（计算机应用技术专业论文）基于epa工业以太网的智能变送器研究.pdf

中文摘要 摘要 工业通信网络是当今工业自动化技术发展最快的领域之一。以开放网络技术 作为智能设备数字通信连接的纽带，将多个分散的智能变送器、执行机构、智能 控制设备、工作站等具有通信能力的设备通过采用标准的通信协议，构成一个系 统来实现集现场控制、监控管理、优化决策为一体的企业综合信息化。流程工业 检测控制中最重要的对象之一一压力，差压的检测是采用压力，差压变送器来实现 的。 本文对国内外现场总线技术及工业以太网技术的发展动态进行了综述，分析了 工业网络通讯的特点和可行性。围绕具有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 ) 网络通 讯功能的高精度智能压力，差压变送器的关键技术开展研究：( 1 ) 现场仪表嵌入e p a 通讯技术的研究。( 2 ) e p a 智能变送器通讯确定性研究及测试。( 3 ) e p a 智能变送器 适应环境温度变化的软件补偿技术研究。本论文提出了完整的e p a 智能变送器的 总体设计方案、信号处理方案、e p a 嵌入式通讯卡方案、基于神经网络控制技术 的环境温度影响补偿算法实现高精度的方案。按照上述设计方案完成了样机试制。 经过严格的性能测试、通讯确定性测试、软件补偿精度测试等，设计研制的样 机完全达到高精度、通讯确定性并符合e p a 标准等要求，并与国家工业控制系统 工程中心( 浙江大学) 的e p a 网络实现了通讯集成，2 0 0 5 年通过了国家8 6 3 项目专 家组的验收。 e p a 智能压力，差压变送器课题的研究取得了e p a 嵌入式集成技术、e p a 仪表 测试技术、总线供电技术、高精度检测、软件补偿算法等多方面具有创新性，具 有国内先进水平。为加快建立和完善e p a 网络通讯技术，实现工业自动化仪表的 智能化、网络化和高性能提供了一种先进、可行的技术解决方案。 关键词：e p a ，智能化，压力，差压变送器 英文摘要 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sf o ri n d u s t r ya r cm o s tq u i c k l yd e v e l o p e di nc u r r e n t i n d u s t r ya u t o m a t i o nf i e l d s a sac o m m u n i c a t i o nl i n ko fi n t e l l i g e n td e v i c e s ，b a s e do n s t a n d a r dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，t h eo p e nn e t w o r k st e c h n o l o g yi n t e g r a t ed i s p e r s i v e d e v i c e sw i t hc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，s u c ha si n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r s ，a c t o r s ，i n t e l l i g e n t c o n t r a ld e v i c e s ，w o r k s t a t i o n s ，t oac o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o np l a n ta n dr e a l i z et h e i n t e g r a t i o no ff i e l dc o n t r o l ，s u p e r v i s i n ga n dm a n a g i n g ，o p t i m i z i n ga n dd e c i s i o n - m a k i n g i np r o c e s si n d u s t r y , t h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lp a r a m e t e r s - - - p r e s s u r ea n dd i f f e r e n t p r e s s u r eu s u a l l ya g em e a s u r e r db yp r s s u r e0 1 d i f f e r e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e r t h i sp a p e rs u m s 叩o u t i i n e st h es t a t e so ft h ea r to ff i e l d b u sa n de t h e m e tf o rt h e a u t o m a t i o ni nt h ew o r l d ，a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n du s a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k su s e di ni n d u s t r y i tl u a u sd