（测试计量技术及仪器专业论文）epa工业现场设备管理技术的研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 自动化工业现场设备管理的目的是能够灵活地管理现场设备，及时发现设备故障和 系统异常，减少故障率和故障排查时间，从而有效地保证系统高效稳定的运行。当今很 多自动化公司根据市场需要开发出了各自的设备管理软件，这些设备管理软件大多针对 当前流行的现场总线协议，却没有支持e p a 工业以太网控制协议的设备管理软件。 论文介绍了现有设各管理软件的功能特点，分析了当前设备互操作解决技术和 x d d l 可扩展设备描述技术，参与提出基于x m l 的e p a 设备描述并对e p a 可编程逻 辑控制器p e c 7 0 0 0 进行了描述。结合当今工业现场设备的管理经验，设计了设备管理 软件的整体框架，并在w i n d o w s 环境下使用j a v a 编程语言实现了现场数据实时监视、 设备管理参数配置、p 冲突诊断、设备掉线报警、工程异常报警、故障报表导出等管理 功能。采用多线程和通讯单元链表管理技术，将读写操作分离管理，使数据的读写具有 实时性和准确性；使用基于j d o m 的x m l 解析技术实现工程文件和设备描述文件的高 效解析管理；针对e p a 设备描述的结构特点，创建设备维护链表，设备生命周期线程 和异常事件监视线程，对设备维护链表进行统一高效的管理；利用j a k a r t a p o i 完成j a v a 对e x c e l 报表文件的操作，实现了设备管理软件的故障报表导出功能；使用s w i n g 技术 构建简洁生动的图形用户操作界面，实现了实时数据监视、设备管理参数配置和异常事 件报告管理模式。 最后对e p a 工业现场设备管理软件的相关功能进行了分析和验证，结果表明该软 件能够在一种集成的平台下对e p a 设备进行监视、配置、故障诊断和统一的管理，软 件框架结构清晰合理，为软件系统的进一步开发奠定了基础。 关键词：设备管理；设备描述；现场总线；故障诊断 大连理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo fm a n a g e m e n tt e c h n i q u ef o ra u t o m a t i o ni n d u s t r yf i e l dd e v i c ei st om a n a g e f i e l dd e v i c ef l e x i b l y ，f i n de x c e p t i o no fd e v i c ea n ds y s t e mt i m e l y ，a n dr e d u c et h er a t eo f a c c i d e n t i tc a ns a v et h et i m et oc h e c km u l f i f u n c t i o ns ot h a tg u a r a n t e ct h es y s t e mr u n n i n g s a f e l y m a n ya u t o m a t i o nc o r p o r a t i o n sh a v ed e v e l o p e dd e v i c em a n a g e m e n ts o f t w a r eb c c a u s c o ft h en e e do fm a r k e t t h e s es o f t w a r ea r em a i n l ya i m e da tt h ef i e l db u sp r o t o c o l st h a ta r e p o p u l a rn o w t h e r ei su os o f t w a r ei su s e df o re p ae s p e c i a l l y 1 h i sp a d e r 血仃o d u c e st h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n td e v i c em a n a g e m e n t s o f t w a r ea n da n a l y z c st h et e c h n i q u et os o l v et h ep r o b l e mo f i n t e r - o p e r a t i o n 1 1 i et e c h n i q u eo f x d d lj sa n a l y z e da n dt h ed e v i c ed e s c r i p t i o nt e c h n i q u eb a s e do i lx m li sb r o u g h tu pw i t h o t h e r s t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ed e v i c em a n a g e m e n ts o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do