（检测技术与自动化装置专业论文）epa现场控制器通信模块的设计与开发.pdf

浙江大学硕+ 学位论文 摘要 近年来，工业以太网凭借着其开放性、可靠性、易用性、e 网到底等优势， 逐渐成为了工业控制领域的重要组成部分。在国内，e p a 标准作为一个拥有自主 知识产权的工业以太网标准也取得了重大的进展，并正式进入现场总线国际标准 i e c6 1 1 5 8 。随着e p a 的快速发展，e p a 系统的现场设备、现场控制器、网桥等 关键技术的开发也迫在眉睫。而作为e p a 控制系统的核心，e p a 现场控制器设 计和开发对e p a 的发展有着重大的影响。 本文主要以e p a 现场控制器通信模块为研究对象，针对现场控制器通信模块 设计中的时间同步设计、通信调度模块、系统定时器设计、网络实时冗余等关键 性技术进行深入的研究和讨论。 在当前系统中，设计稳定、可靠的高精度通信调度是通信模块设计的首要任 务，而高精度时间同步和高精度时间服务是高精度通信调度的基础。在本系统中， 高精度的时问同步和高精度的系统定时器是当前系统设计的重点和难点。在同步 系统设计过程中，将晶振补偿算法、时间戳滤波与i e e e l 5 8 8 结合起来极大的提 高了系统的同步精度，将同步精度从1 0 0 u s 提高到5 u s 以内，达到了u s 级高精 度同步。同时在系统定时器设计过程中，引入了d e l t a 列表算法，克服了传统定 时器设计中存在的精度差、效率低的缺点，达到了u s 级定时精度，同时提高了 定时器效率，与高精度时间同步配合为e p a 现场控制器所需的高精度时间服务 提供了良好的平台。通过以上的工作使系统调度精度达到2 0 u s ，远高于e p a 系 统要求的l m s 的调度需求。最后针对工业控制网络对可靠性的苛刻要求，提出 了透明双网络实时冗余的设计方案，在不影响e p a 网络拓扑的条件下，进一步 提高了数据传输的可靠性。 文中首先介绍了工业以太网以及e p a 的发展历程和最新的进展情况，然后阐 述了现场控制器通信模块的设计目标和主要工作。e p a 现场控制器通信模块的研 究和设计是本文的研究重点，在第三章、第四章中分别针对通信模块的硬件设计 和软件设计进行了研究，着重介绍了时间同步、通信调度、高精度系统定时器、 透明双网络实时冗余设计等关键技术。硬件设计主要包括网络隔离接口的设计、 网卡芯片接口设计以及复位电路的设计，软件设计主要包括系统总体框架设计、 时间同步设计、通信调度模块设计、系统定时器设计、操作系统模块设计、透明 双网络实时冗余以及双1 ：1r a m 交互设计，并完成了e p a 现场控制器通信模块的 2 浙江大学硕士学位论文 开发和测试，得到了满意的结果。当前设计的e p a 现场控制器已经运行在华东 制药的一期、二期发酵控制系统的示范应用中，现场控制器运行稳定可靠。取得 了良好的应用效果。 【关键字】：_ 业以太两e p a 现场控制器协议栈软竹时间同步通信调度嘲络冗余 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea d v a n t a g eo fi n d u s t r i a le t h e r n e th a sb e e nm a t e r i a l i z e d i n c r e a s i n g l y i n t e r i o r l y , e p ai sav e r yp r e p o n d e r a n tp r o t o c o li nt h ei n d u s t r i a le t h e r n e t ， a n di th a sg a i n e dav e r yi l l u s t r i o u ss u c c e s si nr e c e n ty e a r s a n di n2 0 0 5 ，e p ah a s b e c o m ean u m b e ro f i e c 6 1 1 5 8 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e p a ，t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h ee p af i e l dd e v i c e ，e p af i e l dc o n t r o l l e ra n de p ab r i d g ea r ev e r y n e c e s s i t o u sn o w t h ef i e l dc o n t r o l l e ri sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ee p ac o n t r o l s y s t e ma n di tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h es y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fe p af i e l dc o n t r o l l e ri su s e da st h es t u d yo b j e c ti n t h i sd i s s e r t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nd e e p l ys t u d