e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h o n l o g yo fp r e c i s e i n t e l l i g e n t i z e dp r e s s u r ea n dd i f f e r e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e rw i t he p a ( e t h n e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) f u n c t i o n ：( 1 ) r e s e a r c ho nt h ef i e l d i n s t r u m e n ti nw h i c he p a i se m b e d d e d ( 2 ) r e s e a r c ho nt h ec o m m u n i c a t i o nd e t e r m i n a b f l i t yo fe p ai n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r 。( 3 ) r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yf o rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no fe p ai n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r b ys o f t w a r et oa d a p tt oe n v i r o m e n tc h a n g e t h i sp a p e rp r e s e n t sf u l ls o l u t i o n so fe p a i n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r , e p ae m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i tb o a r ds i g n a lp r o c e s s i n g ， e n v i r o n m e n tc o m p e n s a t i o nb a s e do nn e u r a ln e t w o r k ss u p e rp r e c i s i o n b a s e do nt h e s e s o l u t i o n s ，ap a t t e r nh a sb e e na c c o m p l i s h e d t h r o u g hs t r i c tp e r f o r m a n c et e s t ，d e t e r m i n a b i f i t yt e s to fc o m m u n i c a t i o n ，a n d p r e c i s i o nc o m p e n s a t e dt e s t ，t h ep a t t e r nh a sb e e np r o v e dt oa c h i e v eah i g h tp r e c i s i o n ， d e t e r m i n a t ec o m m u n i c a t i o na n dt oa c c o r dw i t ht h ee p as t a n d a r d t h i sp a t t e r nw a s i n t e g r a t e dw i t he p as y s t e ml o c a t i n gi nt h en a t i o n a le n g i n e e r i n gc e n t e rf o rc o n t r o l s y s t e m ( z h e j i a n gu n i v e r s i t y ) a n dp o s i t i v e l yj u d g e db yn a t i o n a le x p e r t - g r o u p a t8 6 3 i t e m si n2 0 0 5 r e s e a r c ho ne p a i n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e rh a sa c q u i r e dt h ef o l l o w i n gd o m e s t i c a l l y a d v a n c e da c h i e v e m e n t s ：e p ae m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t e s tf o re p a i n s t r u m e n t s ，p o w e rs u p p l i e do nb u s ，h i g h tp r e c i s i o nd e t e c t i o n ，s o f t w a r ec o m p e n s a t i o n a r i t h m e t i ca n ds oo n t h e s ea c h i e v e m e n t sp r o v i d ea l la