（检测技术与自动化装置专业论文）基于epa的现场io设备的研究与开发.pdf

浙江大学硕一学位论文幕于 e p a的现场 1 / o设各的研究与开发 摘要 现场总线技术的发展导致了多种国际标准的产生，由于标准之间的互不兼 容， 致使现场总线的开放性 现场设备的互可操作性以及工业控制网络的实时性 难以得到实现，与此同时，工业以太网以其成熟的技术优势，开始在现场设备 层网络中得到了应用， 成为真正统一现场总线标准的希氢 顺应发展形势， 我国 制定了基于以太网的现场总线国家标准e p a ，并得到了i e c组织的正式承认。 现场1 / o设备是e p a控制系统的重要组成部分，是广泛应用于工业现场， 实现信号采集 变执 处 理 分标 存储与传输，并对生产过程进行控制的重要工 具， 研究与开发基于e p a的现场 i / o设备对于验证e p a总线标准和实现 e p a控 制系统有着非常重要的意义。 本论文对 e p a现场 i / o设备设计中涉及的关键技术进行了研究:e p a通信 栈软件是实现e p a设备互相通信的平台，也是基于e p a的现场 f o设备的设计 基础和技术内核， 我们在对e p a系统结构充分理解的基础上， 提出e p a通信栈 软件的模块化设计思想与开发过程，实现了现场i / o设备基于e p a的通信:为 提高现场i / o设备的性能， 我们对以太网供电技术进行了研究， 实现了i n -b a n d 和o u t - o f - b a n d 两种供电方式; 此外， 我们还对基于e p a的现场i / o设备的本质 安全与防爆技术进行了研究与可行性分析。 在对关键性技术进行深入研究与分析的基础上，本论文提出了基于e p a的 现场】 / o设备的设计思路， 并重点阐述了基于e p a的标准信号采集模块的硬侏 软件 功能 通讯驱动等实现机理和开发成果，硬件开发主要包括通信底板的开 发和信号采集背板的开发两个层面;软件开发主要涉及信号的采集与处理，以 及e p a通信栈在 i / o设备中的实现;此外，为保证i / o设备在工业现场的稳定 运行，还有针对性地进行了模块的可靠性设计和分析。 目 前我们开发的基于e p a的现场u o设备已经通过了 精度测试 电 磁兼容性 测试和e p a通信一致性测试分析， 并在工业现场的e p a控制系统中得到了 成功 的应用。 关键字:e p a 工业以太网 现场总线 现场u o设备 标准信号采集模块 浙江人学硕士学位论文 基于e p a的现场i / o设备的研究与开发 abs tract t h e d e v e l o p m e n t o f t h e fi e l d b u s t e c h n o l o g y l e a d s t o s e v e r a l k in d s o f i n t e rn a t i o n a l s t a n d a r d s , b u t th e y a r e i n c o m p a t i b l e t o e a c h o t h e r a n d i n c o n s e q u e n c e , t h e o p e n n e s s o f t h e fi e l d b u s , t h e i n t e r o p e r a b i l i t y o f t h e fi e l d e q u i p m e n t , a n d t h e r e a l - t i m e i n d u s t r i a l c o n tr o l l e d n e t w o r k c a n n o t b e r e a l i z e d . me a n w h i l e , i n d u s t r i a l e t h e rn e t , w i t h i t s a d v a n t a g e o f m a t u r e t e c h n o l o g y , b e g i n s t o b e a p p l i e d i n t h e f i e l d e q u i p m e n t n e t w o r k , a n d a l l o w s u s t o s e e a u n i f i e d fi e l d b u s s t a n d a r d . i n a c c o r d a n c e t o t h e t e n d e n c y , o u r c o u n t r y e s t a b l is h e s t h e f i e l d b u s n a t i o n a l s t a n d a r d b as e d o n e t h e rn e t ( e p a - e th e rn e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) , w h i c h a l s o g a i n s f o r m a l r e c o g n i t i o n b y i e c . t h e f i e l d i / o d e v ic e i s a n im p o r t a n t