i n k 实时以太网 e t h e r n e tp o w e d i n k l z t i i 主1 奥地利b & r 公司于2 0 0 1 - 年开发，并在m e e m 年成立 了e p s g ( e t h e m e tp o w e r l i n ks t a n d a r d i z a t i o ng r o u p ) 组织。e p s g 的战略伙伴有 c i a c a n o p e n 设备级通信协议和行规用户集团以及i a o n a 工业自动化开放网络 体系结构集团等。p o w e r l i n k 协议对t c p 1 p 栈进行了实时扩展。增加的a s y n c 中间 件用于异步数据传输，i s o c h r o n 等时中间件用于快速、周期的数据传输。p o w e r l i n k 栈控制着网络上的数据流量。e t h e r n e tp o w e r l i n k 避免网络上数据冲突的方法是采 用s c n m ( s l o tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r km a n a g e m e n t ) 时间片通信网络管理机制。 s c n m 能够做到无冲突的数据传输，专用的时间片用于调度的等时同步传送的实 时数据；共享的时间片用于异步的数据传输。在网络上，只能指定一个站为管理 站，它为所有网络上的其它站建立一个配置表和分配的时间片，只有管理站能接 收和发送数据，其它站只有在管理站授权下才能发送数据。为此p o w e r l i n k 需要采 用基于i e e e l 5 8 8 的时间同步。 ( 5 ) e t h e r c a t 实时以太网 e t h e r c a t ( e t h e r n e tf o rc o n t r o la u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ) 1 2 8 j 由德国b e c k h o f f 公 司开发，并得到e t g ( e t h e r c a tt e c h n o l o g yg r o u p ) 组织的支持。e t h e r c a t 是一 个可用于现场级的超高速l o 网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网 卡，媒体可为双绞线或光纤。e t h e r n e t 技术用于现场级的最大问题是通信效率低， 用于传送现场数据的e t h e r n e t 帧最短为8 4 字节( 包括分组间隙i p g ) ，按照理论 计算值，以太网的通信效率仅为0 7 7 ，而i n t e r b u s 现场总线的通信效率高达5 2 。 于是，e t h e r c a t 采用了类似i n t e r b u s 技术的集总帧等时通信的原理。e t h e r c a t 开 发了专用f m m u ( f i e l d b u sm e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 用于i 0 模块。这样e t h e r c a t 可采用标准以太网帧，并以特定的环状拓扑发送数据，在f m m u 现场总线存储器 管理单元的控制下，网络上的每个站( 或i o 单元) 均从以太网帧上取走与该站有 关的数据，或者插入该站要输出的数据。e t h e r c a t 还通过内部优先级系统，使实 时以太网帧比其它数据帧有较高的优先级。组态数据只在实时数据的传输间隙期 间传送或通过专用通道传送。e t h e r c a t 采用i e e e l 5 8 8 时间同步机制实现分布式 时钟精确同步。 ( 6 ) 我国的e p a 实时以太网 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 ) 1 2 9 1 p o l l 3 1 】标准是我国第一个拥有自主知识 6 浙江人学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 产权的现场总线国家标准。e p a 系统结构的主要组成除了l s o ，i e c8 8 0 2 3 f l e e e 8 0 2 11 i e e e8 0 2 1 5 、t c p ( u d p ) i p 、s n m p 、s n ，r p 、d h c p 、 1 1 曙、f t p 等协议 组件外，它包括应用进程、e p a 系统管理实体、e p a 应用访问实体、e p a 通信调 度管理实体、e p a 管理信息库等部分。