d v a n c e da n dp r a c t i c a b l es o l u t i o n t o t h ee p an e t w o r k sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e f l i g e n t i z e da u t o m a t i o n h i 重庆大学博士学位论文 n e t - i n s t r u m e n ti nc h i n a k e y w o r d s ：e p a ，i n t e l l i g e n t i z a t i o n ，p r e s s u r e d i f f e r e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：粉签字日期：舢6 年，- - - ) 弓乎日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 签字日期：舢m 6 年一月e 日 导师签名谗恨喀 签字日期：m 缉p 月p 日 口徐1f 圹饫 ，吃 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 1 1 1 问题的提出 在当代工业生产过程中，随着制造工艺流程日趋复杂，对工业自动化控制提 出了越来越高的要求。一方面要求工业自动化系统的检测仪表具有更高的精度、 更高的稳定性，同时还要充分利用现场总线技术、信息技术、通信技术的发展优 势，实现工业控制网络的开放性和标准化，以构架集现场检测、控制、过程优化、 管理与决策等各个层次于一体的企业开放的整体信息化系统平台。 上世纪九十年代国际上兴起的现场总线技术成为工业控制领域技术竞争的焦 点，f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、p r o f i b u s 等八项现场总线技术成为i e c 6 11 5 8 国际标 准，现场总线技术推动了仪器仪表的网络化，但是不同的现场总线标准在应用中 造成了相互间的不兼容。而发展迅猛的e t h e m e t 技术却迅速在工业控制中渗透，主 流现场总线阵营如f f 、p r o f i b u s 也纷纷引入以太网技术，但目前还仅仅限于监控 管理层的通讯应用，以太网技术应用在流程工业现场级设备还是目前国际各大技 ，。术流派研究的热点。我国浙江大学、清华大学、中科院等一批研究院校联合提出 了具有自主知识产权的用于流程工业自动化控制的e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 标准，并正在进入i e c 标准体系。e p a 技术的产品化和工程化应用则 相对滞后于e p a 标准研究制订的进程，但却是e p a 标准技术得到实际应用验证并 不断完善的前提，基于e p a 的现场级智能仪器仪表的开发研制已开始起步。 在流程工业领域，压力，差压的精密检测是最重要的检测参数之一。本课题选 择基于e p a 的智能压力，差压检测作为研究对象，所取得的研究成果都可以移植应 用到其他检测仪表上。本课题将在经典以太网技术的基础上，针对工业控制现场 的特殊性，在以下几个方面开展研究测试工作：工业以太网e p a 智能变送器通讯 确定性、实时性研究及测试，e p a 在智能变送器中的嵌入式软件和通讯卡研究， 采用神经网络补偿算法研究实现智能变送器高精度的方案。本课题研究涉及到网 络通讯理论、神经网络理论、通讯协议的符合性测试技术、嵌入式软件和硬件的 设计技术。在研究过程中首先设计基于e p a 标准的智能变送器的总体技术方案， 制作试制样机，对整机进行e p a 通讯确定性、实时性测试、整机精度测试及综合 性能测试。预期本研究课题将在e p a 适应工业现场级设备的若干关键技术、e p a 在智能现场仪表中的嵌入式技术、高精度的温度补偿算法等方面取得一批具有国 内先进水平的成果，并通过测试和典型工程应用，为该项研究成果实现产品化、 工程化打下基础。为中国具有自主知识产权的e p a 最终成为i e c 正式标准，加快 重庆大学博士学位论文 发展民族工业自动化高新技术作出有益的贡献。 在工业生产过程中，测量与控制始终贯穿于试验、开发和生产的全过程。各 种参数的测量结果，是判断生产是否正常、质量是否可靠的科学依据；而有效的 测量可以得到准确的信息，对系统进行有效的控制，使设备运行在最佳工况下， 达到节约能源及原材料消耗。采用先进的工业自动化控制技术是实现新型工业化 的重要技术手段，是企业连续、高效、稳定运行的重要保证。 随着信息技术的飞速发展和社会分工的进一步细化，对工业控制和工业自动化 提出了越来越高的要求。一方面要求工业自动化系统充分利用现场总线技术、信 息技术、通信技术的发展优势，优化工业自动化的体系结构，增强自动化控制系 统的功能和效率，提高工厂自动化的整体性和稳定性，更好地实现企业自动化； 另一方面企业信息系统的迅猛发展要求智能设备通信的开放性和增强控制网络的 性能，摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集成和信 息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。i n t e m e t i n t r a n e t 技术的出现 和应用推广彻底改变了社会生产、生活的运作方式和运行效率，网络时代给我们 的生产企业发展带来了新的机遇和挑战。