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浙江大学硕士学位论文 工业以太网总线供电技术的研究与开发 摘要 随着以太网技术的迅猛发展，以太网数据传输的不确定性等问题也逐渐得到了解决，以 太网技术从传统的管理层深入到工业现场设备底层已经成为不可阻挡的趋势。在工业以太网 技术研究领域，国内外都处于起步阶段，这也使得我国第一次拥有和国外企业平等竞争，制 定工业领域以太网技术标准的机会。 在国家8 6 3 计划的支持下，作者所在的实验室工业控制技术国家重点实验室承担了 大量的研究和开发工作，并相继攻克一系列工业以太网关键技术，起草了我国拥有自主知识 产权的工业以太网标准：用于工业测量与控制系统的e p a 通信标准( 简称e p a 标准) 。 本研究与开发项目作为e p a 科研项目的子项目，重点研究适用于工业以太网的总线供电 方法，并通过设计系统样机来验证此方法的正确性和可行性。本论文首先分析比较了工业控 制领域的几种常用供电技术，得出总线供电技术的必要性和优越性；并对以太网的总线供电 技术进行深入的研究，得出适用于工业以太网的总线供电方法。接着作者对直接影响到工业 以太网总线供电系统设计的本质安全问题进行了讨论，包括仪表防爆原理和几种防爆方法， 并总结了以太网本质安全技术的发展状况。然后使用单片机技术，设计具有检测、分级、断 电保护等功能的电源管理模块及与之配合的前端检测模块，并对以此搭建的一套完整的工业 以太网总线供电系统样机做了测试，结果达到设计要求。最后对本课题进行了总结和展望。 在本论文设计的总线供电系统样机中，供电设备很好地实现了预先设计的对受电设备的 合法性检测和功率分级等功能。这种安全机制的引入是在解决工业以太网领域总线供电问题 的道路上做出的创新性尝试，它解决了总线供电设备与现场受电设备在供电开始之前的有效 性确认问题。随着工业以太网本质安全技术的发展，总线供电问题将最终得到解决，并为以 太网进入工业控制底层铺平道路。 【关键词】工业以太网，e p a ，总线供电，本质安全，供电设备，受电设备 浙江大学硕士学位论文丁业以太网总线供电技术的研究与开发 a b s t r a c t w i t ht h eq u i c k l yd e v e l o p m e n to fe t h e m e tt e c h n o l o g y , t h eu n c e r t a i n t yo fd a t at r a n s m i s s i o no f e t h e m e th a sb e e nr e s o l v e dg r a d u a l l y s oi tb e c o m e sa l li r r e s i s t i b l et e n d e n c yt h a te m e m e t t e c h n o l o g yw i l le x t e n dt h eu s et oi n d u s t r i a lf i e l de q u i p m e n tl e v e lb e y o n dt r a d i t i o n a lm a n a g e m e n t l e v e l n o wd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc o m p a n i e sa r eb o t ha tt h es t a r ts t a g ei nt h er e s e a r c ho f i n d u s t r i a le m e r n e t a n dt h i so f f e r su sac h a n c et oc o m p e t ef a i r l yw i t hi n t e m a t i o n a lc o m p a n i e st o f o r m u l a t et h en e ws t a n d a r d u n d e rt h es u p p o r to f8 6 3p r o g r a m t h ea u t h o r sl a b o r a t o r y , t h en a t i o n a ll a b o r a t o r yo fi n d u s t r i a l h a su n d e r t a k e nl o t so fw o r k sa n dd r a f t e do u ta ni n d u s 仃i a le t h e m e ts t a n d a r dc a l l e de p af o rs h o f t a f t e rt a c m i n gt h ek e yp r o b l e m si nt h ea r e ao f i n d u s t r i a le t h e m e t a sas u b p r o j e c to fe p a t h em a i nt a s ko ft h i sp r o j e c ti st or e s e a r c hab u s - p o w e r e dm e t h o do n i n d u s t r i a le t h e r n e t ，a n