本科生讲座——现场总线及其控制系统

1、现场总线、现场总线、现场总线、现场总线、现场总线、现场总线、工业以太网与工业以太网与工业以太网与工业以太网与工业以太网与工业以太网与EPAEPAEPA浙江大学教授、浙大中控总工程师浙江大学教授、浙大中控总工程师报告提纲报告提纲一、什么是现场总线一、什么是现场总线二、现场总线的技术特点与优点二、现场总线的技术特点与优点三、现场总线的产生与发展趋势三、现场总线的产生与发展趋势四、以太网与工业控制网络四、以太网与工业控制网络五、工业以太网与五、工业以太网与EPA六、结束语六、结束语一、什么是现场总线一、什么是现场总线一、什么是现场总线一、什么是现场总线一、什么是现场总线一、什么是现场总线什么是现场总

2、线什么是现场总线v 现场总线是应用在生产现场、现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测连接智能现场设备和自动化测量控制系统的量控制系统的数字式、双向传数字式、双向传输、多分支结构输、多分支结构的通信网络的通信网络现场总线是通信网络现场总线是通信网络v 位于生产控制现场和网络结构的底层位于生产控制现场和网络结构的底层v 现场总线是低带宽的控制网络现场总线是低带宽的控制网络v 它与上层的它与上层的Internet、企业内部网、企业内部网Intranet相连相连v 构成企业综合自动化的通信网络平台构成企业综合自动化的通信网络平台FCS是新一代控制系统是新一代控制系统v 基地式仪表控制系统

3、基地式仪表控制系统v 单元组合式模拟仪表控制系统单元组合式模拟仪表控制系统v 集中式数字控制系统集中式数字控制系统v 集散控制系统集散控制系统DCS、PLCv 现场总线系统现场总线系统各阶段测控仪表能力指数各阶段测控仪表能力指数现场总线开放标准数字DCS电动单元气动、模拟模拟按回路运行 按过程运行过程优化管控一体化五十年代 1960 1980 1998数字/模拟混合测控能力指数与一般通信技术的区别与一般通信技术的区别v 一般通信技术只是能实现信息的传输一般通信技术只是能实现信息的传输v 现场总线是一种控制系统框架现场总线是一种控制系统框架 一种全新的控制系统结构，即：一种全新的控制系统结构，即

4、：现场总线控制系统现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System)代替代替传统控制系统传统控制系统DCS 现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换与互换 总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成现场总线控制系统现场总线控制系统FCSv 采用开放式数字通信网络采用开放式数字通信网络 突破突破DCS中的专用通信网络结构中的专用通信网络结构v 网络集成的测量控制系统网络集成的测量控制系统 单个分散的测量控制设备变成网络节点单个分散的测量控制设备变成网络节点 现场总线为纽带现场总线

5、为纽带 构成共同完成任务的网络系统与控制系统构成共同完成任务的网络系统与控制系统 实现现场测量控制设备之间的信息共享实现现场测量控制设备之间的信息共享二、现场总线的技术特点与优点二、现场总线的技术特点与优点二、现场总线的技术特点与优点二、现场总线的技术特点与优点二、现场总线的技术特点与优点二、现场总线的技术特点与优点2.1 FCS的结构特点的结构特点Multi-ControllersAOPIDAIPIDAOAI2.2 现场总线系统的技术特点现场总线系统的技术特点v全数字通信全数字通信v多分支结构多分支结构v系统的开放性系统的开放性v互可操作性和互用性互可操作性和互用性v现场设备的智能化与功能自

6、治性现场设备的智能化与功能自治性v系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性v对现场环境的高度适应性对现场环境的高度适应性全数字通信全数字通信v抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高显著提高信号的检错、纠错机制得以实现信号的检错、纠错机制得以实现v可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网

7、络上的任何智能可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。设备，如中央控制器等。 设备状态可控设备状态可控v操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况工作状况v可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、组态信息调整等组态信息调整等v通过对现场设备状态趋势分析预测故障通过对现场设备状态趋势分析预测故障v发生故障时能及时找到故障点，及时替换新的设发生故障时能及时找到故障点，及时替换新的设备，即：现场设备始终处于操作员的远程监视与备，即：现场设备始终处于操作员的远程监视与可控状态，