p a r t o f t h e e p a c o n t r o l l in g s y s t e m, a n d i t i s a l s o a v e r y i m p o r t a n t i n s t r u m e n t t o a c q u i r e , e x c h a n g e , p r o c e s s , a n a l y z e , s t o r e a n d t r a n s f e r t h e fi e l d s i g n a l s , a n d t o c o n t r o l t h e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s . t o r e s e a r c h a n d d e v e l o p t h e f i e l d u o d e v i c e b a s e d o n e p a b e a r s g r e a t im p o r t a n c e t o v e r i 尔n g t h e e p a b u s s t a n d a r d s a n d f in a l ly r e a l i z i n g t h e e p a c o n t r o l s y s t e m . i n t h i s t h e s i s , w e s t u d y t h e k e y t e c h n i q u e s c o n c e rn e d i n t h e d e s i g n i n g o f f i e l d v o d e v i c e . t h e e p a c o m m u n i c a ti o n s t a c k i s a p l a t f o r m t o r e a l i z e t h e i n t e r c o m m u n i c a t i o n o f t h e e p a e q u i p m e n t , a n d i s a l s o t h e t e c h n o l o g i c a l c o r e a n d t h e d e s i g n i n g b a s e t o d e v e l o p t h e f i e l d i / o d e v i c e b a s e d o n e p a , s o a ft e r f u l l y c o m p r e h e n d i n g t h e s truc t u r e o f e p a s y s t e m , w e p u t f o r w a r d t h e m o d u l e d e s i g n i n g i d e a o f t h e e p a c o m m u n i c a t i o n s t a c k , a n d r e a l i z e t h e c o m m u n i c a t i o n o f t h e f i e l d 1 / o d e v i c e b a s e d o n e p a . t o e n h a n c e t h e fu n c t i o n s o f f i e l d y o d e v i c e , w e s t u d y t h e p o w e r i n g t e c h n i q u e s o f e t h e rn e t , a n d g a i n t w o k i n d s o f p o w e r in g t e c h n i q u e s , i n - b a n d a n d o u t - o f - b a n d . b e s i d e s , w e a l s o m a k e a s t u d y a n d f e a s i b i l i t y a n a l y s i s o n t h e i n t r i n s i c s a f e t y a n d a n t i - e x p lo s i o n t e c h n i q u e s o f t h e f i e l d i / o d e v i c e b a s e d o n e p a . b a s e d o n th e f u r t h e r s t u d y a n d a n a l y s i s o f k e y t e c h n i q u e s , w e r a i s e t h e d e s i g n i n g fr a m e w o r k o f th e f i e l d i / o d e v i c e b a s e d o n e p a , a n d i n p a r t i c u l a r , w e d e m o n s t r a t e m e c h a n i s m a n d t h e d e v e l o p i n g a c h i e v e m e n t o f s t