dp r o v et h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o db yd e s i g n i n gas y s t e m p r o t o t y p e i nt h eb e g i n n i n g ，t h ep a p e ra n a l y s e sa n dc o m p a r e ss e v e r a lt e c h n o l o g i e si n c o n t r o l i n d u s t r ya n dg e t st h er e s u l to ft h en e c e s s i t ya n da d v a n t a g eo fb u s p o w e r e dt e c h n o l o g y a f t e ra d e e p l yr e s e a r c h i n go ft h ep o w e ro v e re t h e m e tt e c h n o l o g y , ab u s - p o w e r e dm e t h o do ni n d u s t r i a l e t h e r n e ti sg i v e ni nt h ep a p e r t h e n ，t h ei n t r i n s i cs a f e t yw h i c hw i l li n f l u e n c et h ed e s i g no fp o w e r s y s t e mi sd i s c u s s e d ；i ti n c l u d e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d st op r o t e c tt h ei n s t r u m e n t sf o re x p l o s i v e a t m o s p h e r e ，a n dt h er e c e n td e v e l o p m e n to ft h e i n t r i u s i cs a f e t yo fe t h e m e t f u r t h e rm o r e ， p r e d e t e c t i o nm o d u l ea n dp o w e r - m a n a g e m e n tm o d u l ew h i c hh a st h ec a p a b i l i t i e so fd e t e c t i o n c l a s s i f i c a t i o na n dp o w e r - o f fp r o t e c t i o na r ed e s i g n e db yu s i n gc h i pm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y u s i n gt h e s et w om o d u l e s ，ap o w e rs y s t e mp r o t o t y p ei sb u i l ta n das a r i s f y i n gr e s u l ti ss h o w e db y t h et e s to ft h es y s t e mp r o t o t y p e a tl a s t ，t h ew h o l ew o r ka n dp r o s p e c t so ft h el a t e rw o r ka r e s u m m a r i z e di nt h ep a d e l i n t h i sp a p e r , t h ep o w e rs o u r i n ge q u i p m e n to ft h ed e s i g n e ds y s t e mp r o t o t y p eh a sw e l lp e r f o r m e d t h ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nf u n c t i o n st ot h ep o w e r e dd e v i c e i ti sac r e a t i v ea t t e m p tb yu s i n ga s a f e t ym e c h a n i s mi nt h er e s e a r c ho f b u s - p o w e r e dt e c h n o l o g yo l li n d u s t r i a le t h e m e t ，a n di tr e s o l v e s t h ep r o b l e mo f t h ev a l i d a t i o nb e t w e e nt h ep o w e rs o u r i n ge q u i p m e n ta n dt h ep o w e r e dd e v i c eb e f o r e p o w e r i n go n w i mt h ed e v e l o p m e n t o ft h ei n t r