8、提高了系统的可靠性和可维护性。可控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。 一对多的总线型结构一对多的总线型结构v现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。星型、树形等多种形式，以总线型为主。传统控制系统中设备的连接都是一对一的传统控制系统中设备的连接都是一对一的v布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便v很强的系统扩展性很强的系统扩展性主机能自动识别设备的增加或删减主机能自动识别设备的增加或删减无需架设新的线缆无需架设新的线缆无需系统停机无需系统停机 互换与互可操作互换与互可

9、操作v不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作信息的含义，并能根据信息要求进行操作v不同厂家的相同类型的设备可以互相替换不同厂家的相同类型的设备可以互相替换v可统一组态，无需专用的驱动程序可统一组态，无需专用的驱动程序v解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性v为系统集成的自主性提供了产品保障为系统集成的自主性提供了产品保障用户可选择性价比高的产品用户可选择性价比高的产品现场设备的智能化和综合功能现场设备的智能化和综合功能v测量，包括多变量测量与处理测量，包括多变量测量与处理

10、v多参数补偿多参数补偿v工程量处理工程量处理v设备自诊断设备自诊断v设备状态的控制设备状态的控制v控制算法可在现场设备中实现控制算法可在现场设备中实现v根据远程命令进行仪表调校根据远程命令进行仪表调校集多种功能于一身，一表多用集多种功能于一身，一表多用分散控制分散控制LAN操 作 站服 务 器现 场 总 线AI 110PID 110 AO 110模 拟 量 输 出 功 能 块PID 控 制 功 能 块FC 调 节 阀FT差 压 变 送 器 模 拟 量 输 入 功 能 块 由网络构成控制系统 信号的测量、控制算法、控制信号的输出等全部在现场实现，无需主机参与 实现了完全分散开放式系统开放式系统v

11、通信协议完全公开，任何人、任何单位均可采用通信协议完全公开，任何人、任何单位均可采用v不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备遵守相同的技术规范v不同厂家的设备可实现信息互访（即互操作）不同厂家的设备可实现信息互访（即互操作）v用户可按需要，选用不同厂家的现场总线设备用户可按需要，选用不同厂家的现场总线设备v不同设备之间可实现资源共享不同设备之间可实现资源共享v与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共享据库共享对环境的高度适应对环境的高度适应v专为现场环境设计专为现场环境设计v可支持多种传输介质可支持多种传输介质双绞线、同轴电缆、光缆、射

12、频、红外线、电力线等双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等v可两线制供电可两线制供电v支持本质安全与防爆支持本质安全与防爆2.3 现场总线带来的益处现场总线带来的益处v节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资v节省安装费用节省安装费用v节省维护开销节省维护开销v用户具有系统集成自主权用户具有系统集成自主权v提高了系统的准确性和可靠性提高了系统的准确性和可靠性用户具有系统集成的主动权用户具有系统集成的主动权v无需专用的驱动程序无需专用的驱动程序v不必为传输协议的不兼容而一筹莫展不必为传输协议的不兼容而一筹莫展v不必为接口的不公开而担心系统的扩展和集成不必为接口的不公开而担心系统的扩展和集成v

13、不必被某一品牌的产品所不必被某一品牌的产品所“框死框死”v可以选择性价比高、服务质量好的产品可以选择性价比高、服务质量好的产品v用户是真正的用户是真正的“上帝上帝”，拥有真正的选择主动权，拥有真正的选择主动权三、现场总线的产生与发展趋势三、现场总线的产生与发展趋势三、现场总线的产生与发展趋势三、现场总线的产生与发展趋势三、现场总线的产生与发展趋势三、现场总线的产生与发展趋势现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景v现场总线技术产生于二十世纪八十年代现场总线技术产生于二十世纪八十年代v是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性开放性通用性通用性可靠性可