nt h e e x p e r i e n c eo ft h ec u r r e n ti n d u s t r yf i e i dd e v i c em a l l a g e m e n t t h es o f t w a r ei sw r i t t e nb vj a v a i nt h ep l a t f o 咖o f 晌d o w s t h ef u n c t i o n so ft h es o f i w a r ci n c l u d e sm o n i t o r i n gr e a lt i m ed a t a , t h ec o n f i g u r a t i o no fm a n a g e m e n tp a r a m e t e r s ，t h ed i a g n o s i st h ei pc o n f l i c t ，t h ea l a r mo f d e v i c ed e e d , t h ea l a 皿o fp r o j e c te x c e p f i o na n dt h ee x p o r to ff a i l u r et a b l e s t h et e c h n i q u eo f m u l t i t h r e a da n dt h ea r r a n to fc o n l m u n i c a t i o nu n i t sa u s e dt os e p a r a t et 1 1 eo p e r a t i o n so fr e a d a n dw r i t e t h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t i o ni se f f e c t i v ea n da c c u r a t e u s i n gt h et e c h n i q u eo f p a r s i n g ) 0 讧lb a s e do nj d o m t om a k et h em a n a g e m e n to f p r o jf i l ea n dd e v i c ed e s c r i p t i o n f i l ee f f e c t i v e t h ea r r a yo fd e v i c e s ，t h em e n i t o t i n gt h r e a do fd e v i c ea n n o u n c e m e n ta n dt h e m o n i t o r i n gt h r e a do fe x c e p t i o na r eb u i l tt om a n a g et h ef i e l dd e v i c e se f f e c t i v e l y t h ef u n c t i o n o ff a i l u r e st a b l ew h i c hi sw r i t t e ni nt h ef o r f f lo fe x c e li si m p l e m e n t e db yu s i n gj a k a r t ap o i m g r a p h i eu s e ri n t e r f a c ei si m p l e m e n t e db yu s i n gs w i n ga n dt h em o d e lo fr e a lt i m ed a t a m o n i t o r i n g , t h em o d e lo fc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n tp a r a m e t e r sa n dt h em o d e lo fa c c i d e n t r e p o r ta r ei m p l e m e n t e d t h cm a i nf o n c t i o n so ft h es o f t w a r ei s 粕a l v z e da n dt e s t e d t h er e s u l t sp r o v et h a t 血e s o f t w a r ec a b m o n i t o r , c o n f i g u r ea n dd i a g n o s et h ee p ad e v i c ei nau n i f i e ds y s t e me f f e c t i v e l y t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es o f t w a r ei se l e a ra n ds e u $ i b l e ，a n dt h ef o u n d a t i o no ft h es o f t w a r eh a s b e e nb u i l tf o rt h eu e x td e v