i n s i cs a f e t yt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a le t h e r n e t t h e p r o b l e mo f b u s - p o w e r e dw i l lb er e s o l v e df i n a l l ya n dp a v et h ew a y f o re t h e m e tt e c h n o l o g yi n t ot h e i n d u s t r yf i e l de q u i p m e n tl e v e l 【k e y w o r d s 】i n d u s t r i a le t h e m e t ，e t h e r n e to fp l a n ta u t o m a t i o n ，b u s p o w e r e d ，i n t r i n s i cs a f e t y , p o w e rs o u r i n ge q u i p m e n t ，p o w e r e dd e v i c e i i 浙江人学硕士学位论文 工业以太网总线供电技术的研究与开发 第1 章绪论 在整个企业的信息集成以及综合自动化需求下，工业领域的控制系统正从传统而成熟的 d c s 集散控制走向全分散而智能的f c s 现场总线。近十年来，现场总线技术得到了很快的 发展，并逐步应用到各种工业控制领域，然而也由于利益的分歧，使得市场上出现了多种不 兼容的现场总线类型和标准。面对多种总线共存的局面，以太网技术异军突起，从网络监控 层深入到控制底层，成为现场总线领域实现标准统一的新的发展方向。同时采用以太网作为 现场总线，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线和计 算机网络技术的主流技术很好地融合起来【”。 1 1 研究背景 1 1 1 现场总线技术的发展状况 现场总线是生产现场应用的、在微机化车辆控制设备之间实现双向串行多接点数字通信 的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线系统的技术特点和 优势是具有系统的开放性、互操作性和互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构 的高度分散型和对现场环境的适应性。美国于1 9 8 4 年开始制定现场总线的国际标准， i e c t c 6 5 于1 9 8 8 年在下设的s c 6 5 c 成立了w g 6 专门负责现场总线技术标准化的具体工作。 然而，围绕着现场总线的国际标准，各公司为了各自的利益，展开了一场技术、经济与 政治上互不相让的激烈斗争。在这种情况下，i e c ( 国际电工委员会) 也不得不采用折衷的 办法，于2 0 0 0 年1 月4 日公布包含八种不同协议的i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准，历时1 4 年企 图规范和统一现场总线技术的梦想最终以破灭收场。这八种不同的协议是【3 】： 类型1 ：i e c 技术报告( 即f f h l ) ； 类型2 ：c o n t r o l n e t ( r o c k w e l l 公司支持) ； 类型3 ：p r o f i b u s ( 德国西门子公司支持) ： 类型4 ：p - n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) ； 类型5 ：f f h s e ( 即原来f f h 2 ，美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司支持) ： 类型6 ：s w i f t n e t ( 美国波音公司支持) ； 类型7 ：w o r l d f i p ( 法国a l s t o m 公司支持) ； 类型8 ：i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 。 浙江大学硕士学位论文工业以太网总线供电技术的研究与开发 1 1 2 工业以太网技术的发展与应用 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1 0 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。随着以太网交换技术和全双工通信技术的发展，以太网的不确定 性由于冲突避免而变得确定。基于以太网的现场总线技术呈现出强劲的生命力。现场总线基 金会推出了高速以太网( h s e ，h i g hs p e e d e t l l e m e t ) 作为其高速通信标准：p r o f i b u s 国际组 织也将p r o f i b u s 与以太网结合开发出了p r o f i n e t ：o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ) 、c i ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 推出了d e v i c e n e t c o n t r o l n e t - e t h e r n e t 系统结构 的e t h e r n e t i p ；法国施耐德公司将以太网应用于信息管理层、监控层、现场设备层，用商用 领域成熟的互联网技术，推出了基于嵌入式w e b 的“透明工厂”；德国h i r s c h m a n n 、j e t t e r a g 等公司已开发出基于以太网的控制系统产品和设备。