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e p a 系统设备描述技术研究 计算机应用技术专业硕士研究生黄仁杰 指导教师刘枫教授 摘要 随着确定性通信和智能交换等关键技术的突破进展以及以太网速率的提高，工业a 动 化系统控制级以上的通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向现场设备级延伸，实 现控制系统的“一网到底”。在这种技术趋势下，由国家“8 6 3 ”计划支持的课题组开发了 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 ) 分布式实时控制系统。为了解决e p a 系统中不同厂商 的现场设备的互操作和集成问题e p a 课题组综合考虑现存的d d ( d e “c e d e s c r i r ，t i o n ) 技 术和工业以太网自身的特点，提出了基于x m l 的设备描述技术x d d l ( e x t e n s i b l e d e v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，并成功地应用于e p a 系统中。然而由于x d d l 技术还处于研究初 期，人们对基于x d d l 的设备描述应用研究还较少，并且x d d l 技术本身还存在一定的 不足。 本论文基于e p a 课题组的研究成果，首先深入研究基于x d d l 的描述方法和基t - x m l 格式的设备描述文件的集成原理，然后根据x d d l 设备描述技术和e p a 系统的特点对基 于x d d l 的设备组态信息的保存与共享以及远程访问等设备描述应用进行了深入的研究， 提出了适用t - e p a 系统的d d 应用。在对x d d l 设备插述技术深入研究的基础上，将x d d l 设备描述技术和其他设备描述技术进行比较分析，得出x d d l 的优势与不足。并针对x d d l 在描述复杂设各的复杂配置、诊断过程和使用方法描述以及可视化描述等方面的不足，提 出了一种扩展基于x d d l 的设备描述的方法。在该方法中通过白定义的标签扩展x d d l 描述软件模块的接i s i 函数信息，通过d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) 软件模块实现设各的复杂 配置、诊断过程和使用方法。在上位机程序中动态加载软件模块并根据扩展的x d d l 提供 的软件模块的接口函数信息访问软件模块内部的功能，从而实现把设备生产商开发的专用 的软件模块集成到上位机平台中，并在此平台上实现统一的管理与维护。 在论文的最后以e p a 协议的差压式流量计为实验平台，开发v c + + 应用程序对本文 中提出的扩展x d d l 的设备描述方法进行验证与实现，通过实验证明，扩展的e p a 设备 描述方法，兼容原有的x d d l 设备描述方法既可以以文本的方式描述通用设备，也可以 基于代码的方式描述设备的复杂功能，实现了开发成本和功能完备性的较好结合。 关键词：设备描述x d d le p a 现场设备集成x m l s t u d yo nd e v i c ed e s c r i p t i o nt e c h n o l o g yi nt h ee p as y s t e m m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n a u t h o r ：h u a n gr e n j i e s u p e r v i s o r ：p r o f l i uf e n g a b s t r a c t w i t ht h eb r e a k t h r o u g ho fc o m m u n i c a t i o nd e t e r m i n i s ma n di n t e l l i g e n ts w i t c ht e c h n o l o g ya n d h i g h e rb a n d w i d t h ，i ni n d u s t r ya u t o m a t i o ns y s t e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ku p o nc o n t r o ll e v e l g r a d u a l l yu n i f yt oe t h e m e tf o ri n d u s t r y , a n dw h i c hi si np r o c e s so fe x t e n d i n gt of i e l dd e v i c el e v e l a n dc a r r yo u tt h a tt h en e t w o r kf r a m e w o r ko n l yc o n s i s to fe t h e m e tf o ri n d u s t r y , i nt h ep r o g r e s s ， i t e mg r