e l o p m e n t t h ed e v i c ed c s c r i p t i o nf n ef o rp e c 7 0 0 0i sw r i t t e n k e yw o r d s ：d e v i c em a n a g e m e n t ；d e v i c ed e s e r i p t i o n ；f i e l db u s ；m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：兰塑主竺璺j s 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 型兰鱼 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 现场总线技术的发展 根据国际电工协会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e e t r o t e c l m i c a lc o m m i s s i o n ) 标准的定义：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，多分支结构的通讯网络。 它按照开放式、公开、规范的通讯协议，在位于工业过程控制现场的多个数字化测量设 备，现场智能仪表与远程监控计算机之间，实现数字传输与交换【l i 。因此它也被称为开 放式、数字化、多点通信的“通用现场通信系统”。 自上个世纪以来，计算机技术和网络技术迅猛发展；而与此同时，由于标准制定严 重落后，工业控制系统中广泛采用的集散控制系统d c s 互不兼容、互可操作性差以及 可扩充性差的“信息孤岛”的薄弱点也日见明显，因此一种具有完全的数字通信能力的 采用网络集成的全分布式方案现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 应运 而生。这种融合了计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、控制( c o n t r 0 1 ) 及 c r t 显示技术等4 c 技术的系统，被称为自动领域的计算机网络，它已经逐渐的替代传 统的d c s 系统，成为继基地式气动控制仪表系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、 集中式数字控制系统以及d c s 系统之后的第五代控制系统 1 1 1 现场总线技术的特点 相对于集散控锚g 系统而言，现场总线控制系统( f c s ) 是一种扁平化的系统，它分 为现场控制和协调控制两级。在技术上，f c s 具有以下几大特点： ( 1 ) 分散控制特性 在f c s 系统中使用的均是智能现场设备，原先d c s 中处于控制室的控制模块、输 入输出模块都植入了现场设备。同时这些现场设备本身具有递讯能力，设备与设备之间 可以直接传送信号，从而实现了真正意义上的彻底的分散控制。因此有人称之为“鸡脑 神经网络”，意思就是现场总线与上一级网络断开后底层设备依然可以正常运行。这种 高自律性的控制方案有效的简化了系统的结构，构成了分散i o 、分散控制和分散运算 的分布网络，其控制和控制回路均分散到了现场，彻底实现了危险分散化。 ( 2 ) 高度开放特性 现场总线为开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，其采 用基于公开化、标准化的解决方案，通过以统一的标准来规范设备的接口、通信和连接， 可以实现遵从统一标准的不同制造商生产的设备之间完全的信息交换，不同制造商的网 络互联十分简单，节省了用户在硬件或软件上所花费的时间。 e p a 工业现场设备管理技术的研究与实现 ( 3 ) 数字通信特征 现场总线控制系统使用数字信号进行通信。f c s 通过总线可以向上传递设备监测信 息和运行状态信息，也可以向下传递组态控制信息。采用数字信号代替模拟信号，实现 了多种信号在同一传输介质上的传输，提高了信号传输的速度与精度，此外，直接使用 数字信号进行通信，减少了a d 、d a 转换部件，进一步提供了系统的可靠性。 ( 4 ) 互操作性与互用性 互操作性是指互连设备问、系统间的信息传递与沟通，可实现点对点、一点对多点 的数字通信。互用性是指不同生产厂家性能类似的设备可进行互换互用。由于现场总线 是一类开放式的互联网络，它采用标准的通讯协议，现场总线的设各不仅在硬件接口上 是标准的，在软件接口部分也是标准的，从而使得系统的互操作性和互用性成为可能。 用户就可根据需要统一的对现场设备进行组态来构成性能价格比最优的系统，有效降低 了控制系统的接体成本和开发的难度。 1 1 2 用于工业自动化的以太网 从目前的发展情况来看，市场和技术需要统一标准的现场总线，但由于利益的驱动 和性能多样化的要求，现场总线标准的统一尚需一段时间。此外，现场总线控制系统的 传输速率也不尽如入意，以基金会现场总线为例，其低速总线h 1 的传输速度为 3 1 2 5 k b p s ，高速总线h 2 的传输速度为1 m b p s 或2 5 m b p s ，这在有些场合下仍不能满足 实时控制的要求。