国内如浙江大学、浙大中控联合推出的 基于e p a ( e t h e m e tf o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的分布式网络控制系统中，也将以太网直接应用于 变送器、执行机构、现场控制器等现场设备问的通信f 6 】。 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，与其他控制网络 结合的以太网。以太网正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，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。目前，除了上述提到的一些跨 国公司正在进行将以太网技术应用到工业控制底层的研究和开发外，国际上的一些组织也正 在研究以太网应用于工业控制现场的相关技术和标准，比较有名的工业以太网协会 ( i n d u s t r i a le t h e m e t a s s o c i a t i o n ) 、工业自动化开放网络联合会i a o n a ( i n d u s t r i a l a u t o m a t i o n o p e n n e t w o r k i n g a l l i a n c e ) 、i d a ( i n t e r f a c e f o r d i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ) 小组等。在2 0 0 2 年4 月在北京召开的i e c t c 6 5 全体会议上，i e cs c 6 5 c w g l 已将与工业以太网有关的标准明确 地列为其未来工作内容，在i e c 6 1 7 8 4p a r t 2 中加入基于工业以太网媒体的行规。同时对工 业以太网传输媒体、本质安全、总线供电、通信安全性等几方面进行研究，以适用工业控制 网络未来发展需要，工业以太网技术已成大势所趋 8 】【9 】【l a l 。 1 1 3e p a 分布式网络控制系统简介及其关键技术 1 1 3 1 什么是e p a e p a 是e m e m e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n 的缩写，即用于工厂自动化的工业以太网，它基于 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 ) 、z i g b e e ( i e e e 8 0 2 1 5 4 ) 等信息网络 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 ) 通信技术以及t c p ( u d p ) i p 协议，是一种适用于工业自动 化控制系统装置与仪器仪表间、以及工业自动化仪器仪表间数据通信的工业控制网络技术。 与传统的现场总线标准相比，e p a 充分利用了以太网技术成熟和低成本的优势，所研究的产 2 浙江大学硕士学位论文 = 业以太网总线供电技术的研究与开发 品是完全基于t c p i p 协议簇的，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，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领域的国际、国家标准接轨，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和用户自定义的功能块 组件构成开放的自控系统。 接口统一：e p a 采用公共的信息网络通信技术( 与t c p i p 协议完全兼容) 和开放的数 据接口，由于目前企业的信息管理层、监控层等普遍使用商用以太网技术，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，使之都具有明晰的开放接口。 易于集成：e p a 从系统集成的观点，采用模块化开发理念，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。由于采用模块化的开发手段，使 得各种功能模块和组件的可重用性大大提高，并使得用户可以根据具体情况，灵活各种组 件的组合和使用，同时也可提高系统应用质量和可靠性。生产厂提供组件化的应用开发工 具，以及经过封装的和已经测试的功能单元，控制工程师可根据工程应用需求，进行组态 和集成。 无线网络技术：e p a 主要通过有线连接方式，即采用一根专用电缆同时传输电源和信 号。然而它也支持z i g b e e 和8 0 2 1 1 无线网络，使现场设备还可以采用无线方式进行信号传 输，无需信号电缆即可将控制网络连接起来，使得在复杂恶劣的工业应用场合下，能进行 灵活、方便的组网。 