o u pw h i c hi ss p o n s o r e db y “8 6 3 p r o g r a md e v e l o pt 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 ) d i s t r i b u t e da n dr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt os o l v et h ei n t e r o p e r a b i l i t ya n di n t e g r a t i o no f d e v i c e so fd i f f e r e n t m a n u f a c t u r e s ，e p ai t e mg r o u pr e s e a r c h e x i s t e n td dt e c h n o l o g ya n d c h a r a c t e r i s t i co fi n d u s t r ye t h e m e ti na l la s p e c t s ，a n dd e v e l o pad dt e c h n o l o g y - e x t e n s i b l ed e v i c e d e s c r i p t i o nh n g n a g e ，a n da p p l ys u c c e s s f u l l yi tt of i e l dd e v i c ei n t e g r a t i o ni ne p as y s t e m b u t p e o p l es t u d yf e wo nd e v i c ed e s e r i p t i o na p p l i c a t i o na n dt h ed e v i c ed e s c r i p t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n x d d l s t i l lh a v ed i s a d v a n t a g e sb e c a o s et h er e s e a m ho nx d d l t e c h n o l o g yi sa tt h eb e g i n t h ep a p e rf i r s t l ys t u d yd e e p l yd e s c r i p t i o nm e t h o db a s e do nx d d la n di n t e r g r a t i o ne l e m e n t b a s e do nd e v i c ed e s c r i p t i o nd o c u m e n t si nx m lf o r m a t , t h e ns t u d yd e v i c ed e s c r i p t i o na p p l i c a t i o n o ns t o r a g ea n ds h a r ea n dr e m o t ea c c e s so fd e v i c ep r o f i l ei n f o r m a t i o na n dd e s i g na p p l i c a t i o nm o d e l o nx d d ld o c u m e n ta p p l i e dt oe p as y s t e mb a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so fx d d la n de p an e t w o r k ， w ed r a wa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fx d d la h t f t e rs t u d yo nd e v i c ed e s c r i p t i o nb a s e do n x d d la n dc o m p a r et oo t h e rd e v i c ed e s c r i p t i o nt e c h n o l o g i e s t h e nd e s i g nam e t h o dt oe x p a n d d e v i c ed e s c r i p t i o nb a s e do nx d d lt om a k eu pd i s a d v a n t a g e so fd e s c r i b i n gc o m p l e xc o n f i g u r a t i o n p r o c e s sa n du s a g ea n dd i a g n o s i sm e t h o d so fc o m p l e xd e v i c ea n dr e p r e s e n td e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s i ng r