其中最关键的是e p a 通信调度管理实体 ( c s m e ) ，它提高了网络的实时性能。e p a - c m s e 通信调度管理实体支持完全基 于c s m a c d 的自由竞争通信调度和基于分时发送的确定性通信调度。对于第一 种通信调度，e p a c s m e 直接传输d l e 与d l s u s e r 之间交互的数据，而不作任 何缓存和处理。对于第二种通信调度，每个e p a 设备中的e p a c s m e 将d l s u s e r d a t a 根据事先组态好的控制时序和优先级大小传送给d l e ，由d l e 处理后通过 p h l e 发送到网络，以避免两个设备在同一时刻向网络上同时发送数据的报文碰撞。 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 ) 。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 ，第二个阶段为非周 期报文传输阶段t n 。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 n p 、f t p 、邢、i c h p 、i g m p 等应用数据。非周期报文按其优先级高低、i p 地址大小及时间有效方式发送。 1 3 智能仪表现状及发展趋势 1 3 1 智能仪表简介i 3 2 1 1 3 3 1 智能仪表本质上是一种微机自动检测系统，是将人工智能的理论、方法和技术 应用于仪表，使其具有类似人的智能特性或功能的仪表。为了实现这种特性或功 能，智能仪表中一般都带有嵌入式微处理器( 或数字信号处理器) 及专用信号处理 电路c a s i c ，仪表内部带有很强的智能软件。智能仪表已不再是简单的硬件实体， 而是硬件、软件相结合，由硬件和软件两部分组成。 l 、硬件部分 被测模拟量输入信号先经过a d 转换，转换后的数字信号送入单片机，单片机 进行数据运算和处理，存储、显示和打印结果。单片机还可以采用适当的控制算 7 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 法，运算处理后的数字信号再通过d a 转换，向执行部件输出控制信号，智能仪 表还可以与p c 机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号和 数据，通过串行通信接口将信息传送给上位p c 机，由p c 机进行更复杂的数据处 理或进行全局监控。智能仪表的硬件基本结构图如图1 1 所示： 图1 1 智能仪表的硬件基本组成 2 软件部分 智能仪表的软件部分主要包括监控程序、接口程序和数据处理程序三大部分。 监控程序主要监控仪表的键盘和显示器，实现从键盘输入数据或进行功能设置， 完成对处理后的数据以数字、字符、图像等形式显示的任务。接口程序主要完成 数据采集、数据存储、数据通信等任务。数据处理程序主要完成数据滤波、运算、 分析等任务。 1 3 2 智能仪表的发展历程及趋势 随着信息时代的来临各种信息化智能仪表出现在各种工业现场。由于各种工业 仪表的应用，大大提高了工业化的程度，使生产效率得到了很大的提高。可以这 么说，仪表的发展也是工业发展的一个侧面反映。仪表的发展主要经历了以下几 个阶段：模拟电子仪表时代、数字电子仪表时代、智能仪表时代等不同的阶段。 ( 1 ) 模拟电子仪表，主要是以指针的方式来表示的仪表，如电压表、电流表、 功率表和压力表等等，均是典型的模拟式仪表。这些仪表普遍存在着诸多问题， 如功能简单、测量精度较低、响应速度较慢等等。 ( 2 ) 数字电子仪表，主要是通过将所测量的模拟信号转化成数字信号，再进行 测量，最后将测量的值以数字形式显示出来。它的测量精度较高、速度很快、读 数清晰直观，同时可消除人为主观的差别，而且能够很容易的与现代计算机相连， 在传输数据的距离方面也得到了很大的提局。 ( 3 ) 智能仪表，是计算机技术和测量技术相结合的产物，是含有微型计算机或 者微处理器的测量型仪表。由于它对采集的数据具有储存、运算、逻辑判断及其 8 浙江大学硕士学位论文e p a 在智能仪表中的应用研究 自动操作等能力，它具有一定的智能处理能力，故把这类仪表称为智能仪表。它 是在数字化的基础上以微型计算机或者微处理器为核心，是计算机技术与电子仪 器相结合的产物。它具有自动校正、自动补偿等功能，能够完成一些需要人类的 智慧才能完成的工作，所以具有一定的智能。 随着现场总线技术的不断发展进步，仪表系统的应用要求也在不断的提高，这 促使仪表朝着更高的要求发展，如网络化、微型化、智能化等。 1 4 课题背景 1 4 1 课题基础 本课题以c 3 0 0 0 过程控制器作为e p a 的应用研究对象，c 3 0 0 0 过程控制器是 浙江中控自动化仪表有限公