i e di nt h ed e s i g no f t h er e a l t i m eo s ，t h e c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d ，t h ec o m m u n i c a t i o ns c h e d u l em e t h o d ，t h eh i g hp r i c i s e t i m e ra r r a ya n dt h er e a l t i m en e t w o r kr e d u n d a n c y i nc u r r e n ts y s t e m ，t od e s i g nas t a b l ea n d p r e c i s ec o m m u n i c a t i o ns c h e d u l em o d u l e i st h em a i nt a r g e to ft h ef i e l dc o n t r o l l e r sd e s i g n ，a n dt h ed e s i g no fc l o c k s y n c h r o n i z a t i o na n dt i m e ra r r a yi st h eb a s eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns c h e d u l em o d u l e s ot h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l em o d u l ea n dt h et i m e r a r r a ym o d u l ea r et h ee m p h a s e so ft h i sd i s s e r t a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m ，s o m ew a yt oi m p r o v et h es y n c h r o n o u ss y s t e mi nf i e l d w o r k w a sp u tf o r w a r da n dw a sd e e p l yd i s c u s s e di nt h e4 也c h a p t e ga n dw eu s et h e d e l t a - m e t h o dt ob u i l dah i g hp r e c i s et i m e ra r r a yi nt h es y s t e m a tl a s tt h e c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l e sp r e c i s i o ni sv e r yh i g h t h ep r e c i s i o ni sm u c ha c c u r a t e r t h a nt h ed e s i g n e dg o a l a n di no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i v yo ft h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，ar e a l t i m en e t w o r kr e d u n d a n c ym o d u l ew a sa d d e dt ot h es y s t e m t h e s e p r o v i d eav e r ys t a b l eb a s ef o rt h es y s t e m f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e d t h eh i s t o r ya n dt h el a t e s ti n f o m a a t i o no f i n d u s t r i a le t h e m e t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ee p a s y s t e mi st h ee m p h a s i s o ft h i sd i s s e r t a t i o n i nt h e3 n la n d4 i l l c h a p t e r s ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g no ft h ee p ap r o t o c o li ss t u d i e d t h em a i np a r to ft h eh a r d w a r ed e s i g ni sa b o u t c o m m u n i c a t i o nc i r c u i td e s i g na n dr e s e tc i r c u i td e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g ni sp r e s e n t i n 5p a r t s ：t h eo sd e s i g n ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nd