a n d a r d s i g n a l a c q u i s i t i o n mo d u l e b a s e d o n e p a , s u c h as t h e h a r d w a r e , s o ft w a r e , f u n c t i o n , a n d c o m m u n i c a t i o n d r i v e . t h e h a r d w a r e d e v e l o p m e n t m a i n l y i n v o l v e s d e v e l o p i n g t h e c o m m u n i c a t i o n mo t h e r b o a r d a n d t h e s i g n a l a c q u i r i n g b a c k b o a r d , w h i l e t h e s o ft w a r e d e v e l o p m e n t i n v o l v e s a c q u i r i n g a n d p r o c e s s i n g s i g n a l s , a s w e l l a s r e a l i z i n g e p a c o mm u n i c a ti o n s t a c k i n i / o d e v i c e s . i i 浙江大学硕 i s 学位论文基于 e p a的现场 i / o设各的研究与开发 b e s i d e s , t o a s s u r e th e s t e a d y o p e r a t i o n i n i n d u s t r i a l f i e l d , w e a c c o r d i n g l y d e s i g n a n d a n a l y z e t h e r e l i a b i li t y o f t h e m o d u l e . t i l l n o w , th e f i e l d 1 / o d e v i c e b a s e d o n e p a d e s i g n e d b y u s h a s p a s s e d t h e p r e c i s i o n t e s t i n g , t h e e mc ( e l e c t r i c - m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) t e s t i n g , a n d t h e e p a c o m m u n i c a t i o n c o n s i s t e n c y t e s t i n g , a n d h a s a l s o a c h i e v e d s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n i n t h e e p a c o n t r o l s y s t e m o f i n d u s tr i a l f i e l d . w o r d s : e p a , i n d u s t r i a l e t h e r n e t , f i e l d b u s , f i e l d u o d e v i c e , s t a n d a r d s i g n a l a c q u i s i t i o n mo d u l e i i i 浙江大学硕十学位论文基于e p a的现场i/ o设备的研究与 开发 第 1 章绪论 随着现场总线技术和工业以太网技术的飞 速发展，工业控制技术领域正在 进行着一场深刻的革命。 i3a 总线的出现，使得现场仪表之iffl 现场仪表和控制 室设备之间构成网络互连系统，实现了全数字化 串 标 双r- 7 . 多变量数字通信， 一改过去长时间运用的4 -2 o m a的模拟信号标准， 为工业控制系统全数字化运 行奠定了基础 而在各种现场总线的激烈竞争中， 工业以 太网异军突起， 它以应 用广泛 价格低廉 通信速率高 软硬件产品丰富 应用支持技术成熟等优点，倍 受人们青睐， 随着通信确定性 实时性 稳定性、 司 靠性等方面问题的逐步得到解 决， 以太网开始在工业控制领域得到了全面的应甩 在这样的形势下， 我国也制 定了基于以 太网的现场总线国家标准 -e p a ( e th e rn e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) ，开 发基于e p a的现场设备，对于其能否最终成为国际标准和真正实现 乍网到底， 有着十分重要的意义，本论文正是在这样的背景下立题的。 1 . 1现场总线与工业以太网 现场总线 3 是当今自 动化领域技术发展的 热点之一， 它是应用于工业现场 在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的底层控制网9 116 .