a p h i c sm o d e i td e s c r i b e sc o m p l e xc o n f i g u r a t i o np r o c e s sa n du s a g ea n dd i a g n o s i sm e t h o d so f c o m p l e xd e v i c ea n dr e p r e s e n t sd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c si ng r a p h i t sm o d eb a s eo ns o f t w a r em o d u l e a n de x t e n d e dx d d lw i t hs e l f - d e f i n et a g s i te x t e n dx d d lw i t hs e l f - d e f i n et a g st od e s c r i b e i n t e r f a c ef u n c t i o ni n f o r m a t i o n ，a n dd e s c r i b e c o m p l e xc o n f i g u r a t i o np r o c e s sa n du s a g ea n d d i a g n o s i sm e t h o d so fc o m p l e xd e v i c ea n dr e p r e s e n td e v i c ec h a r a c t e r i s t i c si ng r a p h i c sm o d ei n s o f t w a r em o d u l ei nd l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) a p p l i c a t i o ni nt h ee n g i n e e rs t a t i o nl o a dd l l s o f t w a r em o d u l ed y n a m i c a l l ya n dc a l lt h ef u n c t i o ni nt h ed l lw i t ht h ei n t e r f a c ei n f o r m a t i o n p r o v i d e db yx d d l d o c u m e n t ，t h u si n t e g r a t ea n dm a n a g ea l ld e v i c e sa n dt h e i rs o f t w a r em o d u l e s a tl a s tid e v e l o pv c + + a p p l i c a t i o nt ov a l i d a t ea n di m p l e m e n tt h em e t h o dt oe x p a n dd e v i c e d e s c r i p t i o nb a s e do nx d d l i nt h ef l o w m e t e rb a s e do ne p ap r o t o c o lp l a t f o r m e x p e r i m e n tt e s t i f y t h a tt h em e t h o di sc o m p a t i b l ew i t hx d d li tn o to n l yd e s c r i b ec o m m o nd e v i c ew i t hx d d li nt e x t b u ta l s od i s c r i b et h ec o m p l e xf u n c t i o no fc o m p l e xd e v i c ei nc o d e s ，i t b e t t e rc o m b i n e sc o s to f d e v i c ea n di n t e g r a l i t yo ff u n c t i o n k e yw o r d s ：d e v i c ed e s c r i p t i o n ，e x t e n s i b l ed e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ， e t h e r n e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ，f i e l dd e v i c ei n t e g r a t i o n ，x m l l i 图 图2 - 1e p a 通信模型一8 图2 2e p a 系统结构图9 图2 。