此外，由于多种现场总线协议共存的局面以及r r 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，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，转而采用以太网和无线通信等主 流通信技术。 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， 采用载波侦听多路访问控制传输 o p c 服务器 o p c 组 卜酬咄应用程k 崮 o p c 项 图2 4 0 p c 接口示意图 f i g 2 4 t h ei n t e r f a c ef i g u r eo fo p c 然而，o p c 技术是基于微软技术框架的，包括c o m 、d c o m 等，这就使得o p c 技术必须面对要过分依赖微软技术框架和w i n d o w s 操作系统的事实，而c o m d c o m 等技术对于软件开发者的技术水平要求很高，在实际开发过程中可能因为软件开发上所 遇到的软件技术问题而是阻碍了o p c 技术的推广和使用。 e p a 工业现场设备管理技术的研究与实现 2 3 基于x m l 的可扩展设备描述方案 2 3 1 e p a 互可操作性问题 e p a 规范的体系结构，允许在一个e p a 网络中即成来自不同厂商、不同类型的现 场设备，并要求能够对系统中的所有设备进行互可操作。因此，在e p a 的现场设备开 发过程中，一向重要内容就是开发现场设备的设备描述。设备描述是e p a 为实现互可 操作而提供的有效工具【“。如图2 5 所示是设备描述在e p a 网络中的位置1 1 6 】。 图2 5 设备描述在e p a 网络中的位置 f i g 2 , 5 t h ep o s i t i o no fd di ne p as y s t e m 2 3 2x m l 技术优点 x m l 是互联网协会( w 3 c ) 开发的标准通用标记语言( s t a n d a r d g e n e r a l i z e d m a r k u p l a n g u a g e ，s g m l ) 的一个子集1 1 7 1 。用户可以基于x m l 定义自己的标记语言，从而在 x m l 文件中描述和封装数据。x m l 在数据交换、存储和描述方面都有自己的优点。可 以直接用于网上传输。x m l 具有以下几方面的特点： ( 1 ) 规范严格，语义清晰 x m l 允许自定义元素，因此元素可以包含丰富的含义，设计很好的规范文档，便于开 发人员阅读。x m l 的语法有着严格的规范，其标准严格的树形结构使得x m l 文档具有 稳定、可靠、通用等优点。 ( 2 ) 通用型好，平台无关 大连理工大学硕士学位论文 x m l 文档以纯文本形式存在，内容是基于u n i c o d e 的文本，适合网络传输。其 自身最大的特性就在于不用作任何移植就可以满足平台间的互操作，易于在不同系统间 进行交互。 ( 3 ) 良好的可扩展性 x m l 规范允许使用者创建自己的标记语言，并通过x m l 对其进行扩展，也正因为 如此，x m l 几乎可以应用于任何需要数据交换的场合。e p a 可扩展设备描述语言 ( e x t e n s l b l ed e v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，x d d l ) 正是这样一种扩展。 采用x m l 对现场总线系统中的设备进行描述，定义相关的标准，可以增强设备描 述的可读性，同时解决了设备描述语言的兼容性以及组态软件和设备描述文件之间接口 的统一问题。而且基于x m l 的设各描述具有很强的灵活性，既可以将描述嵌入现场设 备，也可以以光盘等形式提供，甚至可以通过网络提供下载1 1 1 。 2 3 3e p a 可扩展设备描述 基于x m l 所特有的技术优势，结合设备描述语言的需要，作为国家标准的“用于 工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范”规定了e p a 框架下设备描述采用基 于x m l 的可扩展设备描述技术( x d d l ) l 刎i ”。利用x d d l 内定义的标签元素可以清 晰地描述设备的功能块和参数信息，基于x d d l 编写的设备描述文件最后以x m l 的格 式存在，从而实现了上位机应用软件或者控制系统可以基于不同厂商提供的x d d l 文件 实现互操作和集成。 基于x d d l 的设备描述文件整体分为两个层次，分别描述x d d l 文档的基本信息 和设备的基本信息。在文档信息中，描述x d d l 文档的创建日期、文档版本号信息。在 设备的基本信息描述中，包括了设备的基本标识信息、功能块信息以及管理参数的信息， 利用这些信息，上位机应用程序，包括组态软件、设备管理软件等可以无缝集成系统中 的设备，实现互可操作，并以图形化的界面形式显示e p a 设备的这些信息。实现用户 用同一的接口形式对系统中的设备进行组态、管理等操作口j 。 