企业信息化首先需要解决信息集成，于 是工业通讯网络与系统集成技术的发展逐渐成为当今的热点，它覆盖现场检测、 控制、监视、过程管理、优化、调度、管理与决策等各个层次，涉及现场总线技 术、网络技术、数据库技术，通信互联技术、开放接口与标准等各项技术【l 】。 工业通信网络是系统集成和信息集成的基础，以现场总线和开放网络技术作 为智能设备数字通信连接的纽带，将多个分散的智能变送器、执行机构、智能控制 设备、计算机、服务器等具有数字通信能力的设备，采用公开、规范的通信协议，构 成一个有机的整体，实现有效的信息集成，实现企业从现场设备层到管理层全面 的、透明的信息平台，在这其中工业通信网络技术成为企业信息化的关键技术闭。 自动化和信息化是我国企业界目前普遍关心的问题，而在实现自动化和信息 集成中，都会遇到如何在新的信息系统中集成各种现有的智能设备或者控制系统 的问题。本课题目的就是研究一种智能设备通信互联与实现技术一工业以太网通 讯技术及其在智能压力检测变送器上的实现。 九十年代中期，国际上兴起的现场总线技术集中反应了计算机网络通讯技术 与自动化仪表和系统的融合趋势。现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化 系统的开放式、数字化、多节点、双向的通讯技术，是计算机技术、网络通讯技 术、自动控制技术相结合的产物。现场总线技术受计算机网络技术的影响十分深 刻。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必 将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：智能 仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、 2 1 绪论 网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接 口软件技术；现场总线系统集成技术。然而，现有的各种现场总线采用了完全不 同的通信协议。国际现场总线i e c 6 1 1 5 8 的出台，宣告了多种现场总线并存的局面已 经形成，由于不同现场总线互不兼容，难以实现透明信息互访，阻碍了先进技术的进 一步推广应用。国际上多种现场总线共存，甚至在一个控制系统中有多种异构网 络互联通讯的局面，即多总线现场控制系统将会继续存在。但是，发展共同遵从 的国际现场总线标准规范，真正形成开放式互联系统，也是大势所趋。 统一、开放的t c p i pe t h e r n e t 是2 0 多年来发展最成功的网络技术，它从最初 的1 0 m b p s 发展到l o o m b p s 快速以太网和交换式以太网，今天它已发展到了 1 0 0 0 m b p s 以太网和光纤以太网。e t h e r n e t 的快速发展和广泛应用有力地推动了高 技术芯片和系统开发，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本。 过去一直认为，e t h e r n e t 是为t r 领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、 环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到 有限应用。但是以太网在以下几个方面不可比拟的优势成为其进入工业控制领域 的强大动力： 具有相当高的数据传输速率( 目前已达到1 0 0 m b s ) ，能提供足够的带宽； 由于具有相同的通信协议，e t h e r n e t 和t c p i p 很容易集成到r r ( 信息技术) 世界； 能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或 基础构架： 在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术； 沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护 和诊断工具，成为事实上的统一标准； 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。 近年来，以太网技术得到飞速发展和广泛的应用，并已经成为事实上的局域 网标准，在网络集成、数据流集成、易用性、设备兼容性、应用的普及性及低成 本等方面具有不可比拟的优势，随着技术的发展，控制网络与普通计算机网络、 i n t e m e t 的联系变得越来越密切。工业以太网技术成为普通以太网技术在工业控制 网络延伸的产物。因此在工业环境中应用以太网技术已是大势所趋。但是以太网 技术要完全适应工业控制领域尤其是流程控制领域的要求，还面临着一些技术难 题： 由于e t b e m e t 采用c s m a c d 机制解决通信介质层的竞争，而工业现场是复杂 的生产过程，信息交换频繁，必须满足控制网络通讯的实时性和确定性要求。 现场总线电缆不仅传送数据信号，还给现场设备提供工作电源，但通用 3 重庆大学博士学位论文 e t h e m e t 难以满足总线供电的要求。此外e t h e m e t 在应用于工业控制现场时，要保 证它的安全性、可用性以及传输距离，需要采取特殊的技术措施。 由于e t h e r n e t 的不开放性造成不同厂家e t h e m e t 设备之间不能相互操作，而且 即使是同一厂家开发的不同e t h e r n e t 设备之间也有可能无法实现透明访问。 