e s i g n ，c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l e d e s i g n ，s y s t e mt i m e ra r r a yd e s i g nr e a l t i m en e t w o r kr e d u n d a n c ym o d u l ea n dd p r a m m o d u l ed e s i g n t h ed e v e l o p m e n ta n ds t a b l i l i t yt e s t ，c o m m m f i c a t i o nt e s tw e r ec a r r i e d 4 浙江大学硕士学位论文 t h r o u g h ，a n dw eg e tas a t i s f y i n gr e s u l t n o wt h ee p af i e l dc o n t r o l l e rh a sr u ni nt h e f i r s ta n ds e c o n dd e m o n s t r a t i o na p p l i c a t i o n si nh u a d o n gm e d i c a lf a c t r o ya n dt h e r u n - t i m er e s u l ti ss m i s 匆i n g 【k e y w o r d s 】i n d u s t r i a le t h e r n e t ，e p a ，f i e l dc o n t r o l l e r , c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n c o m m u n i c a t i o n s c h e d u l e ，n e t w o r kr e d u n d a n c y 5 浙江大学硕士学位论文 1 1 工业以太网筒述 第1 章绪论 1 1 1 以太网技术 以太网是由x e r o s 公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络 媒体，采用载波多路访问和碰撞检测( c s m a c d ) 机制，数据传输速率达到l o m b p s 。 虽然以太网是由x e r o s 公司早在7 0 年代最先研制成功，但是如今以太网一词更 多的被用来指各种采用c s m a c d 技术的局域网。以太网被设计用来满足非持续性 网络数据传输的需要，而i e e e8 0 2 3 规范则是基于最初的以太网技术于1 9 8 0 年制定。以太网版本2 0 由d i g i t a le q u i p m e n tc o r p o r a t i o n 、i n t e l 、和x e r o s 三家公司联合开发，与i e e e8 0 2 3 规范相互兼容。以太网结构如图卜1 所示。 图1 - 1 太网结构不意图 在以太网协议中，规定了一种竞争方式的介质访问控制方式。在竞争方式中， 允许多个站对单个通信信道进行访问，网络站点先监听载波是否存在，即信道是 否被占用，然后采取相应的措施，竞争方式的介质访问控制协议一般用于总线型 或树型网络中。载波监听多路访问冲突检测协议是广泛应用于局域网中的一种 竞争式介质访问控制协议。 以太网在物理层采用广播机制传输数据，所有与网络连接的工作站都可以看 到网络上传输的数据。通过查看包含在帧中的目标地址，确定是否进行接收。如 果证明数据确实是发送到本地的，工作站将会接收数据并传递给高层协议进行处 理。 1 1 2 工业以太网的提出 所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在 产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能满足工业 现场的需要。简言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技 术。 浙江大学硕士学位论文 1 1 工业以太网简述 第1 章绪论 1 1 1 以太网技术 以太网是由x e r o s 公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络 媒体，采用载波多路访问和碰撞榆测( c s m a c d ) 机制，数据传输速率达到1 0 m b p s 。 虽然以a 网是由x e r o s 公司早在7 0 年代最先研制成功，但是如今以太网一词更 多的被州束指各种采片jc s m a c d 技术的同域网。以太网被设计用来满足非持续性 网络数据传输的需要，而i e e e8 0 2 3 规范则是基于最初的以太网技术丁1 9 8 0 年制定。以太网版本2 0 由d i g i t a le q a i p m e n tc o r p o r al i o n 、i n t e l 、和x e r o s 三家公司联合丌发，与i e e e8 0 2 3 规范相互兼容。以太网结构如图卜l 所示。 图1 - 1a 咧结构不葸图 在以a 网协议中，规定了一种竞争方式的介质访问= | 卒制方式。在竞争方式中， 允许多个站对单个通信信道进行访问，嗍络站点先髓听载波是台存在，即信道是 否被占用，然后采取相应的措施，竞争方式的介质访问控制协议一般用于总线型 或树型网络中。