为了实现针对e p a 设备的管理，本文中所讨论的设备管理软件所使用的设备描述 文件在结构上做了一些改进。基于标准的x d d l 框架，在d e v i e e d e s e r i p t i o n 节点下添 加了h m iv a r i a b l ed e s c r i p t i o n 节点。该节点及其子节点描述设备的变量信息，针对设 备管理和人机界面实对监控的需要丽设计。 2 4 小结 自动化现场总线控制系统中，设备的互可操作问题一直都是一个关键性问题而备受 关注，各现场总线协议组织和各大自动化公司一直以来都在努力寻求着共赢的解决方 e p ae 业现场设备管理技术的研究与实现 案。这些努力和探索为实现现场总线设备的互可操作提供了宝贵的经验，丰富了解决问 题的思路，其中的某些解决技术有着其特有的优势并发挥了重要的作用。 首先分析了互可操作在自动化现场总线控制系统中的重要性，随后详细介绍了当今 存在的几种主流的设备互可操作解决方案，并比较分析了其各自的特点和优势，以及各 自存在的缺点和不足。在此基础上，着重介绍了x m l 技术和基于x m l 的可扩展设备 描述语言x d d l ，分析了在e p a 的特点及其在此框架下采用x d d l 技术的优势。简要 介绍了x d d l 的总体结构和主要的节点定义。针对设备管理的需要，添加了 h m iv a r i a b l ed e s c r i p t i o n 节点，并介绍了该节点的框架组成和意义。 在第三章，将首先介绍现场智能设备和基于i e c 6 1 1 3 1 3 可编程逻辑控制器 p e c 7 0 0 0 ，在此基础上分析针对p e c t 0 0 0 的设备描述文件和设备管理方法。设备管理软 件的技术实现将在第四章作进一步阐述。 大连理工大学硕士学位论文 3 设备管理方案设计 3 1自动化智能现场设备 现场设备层中的设备种类繁多，有传感器、启动器、驱动器、1 o 部件、变送器、 阀门等等，当然也包括现场检测仪器仪表设备。随着工业自动化技术的进步，对现场仪 表设备提出了越来越高的要求，比如设备的多样性要求设备层满足开放性，要求各厂商 遵循工厂的标准，保证产品满足标准化：来自不同厂商的设备在功能上可以采用相同功 能的同类设备互换，实现可互换性；来自不同厂家的设备可以相互通信，并且可以在多 厂家的环境中实现可互换性吲。 随着传感器技术、嵌入式技术和现场总线技术的发展，工业现场的设备正朝着微机 化、智能化和网络化的方向发展。智能现场设备主要包括不同类型的变送器和执行机构， 设备不但能够提供控制现场的监测数据，还能够提供设备自身的运行状态信息和环境信 息畔l 。如变送器能够监测r a m 故障，程序执行异常，传感器污染严重，环境温度异常 等信息；执行机构既控制它们的输出，同时监测输出反馈，如阀门的响应速度过慢，模 拟量输出与实际输出误差太大等。智能现场设备的这些功能成为了有效实现设备管理、 保证系统可靠运行的基础。 3 2 可编程逻辑控制器p e c 7 0 0 0 基于1 e c 6 1 1 3 1 3 标准的可编程逻辑控制器p e c t 0 0 0 ，具有6 路模拟量输入、两路 标准电流信号输出、8 路开关量输入和8 路开关量输出，1 个以太网接口，2 个r s - 4 8 5 接口。以太网协议支持我国自主知识产权的“用于工业测量与控制系统的e p a 系统结 构与通讯规范”b t 2 0 1 7 1 2 0 0 6 ) ，控制器之间通过以太网连接组成以太网控制系统。 r s j , 8 5 接口支持m o d b u s 通讯协议，并可设置成主设备和从设备工作口j c “。 p e c 7 0 0 0 内部存储区分为程序存储区、用户数据存储区、i o 映像区、辅助存储区 和网络存储区。程序存储区存放功能块程序编码由扫描程序按着编程顺序执行；用户 数据存储区存放由用户定义的变量，变量可以字、双字和位存取：i o 存储区存放物理 哟数据映像，在刷新f o 变量时使物理数据与映像数据同步：辅助存储区存放程序运 行时的数据。此外，还增加了串行通信映像区和以太网通信共享区来支持网络功能。 p e c t 0 0 0 将变量存储于v 、l 、q 、m 、s 、l 、s m 等不同的存储器区中，每个单元 都有唯一的地址，允许用户程序直接存取这个地址变量。变量定义可以是字和双字，数 掘类型由用户通过功能块定义和管理，每个变量也允许按位存取。 e p a 工业现场设备管理技术的研究与实现 通过专门的组态软件编写控制策略程序并编译下载到p e c t 0 0 0 设备后，p e c 7 0 0 0 便能够按照预先设定好的控制策略完成工业现场的实际控制功能。控制器按着读输入、 执行程序、控制器自诊断、处理通信请求、写输出等扫描周期执行程序如图3 1 所示。 在读输入阶段，p b c c t 0 0 0 先读数字输入点的当前值，然后把数字输入点的当前值 和从设备 o 当前定时刷新的值写到寄存器中。当程序执行到控制器自诊断阶段， p e c 7 0 0 0 自动侦查程序及通信运行的错误，错误标志会在特殊寄存器( s m ) 区的特殊标志 寄存器中显示出来。 