互联网技术的普及与推广，及其随之而来的以太网( e t h e m e t ) 通信速率的提高、交换 技术的发展，使得以太网技网络技术受到了全球的拥护和软硬件支持。比如采用以太网交换 技术和全双工通信技术后，可以避免数据碰撞，冲突域也不复存在，使得以太网在一定的程 度上成为一个可控的“确定性”网络。有限信息的通信延迟，及其通信延迟可预测能力等问题 的解决，使得以太网有可能应用于对实时性要求较高的工业底层控制网络。其他如虚拟局域 网( v l a n ) 技术、优先权技术( 如i e e e 8 0 2 1p & q 标准) 、流量控制技术( 如i e e e 8 0 2 3 x 等) 等技术，均可以使以太网通信的实时性能得到根本性的提高，因此完全有能力直接应用 于实时性要求很高的工业现场设备层的通信领域”9 1 。 e p a 是将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间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( 如现场控制器、变送器、执行机构等) 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，同时，用以太网现场设备层到控制层、管理层等所有层次网络的“e 网到底”，实 现工业企业综合自动化系统各层次的信息无缝集成，推动工业企业的技术改造和提升、加快 信息化改造进程。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“”。 3 浙江大学硕士学位论文丁业以太网总线供电技术的研究与开发 用于工业测量与控制系统的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 ) 系统结构与通信规范 ( 以下简称e p a 标准) ，是在国家“8 6 3 ”计划c i m s 主题系列重点课题的支持下，由浙江 大学、浙江中控技术股份有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、清华大 学、大连理工大学、上海工业自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、 北京华控技术有限责任公司等单位联合制定的用于工厂自动化的实时以太网通信标准。e p a 标准在2 0 0 5 年2 月2 6 日经过国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的投票已作为公共可用规范 ( p u b l i c l ya v a i l a b l es p e c i f i c a t i o n ，p a s ) i e c p a s6 2 4 0 9 标准化文件正式发布，并作为公共 行规( c o m m o np r o f i l ef a m i l y1 4 ，c p f1 4 ) 列入正在制定的实时以太网应用行规国际标准 i e c 6 1 7 8 4 2 和正在修订的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ( 第四版) 。 为了推广工业以太网技术研究的成果及其e p a 标准，同时也为了满足国内企业和研究 单位开发符合e p a 标准产品的需要，e p a 标准推广应用小组开展了一系列技术交流和培训 工作。从2 0 0 5 年4 月开始，陆续有多家国内知名仪表厂商应邀参加了在杭州举行的e p a 协 议开发培训，并参与了基于e p a 协议的智能现场设备的合作开发及系统联调工作。通过技 术交流和培训，使广大控制系统、仪器仪表开发制造企业、研究院所共同分享了前沿的技术 和成果，并探讨e p a 技术及产品的开发和应用，不断完善、发展e p a 技术。 2 0 0 6 年1 月到8 月，e p a 项目组开发并完善了e p a 设备的在线标定、设备管理等功能， 同时对原有的e p a 设备进行了升级改造，完成了上位机软件的易用性和稳定性测试，并根 据用户对现场仪表抗腐蚀能力和口防护等级的特殊要求所有设备防护等级达到i p 6 5 ， 对各种设备进行了e m c 、信号的稳定性等测试，测试结果表明设备性能符合用户要求。 2 0 0 6 年9 月到1 1 月，项目组设计了设备的产品化流程构架，充分利用浙江中控技术有 限公司的现有资源，将工厂、工程、市场、研发连接成一个整体，将e p a 产品从研发逐步 推向市场，实现e p a 技术产品化，为随后的工程应用做好准备。 截止2 0 0 7 年4 月份，e p a 项目组已经相继与建德新化化工厂、杭州龙山化工厂、杭州 电化厂和杭州华东制药有限公司达成协议，实旌e p a 工程项目。 1 1 3 2 工业以太网总线供电系统的研究与开发 工业以太网总线供电系统的研究与开发工作是e p a 科研项目的子项目，其研究的环境 是e p a 系统应用的i o m i o o m 自适应以太网网络，而研究的重点放在研究以太网供电技术 的机理，设计一种带合法性检测、功率分级、断电保护等安全机制的工业以太网总线供电方 法，最后通过设计的电源管理模块和前端检测模块，组成一套实现此方法的总线供电系统样 机，验证其正确性及可行性。 