由于它将 单个分散的测控设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相 互沟通信息 共同完成自 动控制任务的网络和控制系统， 实现了生产过程现场控 制设备之间及其与控制管理层网络之间的互连通信，因此彻底打破了自 动化系 统的 “ 信息孤岛”状况。 现场总线的出现导致了传统控制系统结构的变革，形成了 新型的网络集成 式 全 分布控制 系统 现场总 线 控制系 统f c s ( fi e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) . f c s是一个全数字的系统，数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度 和很强的抗干扰能力，提高了系统的检测精度和鲁棒性。 f c s是一个全开放的系统， 在现场总线国际标准统一后，由 于不同设备制 造商提供的测控设备遵从相同的通信协议，它们之间的互可操作性和互换性将 真正得以实现，用户可以自由 选择不同 厂家提供的设备来集成系统，使系统集 成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 f c s 还是一个全分散的系统， 由于它采用了智能现场仪表， 能够把原先d c s 系统中处于控制室的控制模洗 l/ o模块置入现场设备，加上现场设备具有通信 能力，现场的测量变送仪表能和执行机构之间直接传送信号，从而实现了彻底 浙江大学硕 学位论文基于e p a的现场1 / o设备的研究与开发 的分散控机 这不但减少了d c s处理信息的压力，而且控制的彻底分散也使危 险得到了彻底的分散，提高了系统的可靠性。 正是由于 f c s具有开放性 分散性和互可操作性等特点，它己经成为当今 工业控制系统发展的必然趋势。 现场总线的出现开创了工业自 动化控制领域的新纪元，然而围绕着争夺现 场总线国际标准的大战， 也持续了1 6 年之久， 结果最终导致了多种国际标准的 产生 其中i e c 6 1 1 5 8 于 1 9 9 9 年 1 2 月通过，包括f f -h 1 , c o n t r o l n e t, p ro fi b u s p - n e t, f f - h s e , s w i ft n e t w o r l d f i p 共8 种类型， i e c 6 2 0 2 6 于2 0 0 0 年6 月通 过，包括了3 个类型，加 上i s o的两个 c a n国际标准，因此目前已经有 1 3 个 现场总线国际标准面世。 由于每一种现场总线都依托于某个和某几个国际大公司，其发展与公司的 利益休戚相关，所以每种总线都力图拓展其应用领域，扩张其势力范围，如 p r o fi b u s 在d p 的基础上又开发出p a ，以 适用于流程工业的需要 为了提高自 身 在制造商和用户中影响力，许多总线还成立了相应的国际组织，如 f f 基金么 p r o f i b u s 国际用户组织等氰 此外，各种现场总线还将自己作为国家或地区的标 准，以增强自己的竞争地位， 如 p -n e t已经成为月麦的标准， p r o fi b u s 已经成 为德国的标准，w o t 1 d f i p己经成为法国的标准等等。 诚然，当前的现场总线没有一种能够覆盖所有的应用领域，每种现场总线 都有其产生的背景和应用的场合，如 f f 主要适用于流程工业，p r o f ib u s 主要适 用于工厂自 动化，c a n主要适用于汽车工业等等 但是，多种标准的产生使得 现场总线的最主要特点 胡二放性和互可操作性不复存在 虽然异种的现场总线 之间 可以 通过网关 ( g a t e w a y ) 通信或者通过o p c ( o l e f o r p r o c e s s c o n t r o l ) 协 议进行互操作，但这导致了投资的增加和使用维护的复杂，而且由于这种互操 作只局限于主机之间，而不能在彼此的现场仪表之间进行，使控制的实时性大 大降低，因此所谓的互操作实际意义不丸 止 吵卜 ， 对于制造商和用户而言， 面对 如此之多的标准， 在选择时也不免会感到困惑。 因 此， 无论从技术发展的角度还 是从应用推广的角度来看，多种现场总线标准实际上就是没有标准，这严重阻 碍了现场总线的发展和应用。 多种现场总线标准的互不兼容，严重影响了工业控制网络的开放性和实时 性，这促使人们开始寻求新的出路 而与此同时，以太网以其技术成熟 软硬件 资源丰富 成本低廉等诸多优势，在企业信息管理恳 过程监控层网络中得到了 广泛的应用。 人们考虑，如果能将其引入现场设备层而取代各种不同的现场总 线，那么不仅能实现企业从现场层到管理层的全面无缝信息集成，也能真正统 浙江大学倾 上学位论文 基十e p a的现场t / o设备的研究与 开发 一现场总线标准 工业以太网正是在这样的形势下应运而生的， 可以说它是以太 网技术在工业现场设备控制层应用的产物。 由于以太网是按照局域网的要求设计的，因此它不能完全满足工业环境应 用的要求，工业以太网技术就是为了解决以太网在i 一 业现场应用的各种问题， 其发展体现在以下一些方面: 1 、制定统一的工业以太网标准 山于工业自 动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而 且还是一个通过网络完成控制功能的自 控系统。 