一个扫描周期 写输出7 1 读输入 j 执行程序 、， 处理通信请求 图3 ，1p e c t 0 0 0 扫描周期 f i g 3 1 t h eo c m p e i j o do f p e c t 0 0 0 s m 区主要分为系统状态字、功能块状态字、从设备状态字、通讯状态字和p i d 控 制字等部分，其状态位大部分是为了对系统的状态进行监视和错误诊断。p e c t 0 0 0 的此 项功能为是设备管理软件实现对其管理的基础，软件通过对s m 区相关字段的读取和分 析，实现了对设备自身运行状态的监控，快速发现设备故障和系统异常，如表3 1 所示 的字段是s m 区中用于实现设备管理的关键字段。 p e c 7 0 0 0 的s m 区是实现设备管理的重要参数区，其中存储的参数大多与设备的基 本标识、基本设置参数、运行状态以及从设备的状态信息，是实现有效设备管理的基础。 在下一节将要叙述的p e c 7 0 0 0 设备描述文件中描述了大量s m 区的变量信息，为设备管 理软件实现针对p e c t 0 0 0 的有效管理提供了保证。 3 3 针对p e g 7 0 0 0 的设备描述 设计开发的e p a 工业现场设备管理软件基于x i ) d l 可扩展设备描述，描述文件针 对设备管理的需要添加了设备变量描述节点h m i _ v a r l a b l e _ d e s c r i p t i o n ，该节点总体分 ， 大连理工大学硕士学位论文 为三个层次：h m l b l o e ka t t r i b u t e 变量块属性层、c o m m m o d e _ d e s c r i p t i o n 通讯模式描 述层以及c o m m c a o u pd e s c r i p t i o n 通讯组描述层。 表3 1 特殊功能寄存器区相关字段说明 t a b3 1 t h e 谢u r u i n a t i o no ft h ei n t e r r e l a t e df i e l di ns m 1 9 e p a f 业现场设备管理技术的研究与实现 变量块属性层中，主要描述了设备变量的变量名、工程名、上下限报警阈值、数据 类型、数据长度以及转换方法等信息，此外，还描述了该变量对应于通讯组中的组标识 号，实现了变量和驱动报文的一一对应；在通讯模式层中，描述了与设备进行通信所采 用的通讯方式以及在该方式下具体的通信参数；在通讯组层，描述了实现与设备通信时 所使用的驱动报文以及在报文收发时所用到的通讯控制参数。如图3 2 所示是 h m i _ v a r i a b l ed e s c r i p t i o n 节点及其子节点的框架图。 图3 2 针对设备管理的设备变量描述层框架图 f i g 3 2 t h ea r c h i t g c t u t e o f h m i _ v a r i a b l c _ d e s c r i p t i o n f o r d e v i c e m a n a g e m e n t 针对p e c 7 0 0 0 设备及变量的特点，编写了基于p e c 7 0 0 0 设备描述文件，文件的文 档格式采用上述定义的格式标准。描述的变量涉及p e c 7 0 0 0 设备提供的8 路d i f d o ，2 路a o 和6 路a i ，以及s m 特殊功能寄存器区用于设备管理的某些关键字段。下面三小 节详细介绍针对p e c 7 0 0 0 设备描述文件中相关的元素定义及参数说明。 3 ，3 1 变量块属性层定义及说明 h m ib l o c ka t t r i b u t e 节点描述在具体工程中用到的设备变量，如越协0 、d i d o ， 以及设备的运行状态变量，这些变量全面地反映了设备在实际工程现场的监钡4 数据和设 备自身的运行状态信息。设各所有的变量节点挂接在节点h m ib l o c k _ a t t r i b u t e 下，它 们有统一的变量编号，便于程序索引查找。这些节点有很多属性，包括变量工程名、变 量属性、变量类型、存取方法、输入输出满度、输入输出零点，以及转换方式、上下限 报警、在数据池中的坐标等等，这些信息为上位机应用程序提供了统一的设备接口，实 现了不同类型设备的一致表示。如图3 3 所示是h m i _ b l o c k _ _ a t t r i b u t e 层总体结构示意图。 大连理工大学硕士学位论文 图3 , 3 变量块属性描述层结构 f i g 3 3 t h ea r c h i t e c t u r eo fh m l _ v a r i a b l e _ d e s c r i p t i o n h m i b l o c ka t t r i b u t e 变量块属性描述层是设备描述文件描述设备变量的主体部分， 工程现场中所用到的变量都在此层被描述，每一个实际变量对应文件该层中的一个变量 块h m lb l o c k 。h m ib l o c k 下面挂接两个节点：b l o c kh f 0 和m o c kp a r a 。b l o c kh f o 描述变量的基本信息，包括变量名、变量在工程中的实际名以及相应的帮助信息。 