载波监听多路访问冲突检测协议是广泛应用丁- 局域网中的一种 竞争式介质访问控制协议。 以太网在物理层采用广播机制传输数据，所有与网络连接的上作站都可以看 到网络上传输的数据。通过奋看包台在帧巾的目标地址，确定是否进行接收。如 果证明数据确实足发送到本地的，工作站将会接收数据并传递给高层协议进行处 理。 1 1 2 工业以太阿的提出 所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网( 即i e e e s 0 23 标准) 兼容，但在 产品设训时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能满足工业 现场的需要。简言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技 现场的需要。简言之，工业阱太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技 术。 浙江大学硕：学位论文 传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和没备层则采用不同 的现场总线或其他专用网络。随着互联网技术的发展与普及推广，e t h e r n e t 技术 也得到了迅速的发展，e t h e m e t 传输速率的提高和e _ h e m e t 交换技术的发展，给 解决e t h e m e t 通信的非确定性问题带来了希望，目前以太网已经渗透到了控制层 和设备层，开始成为现场控制网络的。员。 国外对以太网作为控制总线的研究已从理论阶段过度到丌发阶段。惠普公司 应用i e e e l 4 5 1 - 2 标准，生产嵌入式以太网控制器具有1 0 b a s et 以太网接口，运 行t c p h p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。n e ts i l i c o n 公司应用 n e t + a r m 体系，生产嵌入式集成了t c 朗p 的芯片。目前几个主要的现场总线 组织也在开发基于以太网的现场总线协议，如f f 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t ，更有 一些公司已在开发具有以太网接口的仪表。现场总线基金会( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ) 制定了一个h s e 计划( h i 曲s p e e de t h e m e tp r o g r a m ) ，用高速以太网作为h 2 的 一种选择，他们已组织了一个来自2 0 个厂家、4 0 多人组成的庞大工作组，开发 现场总线与以太网的连接产品，去年底已完成原形产品，现场总线基金会宣称， 效果超出预期目标，现已进入编写标准规范阶段。目前很多研究机构也在进行节 点网络控制器的硬件架构和软件体系研究，为工业现场最底层的设备架设了单一 高效的网络结构，形成了与现有i n t e m e t 无缝连接的数据传输通道。如带有工业 以太网接口的智能仪表、嵌入式智能控制器终端等。美国g e 公司将以太网接口 做在保护装置中，g e h a r r i s 公司推出了带双以太网接口的d 9 5 测控单元装 置，a b b 也推出了带以太网接口的间隔控制器r 5 8 0 。美国c o n n e c t o n e 公司、 p h i l i p s 公司、e m w a r e 公司、t a s k i n g 公司和国内的p & a m p ；s 公司等均提供 基于i n t e r n e t 的d e v i c en e t w o r k i n g 的软件、固件( f i r m w a r e ) $ 口硬件产品。o p t 0 2 2 公司应用嵌入式i n t e r n e t 技术，研制开发了“以太网i o 系统”一s n a p e t h e r n e t i o 系统，通过i n t e m e t 对分布在现场的i o 进行访问，从而实现对远程设备的监 测和控制。将网络功能嵌入终端设备中，使其可直接通过i n t e m e l f i n t r a n e t ( 企业 内部网) 进行网络通信、数据交换，实现远程组态、参数修改等。并且减少了诸如 网关、代理服务器等中间环节，简化了网络结构，降低了安装、维护的难度和成 本。同时现场歧备通信速率和通信信道的利用率大大提高，可直接传送图像信息、 多媒体信息，满足了工业控制系统的高要求。实行“e ”网到底是工业控制网络 必然的发展趋势，而可实现最底层设备直接融入网络的嵌入式技术必将获得长足 的发展。4 8 1 1 1 3 工业以太嗯的发展趋势 控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议，与其 9 浙江大学硕十学位论文 他控制网络结合的以太网。以太网l e 逐步向现场级深入发展，并尽可能和其他网 络形式走向融合，这是工业以太网所面临的重要课题。但以太网和t c p i p 协议 原本就不是面向控制领域的，尽管普通以太网与工业以太网样符合i e e e 8 0 2 3 标准，但是由于工业以太网设备的工作环境与办公环境存在较大差剐，所以工业 以太网设备要求能在较宽温度范围内工作、封装牢固( 抗振和防冲击) 、导轨安装、 电源冗余、2 4 v d c 供电等。传统的以太网在实时性、物理介质、总线供电等方 面与工业要求还有一定距离。 