它除了完成数据传输之外， 还需 要根据所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点 协调完成自 控任务 因 而它需要在应用忌 用户层等高层协议与规范上满足开放 系统的要求，满足互操作条件。 从 i s o / o s i 开放系统互连参考模型来看，以太网 和无线技术规范只映射为 其中的物理层和数据链路层，不是完整的网络协议;而在其之上的网络层和传 输层协议，目 前以 t c p / i p协议为主 ( 已成为以太网之上传输层和网络层“ 事实 上的” 标准i而对较高的层次如会话恳 表示恳 应用层等没有作技术规定 如果 只有e t h e r n e t t c p / i p 这低四 层协议规范， 还只能 保证连接到以 太网上的设备进 行互连， 不能保证它们之间的信息互诚 因此， 为满足工业现场控制系统的应用 要求，需要在e t h e m e t + t c p ( u d p ) / i p 协议的基础上， 建立完整的通信服务模 型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时 信息的传输服务，制定统一的应用层、用户层协议规范， 进而形成开放的标准。 目前， 各现场总线组织纷纷将e t h e rne t 引入其现场总线体系中的高速部分， 利用e t h e rn e t 和t c p / i p 技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，制定出不 同的工业以太网标准，比如现场总线基金会的h s e c o n t r o l n e t i n t e rn a t i o n a l 的 e t h e rn e t /i p 以 及p r o fi b u s i n t e rn a t i o n a l 的p r o fi n e t 等等 但是由于这些标准的 应用 层是不统一的，所以不同厂家的产品之间还是不能进行互操作，工业以 太网的 优势始终不能得到真正意义上的体现 所以制定统一的工业以太网标准迫在眉 睫。 2 、解决好通信的确定性和实时性问题 工业控制网络与 i t通信网络的最大区别在于它必须满足控制的实时性和 通信的确定性要求，即要求它能及时地对内部和外部的事件作出响应，并进行 相应的处理， 保证不丢失信息，不延误操傀 但是由于e t h e rn e t 采用冲突检测载 波监听多点访问 ( c s m a / c d ) 机制来解决通信介质层的竞争， 所以 在网络负荷 浙江大学硕士学位论文基 9 e p a的现场i / o设备的研究与开发 比较大时，网络传输的不确定性就不能满足工业控制的实时性要求。 而随着工业以太网技术的发展，通信的确定性和控制的实时性问题得到了 较好的解冼一 是e t h e m e t 的通信速率从 i o n i , 1 0 0 m增大到如今的1 0 0 0 n 1, l o g , 在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传 输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降;二是采用星型网络拓扑结构，通过 交换机将网络划分为若干个网段，由于e t h e m e t 交换机具有数据存储、 转发的功 能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞，同时交 换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限 在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低 了所有网段和主干网的网络负荷;三是采用全双工通信技术，使得端口间两对 双绞线 ( 或两根光纤)_ 上 分别同时接收和发送报文帧，避免冲突的发生 因 此， 采用交换式集线器和全双工通信， 可以使网络_ r_ 的冲突域不复存在， 使e t h e me t 的通信确定性和控制实时性大大提高。 3 、解决好工业现场应用的稳定性与可靠性问题 由十 e t h e m e t 是为商用领域设计的，所以它所使用的接插件 集线器 交换 机和电缆不能满足工业现场恶劣环境应用的要求， 稳定性和可靠性比较羌 但是 随着工业以太网技术的发展， 这方面的问题也正在得以迅速解冼 一些能够使网 络在极端条件下仍稳定工作的集线器、交换机不断被研发出来，比如美国 s y n e r g e t i c 微系统公司和德国h i r s c h m a n n . j e tt e r a g 等公司专门开发和生产了 导 轨式集线器 交换机产品，安装在标准 d i n导轨上，并有冗余电源供电，接插 件采用牢固的d b - 9 结拟 此外，冗余网络技术和具有强抗干扰能力的双绞线和 光纤的应用，也能够大大提高e t h e m e t 的稳定性和可靠性。 4 、解决好e t h e r n e t 的安全防爆问题 以太网在工业现场的应用，除了要解决稳定性和可靠性的问题，还必须解 决好安全防爆的问题 目 前现场设备的防爆技术主要包括隔爆和本安两类， 实现 本安的关键是低功耗，而由于目前以太网收发器本身的功耗比较大，所以设计 低功耗的现场设备和以太网交换机非常困难，在现有的技术条件下，对以太网 系统采用隔爆性防爆的措施比较可行，即通过对以太网现场设备采取增安 气 惠 浇封等隔爆措施， 使设备本身的故障产生的能量不会外泄， 以保证系统使用 的安全性 当然， 随着本安防爆技术和以太网技术的不断发展， 以太网系统的本 质安全也一定能够实现。 