b l o c kp a r a 节点下面有两个v a r i a b l e 节点，但它们的n a m e 属性值不同，分别为v a l u e 和c e m m a t t r i b u e 。 n a m e 属性值为v a l u e 的v a r i a b l e 节点描述变量的数值信息，包括变量名、变量 的最大最小值、上下限报警、上下限预警、增降幅报警、数据类型、数据长度以及操作 模式等信息，这些数据信息为设各管理软件提供了管理设备对应变量的依据。 n a m e 属性值为c o m m a t t f i b u t e 的v a r i a b l e 节点描述变量在数据池中的坐标以及 变量所对应的通讯单元，帮助设各管理软件按照变量的读写要求调度通讯单元。 e p a 业现场设备管理技术的研究与实现 3 3 2 通讯模式层定义及说明 c o m m m o d c _ d e s c r i p t i o n 是设各的通讯模式描述节点，定义了设备的通讯驱动方式、 通信波特率、设备口、通讯端口、本机端口以及扫描周期、通讯组个数等属性，为上位 桃应用程序与设备之间的通讯提供必要参数。如图3 4 所示是通讯模式层元素节点结构。 圈3 4 通讯模式层结构 f i g 3 4 t h e a r c h i t e c t u r eo f c o m m m o d cd e s c r i 州o i l 3 3 3 通讯组层定义及说明 c o m m g r o u p 节点是设备的通讯组变量读写报文描述节点，设备所有变_description 量的读写报文及相关参数全部在此节点下描述，这些报文和相关参数以通讯组的形式存 在，如图3 5 所示是通讯组层结构示意图。 所有通讯组与设备变量描述层的设备变量一一对应，描述设备每一个变量的通讯存 取方式和调度方式，包括通讯组的编号、扫描频率、通讯状态、变量的读取报文、验证 报文以及读写数据在数据池中的坐标信息等等。所有这些信息保证了上位机程序以统一 高效的方式调度设备通讯组，实现设备变量的高效读取。 在变量块属性描述层中，n a m e 属性为c o m m a t t r l b u t e 的v a r i a b l e 节点有两个通 讯单元索引节点：c o m m g r o u p r e a d l u d e x 和c o m m c s r o u p w r i t e i n d e x 。它们分别标识变量 块在通讯组层中与之相对应的通讯单元的索引号。当设备管理软件需要读写相应变量块 大连理工大学硕士学位论文 时，会通过上述两个索引节点查找通讯组层中特定的通讯单元，进而完成具体的通信操 作。如图3 6 所示是描述文件中设备变量块与通讯单元的对应关系。 图3 5 通讯组层节点示意图 f i g 3 5t h e f i g u r e o f o u p j 珐m i p t i 3 6 变量块与通讯单元对应关系 f i g 3 6 t h et e l a t i o mb e t w h m l _ b l o c ka n dc o m m g r o u p e p a 工业现场设备管理技术的研究与实现 3 4 设备管理软件管理方法设计 通过p e c t 0 0 0 的设备描述，用户可以访问修改设备的i d 、生产日期、生产厂家、 设备安装使用时间等基本标识信息，方便了设备分类管理和生命周期管理。通过管理软 件，用户利用设备描述中所提供的设备生产日期及安装日期实现对设备生命周期的管 理，及早发现老化设备和需要维护的设备，提高了设备管理的主动性。 p e c 7 0 0 0 提供的现场测量数据包括开关量输入输出i o 和模拟量输入输出a 1 a o ， 这些变量直接反映设备的现场监测数据，是实现现场设备管理的关键和重点。管理软件 为这些参数提供配置功能，用户可以针对具体的现场应用配置变量的工程名、报警上下 限、报警描述等信息：所提供的设备运行状态信息是设备管理软件的基础，为用户监视 管理现场设备提供了依据和保障。 结合p e c 7 0 0 0 的特点，设计了如下管理方法：( 1 ) 设备标定：用户可以对设各基 本标识和整定点的工作参数进行标定，包括设备的出厂信息、设备安装信息、工程参数 和报警值的标定，并能够判定该标定点整定后是否满足要求。( 2 ) 故障诊断：监视现 场设备的运行状态和监测数据，实时故障报警、故障原因分析，显示故障发生的设备及 安装地点，实现了故障的快速定位。( 3 ) 预测性维护：根据设备出厂时间和设备安装 时配置的运行开始时间，为每一个现场设备维护生命周期。用户根据具体的实际应用设 定生命周期参数，管理软件自动累积某些极限工作参数，提出设备的定期维护要求。根 据现场设备的工作性能，进行设备的维护预报提前安排维修或更换，以防意外停机事 故。 大连理工大学硕士学位论文 4 e p a 工业现场设备管理软件的技术实现 正是由于对现场总线设备管理的迫切需要，各大自动化公司都相继推出了自己的现 场总线设备设备管理软件，但这些设备管理软件大都仅支持现今流行的现场总线协议， 如h a r t ，f f 以及p r o f i b u s 等，没有针对e p a 工业以太网协议及其设备的设备管理软 件，并且现有的设备管理软件在实现设备互可操作的技术实现上也存在着各自的局限性 2 7 - 3 3 。 