3e d d 集成的原理9 图2 4e d d 文件示例1 0 图2 5e d d 产生的流程1 1 图2 6 基于f d t 技术的设备描述与集成模型1 2 图2 7x d d l 文档信息结构1 4 图3 - 1 基于功能块的e p a 设备示意图1 6 图3 2 基于x d d l 的功能块描述1 8 图3 3 基于x d d l 的现场设备集成原理1 9 图3 4e p a 与f c s 系统在信息流通方面的比较1 9 图3 - 5 基于x d d l 的组态信息保存示意图2 2 图3 - 6 基于x d d l 文档和x d i s 文档信息共享示意图2 3 图3 7e p a 现场设备配置信息远程共享示意图2 5 图4 1 阀门定位器的性能可视化描述图3 0 图4 2 基于软件模块和扩展的x d d l 的设备描述模型。3 3 图4 3 扩展的x d d l 文档结构( 注：红色的为扩展的部分) 一3 3 图4 4s m d c s c r i p t i o n 的详细结构3 6 图4 5 扩展的x d d l 加载解析流程图3 9 图5 - 1 设备配置信息的保存流程图4 6 图5 - 2 设备配置界面4 8 图5 3 动态加载调用d l l 功能的流程图5 2 v 表 表3 - 1x d d l 与其他d d 技术的比较2 6 表6 - 1 扩展后的e p a 设备描述方法与原有描述方法之间的比较5 5 v l 独创性声明 y 9 0 1 7 0 4 学位论文题斟： 基丛筮筑邋查趱姿茧携廷庭 本人声明j ， 璧交的学位论文是本人在导师撂导下避：i 亍的研巍王捧及戳得的职窕成果 据我所知。除了文孛特黼蕊陵舔注帮壤辩豹雉方静论文中不包含冀筢天露经靛褒或 撰鞲蛙豹磷熨丧累。氇不包含为获撂嚣南大学或其他教育枫搀鹑学挝残证警嚣侵用过 的豺耩与我一秘麓襻的弼恚对零耩究所擞的任衙赞献均配在论文中作了明确的说嘴 菇袋录瀑蠢 学位论文律孝：凌气，杰 签字瑟期： 女年童轰 疆 学位论文版权使用授权书 萃学位论文悸：嚣竞金7 群谣博太警鑫苯辍鬣、使用学钕论文的援定，有毂摆孵耱翱霸 家蠢关帮 1 簌搬拇送燮论文熬冀臻饕稳纛囊，兔诲论文教纛翔窝凿勰零炎撵壤藏褰 大学研究生i 览可以将学位论变构畿镶纛瓤磐内容绽入有关数据库进杼捡索留缓蓥濑 影镩、瑶审袋扫 羹莓爨嘲警覆攥毒i 靛壤拳夔论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：d 誉冁鹫， 嚣保密期限至 年簏正) 学位论文褡者签名：三萤，圭 导簿签名：洌徽 签字秘期： p 年岁月掰 签字日期： 蒯年f 碉6 h 擎棱论文终者毕受蠡去鑫：。 工作单位：边童抵蕴主缝递电话t 2 运讯楚蛙：i 夔i 塞毯整越盛垂銎罄藕：垒宝坌五 1 1 研究背景 第一章绪论 在企业信息化进程中，必须把整个工厂的各个层面的信息集成到一起，从底 层的现场设备、过程控制层、信息管理层到上层的企业信息管理层各层的信息集 成到一起，并且在同一层内设备与设备之间，软件与软件之间应该能够协调一致 的工作。但是由于工业网络层网络的现场总线协议数目众多，不同协议的兼容 性问题以及同一现场总线协议控制系统下不同厂家生产的设备的集成一直困扰 着工业界。1 。在这种情况下人们把办公室自动化常用的以太网引入到设备底层， 不仅使现场层、控制层、管理层在垂直层面方便的集成，更能降低不同厂家设备 在水平层面上的集成成本，所以，以太网向现场总线控制系统的底层延伸是顺利 成章的趋势。 随着人们对以太网技术的研究与发展，现在以太网已经具备了从办公室走向 自动化的条件。首先由于以太网通信速率的提高，以太网从1 0 l d b p s 、l o o m b p s 到现在1 g b p s 、1 0 6 b p s ，速率提高意味着网络负荷减轻和传输时延减少，网络碰 撞概率下降；其次采用全双工星型网络拓扑结构和以太网智能交换技术。使以太 网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受c s m a c d 机制的制约，避免了 冲突“1 。同时由于工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方面的发展， 使通信成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。这样，技术和 应用的发展，使以太网进入工业自动化领域成为必然。 目前，随着工业以太网技术的研究与推广，已经出现多种工业以太网协议标 准和相关的产品，如p n o 组织的p r o f i n e t ，r o c k w e l l 的e t h e r n e t i p ，f f 的h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 等协议“1 ，但是工业以太网技术还存在很大的发展潜 力和较多的问题有待进一步研究。我国在工业以太网先进技术的研究进程中，由 多家科研院所在国家“8 6 3 ”计划的支持下，以较高的起点研发出具有我国自主 知识产权的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 ) 网络控制系统，并发布了 相关的标准，在国际上造成了较大的影响”1 。但是从总体上来说，e p a 还处于研 究与发展阶段，对于e p a 控制系统来说还存在较多的问题有待迸一步研究，需要 更多的科研院、所和企业单位的研究与推广。 