5 ,解决好e t h e r n e t 总线供电问题 浙八 _ 大学硕 十 学位论文基于e p a的现场 / o设备的研究与开发 以太网总线供电技术的发展对于 e t h e r n e t 在环境恶劣的工业现场和危险场 合的应用有着十分重要的意义 根据i e e e 8 0 2 .3 a f 的规范， 可以采用两种方式选 择以 太网双绞线的线对来供电， 一种方式是在传输数据所用的电 缆对( ( 1 / 2 另一种方式是使用电缆中 没有被使用的线对( 4 / 5 西斯耐特自 动化技术公司 ( s i x n e t )推出的e t mi x 2 4 8 8 0 - d是一块高密度 的以太网1 / o模块， 包含2 4 个数字量点( 可配置为2 4 个d i 或1 6 个d i 8 个d o ) 和8 个模拟量输入点， 模拟量输入可配置为4 - 2 0 m a ， 也可配置为。 - 5 v ;此外， 美国国家仪器公司 ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 推出的f i e l d p o in t 1 / o ，能够提供现场 设备到以太网的链接，a c t i o n 公司的子公司 b u s w a r e 推出了基于以太网的 e系 列i / o模块， n e m a t r o n 公司的子公司o p t im a ti o n 也不断推出新的 基于以 太网的 i / o模块。在国内，如研华科技推出基于以太网的数据采集和控制模块， a d a m- 6 0 1 7 可以实现 8 通道的模拟量输入和 2 路的数字量输出，a d a m- 6 0 5 1 可以实现 1 2 通道的数字量输入和2 路的数字量输出。 1 . 4论文的立题背景和研究目标 1 .4 . 1本论文的立题背景 随着工业以太网技术的不断发展，国外各大仪表公司日 益加快了 基于以太 网的现场i / o设备的开发步伐，而随着e p a成为我国自 主知识产权的现场总线 国家标准，研究与开发基于e p a的现场1 / o设备，对于验证和测试e p a标准， 应用与推广e p a分布式网络控制系统有着重要的意义， 此外， 开发e p a现场1 / o 设备， 可以满足国内市场的需求， 有着广阔的应用前暴 本论文正是在这样的背 景 下 立题的。 较之国内外的同类产品，基于e p a的现场fo 设备具有以下一些特点: 1 、 采用e p a标准可以实现水平和垂直层面的信息集成， 使现场设备之a 1 可 以进行信息互访和互操作。 么具有很高的集成陈 例如标准信号采集模块采用通道隔离技术， 能够实现 对8 路模拟量的采集， 根据现场需要， 通过跳线可以实现标准i i. m型电压信号 ( 0 - 5 v , 1 - 5 v ) 和标准i i , i i i 型电 流信号 ( 0 -1 0 m a , 4 - 2 0 m a )的 输入。 3,具有很高的测量精度。 例如标准信号采集模块， 对于1 1 型标准电压， 测量 精度为 士 0 .0 5 % f s ;对于 i i i 型标准电压，测量精度为 士 0 .0 5 % f s ;对于 1 1 型标准 电流，测量精度为士0 . 1 % f s ;对于i i i 型标准电流，测量精度为士0 . 1 % f s . 浙江大学硕士学位论文 基于e p a的现场 i / o设备的研究与开发 4 . 具有很强的环境适应能f j . 基于e p a的现场1 / 0设备采用总线供电技术， 叫 一 以适用十难以布线的工业现场，此外它不但能够使用于安全区，也能应用在 具有潜在危险的各种丁 _ 业环境。 s具有优越的性能价格比 从国外进口的现场i / o设备价格昂贵， 而我们j 卜 发的 i / o模块不仅在功能上可以达到国外同类产品的水平，而且价格便宜，因 此具有较高的性能价格比。 1 . 4 . 2本论文的研究目 标 木论文的研究目 标主要包括以下五个方面的: 1 , e p a通信栈软件的设计与开发 e p a通信栈软件是实现e p a设备互相通信的平台， 也是基于e p a的现场1 / 0 设备的设计基础和技术内核， 对e p a通信栈软件的设计与开发是本论文研究的 目 标之二 我们在对e p a系统结构充分理解的基础上，提出e p a通信栈软件的 模块化设计思想与开发过程，并成功实现了现场v 0设备基于e p a的通信。 2 、总线供电技术的研究 为了克服工业现场恶劣的环境，降低布线成本，提高设备的抗千扰性和系 统的可维护性，我们对以太网总线供电 技术进行了 研究，并在e p a现场i / 0设 备的设计中成功实现了i n -b a n d 和o u t - o f - b a n d 两种供电方式。 3 、现场】 / o设备的安全防爆研究 由于工业现场不可避免地会存在易燃 易爆性物质， 成为潜在的爆炸性危险 场所，在这样的环境中，如果又同时具备了点燃源 ( 比如电火花或者是一定的 热表面温度) 和空气 ( 氧气) 这两个条件，那么就有可能发生爆煤 所以对十现 场v o设备， 我们必须采取有效的安全防爆措施来避免其成为点燃源。 