针对e p a 工业以太网的特点，结合大连理工计算机控制工程有限公司的自动化产 品基于以太网的可编程逻辑控制器p e c 7 0 0 0 及其设备描述文件，设计了基于x d d l 的e p a 设备管理软件的整体框架，随后对软件的具体功能模块的设计与实现进行了详 细的阐述。设备管理软件的开发语言使用j a v a ，开发工具选用b o r l a n d 公司的 j b u i l d e r x ，软件名称为e p a 4 1 e p a 设备管理软件的框架设计 4 1 1 概述 e p am a n a g e r 设备管理软件主要由以下几个模块组成：文件管理模块、现场设备维 护模块、设备实时管理模块、通讯服务模块以及图形用户接口模块等。这些模块构成了 e p a _ m a n a g e r 的主体，它们之间的关系如图4 1 所示。 文件管理模块实际包含了两个方面的内容，即工程文件的管理和设备描述文件的解 析。现场设备维护模块是软件的重点，负责现场设备参数的初始化、数据的处理和转换， 以及与用户接口层的设备状态信息交互等。设备实时管理模块是整个软件的核心模块， 负责工程参数的记录和修改，响应用户对设备参数的配置，响应用户对于工作模式的切 换及构建，依据用户的设置参数实时监视设备运行状态等功能，该模块起到了联系其它 模块的作用，是整个框架的纽带。通讯服务模块负责与现场设各通信，完成读写线程的 维护、读写报文的收发和处理、数据池中数据的存取操作等，是软件的基础功能模块。 图形用户接口模块负责人机接口界面的构建及相关动作的响应。数据池是程序运行时， 在内存中开辟的一块数据存储区，用于存放与设备通信时用到的读写数据。 图形用户接口模块除了在程序初始化时构建软件的图形界面，还负责软件各个功能 模块的同一调度。当工程开启后，图形用户接口模块调度文件管理模块解析设备描述文 件，依据获得的设备描述参数实例化设备类，将实例化后的设备实例添加进设备列表供 现场设备维护模块统一维护管理。设备实时管理模块通过图形用户接口获得设备管理配 置参数，然后交由现场设备维护模块对相应设备进行配置，同时设备实时管理模块按照 e p a 工业现场设备管理技术的研究与实现 管理的要求调度通讯服务模块完成相关数据的收发。实时通讯服务模块按照变量的数据 池存储坐标将接收到的数据存储在数据持特定位置或将数据池中特定位置的数据予以 发送。在设备实时管理模块中定义了相关数据的变换方法，通过这些方法，实时管理模 块完成了设备实际信息与数据池中抽象字节数据的变换，数据池将数据的实际收发操作 和上层的设备维护操作有效的分解开，使得整个程序结构清晰简洁，也方便了系统功能 的实现。 图4 1e p a _ m a n a g e r 总体模块划分结构图 f i g 4 1 t h ea r c h i t e c t u r eo f e p a _ m a n a g e r 4 1 2 程序初始化 程序启动之后，首先初始化图形用户接e l 模块，构建软件的基本国形界面，等待用 户的进一步操作。 当用户新建或打开工程时，e p a _ m a n a g e r 根据工程文件中关于设备描述文件的定位 信息加载设备描述文件。调用文件管理模块，对设备描述文件进行解析，依据提取的设 备变量属性信息和通讯属性描述实例化设备，并将描述文件中所有己描述的设备添加至 设备维护列表中。当新建或打开工程时程序的执行步骤如图4 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 读取工程文件 初始化工程信息 i 加筑设备描述文件 l 解析d e v i c e d e s c r i p f i o n 层 信息，初始化设备实例 i 初始化设备声明监听线程 初始化定时器线程 l t 初始化异常监视线程 初始化读写线程 j 构建工程架构图和设备映 射图 上 依据默认工作模式初始化 主工作区 图4 2 工程初始化流程国 f i g 4 2t h ef l o wc h a r to f p f o j e c ti n i d a l i 墨d o 设备声明监听线程侦听特定端口，等待来自现场设备的设备声明。定时器线程进行 计时累加操作，负责设备生命期的维护。在工程初始化阶段，仅完成对异常监视线程和 数据读写线程实例化，其具体的管理参数和数据读写任务须接受用户的操作和配置。完 成上述初始化工作后，设备实时管理模块依据默认工作模式初始化主工作区，实现工程 框架区的构建。 e p a 工业现场设备管理技术的研究与实现 4 2 文件管理模块 文件管理模块包括工程文件管理和设各描述文件解析两个方面的内容。工程文件和 设备描述文件的数据存储都基于x m l ，这就涉及j a v a 的x m l 解析技术l 卅。当前流 行的三种j a v a 解析x m l 的技术包括：文档对象模型( d o m ) ，用于x m l 的简单a p i ( s a x ) 以及j d o m 。 d o m 是一个基于树型的解析技术，它在内存中构建起一棵完整的解析树。它可以 实现对整个x m l 文档的全面、动态访问。但当x m l 文件很大时，无法将整个x m l 文 件加载进内存，从而限制了d o m