由于e t h e m e t 设备本身功耗较大，因此基于e 也e m e t 的低功耗现场设备和交换 机的设计比较困难。这对于有严格功耗限制并满足易燃易爆危险场所要求的现场 仪表采用以太网技术尚存在问题。 事实上，前面所述的以太网技术在工业环境中应用的局限正在得到有效解决， 目前国际主流的现场总线技术都在不约而同地在各自的标准中引入以太网技术， 如：各种现场总线也推出了工业以太网的技术方案，如f f 和w o r l d f i p 向f i e l d b u s f o u n d a t i o nh s e 发展，c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 向e t h e r n e t i p 发展，i n t e r b u s 和 m o d b u s 向i d a 发展，p r o f i b u s 向p r o f i n e t 发展。 一般来讲，传统的控制系统在信息层采用e t h e m e t ，在控制层和设备层采用不 同的现场总线或其他专用网络。随着e t i l e m e t 技术的推广，它已经渗透到了控制层 和设备层。几乎所有的p l c 和远程i o 供应商都能提供支持t c p i p 的e t h e m e t 接 口的产品。 1 1 2 研究的意义 为加快我国工业控制网络通讯技术的自主创新研究，“十五淇问，由浙大中控、 中科院、清华大学等单位联合承担了国家8 6 3 高技术专项研究课题一- e p a e m e t f o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 标准的研究和起草，并于2 0 0 5 年1 2 月被批准为i e c 的实时以 太网协议的p a s 文件。e p a 标准的目的是基于以太网( i e e e 8 0 2 3 ) 和无线局域网 ( i e e e 8 0 2 1 1 ) 、蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 、t c p ( u d p ) i p 协议以及其它信息网络 c o t s ( c o m m e r c i a l o f f - t h e ，s h e l f ) 技术，定义了一种适用于工业自动化控制系统装 置与仪表等设备间数据通信的工业控制网络规范，这些设备包括传感器、执行机 构、变送器、数字式记录仪、数据采集器、可编程序控制器( p l c ) 、数控装置( n c ) 、 编程设备、本地人机接口等。 e p a 标准定义了确定性通信调度控制方法、网络安全导则、必要的通信规范 与服务接口，以及基于e p a 的分布式现场网络控制系统体系结构、模型与特征， 同时制定了复杂工业环境下的应用导则，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、电磁兼容性以及可靠性等要求，为建立 基于e p a 的控制系统及其应用提供指导。 e p a 标准在解决通讯的确定性等技术难题上具有自身的特色，并在一定程度 上取得了实验数据的支持。但是，当e p a 通讯技术从管理层、控制层延伸到现场 执行层时，e p a 通讯技术能否应用到流程工业控制中的现场检测仪表和执行器， 4 1 绪论 满足现场仪表实时性等要求目前还是我国自动化行业正在积极研究的问题，这个 问题的解决涉及到具有自主知识产权的我国e p a 标准能否最终成为i e c 正式标准。 对于在工业控制领域建立第一个中国自己制定的国际标准，在国际自动化高技术 领域确立一席之地具有十分重要的意义。 压力、差压物理量是流程工业领域最重要的参数之一，为了保证生产正常运 行，必须对压力进行监测和控制。比如在化学反应中，压力既影响物料平衡，又 影响反应速度，所以必须严格遵守工艺操作规程，这就需要精确测量和控制其压 力，以保证工艺过程的正常进行。其次压力测量或控制也是安全生产必须的，通 过压力监视可以及时防止生产设备因过压而引起破坏或爆炸。在热电厂中，炉膛 负压反应了送风量与引风量的平衡关系，炉膛压力的大小还与炉内稳定燃烧密切 相关，直接影响机组的安全经济运行。根据工艺流程控制的需求，实际应用中有 各种压力检测仪表，其中应用最多的采用基于将被测压力转换成为弹性元件的位 移或力进行测量的金属电容式压力，差压变送器。典型产品为1 1 5 1 系列电容变送 器，但由于其传感器结构原理和制造工艺特点，造成电容传感器对温度非常敏感。 因此要提高变送器整机的精度( 达到0 0 7 5 以上) 和高稳定性，除了对传感器的材 料、加工工艺、结构等方面的进行改进外，最重要的环节就是采用先进的软件算 法对传感器的温度特性进行复合补偿，以最大程度地消除环境温度等带来的检测 误差。 重庆川仪总厂有限公司作为中国最大的自动化仪表制造商，从2 0 0 5 年开始承 担国家8 6 3 项目“基于e p a 标准的现场变送器研究与开发”( 2 0 0 5 a a 4 1 2 0 3 0 ) ，以 期加快解决e p a 在流程自动化控制现场仪表的应用，使e p a 技术在产业界、工程 界和用户中得到广泛的响应。本人有幸成为该项目的主要研究人员，并以该项目 关键技术的研究内容、成果作为这期间在职攻读博士学位的毕业论文主要内容。 1 2 国内外技术研究动态 1 9 8 5 年，国际电工技术委员会i e c 开始着手制订国际性的智能化现场设备和 控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为“现场总线”( f i e l d b u s ，简称f b ) 。 