同时，随着以太网带宽的迅速增自n ( 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，工业以太网的响应时间小于4 m s ，可满足 几乎所有工业过程控制要求。 从目前趋势来看，工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来， 它还难以完全取代现场总线，作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍 将继续存在，最有可能的是发展一种混合式控制系统。此外，并非每种现场总线 协议都将被工业以太网协议所替代，将会出现多种总线共存、混合使用的模式。 现场总线开创了工业控制开放性的时代，而以太网技术会把开放性的思想在更高 的程度上得以实现。目前，拥有我国自主知识产权的e p a 协议已经通过国际 i e c 6 1 1 5 8 委员会的审批，成为了公认的国际标准。这也为我国的工业以太网的 发展提供了良好的平台和技术指导。”“ 1 2e p a 系统的提出 e p a 正是在以太网不断普及，工业以太网飞速发展的情况下提出的。e p a 是e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n 的缩写，它是e t h e m e t 、t c p i p 等商用计算机通 信领域的主流技术直接应用于工业控制现场设备问的通信，并在此基础上，建立 的应用于工业现场设备问通信的开放网络通信平台。通过该平台，不仅可以使工 业现场设备实现基于以太网的通信，而且可以使工业现场设备层网络不游离于主 流通信技术之外，并与主流通信技术同步发展。e p a 是一种基于工业以太网的现 场总线解决方案，是在控制系统与现场测量控制装置之间，以及现场测量、执 行机构之间进行通信的分布式数字控制系统。 基于e p a 的工业自动化控制系统是一种分布式网络控制系统，它由现场设 备和控制监视设备组成，并结合工业自动化生产现场物理环境，所有e p a 设备 一起协调工作，完成生产过程和操作中的i o 数据采集和自动化控制。该系统可 以用于制造和过程控制环境，但由于目前以太网及无线局域网、蓝牙等本身不能 1 0 浙江大学硕：学位论文 支持本质安全要求，因此e p a 网络尚不能应用于有本安要求的应用场合。 1 2 1e p a 系统的特点 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、旋工周期，提高工程应用质量和系统可重用性的目的。 基于e p a 的分布式网络控制系统具有以下特点： 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、i e e e 8 0 2 1 5 蓝牙接入网，以及t c p ( u d p ) i p 、h t t 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1 程设计平台密切相关。 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。 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。1 1 4 1 1 ”j 1 2 2e p a 的实时性 e p a 针对通用以太网通信过程中存在的不确定性进行了改进，在数据链路层 加入了通信调度管理实体。避免了网络上碰撞的发生，满足了工业网络中现场级 通信对实时性的要求。e p a 将控制网络分割成很多个微网段，在每个e p a 微网段 浙江大学硕七学位论文 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 n u n 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 ( 如图卜2 所示) 。在周期性信息发送阶段， 每个设备都按照一定的组态好的顺序进行发送，如果该设备有非周期性信息要发 送，则应该再发送一个非周期数据声明报文。【1 6 】 1 浦信宏周朗t - r l ij 1 周期擞文发送阶段l r、 非周期摊文发迸阶段t n r 翮 蕊图盯门 随圈 隅 圈一 n 瞬蕊阁 图周期报文 目非周朋数据声明报文 _ 非周期报文 田非周期数据靛送结束声明报文 时可 图卜2e p a 通信调度不意图 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 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 地址大小及时间有效方式发送。 通过这样的方式，避免了网络上碰撞的发生，保证了通信的可靠性，同时保 证了每个设备的实时信息可以在一个宏周期内发送出去，提高了系统的实时性和 可靠性。 m 芑： m 阱 ；弓 浙江大学硕士学位论文 1 3e p a 现场控制器 对于传统的d c s 工业控制器而言，它的基本功能是将传感器所采得的信号 经过一定的前向通道，变换成符合控制计算机通信标准的信号，按通信协议传给 控制计算机，再将控制计算机发出的控制信号经过逆向变换传送给现场设备，从 而实现控制。e p a 控制系统属于现场总线的。种是将自动化最底层的现场控制器 和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循i s 0 的0 s i 开放系统互连参 考模型的全部或部分通讯协议。