14、靠性v智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能仪表为现场总线的出现奠定了基础现场总线的产生现场总线的产生420mAV/ID/AA/D放大放大调理调理微处微处理器理器传感传感信号信号结构简单；结构简单；信号传输标准统一。信号传输标准统一。420mAV/I放大放大调理调理传感传感信号信号性能提高，成本增加；性能提高，成本增加；单向模拟传输方式未变。单向模拟传输方式未变。现场总线的产生现场总线的产生通信通信信号信号具有双向通信功能的智能仪表具有双向通信功能的智能仪表A/D放大放大调理调理微处微处理器理器传感传感信号信号通信通信接口接口双向数字传输方式：双向数字传输方式： 传输精度高；传输精度高； 功能

15、强，成本低；功能强，成本低； 协议不统一，无法互换。协议不统一，无法互换。成为控制领域的研究方向成为控制领域的研究方向v现场总线研究开发之热始于现场总线研究开发之热始于20世纪世纪90年代中期年代中期v信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求计算机技术计算机技术网络与通信技术网络与通信技术自动控制技术自动控制技术v网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇v各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准了企业、国家、国际标准欧洲、北美、亚洲、中国欧洲、北美、

16、亚洲、中国现场总线标准各种各样现场总线标准各种各样v现场总线百花齐放现场总线百花齐放由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种多种号称为开放标准的也有二、三十种号称为开放标准的也有二、三十种 v现场总线国际标准现场总线国际标准IEC61158包含了包含了10种类型种类型IEC1158原技术规范、原技术规范、FF、HSE、P-NET、PROFIBUS、ProfiN

17、et、ControlNet、Swiftbus、Interbus、WorldFIP主要的现场总线比较主要的现场总线比较多总线并存的发展现状多总线并存的发展现状v 现场总线多种多样现场总线多种多样v 现场总线近期内难以统一现场总线近期内难以统一 IEC61158包含了包含了10种类型种类型 其他总线：其他总线：HART、ASI、CAN、Lonworks、v 形成了多种现场总线并存的局面形成了多种现场总线并存的局面v 由市场决定哪种总线领导市场由市场决定哪种总线领导市场 如以如以FF（包括（包括H1、HSE）和）和PROFIBUS（包括（包括Profibus-DP、ProfiNet等）在过程控制领域

18、的市场越来越大等）在过程控制领域的市场越来越大v 工业以太网成为新一轮研究热点工业以太网成为新一轮研究热点四、以太网与工业控制网络四、以太网与工业控制网络四、以太网与工业控制网络四、以太网与工业控制网络四、以太网与工业控制网络四、以太网与工业控制网络Ethernet的回顾的回顾vEthernet产生于产生于20世纪七十年代世纪七十年代v为微型计算机网络终端通信而设计为微型计算机网络终端通信而设计v采用星型或总线型结构采用星型或总线型结构v传输速率当时仅为几传输速率当时仅为几M（目前已达（目前已达1000M甚甚至更高）至更高）v传输介质传输介质屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆（粗缆、屏蔽（非

19、屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆（粗缆、细缆）细缆）v只规定了物理层和数据链路层协议只规定了物理层和数据链路层协议如介质访问控制机制采用如介质访问控制机制采用CSMA/CD通信的通信的“不确定性不确定性”v在一般商业环境下，以太网有以下特点：在一般商业环境下，以太网有以下特点：总线访问存在随机性：总线访问存在随机性：CSMA/CD，负荷大时，网，负荷大时，网络会因碰撞增加而瘫痪络会因碰撞增加而瘫痪响应时间无法预知，实时性得不到保证响应时间无法预知，实时性得不到保证因此以太网通信存在不确定性因此以太网通信存在不确定性v在在90年代中期之前，几乎所有的控制系统均不年代中期之前，几乎所有的控制系统均不选

20、用以太网，而选用令牌总线或令牌环选用以太网，而选用令牌总线或令牌环 微处理器功能简单微处理器功能简单v微处理器（单片机）作为工业现场智能仪表的微处理器（单片机）作为工业现场智能仪表的核心部件，在核心部件，在20世纪世纪80年代初时还处于初期年代初时还处于初期发展阶段发展阶段功能简单功能简单数字处理能力有限数字处理能力有限TCP（UDP）/IP协议比较复杂，早期的单片机处协议比较复杂，早期的单片机处理有困难，理有困难，这是以太网不用于控制网络的原因之一这是以太网不用于控制网络的原因之一其它原因其它原因 v应用不广，软硬件技术资源不足应用不广，软硬件技术资源不足v以太网刚产生时，成本很高以太网刚产