1 2 国内外研究现状 随着工业以太网技术研究与发展，其技术逐渐成熟，实际的产品已推向市场， 在这种技术趋势下，越来越多的仪器仪表厂商投资研发基于工业以太网标准的智 能现场设备。在这种情况下，不同厂商开发的现场设备之间的集成与互操作也逐 渐成为一个有待解决的问题。而叩( d e v i c ed e s c r i p t i o n ) 技术是解决现场设 备集成的一种有效的方法。 目前d d 技术的发展主要表现为以下几个方面，一方面以h a r t 、f f 等为 代表的组织支持的基于e d d l 的设备描述方法”“”，另一方面是由德国z v e i 和 p n o 组织等提出的基于软件接口规范f d t 的设备驱动的设备描述方法。另 外有些研究人员提出了基于x m l 描述现场总线系统中现场设备“。 在工业以太网系统中对设备描述技术的研究国内外存在着很大的差异，在国 外现有的工业以太网标准基本上都与原有现场总线技术有着较深的渊源。为了保 护过去的投资和已有的市场份额，他们所提出的工业以太网架构基本上都和原有 的现场总线有着不可分割的关系“”。 以r o c k w d l 公司为代表组织提出的e t h e m e t i p 工业以太网架构采用有源交 换器，用来实现现场总线及其设备与以太网的无缝连接。e t h e m e ti p 在通信模型 的实现上有其自身的特点，在第一层至第四层上，采用e t h e m e t8 0 2 3 协议，之 上采用t i 刑口，而在用户层上，采用c i p 规范，在c i p 协议家族定义了一系列 的对象，在这些对象中除了极少对象是针对专门的数据链路层制订的其余都是通 用的。因此c o n t r o ln e t ，d e v i c en e t 和e t h e m e t 能够共享用户层和应用层“。由 于这三种网络有着共同应用层对象，所以他们可以采用同一种机制来描述某一设 备为外部应用程序提供了哪些对象，以便外部应用程序组态和基于设备组成相关 应用。在e t h e m e t i p 中采用和d e v i c e n e t 现场总线相同的参数对象和e d s ( 电子 数据表格) 两种设备描述方法来描述现场设备。 在砰提出的h s e ( h i g h s p e e d e t h e r n e t ) i ! i k 太网构架中。采用星行构架， 并采用交换器连接f f 的现场总线装置，实现无缝操作。其通信模型的低层采用 e t h e r n e tt c p ，口协议，用户层和应用层则可由现场总线和h s e 共用。由于h s e 2 和h 1 共用用户层和应用层，所以其在用户层和应用层的应用也相互兼容，所以 在h s e 中工业以太网设备也采用h 1 中的e d d l 来描述设备的属性和通信参数 “。其原理和e t h e m e t i p 相似。 p r o f in e t ：是由西门子提出的以太网构架。由于西门子倡导保护过去投 资，故其p r o f i n e t 的推出充分考虑了与p r o f l b u s 的兼容性，实现了两者的 无缝连接。而在通信模型中，p r o f i n e 最大的特点是在其用户层是基于组件的， 而依靠工程设计模型实现了组件的连接，从而系统中便可接入多个供应商的设 备，其设备描述方法是基于f d t 技术“”。 虽然采用原有现场总线中的设备描述技术可以解决工业以太网系统中的现 场设备集成问题，然而这种解决方案却存在一些局限性。首先由于现场总线中的 d d 技术专用性强，开发成本较高，并需要专门的d ds e r v e r 解析e d d 文件，其 次现场总线技术中的设备描述语言和其通信服务相关，所以其具有平台相关性 d t o 另外，传统的e d d 技术不利于控制系统的纵向集成。总之，工业以太网和 现场总线存在系统结构上和通信能力上都存在一定的差异，直接把现场总线中的 设备描述技术直接用于工业以太网中必然存在一定的不足。 在国内，由国家“8 6 3 ”计划支持的e p a i 业以太网协议，由于其起点较高， 因此采用了从设备底层到高层的完全工业以太网构架，在其通信模型中，在第一 层至第四层上，采用e t h e m e t8 0 2 3 协议，在应用层增加了e p a 套接字映射接口、 e p a 应用层服务、e p a 管理服务等用来实现实时管理和确定性管理，在用户层增 加了e p a 管理功能块应用进程和e p a 功能块应用进程以及非实时应用程序。 在e p a 系统中，为了实现不同厂家的现场设备之间的互操作和集成，e 队工作 组根据e p a 网络自身的特点基于x m l 庭义了一套标签语言用于描述e p a 瑚, 场设 备属性实现e p a 现场设备的集成与互操作，并把这套标签语言叫做x d d l ( e x t e n s i b l ed e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) “，在x d d l 中，通过规范的标签描 述设备的信息及功能块和功能块内部的参数的信息。 现在对x d d l 设备描述技术的研究还不是很成熟，虽然x d d l 设备描述技术在e p a 系统中成功地应用，在组态软件中基于x d d l 文档实现了不同厂家生产的e p a 现场 设备的集成与互操作。