工业以太网总线供电系统的开发工作首先源自目前工业以太网实施现场采用的缺乏安 全机制的直接供电方法的状况。虽然i e e e 标准委员会于2 0 0 3 年批准了项以太网供电标准 i e e e 8 0 2 3 a f , 但是此标准是根据办公环境制定，而且对低于3 0 v 的电压没有做出规定( 工 业供电电压一般为2 4 v ) 。针对这种情况，作者对以太网供电的机理和工业领域的特点进行 4 浙江大学硕士学位论文 二业以太网总线供电技术的研究与开发 了深入的研究和分析，从而设计出一种具有安全机制的适用于工业领域的以太网总线供电方 法。 在进行了大量的理论研究和实验后，作者首先将供电设备与现场受电设备之问的供电过 程分成合法性检测、功率分级、正常供电和断电保护四个阶段，运用状态机的方法设计四个 阶段的转化关系。同时采用模块化设计思想设计供电设备和受电设备。本论文主要对供电设 备端的电源管理模块、受电设备端的前端检测模块、供电过程中四个阶段的转化关系的设计 和实现进行详细的阐述和分析。 目前该总线供电方法已经通过设计的供电系统样机得到验证，该研究成果已经申请专 利，以期形成我国的自主的知识产权，并得到保护。 同时现在还有很多的科研工作需要完成：总线供电方法和电源管理模块还需要进一步的 改进和完善，供电对以太网本质安全方面的影响，以及如何对非总线供电设备进行升级等。 所有这些将是后期研究与开发的重点，同时也是面临的一个挑战和契机。 1 2 意义和研究目标 工业以太网总线供电系统的研究与开发工作是e p a 科研项目的子项目，其研究的环境 是e p a 系统应用的1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网网络，而研究的重点放在研究以太网供电技术 的机理，设计一种带合法性检测、功率分级、断电保护等安全机制的工业以太网总线供电方 法，最后通过设计的电源管理模块和自 端检测模块，构成一套实现此方法的总线供电系统样 机，验证了其正确性及可行性。 本课题研究的目标主要包括以下几点： ( 1 ) 深入研究工业控制领域的供电技术 总结了工业控制领域的几种供电技术，包括传统型供电、集中型供电和总线供电，并得 出现场总线对总线供电技术的需求，尤其是在涉及到现场总线的本质安全方面研究和应用 时，总线供电技术已经成为以太网技术深入到控制底层网络需要攻克的一项关键技术。 ( 2 ) 深入研究以太网供电的机理以及8 0 2 3 a f 标准 为了解决工业以太网的总线供电问题，深入研究了普通商用以太网的供电机理，并对其 两种不同的供电方式进行了分析和比较，得出两种供电方式的应用对原有通信网络的影响。 同时通过对i e e e 8 0 2 3 a f 的研究，了解了如何保证供电设备对受电设备的安全供电，得出一 种具有合法性检测、功率分级、断电保护等功能的工业以太网总线供电方法。 ( 3 ) 现场总线本质安全技术的研究 本论文着重是研究适用于工业以太网的总线供电方法，与此同时也对影响供电系统设计 的本质安全问题进行了研究，分析了仪表防爆原理、安全栅的基本限能原理和限能电路。争 取实现工业以太网的总线供电功能的同时，在系统设计方面也达到现场总线对本质安全的要 求。 5 浙江大学硕十学位论文t 业以太网总线供电技术的研究与开发 ( 4 ) 总线供电系统样机的开发 为了验证所设计的总线供电方法的可行性和正确性，利用单片机技术设计具有对受电设 备进行合法性检测等功能的电源管理模块。同时使用低功耗的比较器和独立器件设计根据供 电设备输出电压大小而变化阻抗的检测前端模块。最后以电源管理模块和检测前端模块为核 心搭建一套完整的e p a 总线供电系统样机。 1 3 论文的任务和结构 本论文所完成的工作是工业以太网总线供电技术的研究与开发，主要是讨论如何设计适 用于工业领域的以太网供电方法，并通过设计电源管理模块和前端检测模块两个核心模块搭 建一个总线供电系统样机来验证所提出的供电方法的正确性和可行性。文中也对影响以太网 总线供电系统设计的本质安全技术进行了探讨。论文最后根据目前的研究成果展望了今后的 研究方向。 本章主要在浅析了工业以太网技术与e p a 协议的基础上，引出了工业以太网总线供电 技术的概念，并明确地提出了本课题研究的目标和意义。 第2 章主要是关于在设计工业以太网总线供电系统之初，作者对于工业领域几种主要供 电技术的介绍，重点是放在对以太网供电技术的研究。作者通过对以太网供电标准 i e e e 8 0 2 3 a f 的研究，和对基于此标准的一款以太网供电控制芯片l m 5 0 7 0 工作机理的分析， 最后提出一种适用于工业以太网的总线供电方法。同时也介绍了现场总线的本质安全技术， 包括仪表的防爆原理、基于安全栅的本质安全防爆方法以及以太网本质安全的研究发展状 况。 第3 章是本论文的核心内容，阐述了工业以太网总线供电系统样机的设计思路，并详细 阐述了实现系统样机的两个核心的模块供电设备端的电源管理模块和受电设备端的前 端检测模块的设计和实现方案。对实现电路中应用到的p w m 和d c d c 等技术进行了详尽 的说明，并使用p s p i c e 电路仿真软件对所设计的电路进行了电路仿真，提高了硬件电路设 计效率，降低了设计成本。 第4 章则是利用前面设计的电源管理模块和前端检测模块两个核心模块，并结合工业级 交换机和部分e p a 现场设备，搭建工业以太网总线供电系统样机，对本论文提出的供电方 法进行验证；同时对系统样机进行的详细的测试，解决了测试中的出现的问题。 