21、生时，成本很高v功耗大、环境适应性差功耗大、环境适应性差 因此，与令牌网及其他专用网络比，因此，与令牌网及其他专用网络比，以太网当时优势不明显，自然不会选择以太以太网当时优势不明显，自然不会选择以太网用于现场总线网用于现场总线以太网通信特性以太网通信特性v 以太网通信特性以太网通信特性 负荷越小，碰撞越少负荷越小，碰撞越少 负荷在负荷在10%左右时，左右时， 基本无碰撞基本无碰撞v 负荷在负荷在25%以下时，以下时， 以太网的通信响应时以太网的通信响应时间明显短于令牌网间明显短于令牌网 （如（如 ARCnet）一般商用环境下的以太网负荷一般商用环境下的以太网负荷v 瞬时流量变化大，无法瞬时流量

22、变化大，无法预测预测v 网络负荷波动大网络负荷波动大v 网络节点越多，碰撞越网络节点越多，碰撞越频繁频繁 因此在商用环境下，无通信因此在商用环境下，无通信响应实时性可言响应实时性可言工业控制网络通信特点工业控制网络通信特点v传输的信息量少，信息长度都比较小传输的信息量少，信息长度都比较小周期性信息较多周期性信息较多测量、控制信息测量、控制信息非周期性信息较少非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息报警等突发性事件信息需要传输的信息少需要传输的信息少网络负荷较为平稳网络负荷较为平稳信息流向具有明显的方向性信息流向具有明显的方向性

23、节点数少节点数少工控网络负荷实测例子工控网络负荷实测例子v 应用实例：应用实例：6000多个多个I/O，10M以太网以太网 正常情况下，最大负荷为正常情况下，最大负荷为6.4% 组态信息传输时，最大为组态信息传输时，最大为7.2% 摘自浙大中控摘自浙大中控WebFieldWebField ECS-100 ECS-100测试测试报告报告今天的以太网优势今天的以太网优势昨天的以太网昨天的以太网今天的以太网今天的以太网网络拓扑网络拓扑总线型总线型星型、总线型星型、总线型集线器集线器共享式共享式交换式交换式通信速率通信速率几几MM10、100、1000M、传输介质传输介质粗同轴电缆粗同轴电缆光纤、粗缆

24、、细缆、双绞线光纤、粗缆、细缆、双绞线通信方式通信方式半双工半双工半双工、全双工半双工、全双工芯片成本芯片成本高于高于$1000$1000十几人民币十几人民币芯片应用环境芯片应用环境商业级商业级工业级芯片已有问世工业级芯片已有问世应用应用商业终端商业终端几乎所有领域几乎所有领域软硬件资源软硬件资源有限有限丰富丰富被认知程度被认知程度不熟悉不熟悉非常熟悉、几乎无需培训非常熟悉、几乎无需培训v以太网完全能满足工业控制网络通信实时性以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求要求v以太网具有以太网具有ARCnet等专用网络所无法比拟等专用网络所无法比拟的优势：的优势：技术通用，与信息网络技术通用，与信

25、息网络IT技术兼容技术兼容价格低廉价格低廉供应方便供应方便培训、维护简单培训、维护简单与令牌网相比，以太网的优势与令牌网相比，以太网的优势已成为控制系统监控网络首选已成为控制系统监控网络首选v国内外自上世纪九十代中后期开始已将以太国内外自上世纪九十代中后期开始已将以太网应用于工业自动化网应用于工业自动化基于以太网的基于以太网的DCSFUJI的的OPEN AX、浙大中控的、浙大中控的JX-300X、Fisher-Rosemount的的Delta-V等等基于以太网的基于以太网的PLC与远程与远程I/OMODICON、A-B、GE Fanuc 等等基于以太网的现场仪表和仪器基于以太网的现场仪表和仪器

26、HP、浙大中控、浙大中控、NI等等中高层网络广泛采用以太网中高层网络广泛采用以太网Foundation Fieldbus HSEEthernet/IPPROFINetMODBUS TCPP-NET on EthernetInterbus on Ethernet五、工业以太网与五、工业以太网与五、工业以太网与五、工业以太网与五、工业以太网与五、工业以太网与EPAEPAEPA什么是工业以太网什么是工业以太网v工业以太网工业以太网技术上，工业以太网与商用以太网（即技术上，工业以太网与商用以太网（即ISO/IEC 8802; IEC 61784-1; IEEE Std 1588:2002; IEEE