然而其本身还存在一定的不足，并且与其相关的应用还需 要进一步研究。首先在x d d l 中其简单的标签语言不可能描述一个复杂的设备配 3 置过程和使用方法，而列设备的配置过程和适用方法的描述是d d 技术应该具备 的功能“，其次x d d l 彳艮难以图形化的方式描述现场设备的属性，而这对于越来 越激烈的市场竞争而言也是必须的1 。另外，由于e p a 系统在网络上与传统的现 场总线技术存在一定的差异，并r x d d l t e 是基于x m l 而设计的，所以基于 x d d l 的设备描述应用必然与现场总线中的设备描述技术的应用存在一定的差 异，必须针对e p a 和x d d l 的特点开发适合于e p a 系统的x d d l 应用。 1 3 论文研究的内容和意义 l - 3 1 论文研究的内容 本论文深入研究e p a 系统中的x d d l 设备描述技术，在研究基于x d d l 的 描述与集成及其应用的过程中，与其他d d 技术进行比较分析，针对其在复杂功 能及设备属性可视化描述方面的不足提出了一种扩展x d d l 设备描述的方法， 论文研究的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) d d 技术和e p a 工业以太网 对d d 技术进行了深入系统的研究，详细地分析比较了现有的设备描述技术 的优势和不足；对e p a 工业以太网进行了深入的研究，根据其从设备层到商业 层的“一网到底”的特点，详细地分析了x d d l 设备描述语言的优势和应用前 景。并针对x d d l 的不足提出了新的解决方法。 ( 2 ) 基于x d d l 的描述方法与集成原理 根据x d d l 的语法结构和e p a 现场设备的特点，研究基于x d d l 描述e p a 现场设备的方法，根据e p a 系统的特点和x d d l 文档描述的内容，研究基于 x d d l 集成的原理。 ( 3 ) 基于x d d l 的应用 根据x d d l 的语法结构和e p a 现场设备的特点，研究适用于e p a 系统的 x d d l 应用，基于x d d l 实现设备信息的共享与集成。 ( 4 ) x d d l 的功能扩展 针对其在描述和集成复杂设备方面的不足，扩展x d d l 的描述功能使得 x 3 d l 能够描述设备的复杂配置过程能够以图形化的方式显示设备属性。并且 扩展的x d d l 必须能够兼容原有的x d d l 的体系结构，基于扩展的x d d l 不但 4 能够方便地描述通用的e p a 设备，而且能够描述复杂的设备，能够把生产商开 发的专用软件模块集成到上位机平台中。 1 3 2 论文研究的意义 本论文跟踪当前研究热点，针对应用开发中的实际问题进行深入的研究，因 此本论文具有较好的应用价值和社会效益。通过对复杂设备描述和集成模型的深 入研究，其理论深度也达到一定的深度。本论文主要的研究意义在于： ( 1 ) 深入研究d d 技术，加快了国产仪表产业与国外仪表产业的接轨，使得国 产仪器仪表能够和国外的优秀系统兼容的工作，一方面增加国产仪器仪表的竞争 力，另一方面产生较好的社会效益。 ( 2 ) 针对当前的技术热点工业以太网技术进行深入的研究，推动相关新技术的 应用与发展，产生较好的社会效益。 ( 3 ) 本论文针对x i ) d l 在描述复杂设备方面的不足，提出了基于软件模块和自 定义标签扩展的x i ) d l 的描述方案，通过这种方案能够方便的集成复杂设备及 其专门的软件模块，并与原有的描述机制相兼容，这样的描述方案既可以以较低 的成本开发通用设备的x d d l 文件，也可以基于m l 利用程序描述设备的复杂的 配置过程和使用方法以及设备故障诊断方法。这样可以达到设备开发成本的最优 化。 ( 4 ) 对适用于e p a 系统的x d d l 应用进行深入的研究，实现设备组态配置信息 在多应用程序之问的共享，甚至可以通过网络实现远程共享，通过信息共享减少 设备安装、维护成本，针对应用进行研究，推动相关技术的发展。 1 4 论文组织结构 本论文的内容组织如下： 第一章为绪论，描述了论文的研究背景，对当前国内外的研究进行了分析并 指出本论文的主要研究内容及其意义所在。 第二章详细地介绍了e p a 和设备描述技术，为后面更深入的研究打下扎实的 理论基础。 第三章是本文的重点，首先研究x d d l 的描述方法与集成原理，然后根据 x d d l 和e p a 的特点，研究适用于e p a 系统中的x d d l 应用，最后基于上述的 研究，分析了x d d l 的优势与不足。 第四章是本文的重点，针对第三章分析的x d d l 的不足提出了一种扩展 x d d l 描述功能的方案，扩展后的设备描述方法能够方便地描述和集成复杂设 备，实现不同厂家生产的复杂设备及其专门的软件模块的集成，并在统一的平台 上管理维护设备与专门的软件模块。 第五章是本论文的实验验证部分，基于x d d l 开发符合e p a 标准的差压式 流量计的x m l 设备描述文件，并基于v c + + 开发平台开发应用程序，验证论文 提出的方法和应用模型的可行性。 