在e p a 系统中同样体现了功能上管理集中，控制 分散，在结构上横向分散、纵向分级的思想。所以e p a 系统中的控制功能都在现 场设备层实现。 同时，如果单纯利用普通现场设备中的控制功能块进行系统的控制，很难完 成解藕、自定义语言、复杂p i d 、与d c s 接口等特殊控制功能的实现。因此为了 实现控制系统的上述功能，设计e p a 现场控制器的需求已经日益突出。考虑到控 制器强大的控制功能，故设计过程中将控制器分成两部分进行设计。一部分完成 控制功能，另外一部分完成通信功能，两部分通过双口r a m 进行通信。本文中将 主要针对现场控制器的通信模块的设计进行讨论。 1 3 1 现场控制器通信模块设计目标 作为e p a 现场控制器的通信模块，首先要完全支持e p a 通讯栈、其次要考虑 到系统的控制系统的实时性、可靠性、响应速度以及设备的智能化等问题。下面 是当前通信模块设计目标。 ( 1 ) 支持完整的e p a 通信栈 可以支持e p a 网络通信，内部带有标准的u d p i p 协议栈，支持e p a 协议规 定的各条服务。可以通过e p a 的变量访问、域访问、设备信息访问等服务完成 e p a 标准的组态和设备信息的访问，支持与上位机组态软件、e p a 现场设备等各 种e p a 设备进行互连。 ( 2 ) 符合e p a 标准的通信调度 现场控制器本身工作在e p a 系统的现场控制网段，为了满足了工业网络中现 场级对通信的实时性的要求，现场控制器的通信模块中应带有通信调度模块以保 证通信的可靠性。当前通信调度模块的设计精度要求为1 0 0 u s ，为了保证高精度 的要求，还需要高精度的时间同步和高精度的系统定时器服务的支持。 f 3 ) 高精度的时间同步服务 由于e p a 本身通信调度的工作方式，要求在e p a 系统中加入时间同步模块。 在e p a 协议里，规定了可以采用s n t p 或者i e e e l 5 8 8 两种同步方式中的一种。 浙江大学硕士学位论文 在e p a 周期数据的发送时间里，时间片的分隅细度直接影响到系统的调度周期 和控制周期。因此对现场控制器的同步精度方面有较高的要求，以保证调度的精 度。为了达到较高的网络利用率、尽量小的通信宏周期以及稳定可靠的通信，时 间同步服务的精度设计高于2 0 u s 。 4 ) 与控制模块的数据接口 由于e p a 对通信的实时性有着严格的要求，同样控制回路的实时性也是控制 系统的一个重要指标，因此在当前系统中将控制器的控制算法模块和通信模块在 硬件上分开。如何快速、可靠的在这两个模块之间传输实时数据和监控诊断信息 等数据也是现场控制器设计主要内容。在当先系统中采用一片双口r a m 来进行 控制算法模块和e p a 通信模块间的数据通信。设计过程中主要考虑实时数据的 有效性和实时性。双口r a m 模块的交互速度对整个控制系统的响应速度有着很 大的影响，如何保证快速的传输实时数据也是设计的重点。 ( s ) 设备的智能化 现场总线控制系统的控制功能主要是在工业现场实现，因而其故障检测、报 警、诊断也应在现场一级就有所体现。这就要求工业控制器有一定的自诊断、自 校正的功能，并能将故障情况上传给上位机，便于维护人员查错、排错。 1 7 1 1 3 。2 现场控制器通信模块主要工作 现场控制器通信模块的设计主要分为硬件和软件两部分。 硬件部分主要包括网络隔离接口的设计、网络芯片接口电路的设计以及复位 电路的设计。其中网络隔离接口将本地系统的物理信号和网络的物理型号隔离开 来，极大的减少了网络上共模信号对本她的干扰。网络芯片接口保证了c p u 和 网络芯片的数据交互，接口的稳定性和传输速度是设计的关键。复位电路的设计 直接影响了这个系统的稳定性。当系统掉电启动、电源波动、屯平突变、程序跑 飞等情况发生时如何为系统提供一个稳定可靠的复位信号，是复位电路设计的关 键，也是系统稳定性设计的关键。 软件部分主要包括操作系统模块设计、时间同步模块设计、通信调度模块设 计、系统定时器设计已经双口r a m 交互模块设计。在系统中通信调度和时间同 步模块是系统运行的基础，同时时间同步模块和系统定时器模块是通信调度精 确、稳定的保证。操怍系统模块将系统中的的各个模块有效的联系起来，保证各 个模块的通信和同步。双网络实时冗余和双口r a m 数据交互是在以上的基础上对 系统进行的扩展，保证了现场控制器的控制，稳定可靠通信。 在e p a 现场控制器通信模块设计中，通信调度和时间同步的相关内容是设计 的核心内容，也是本文中讨论的重点。 1 4 浙江大学硕士学位论文 1 4 本章小结 随着以太网在民用方面的广泛应用，以太网应用于工业现场的研究也越来越 多。经过近年来不断研究，出现了像p o w e r l i n k 、e t h e m e t l p 、h s e 、e p a 、e t h e r c a t 等一批优秀的工业以太网协议。这些协议为工业以太网的发展提供了良好的平 台，同时也为以太网应用于工业场合铺平了道路。 本章中首先介绍了工业以太网的原理和历史，阐述了以太网应用于工业场合 所存在的问题，并介绍了e p a 工业以太网的提出和发展。详细分析了e p a 系统 的特点和体系结构。最后结合e p a 系统当前的发展，分析了开发e p a 现场控制 器的必要性和设计目标，并分析了开发的主要工作。 浙江大学硕士学位论文 第2 章e p a 现场控制器通信模块总体设计 本章将着重对e p 氏分布式网络控制系统的体系构架与网络结构进行分析，根 据e p a 现场控制器在e p a 系统中的位置和功能，根据e p a 通信栈的结构，对现 场控制器通信模块的总体框架进行了分析。