27、802.1D&Q标准）标准兼容标准）标准兼容应用在工业自动化环境（主要指生产现场环境）应用在工业自动化环境（主要指生产现场环境）必须满足工业控制网络通信的需求必须满足工业控制网络通信的需求v将以太网技术应用于控制器间、甚至是现场设备间的工业将以太网技术应用于控制器间、甚至是现场设备间的工业通信通信v支持现场区域的支持现场区域的Internet能力，但必须满足现场区域的能力，但必须满足现场区域的工业通信自动化网络的以下特征工业通信自动化网络的以下特征实时性，即时间确定性通信；实时性，即时间确定性通信；现场设备（如驱动器）时间同步的行为现场设备（如驱动器）时间同步的行为充分而频繁的交换非常小的数据

28、记录充分而频繁的交换非常小的数据记录工业以太网的技术要求工业以太网的技术要求v （1）具有较好的响应实时性）具有较好的响应实时性 工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为为毫秒中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为为毫秒0.1秒秒级级v （2）容错性要求）容错性要求 在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路建立新的网络链路v （3）力求简洁）力求简洁 以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系以减小软

29、硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性统的健壮性v （4）开放性要好）开放性要好 工业控制网络尽量不要采用专用网络工业控制网络尽量不要采用专用网络需要解决的关键技术需要解决的关键技术v通信实时性技术通信实时性技术v总线供电技术总线供电技术v互可操作技术互可操作技术v远距离传输技术远距离传输技术v网络安全技术网络安全技术v可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术v本质安全本质安全v国家国家“863”计划组织攻关情况计划组织攻关情况v 一个重点课题一个重点课题 “基于高速以太网技术的现场总线控制设备基于高速以太网技术的现场总线控制设备”（编号：（编号：2001AA413010） 承担单

30、位：浙江大学承担单位：浙江大学 参加单位：浙大中控、中科院沈阳自动化所、大连理工大学、参加单位：浙大中控、中科院沈阳自动化所、大连理工大学、清华大学清华大学v 二个面上课题二个面上课题 “现场级无线以太网协议研究及设备开发现场级无线以太网协议研究及设备开发”（编号：（编号：2001AA413610） 承担单位：中科院沈阳自动化所承担单位：中科院沈阳自动化所 “基于基于蓝牙蓝牙技术的工业现场设备、监控网络其及关键技技术的工业现场设备、监控网络其及关键技术研究术研究” 承担单位：重庆邮电学院承担单位：重庆邮电学院已取得的成果已取得的成果v 工业以太网关键技术攻关工业以太网关键技术攻关 解决了：以太

31、网实时通信、总线供电、可靠性与解决了：以太网实时通信、总线供电、可靠性与抗干扰、远距离传输、网络安全以及基于以太网抗干扰、远距离传输、网络安全以及基于以太网控制系统的体系结构等难题控制系统的体系结构等难题v 起草了起草了EPA国家标准，参与国际标准化工作国家标准，参与国际标准化工作 历时历时15个月，先后个月，先后8次召开标准起草工作会议，次召开标准起草工作会议，起草了起草了用于测量与控制系统的用于测量与控制系统的EPA系统结构和系统结构和通信标准通信标准v 开发了基于开发了基于EPA的分布式网络控制系统，并的分布式网络控制系统，并在生产现场成功应用在生产现场成功应用1、提高通信响应实时性的方

32、法、提高通信响应实时性的方法 v交换式以太网技术交换式以太网技术 消除交换机端口对端口之间的碰撞消除交换机端口对端口之间的碰撞v全双工通信技术全双工通信技术消除交换机端口与设备端口之间的碰撞消除交换机端口与设备端口之间的碰撞v降低网络负荷、提高网络传输速率降低网络负荷、提高网络传输速率减少冲突减少冲突v优先级技术优先级技术时间紧急事件先处理时间紧急事件先处理基于以太网的确定性通信基于以太网的确定性通信v技术特点技术特点实时信息和非实时信息，采用不同的通信调度方式实时信息和非实时信息，采用不同的通信调度方式周期信息：采用一种时隙访问的控制方式，以固定周期信息：采用一种时隙访问的控制方式，以固定的