第六章是本文的结尾，总结论文所做的工作，给出了基于软件模块和自定义 标签扩展的x d d l 描述和集成复杂设备的方案的优点和不足，并对未来的工作 做了展望。 论文的最后为参考文献、发表的主要学术论文和致谢。 1 5 本章小结 本章综述了工业以太网系统中的d d 技术在国内外的研究情况，介绍了国外 工业以太网系统中采用的d d 技术，分析其优点与不足，并简略地介绍了e p a 系统中的x d d l 设备描述技术。给出了论文主要研究的内容，并指出论文的意 义所在。最后描述了论文内容的组织结构。 第二章e p a 和设各描述技术 2 1 用于工厂自动化的以太网 由于多种现场总线协议共存的局面以及i t 技术在工业控制领域的渗透越 来越快，应用也越来越广的趋势，自上个世纪九十年代中后期开始，传统的d c s 、 p l c 等都纷纷在控制层网络放弃了其专用网络，转而采用了以太网和无线通信等 主流通信技术。“。虽然，c s m a c d 介质访问控制机制使得以太网本身的通信具有 不确定性，但通过研究发现，可以在以太网上增加一些措施( 如控制通信负荷、采 用精确时间同步、确定性通信调度等) ，使之满足实时通信要求。 在这种技术趋势下，国外各大公司纷纷在原有现场总线技术的基础上制定了 以太网标准，例如以西门子等公司为代表的p r o f i n e t ，以罗克韦尔等公司为代 表的e t h n e t i p ，还有f f 提出的h s e 等较有影响的工业以太网标准，并在实际 的工程中应用嘲。 在国内根据工业控制网络的最新发展趋势，为了实现我国自动化软硬件平台 的跨越式发展，在国家“8 6 3 ”计划的支持下，联合多家科研单位进行技术攻关， 提出的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案，并把这种方案叫做用于工 厂自动化的以太网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 ) 。 e p a 根据工业应用对通信的实时性、确定性、安全性等方面的要求对传统的 以太网进行改造而来的，e p a 坍议栈的实现参考i s o o s i 开放系统互连模型( 见 1 8 07 4 9 8 ) ，低四层采用i t 领域的通用技术，其中物理层与数据链路层兼容 i e e f , 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 11 、i e e e s 0 2 1 5 ，网络层以及传输层采用t c p ( u d p ) i p 协 议，并在网络层和m a c 层之间定义了一个e p a 通信调度接口，完成实时信息和非 实时信息的传输调度。会话层和表示层未使用。应用层定义了e p a 应用层协议和 服务和e p a 套接字映射接口、以及e p a 管理功能块及其服务，同时还支持i t 领 域现有的协议，包括：h t t p 、f t p 、d h c p 、s n t p 、s n m p 等。另外增加了用户层， 采用基于i e c 6 1 4 9 9 和i e c 6 1 8 0 4 定义的功能块及其应用进程。e p a 通信结构模型 与i s o 0 s i 七层通信结构模型之间的关系，如图2 1 所示。 7 用户层 应用层 层 图2 一le p a 通信模型 e p a 控制系统模型基于i e c6 1 4 9 9 ( p a s ) 介绍的功能模块结构模型和i e c 6 1 8 0 4 定义的功能模块元素而设计，通过分布式网络通讯功能模块联系起来。从 用户应用的角度看，e p a 控制系统是由一些基本的功能模块元素( 如模拟输入 模块越、模拟输出模块a o 、开关量输入模块d i 、开关量输出模块d o 、控制运算 模块如p i d 等) 组成，它们分布在一个或多个现场设备中。每个现场设备中都 具有一个e p a 通信实体，不同设备间的功能模块之间由e p 砖匝信服务来传输数 据或事件信息，以实现相互之间的协调工作，共同完成分布式控制应用任务。基 于x m l 的设备描述则为不同设备问的互可操作提供保证岫1 。 层层 层静 络输 理拍黧勰 、rj、l厂 2 2 设备描述技术 2 2 1 电子设备描述 图2 - 2e p a 系统结构图 在上个世纪9 0 年代，为了解决现场总线中不同厂家的现场设备之间的互操 作和集成问题，人们提出了基于e d d ( e l e c t r o n i cd e v i c ed e s c r i p t i o n ) 的解决方 案，e d d 使得在一个控制系统中只需要一个配置软件，降低设备开发成本，缩 短设备配置时间，使得工程人员能够在统一的平台对设备进行配置和管理。从一 定意义上讲，d d 应用与p c 机的打印驱动程序类似，p c 由于使用打印驱动程序可 以操作不同厂家的打印机，控制系统则由于使用d d 技术可以使用不同厂家的设 备方便地集成，并在统一的平台上实现远程组态、诊断、校准等工程应用。 在控制系统中，为了使设备按照系统需求正确地工作，必须对设备属性进行 正确的配置o ”，在e d d 技术出现以前，必须通过设备生产商的专用工具来对设备 进行配置。