由 于本质 安全防爆是最可靠的安全防爆技术，所以我们对现场 v 0设备的本质安全防爆 进行了研究。 4 、 现场1 / o设备的可靠性研究与设计 山于工业现场的环境复杂，所以我们对现场 i / o设备进行了可靠性研究与 设计， 主要包括抗干扰设计和冗余设计两个方虱 抗干扰设计包括硬件抗干扰设 计和软件抗干扰设计两个方面， 硬件抗干扰包括滤波 去 棍 接地 屏 n il 隔离等， 软件抗干扰主要采用了数字滤波技术 冗余设计也是提高设备可靠性的重要手 段，冗余设计包括总线供电的冗余、e p a通信的的冗余、信息冗余和时间冗余。 5 、现场1 / o设备的功能设计和开发 浙江大学硕 卜 学位论文基于e p a的 现场i / o设备的研究与 开发 不同的现场i / o设备完成不同的输入输出任务， 因此我们还需要对现场i / o 设备进行功能设计与开发，比如标准信号采集模块通过跳线和多路开关成功实 现了对 8 路电1r .电流信号的采集;热电偶和毫伏信号输入模块可以将e工k m t 9 b 等8 种热电偶信号和 0 -1 0 0 m v 的小信号转换为数字量;热电阻信号 输入模块可以接收0 -4 0 0 6 2 之间任何电阻信号， 将热电阻信号转化为数字信号， 用于温度信号的测量;开关量输入模块能够快速响应干触点信号和电平信号的 输入，实现数字量信号的准确采集;开关量输出模块提供四路无源的晶体管触 点，通过中间继电器驱动电动控制装置，实现开关量的输出。 1 .4 .3本论文的结构 本论文对e p a现场 i / o设备设计中涉及的关键技术进行了研究:e p a通信 栈软件是实现e p a设备互相通信的平台，也是基于e p a的现场u o设备的设计 基础和技术内核， 我们在对e p a系统结构充分理解的基础上， 提出e p a通信栈 软件的模块化设计思想与开发过程，实现了现场i / o设备基于e p a的通信;为 提高现场u o设备的性能， 我们对以太网供电技术进行了研究， 实现了i n -b a n d 和 o u t - o f - b a n d 两种供电方式;此外，我们还对基于e p a的现场 i / o设备的木 质安全与防爆技术进行了研究与可行性分析。 在对关键性技术进行深入研究与分析的基础上， 本论文提出了基于e p a的 现场i / ( 设备的设计思路， 并重点阐述了基于e p a的标准信号采集模块的硬作 软件 功能 通讯驱动等实现机理和开发成果 此外， 我们还有针对性地介绍了现 场u o设备的可靠性设计方法。 论文还对现场 i / o设备的精度测试 电 磁兼容性测试 e p a通信一致性测试 的测试过程与测试结果进行了介绍，结果表明，各模块都能通过测试，达到设 计指标。 论文最后对课题进行了全面的总结，并提出了进一步研究的方向。 本论文的具体章节安排如下: 第一章为绪论，介绍现场总线 工业以太网与e 队 的发展状况，以及本论 文的立题背景和研究目 标; 第二章介绍e p a控制系统的体系结构及其重要组成部分 sp a现场 i / o设 备; 第二章介绍e p a的系统结构以及e p a通信栈软件的设计与开发; 第四章介绍以太网供电技术及其实现方式的研究; 第五章介绍e p a现场f o设备的安全防爆研究; 浙江大学硕 卜 学位论文 基于e p a的现场 u o设各的研究与 开发 第六章介绍e p a现场1 / o设备设计与开发，重点阐述基于e p a的标准信号 采集模块的轨 硬件实现机理与开发成果， 并有针对性地介绍对现场i / o设备的 可 靠性设计; 第七章介绍现场fo 设备的精度测试 电 磁兼容性测试和e p a通信一致性测 试; 第八章对课题的研究进行总结，并对进一步的研究和发展讲行展望 1 . 5本章小结 随着现场总线技术的发展， 现场设备一改过去长时间运用的4 - 2 0 m a模拟 信号通信标准，实现了全数字化 串 徐 双- i多变量的数字通v - ia 而在各种现场 总线的激烈竞争中，工业以太网异军突起，并以其应用广活 价格低廉 通信速 率高 软硬件产品丰富、 应用支持技术成熟等优点而倍受人们青睐，,e网到底 成为现场总线发展的必然趋势，顺应发展形势，我国也制定了基十以太网的现 场总线国家标准e p a本课题正是在这样的背景下立题的， e p a现场设备是e p a 总线控制系统的重要组成部分，开发基于e p a的现场1 / o设备，对于e p a标准 的验证和e p a控制系统的真正实现具有重要的意义， 本论文将从关键技术的研 究与分标 现场y o设备的设计与开发两个方面展开论述， 内容包括e p a通信栈 软件的设计与开发 以 太网供电技术的研究 现场1 / 设备本质安全防爆的研究 现场u o设备的设计与开发、现场u o设备的测试等几个方面。 浙江大 学硕l 学位论文基十 e p a的现场 u o设各的研究， j 开发 第2 章基于e p a的控制系统与现场1 / o设备 e p a c 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 )是针对工业测量与控制系统网络通信 特点设计的，以以太网 ( 和无线技术i t c p / i p为基础的现场总线通信标准 它 规定了基于以太iu j .