针对将运算模块和通信模块分开的设 计方案，对通信模块软硬件要实现的功能进行了分析，并提出了通信模块的总体 设计方案。 2 1e p a 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 s 0 2 1 l 、 i e e e s 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钡4 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干级，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 流的集教控制系统并没有做到真正的分散控制，控制站承担了几乎所有的运算控 制功能，一个控制器容量达到了5 0 0 0 多i o 点，甚至靠近1 0 0 0 0 个i o 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还是相当大。在目 前流程工业中流行的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 l de c s 1 0 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。 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 h av 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，将系统的安全、控制的效果与 浙江大学硕士学位论文 设备成本、管理成本分以及后期的维护成本，并且实现e 网到底。其中，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。 工业现场设备层网络则可根据具体应用实际，按信息交换的耦合程度划分为 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 接到主干网上。 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干网，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 属于工业以太网的一种，是一种应用于工业现场的控制网络协议。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 系统的网络结构如图2 1 所示。 图21e p a 系统的拓扑结构 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、 浙江大学硕士学位论文 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 网桥是一个微网段与其它网段连接的设备。一个e p a 网桥至少有两个 通信接口，分别连接两个网段。e p a 网桥是可以组态的设备，具有以下功能：通 信隔离报文转发与控制 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 d ， 第二个阶段为非周期报文传输阶段t n ( 如图1 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 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 地址大小及时间有效方式发送。 2 2 现场控制器的系统位置 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i 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实现夸网段的控制功能) ，主控制单元的功能和 性能将直接影响系统功能的可用性、实时性、可维护往和可靠性。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图2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 现场层控制网络 图2 - 2 现场控制器在系统中的逻辑位置 2 3 现场控制器通信模块总体设计 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 板是以太网通信板，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。 现场控制器是是由控制底板与通信背板构成，控制底板不进行任何的更改， 现场控制器的开发任务主要是在保持底板和背板的数据交互以及通信接口不变 的基础上面进行硬件的升级。通信背板完成两个任务，其一，与e p a 微网段的 各个通信模块一起，根据实际的通信调度进行控制信息以及测量信息的发布和接 受；其二，与上位机进行通信，接受和处理操作员站或者是工程师站下发的组态 信息以及操作命令，实现报警、测量信息以及管理信息的上位机显示个更新，系 统的整体设计方式如图2 3 所示。1 1 9 1 】9 浙江大学硕士学位论文 图2 3 现场控制器设计总体方案 硬件设计是现场控制器工作的基础，图3 1 是e p a 系统现场控制器的硬件结 构图，网络