在e d d 技术中，通过专用的e d d l ( e l e c t r o n i cd e v i c ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 描述设备参数、参数之间逻辑关系、参数和通信命令之间的关系、配 置设备的方法等基本信息最后以e d d 文件的提供用户，支持e d d 技术的上位机软 件可以通过e d d 文件把现场设备集成在一起”1 。如图2 3 所示。 图2 - 3e d d 集成的原理 e g d 技术的核心是e d d l ，为了描述设备的属性，p _ d d l 定义基本结构元素 ( b a s i cc o n s t r u c t i o ne l e m e n t s ) 如v a r i a b l e ，v a r i a b l el i s t ，b l o c ka 等描 述设备参数并有效地组织这些数据元素描述设备的属性；通过c o m m a n d 、 r e s p o n s e c o d e 等语法元素实现设备变量和功能描述与通信系统的映射：通 过m e n u ，e d i t _ d i s p l a y ，等语法元素规范数据编辑、显示格式和图形界面描 述，为上层应用程序的数据显示、编辑格式和可视化提供了协调一致的描述；通 过m e t h o d 方法调用d d l 的系统函数库以及设备的读写命令，基于类c 的语 法结构可以编写丰富的应用如回路检测、设备自检、设备校准等功能“1 。一个 e d d 文件整体结构如图2 - 4 所示。 脚i l f a c n l r 职：c o m p a n y 设备生产商 d e v i c e t y p e ：p r e s s u r e “设备类型 d e l l r i c b l c e v i s i o n ：1 设备版本信息 d i ) _ i 迮v i s l o n ：2 叻版本信息 v a r i a b l e 数据描述 c 0 1 删d ：r e a t i d e n t i f i e a t i o n 通信映射 i e i i i j ：s h o w m e a s u r e m e n t v a l u e 显示和操作 e t h o d ：r e s e t _ d e v i e e 方法描述 图2 4e d d 文件示例 基于e d d l 语法结构编写完成e d d 文件后编译成二进制代码，通常的d d - i d e 软件包含了编写和编译的集成开发环境。设备生产商把最终的d d 文件提供给最 终用户。最终用户在带有d d s ( d e v i c ed e s c r i p t i o ns e r v e r ) 接口的组态软件 中导入d d 文件，d d s 把d d 解析成图形化界面，在图形化界面上用户可以查看并 修改设备配置信息，并可以通过m e t h o d 描述的方法对设备进行配置”1 。 d d s 是整个配置解析的核心技术，在开始导入、解析d d 的过程中，d d s 根据 里面m e n u 和v a r i a b l e 之间逻辑分组关系解析出图形化界面，根据c o m m a n d 和 v a r i a b l e 之间的关系调用c o m m a n d 读写设备变量值，对于动态变量周期性的刷 新读取命令，对于写入变量只有修改命令并请求写入的时候才发送写入命令。根 据m e t h o d 内部的命令序列按顺序完成配置过程，当图形界面双击某个方法的时 候才响应。这个过程如同一个h t m l 描述的网页通过一个浏览器显示一样哺1 。 其整个流程如图2 5 所示。 1 0 部蝥口耸 编写e d d 文件编译e i ) d 文件 现场总线 2 2 2 现场设备工具 。岿戮黧 总 线 接 口 麓萎= 雯要二 ：把图形界面上的操作转； ：换为c o m m a n d 图2 - 5e d d 产生的流程 f d t ( f i e l dd e v i c et 0 0 1 ) 技术实际上是基于c o m d c 嗍技术定义的一套软件 接口描述规范，f d t 规范主要描述了框架应用程序实现的对象及对象的接口和f d t 的核心技术设备生产商开发的d t m ( d e v i c et y p em a n a g e m e n t ) 。在f d t 规范中， 只是描述了框架应用程序实现的对象模型和对象的接口，并且规范只是定义了对 象接口应该向调用这个对象的客户端应用程序响应什么样的动作，而实际的对象 的实现和接口的实现由开发商设计实现。1 。因此只要在开发的过程中按照规范实 现接口应该执行的动作就能保证现场设备开发商开发的软件组件能够集成到系 统集成商开发的框架应用程序中，也能保证框架应用程序可以集成不同现场总线 生产厂家开发的软件组件，从而实现不同厂家的现场设备的集成和互操作，图2 - 6 描述了其集成模型。 在实际运行的过程中，d t m 作为设备信息和功能的服务器为框架应用程序 客户端提供服务，d t m 中实现的代码决定了它向应用框架程序提供的信息和功 能，d t m 和框架应用程序之间连接主要通过f d t 通道对象提供通道信息和设备的 i