根据i e c 和美国仪表协会i s a 的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系 统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、 多节点、总线式的全数字通讯。 现场总线技术是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技 术的产物，它把专用微处理器置引入传统的现场仪表，使它们各自都具备数字计 算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。现场总线 允许将包括d c s 、p l c 以及各种智能化的现场控制设备作为节点构成一个网络系 5 重庆大学博士学位论文 统，各种智能化的现场仪表都基于统一、规范的通信协议，通过同一总线实现相 互间的数据传输与信息共享。 现场总线技术自九十年代初开始发展以来，一直是世界各国关注和发展的热 点。在h a r t 目前具有一定规模的现场总线已有数十种之多，为了开发应用以及 争夺市场的需要，世界各国所采用的技术路线基本上都在开发研究的过程中同步 制订了各自的国家标准( 或协会标准) ，同时力求将自己的协议标准转化成各区域标 准化组织的标准。 由于现场总线是以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0 1 0 m a 或4 2 0 m _ a 的模拟传输技术，因此现场总线标准化是该领域的重点课题。国际电 工委员会、国际标准化组织、各大公司及世界各国的标准化组织对于现场总线的 标准化工作都给予了极大的关注，现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的 初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因， 加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展 缓慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。经历了十多年的纷争，1 9 9 9 年形成了 一个由8 个类型组成的i e c 6 1 1 5 8 现场总线国际标准，i e c6 1 1 5 8 也成了国际上制 订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一。 图1 1 1i e c 6 1 1 5 8 采用的8 种类型 f i 9 1 18 k i n d sf i e l d b u so f i e c 6 1 1 5 8 i e c6 1 1 5 8 包括的8 个组成部分分别是：i e c 6 1 1 5 8 原先的技术报告、c o n t r o l n e t ， p r o f m u s 、p n c t 、f f - - h s e 、s w i f t n e t 、w o r l d f i p 和i n t e r b u s ，如图1 1 所示。 i e c6 1 1 5 8 国际标准只是一种模式，它既不改变原i e c 技术报告的内容，也不改变 各组织专有的行规( p r o f i l e ) ，各组织按照i e c 技术报告t y p e l 的框架组织各自的行 6 1 绪论 规。i e c 标准的8 种类型都是平等的，其中t y p e 2 t y p e 8 需要对t y p e l 提供接口， 而标准本身不要求t y p e 2 t y p e 8 之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各 自的行规3 1 。上述几种现场总线主要特点闱比较见表1 1 。 表1 1 主要现场总线技术特点 t h b k l 1t e c h n o - c h a r a c t e d s t i co f m a i nf i e l d b u s 总线类型技术特点主要应用场合价格支持公司 功能强大，本安，实时性好，总线 r o s e m o u n t ， f f 流程控制较贵址b ，f o x b o r o ， 供电；但协议复杂，实际应用少 等 有较强的抗干扰能力，实时性好， w 酬d f i p 工业过程控制一般 a l s t o n e 稳定性好 p r o f i b u s - 本安，总线供电，实际应用较多； 但支持的传输介质较少，传输方式过程自动化较贵 s i e m e n s p a 自自一 车间级通信、 从站一般 p r o f i b u s - 速度较快，组态配置灵活工业、楼字自主站开发 s i e m e n s d p 动化 较贵 开放性好，与p i 的兼容性好，仂独立的网络供 i n t c r b u s过程控制 较便宜 议芯片内核由国外厂商攀断 直商支持 系统简单，便宜，再开发简易，扩 农业、养殖业、既t ( 兕s d a t p - n e t 展性好；但响应较慢，支持厂商鞍 食品加工业 适中 少 a a ，s s w i f l n e t安全性好，速度快 航空较贵 b o e i n g 采用短帧，抗干扰能力强，速度鞍汽车检测、控p h i l i p ，s i e m e n s , c a n 较便宜 慢制 