33、时隙进行周期性的数据交换的时隙进行周期性的数据交换 非周期信息：采用集中调度方式，在周期信息通信非周期信息：采用集中调度方式，在周期信息通信的间隙进行的间隙进行 三个优先级：三个优先级：0、1、2级级传输周期传输周期时间确定性通信确定性通信设备发送周期信息的时间设备发送周期信息的时间设备发送声明报文的时间设备发送声明报文的时间传输周期传输周期周期通信周期通信非周期通信非周期通信D1D2D3D4D5D6D 表示设备表示设备通信实时性效果通信实时性效果v 提高通信实时性方法提高通信实时性方法 现场设备网分区域微网化，控制每个网段节点数现场设备网分区域微网化，控制每个网段节点数 系统主干网、各控制区

34、域网络之间相互隔离，减少系统主干网、各控制区域网络之间相互隔离，减少负荷负荷 采用确定性通信方法采用确定性通信方法 减少通信处理量减少通信处理量v 效果效果 经测试，通信响应时间小于经测试，通信响应时间小于2ms，甚至可小于，甚至可小于1ms2、基于以太网的总线供电技术、基于以太网的总线供电技术v总线供电是工业现场设备的特殊要求总线供电是工业现场设备的特殊要求工业现场环境复杂，供电、布线不方便、维护不方便工业现场环境复杂，供电、布线不方便、维护不方便为减少安装复杂性，提高安全性、经济性，要求现场为减少安装复杂性，提高安全性、经济性，要求现场设备由总线供电设备由总线供电连接到现场设备的线缆不仅能

35、够传送数据信号，还要连接到现场设备的线缆不仅能够传送数据信号，还要能够为现场设备提供电源能够为现场设备提供电源v两种供电方式两种供电方式总线供电法总线供电法 网络供电法网络供电法 基于以太网的总线供电基于以太网的总线供电v 优势：优势： 保留了原有两对预留线保留了原有两对预留线 省去了对省去了对4、5、7、8改动改动 绝缘方面也能满足要求绝缘方面也能满足要求 经经EMI测试满足标准测试满足标准v 弊端：弊端： 一定程度上改变了网络一定程度上改变了网络变压器的电磁特性变压器的电磁特性 一定程度上改变了以太一定程度上改变了以太网传输逻辑网传输逻辑RXRXTX1236457812364578供电设备

36、调制取电设备解调TX基于以太网的基于以太网的“网络供电网络供电”v优势：优势： 可以不通过网络变可以不通过网络变压器压器 对网络通讯的电磁对网络通讯的电磁特性没有任何影响特性没有任何影响1236457812364578+24V取电设备TXGND网络供电方式RX总线供电效果总线供电效果测试项目测试项目总线不供电方式总线不供电方式总线供电方式总线供电方式差模信号峰峰值差模信号峰峰值934mV934mV振幅对称振幅对称1%1%信号上升信号上升/下降时间下降时间 4.984.684.984.68差模输入损耗差模输入损耗TX 2, 30, 60, 80 Mhz-27 , -24, -30, -27 dB

37、-27, -24, -30, -27 dB差模输入损耗差模输入损耗RX 2, 30, 60, 80 Mhz -29, -29, -25, -22 dB-29, -29, -25, -22 dB测试结论测试结论总线供电方式对于通讯的影响几乎测不总线供电方式对于通讯的影响几乎测不出来，可以忽略不计出来，可以忽略不计3、工业以太网安全技术、工业以太网安全技术v必要性必要性 工业控制系统中任一个测量信息、控制信工业控制系统中任一个测量信息、控制信号受到攻击，后果不斟设想号受到攻击，后果不斟设想v一般网络安全性技术不适用于工业自动化仪一般网络安全性技术不适用于工业自动化仪器仪表器仪表 MD5鉴别技术、鉴