第5 章是对本课题进行了总结与展望。 6 浙江大学硕士学位论文 t 业以太网总线供电技术的研究与开发 第2 章工业以太网供电技术 2 1 工业控制领域的几种供电方法 现场总线( f i e l db u s ) 是目前工业控制领域广泛使用的一种工业数据总线，主 要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信 以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线设备的供 电可分传统型供电( 非总线型供电) 和总线型供电。非总线供电型是指用传统的 电源适配器供电，节点设备的电源则是由放置在其附近的各自独立的电源供电。 总线供电型节点设备的电源是通过电缆集中供给，其中又分电源独立供给型 集中式供电( 网络供电) ，电源和信号复合型总线供电【3 0 1 3 3 1 。 2 1 1 传统型供电 节点设备的电源一般分为工作电源与通讯传输电源，非总线供电型在实际使 用中采用将工作电源和通讯传输电源隔离供电的方法。节点设备的工作电源由放 置在其附近的各自独立的电源供电，通常是电源适配器供电。而通讯传输电源或 由本地电源隔离供给或由电缆集中供给。 传统型供电方法多应用在小规模的工业控制系统中。其中工作电源和通讯传 输电源之间的隔离通常采用由光耦器件组成的光电隔离电路，保证系统的本质安 全性能。一般情况下，节点设备的通讯电源的功率消耗比较小，总线上的电力负 载轻。因此在本质安全型防爆电源输出功率允许的条件下，总线上可以挂较多的 节点设备。 2 1 2 集中式供电 集中式供电，如图2 1 所示，控制网络同时供给节点设备的工作电流和传输 电源，即工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工 作电源。在控制系统中，整个网络采用的传输媒介是四芯电缆。其中两芯用于向 节点设备供电，另外两芯用于信号传输。如果将这个概念延伸到工业以太网控制 网络中，则相应的可以称为网络供电。由于1 0 m 1 0 0 m 的以太网都采用八芯的以 太网线缆，因此在工业以太网中网络供电的方式通常是指两对线路用于向节点设 备供电，另两对线路用于以太网信号传输。 7 浙江大学硕士学位论文_ i = 业以太网总线供电技术的研究与开发 节点设备节点设备 图2 - 1 集中式供电 传统型供电是在每个节点设备附近放置一个电源适配器，当系统规模扩大、 现场节点设备大量增加时，将大大增加成本。采用集中式供电的优点是可以节省 铺设线缆、方便维护和有利于集中监控。然而由于现场总线一般对本质安全功能 具有较为严格的要求，使得在集中式供电方式下，总线上所接节点数量小。同时， 本安防爆电源的输出功率和电路设计均受到本质安全要求的限制，特别是电缆的 分布参数和节点设备中的储能元件( 电感和电容) 将进一步制约本质安全型防爆 电源的输出功率。 2 1 3 总线供电及其优势 总线供电是指节点设备通过同一条线缆达到既传输通信信号又传输工作电 源的目的。通常有两种做法，一种是在传输通信信号的线缆上耦合一定电流的工 作电压，达到一线两用的目的( 如以太网供电，其中一种方式就是在传输以太网 信号的耦合工作电压) 。另一种是用电力线在完成基本的传输工作电压的同时， 实现传输数据的目的。这是一项较新的技术，主要应用于家庭网络，它最大的优 点在于，只要有电源插座的地方，电视机、计算机等终端设备之间即可实现数据 传输与共享，甚至可以接入互联网。在两种实现总线供电的方法中，前者技术成 熟、适用于工业领域，也是本文所讨论的总线供电技术。 现有符合本质安全要求的现场总线仪表几乎都采用了总线供电技术。这是因 为非总线供电的独立电源供电方式，在现场设备较多时将大大增加安装和维护的 费用，同时现场设备的安装也受到电源位置的限制，缺乏灵活性。集中式供电虽 然在一定程度上降低了布线成本，但基于本质安全的考虑时，总线上所接节点的 数量较少。 总线供电设备由于电源本身即取自信号线的特点使它具有了低成本，高灵活 度和高可靠性的优势。尤其在恶劣的工业环境下，总线供电技术的应用将大大提 高现场设备的环境适应能力1 9 】【2 2 1 。 8 浙江大学硕+ 学位论文 工业以太网总线供电技术的研究与开发 2 2 工业以太网总线供电方法 2 2 1 工业以太网总线供电技术概述 2 2 1 1 传统供电方式遇到的困难 由于目的以太网收发器本身的功耗都比较大，一般都在六、七十毫安( 5 伏工 作电源) ，所以以太网设备的功耗也比较大。目前商用的以太网网络中，常规的 供电方案是在每个需要供电的设备附近增加一个电源适配器，完成对以太网设备 的供电。将以太网应用到工业领域时，这种供电方案的缺点有： ( 1 ) 现场设备较多时，大大增加了安装和维护的费用。 ( 2 ) 现场设备的安装受到电源位置的限制，缺少灵活性。 ( 3 ) 可靠性低，当一个供电电源出故障时，现场设备即无法正常工作。 2 2 1 2 总线供电方式的优点 为了克服传统以太网网络供电方式带来的种种缺点，人们开始采用总线供电 技术。所谓的“总线供电”或“总线馈电”，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数 据信号，还能给现场设备提供工作电源。