h o n e y w e l l 等 支持o s l 七层协议，实际应用较多， 楼宇自动化、 l o n w o r k s开发平台完善，协议芯片内核由国 工业、能源 较贵 e c h e l o n 外厂商垄断 按照对实时性和时间确定性能力的支持，现场总线网络协议主要分为两大类 嘲嘲：一类采用时间触发方式，多数采用随机载波侦听( c s m a 协议) ，具有代表 性的协议有c a n 和l o n k o r k s 等，它不直接支持实时性；另外采用时间触发方式， 它直接支持实时性，通过采用令牌方式，它有可以进一步分为：( 1 ) 集中式令牌， 具有代表性的协议有w o r l d f i p t f c a n 和f f 等；( 2 ) 分布式令牌，具有代表性的 协议有p r o f i b u s 等；( 虚拟令牌，具有代表性的协议有p - n e t 等。 合理使用现场总线满足现场设备实时要求是现场总线研究的重要内容之一， 7 重庆大学博士学位论文 引起国际知名学者的关注。例如：s h i n ，s o n g 。r a j a 等对c a n 、p n e t t t 和w o r l d f i p 等现场总线的实时性分析与评价【8 1 1 9 1 1 0 1 。 以下是几种主要的可应用于流程工业控制的现场总线技术。 i 2 1 基金会现场总线技术 i e c6 1 1 5 8t y p e l 是i e c 推荐的现场总线标准f 1 ”，它的网络协议由物理层、数 据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层 组成。该标准是由现场总线基金会( f o u n d t i o nf i e l d b u s - f f ) 提出，并试图以此制订单 一的国际的、互可操作的现场总线标准。基金会现场总线是在过程自动化领域得 到广泛支持和具有良好发展前景的技术。由t y p e l 现场总线构成的f c s 结构如图 1 2 所示。 图1 2 船i f c s 结构示意图 f i 9 1 2 i l l u s t r a t i o no ff r a l mf o rt y p e lf c s f f 物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能，通过物理连接在数据链路 实体之间提供透明的位流传输。按照传输速率和功能又分为低速现场总线h 1 和高 速现场总线- 1 2 。h l 总线的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，主要用于现场级，它能够通过 总线为现场仪表供电，并支持总线供电设备的本质安全。h 2 总线主要面向过程控 制级、远程f o 和其它高速数据传输的应用，其传输速率可以达到1 0 0 m b p s 。 数据链路层负责实现链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的响应，总 线上各设备间的链路时间同步等。这里，总线访问控制采用链路活动调度器l a s 方式，l a s 拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操 作。 应用层包括应用进程、应用进程对象、应用实体和应用服务元素等，主要提 供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。 f f 现场总线用户层具有标准功能块f b 和装置描述d d 功能n 2 】【1 3 1 。标准规定 3 2 种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。由于装置描述功能包括描 8 1 绪论 述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可使现场装置实现真正的互 操作性。 f f 现场总线的一大特色就是它在用户层提供了功能块作为控制工程师构建控 制应用的基本单位，并给出了标准的功能块集合。功能块不但能根据现场数据执 行控制功能，而且具有自诊断、自适应的能力。在模式转换( m o d e t r a n s f e r ) 规则 作用下，根据模式和参数状态，功能块可以针对具体的现场环境自动实现控制方 式的切换。采用自动机及其时间扩展对功能块及功能块应用进行建模，一个功能 块应用应用的模型就是由该应用中的各个功能块模型组合而成【1 4 】i 堋。 f f 总线的通信模型 基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。为了实现 通信系统的开放性，其通信模型参考了i s o o s i 参考模型，并在此基础上根据自 动化系统的特点进行演变后得到的，如图1 3 。f f 的特色是其通讯协议在i s o 的 o s i 物理层、数据链路层和应用层3 层之上附加了用户层，通过对象字典o d ( o b j e c t d i c t i o n a r y ) 和设备描述语言d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 实现可互操作性。 o s i 模型 习 il i j 巴翌囵巳堕口 巳圈巴翌 h s e 通信模型 图1 3f f 通信模型 f i 9 1 3 m o d e lo f f fc o m n m n i c a t i o n f f h l 低速现场总线 h l 总线的通信模型以i s o o s i 开放系统模型为基础，采用了物理层、数据链 路层、应用层，并在其上增加了用户层，各厂家的产品在用户层的基础上实现。 