彩戈 局域队 蓝牙等信息网络通信技术的工业自 动化控制系 统与仪器仪表间通信的标准， 包括相互之间的通信操恨 为用户应用程序提供的 服务接口以及相关管理方面的规范 与此同时，还规定了基于以太网、 形戈 局域 夙 蓝牙等网络媒体与配置的要求， 以保证以太凤 无线局域凤 蓝牙等网络通信 技术应用于复杂工业现场的环境适应性要求( 包括机械环境适应性 气候环境适 应性 电磁环境适应性以及可靠性等i本章介绍了 e p a控制系统的体系结构及 其重要组成部分e p a现场u o设备。 2 . 1 e p a 网络拓扑结构 e p a网 络拓扑结构2 1 如图2 -1 所示，它由 两个网 段组成: 过程监控层 l 2 网段和现场设备层 l 1 网段。 图2 - 1 e p a 系统网络拓扑结构 现场设备层 l 1 网段用于工业生产现场的各种现场设备 ( 如变送器 执行机 梅 分析仪器等) 之间以及现场设备与l 2 网段的连接; 过程监控层l 2 网段主要 用于控制室仪表、装置以及人机接口 之间的连接。 l l 网 段和l 2 网段仅仅是指它们在控制系统中 所处的网 络层次关系的不同 而划分的， 它们本质上都遵循同样的e p a通信协说 对于处于现场设备层l 1 网 浙江大学硕士学位论文 基十 e p a的现场 1 / o设备的研究 与开发 段在物理接口和线缆特性上必须满足工业现场应用的要求 此外， 无论是过程监 控层l 2 网段还是现场设备层l i 网段，均可分为 一 个或几个微网段。 一个微网段即为一个控制区域，用于连接几个 e p a现场设备 在一个控制 区域内， e p a设备之间互相通信， 实现特定的测量与控制功能 一个微网段通过 一个e p a网桥与其他微网段相连。 一个微网段可以由以太陈 无线局域网或蓝牙三种类型网络中的一 种构成， 也可以由其中的两种或三种类型的网络组合而成，但不同类型的网络之间需要 通过相应的网关或无线接入设备连接。 2 . 2 e p a 设备 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网栋 e p a代m 无线接入设备等几类。 1 , e p a主设备 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 地址必须在系统中唯一。 2 , e p a现场设备 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 开芜 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 地址必须在系统中唯一。 3 , e p a网桥 e p a网桥是一个微网段与其它微网段连接的设备 一个 e p a网桥至少有两 个通信接口， 分别连接两个微网段 e p a网桥是可以组态的设备， 具有两大功能: 一是通信隔离功能，一个 e p a网桥必须将其所连接的两个微网段内木地所有通 信流量限制在其所在的微网段内， 而不占用其他微网段的通信带宽资源 这里所 指的通信流量包括以广播 一点对多点传输的组播以及点对点传输的单播等所 有类型的通信报文所占的带宽资源;二是报文转发与控制功能，一个e p a网桥 还必须对分别连接在两个不同微网段的设备之间互相通信的报文进行转发与控 机 即连接在一个微网段的e p a设备与连接在其他微网段的e p a设备进行通信 时，其通信报文由e p a网桥负责控制转发。 4 、无线e p a接入设备 无线e p a接入设备是一个可选设备，由一个无线通信接口 ( 如于终局域网 浙江大学硕士学位论文基十e p a的现场 1 / o设备的研究与开发 通信接口或蓝牙通信接口)和一个以太网通信接口构成，用于连接无线网络与 以太网。 5 、无线e p a现场设备 无线e p a现场设备具有不少个无线通信接口( 如无线局域网通信接口或 蓝牙通信接口) ，并具有e p a通信实体，包含至少一个功能块实例。 6 , e p a代理 e p a代理是一个可选设备， 和数据交换进行安全控制与管理 用于连接 e p a网络与其它网络，并对远程访问 2 . 3 e p a 现场i / 0 设备 信号采集与控制是工业控制的最关键组成部分，开发e p a现场u o设备对 于验证e p a标准和实现e p a控制系统具有十分重要的意义，木课题也是“ 基于 e p a的分布式网络控制系统”课题的主要组成部分。 在工业控制中，通常采集到的信号有两类:一类是电压或电流模拟信 号; 另一类是开关量或数字脉冲量 开关量 脉冲量都属于数字信号i模拟信号又包 括流量信号 压力信号、 液位信 7 , 温度信号等许多类型，其中对于流量 液位 压力等信号都通过现场变送器转换成标润i 型电流 电压信号( 包括。 一l o m a的 电流信号和 0 -5 v的电压信号) 和标准i i i电流 电 压信号 ( 包括4 -2 0 m a的电 流信号和 1 -5 v的电压信号i而温度信号的采集，主要包括用热电阻 ( p t 1 0 0 . c u 5 0等) 采集的温度信号和用热电偶采集的温度信气 输入的模拟信号必须经 过模/ 数转换器( a d c : a n a l o g - d i g it a i c n v e r t e r ) 转换成数字量， 才 能被微处理器 c p u 所接i 同 样输出 控制量信号也必须是数字信