总线供电具有如下几点明显的优势【2 7 ) 3 0 1 3 3 ： ( 1 1 低成本：可以大大减少网络线缆，降低安装复杂性与费用，提高网络和 系统的易维护性。 ( 2 ) 灵活性：交流电源不再是必不可少的部分，无线接入点也不必位于交流 电源附近。 ( 3 ) 远程管理功能：现场设备可以实现远程供电或断电；远程主机可以决定 各终端设备需要多少电量，并确定应当启动哪些设备。 ( 4 ) 更高的可靠性：一个单一的u p s 就可以提供相关所有设备在断电时的供 电。 特别是在环境恶劣与危险的工业场合，总线供电具有十分重要的意义。 2 2 1 3 总线供电实现原理 商用以太网传输线缆使用的是五类双绞线，而在1 0 mb a s e t 和1 0 0 m b a s e t 中只用到其中的两对。因此在实现总线供电时，就有两种供电方式可以 选择，r j 4 5 的线对选择如图2 2 所示【2 ”。 9 浙江大学硕士学位论文工业以太网总线供电技术的研究与开发 p i n t f n 础 h m 1v d o r tn e a a 蛤v e 2v o c 雌n e a a j v e 3v 0 6 r 七p a 蚰惶 v b 口r tp o i d 性 5 v o o t tp o 螺j v e 5 v t o c cp o s i t i v e 7v r tn e a a t i v e 8v l ：m t tn e o a t h 总 图2 - 2 r j 4 5 p o e 线对选择 图2 - 3 利用信号线供电方式方案a 图2 - 4 利用空闲线供电方式方案b 如图2 3 所示，方案a 是在目前e t h e m e t 标准的基础上适当地修改物理层 的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现 场设备端再将这两路信号分离出来。采用这种方法时必须注意：修改协议后的以 太网应在物理层上与传统e t h e r n e t 兼容。 如图2 - 4 所示，方案b 在不改变目前e t h c m e t 的物理层结构，即应用于工 业现场的以太网仍然使用目i ；i f 的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现 场设备提供工作电源。 相比而言，第一种方法虽然实现了与传统d c s 以及f f 、p r o f i b u s 等现场总 线所采用的“总线供电法”相一致，做到了一线二用”，节省了现场布线。但由于这 种方法与传统以太网在物理介质上传输的信号在形式上已不一致，因此这种修改 后的以太网设备与传统以太网设备不再能够直接互连，而必须增加额外的转接设 备才能实现与传统以太网设备( 如计算机的以太网卡) 的连接 2 0 1 。 1 0 浙江大学硕士学位论文 工业以太网总线供电技术的研究与开发 2 2 2 以太网的供电系统 通常通信领域的供电系统由供电设备p s e ( p o w e rs o u r i n ge q u i p m e n t ) 、输电 线路p t l ( p o w e r t r a n s p o r t i n gl i n e ) 和用电设备p d ( p o w e r e dd e v i c e ) 及相关配套 部件等组成。p s e 设备是提供电源的设备，p t l 是输送( 馈送) 电能的线路，也 称为馈电线路，而p d 设备是接受电源的设备，也常被称为受电设备。对于通信 领域供电系统的要求通常是： ( 1 ) 应有足够高的可靠性，包括应具有监控和自我保护等功能； ( 2 ) 要求p t l 容量大、损耗小； ( 3 ) p s e 设备通过p t l 能向p d 设备提供可满足要求的不间断电功率； ( 4 ) 供电系统的各项性能参数应符合国际和行业的标准规范。 2 2 - 2 1 低压并行通信供电系统 随着以太网技术的迅猛发展和以太网应用的扩大，作为其系统的重要组成部 分，以太网供电系统技术的开发和其标准化工作同时也提上了日程。2 0 0 3 年国 际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 组织颁布了第一个 以太网供电标准，统一了以太网供电领域的技术规范，相关厂商也纷纷开发出符 合标准的以太网供电系统设备。标准化工作的进行为以太网建设的顺利进行提供 了配套供电工作技术。 以太网供电系统通常可分为高压串行和低压并行两类，前者通常用于通信系 统的远距离供电，而后者则多用于以太网的近距离供电。工业以太网领域，尤其 是现场控制领域，主要用到的是低压并行通信供电系统。 低压并行通信供电系统用于短距离供电，此类供电系统的主要特点是直流、 低压、并行和输电距离短。 直流低压：所称的“直流”是指从p s e 设备输送的出是直流电压较低，一般在 i o o v ( d c ) 以下。 并行：所称的“并行”是指各p d 设备在供电系统中是以并行负载形式工作的， 从p s e 设备输送到每个p d 设备有相同的电压。 输电距离短：由于通信系统通常是短距离供电，较大的电流在输电线路上的 损失是可以接受的有限能量，从而降低系统的供电效率并不太多，因此供电系统 可提供相对较大的供电电流。所称的“短距离”是指p d 设备和p s e 设备之间的距 离通常仅有几十为或几百米，最长也不能超过1 0 k m 。 在通信供电系统的设计中，首先明确用户的要求并进行现场勘测