该通信模型省去了中间的3 6 层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层。 9 一一 一一一一一 匠 、ll_-、，-_i_l-i， 蚕甲 一一一一 重庆大学博士学位论文 其中，h 1 总线的物理层采用了i e c 6 1 1 5 8 2 的协议规范【1 q ；数据链路层d l l 规定 如何在设备间共享网络和调度通信，支持面向连接和非连接的数据通信，通过链 路活动调度器l a s 来管理现场总线的访问；应用层则规定了在设备间交换数据、 命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。按照现场总线的实际要求，h 1 把应 用层划分为两个子层总线访问子层f a s 与总线报文规范子层f m s ，功能块应 用进程只使用f m s ，并不直接访问f a s ，f a s 负责把f m s 映射到d l l 。用户层 则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能快、设备描述，实现网络 管理、系统管理等。不过，在相应软硬件开发的过程中，往往把数据链路层和应 用层看作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可简单地 视为三层。 f f h s e 高速以太网 2 0 0 0 年3 月现场总线基金会公布了高速以太网的技术规范h s e ，取代原先规 划的h 2 高速总线标准。h s e 采用了基于e t h e m e t 和t c p i p 的六层协议结构的通 信模型m ，如图4 6 。其中，一四层为标准的i n t e m e t 协议：第五层是现场设备 访问会话f d a s ，为现场设备访问代理f d a a 提供会话组织和同步服务；第七层 是应用层，它也划分为f m s 和现场设备访问f d a 二个子层，其中的f d a 的作用 与h l 中的f a s 相类似，也是基于虚拟通信关系v c r 为f m s 提供通信服务。 h s e 充分利用了低成本和成熟可用的以太网技术，以太网则作为高速主干网， 传输速率为1 0 0 m b p s 到i g b p s ，或以更高的速度运行，主要用于复杂控制、子系 统集成、数据服务器的组网等。h s e 和h l 两个网络都符合i e c 6 1 1 5 8 标准，h s e 支持所有的h 1 总线低速部分的功能，支持h 1 设备通过链接设备接口与基于以太 网设备的连接。与链接设备连接的h 1 设备之间可以进行点对点通信，一个链接上 的h l 设备还可以直接与另一个链接上的h 1 设备通信，无需主机的干涉。此外， h s e 现场设备支持标准的f o u n d a t i o n 功能模块，例如a i 、a o 和p i d 以及一 些新的、具体应用于离散控制和f o 子系统集成的“柔性功能模块”f f b 。 t y p e5 现场总线即为i e c 定义的h 2 总线，它由f i e l d b u sf o u n d a t i o n ( f f ) 组织负 责开发，并于1 9 9 8 年决定全面采用己广泛应用于产业的高速以太网( h i g hs p e e d e t h e m e t , h s e ) 标准。该总线使用框架式以太网( s h e l fe t h e m m ) 技术，传输速率从 1 0 0 m b s 到1 g b s 或更高。h s e 完全支持t y p el 现场总线的各项功能，诸如功能块 和装置描述语言等。并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与h l 装置相连接。 连接到一个连接装置上的h 1 装置无需主系统的干预可以进行对等层通信。连接到 一个连接装置上的m 装置同样无需主系统的干预也可以与另一个连接装置上的 h 1 装置直接进行通信。 h s e 总线成功地采用c s m a c d 链路控制协议和t c p i p 传输协议，并使用了高 1 0 1 绪论 速以太网i e e e 8 0 2 3 u 标准的最新技术。t y p e5 现场总线于2 0 0 0 年3 月完成了规范 制定、实验室测试和现场试验，并开始推向市场。这也标志着e t h e m e t 网络开始全 面进入工业自动化领域。 1 2 2p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s 属于i e c 6 1 1 5 8 标准中八大类技术中的重要一种。广泛应用于加工 自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域1 8 1 。p r o f i b u s 产品从 1 9 8 4 年开始研制，已有十多年的应用经验，在现场有十几万个中小系统在运行。 据统计，p r o f i b u s 目前占据全世界最大的现场总线市场份额 t g j 。该总线已被采纳为 欧洲e n 5 0 1 7 0 标准的第二部分。 p r o f i b u s 系列由3 个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 和 p r o f i b u s p a 共3 条总线例。p r