38、别技术、RSA公开密钥加密和数字公开密钥加密和数字签名技术、隧道模式的签名技术、隧道模式的ESP技术技术 CPU占用时间大，对通信实时响应影响大占用时间大，对通信实时响应影响大4、网络隔离与防火墙、网络隔离与防火墙v 报文过滤与网络隔离技术报文过滤与网络隔离技术 用于系统主干网与各控制区域之间的跨网段通信和隔用于系统主干网与各控制区域之间的跨网段通信和隔离离两层过滤：两层过滤： IP地址、以太网端口过滤地址、以太网端口过滤 应用层数据有效性和合法性过滤应用层数据有效性和合法性过滤v 防火墙与代理服务器防火墙与代理服务器 用于控制系统与外部环境间的信息交换用于控制系统与外部环境间的信息交换包括信

39、息的监视与过滤包括信息的监视与过滤v 控制系统与外部环境的物理隔离控制系统与外部环境的物理隔离5、EPA远距离传输技术远距离传输技术v必要性必要性以太网单端传输距离较短，如双绞线为以太网单端传输距离较短，如双绞线为100米，细米，细同轴电缆为同轴电缆为185米，组缆为米，组缆为500米米工业现场设备分布较广工业现场设备分布较广v解决方案解决方案采用光纤环网连接控制室与各现场控制区域采用光纤环网连接控制室与各现场控制区域现场控制区域内采用总线供电式工业以太网中继器现场控制区域内采用总线供电式工业以太网中继器 控制区域的划分，除了按系统内各设备间的通信耦合程度控制区域的划分，除了按系统内各设备间的

40、通信耦合程度 现场设备（现场控制器、变送器、执行机构等）间现场设备（现场控制器、变送器、执行机构等）间 的距离尽可的距离尽可能短能短6、EPA可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术 v可靠性设计技术可靠性设计技术 冗余与容错技术冗余与容错技术故障探测与自恢复故障探测与自恢复工业级通信线缆、联接器件工业级通信线缆、联接器件看门狗技术看门狗技术v抗干扰技术抗干扰技术硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术屏蔽干扰源、接地抗干扰屏蔽干扰源、接地抗干扰 、控制回路的抗干扰、控制回路的抗干扰 软件抗干扰技术软件抗干扰技术数值滤波算数值滤波算 v实现效果实现效果串串/共模、浪涌、群脉冲等共模、浪涌、群脉冲等EMC测试全

41、部符合工业应用要求测试全部符合工业应用要求7、互可操作性、互可操作性v一般设备只能进行互联，不能互相通信一般设备只能进行互联，不能互相通信 IEEE802.3只规定了物理层、数据链路层只规定了物理层、数据链路层 TCP/IP映射为网络层、传输层映射为网络层、传输层 缺少基于以太网、适用于工业现场控制要求的应用层协议（及用缺少基于以太网、适用于工业现场控制要求的应用层协议（及用户层协议）户层协议）v现有基于以太网的协议不适用现有基于以太网的协议不适用 只适用于通信实时性相对不强的过程监控层网络只适用于通信实时性相对不强的过程监控层网络 面向通信工程师或计算机工程师面向通信工程师或计算机工程师v解

42、决方案解决方案 开放统一、面向控制工程师的通信协议开放统一、面向控制工程师的通信协议成立成立EPA标准起草工作组标准起草工作组v两个标准化项目联合两个标准化项目联合 起草起草用于工业测量与控制系统的用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准系统结构与通信标准v成立成立EPA标准标准起草工作组起草工作组 组长：组长： 金建祥（浙大中控）金建祥（浙大中控） 副组长：王宏（中科院沈阳自动化所）副组长：王宏（中科院沈阳自动化所） 冯冬芹（浙江大学）冯冬芹（浙江大学） 秘书长：冯冬芹（浙江大学）秘书长：冯冬芹（浙江大学） 主要成员：仲崇权主要成员：仲崇权 （大连理工大学）（大连理工大学） 杨佃福（

43、清华大学）杨佃福（清华大学） 王平（重庆邮电学院）王平（重庆邮电学院） 欧阳劲松（机械工业仪综所）欧阳劲松（机械工业仪综所） 顾问：顾问： 缪学勤（上海仪表所）缪学勤（上海仪表所）EPA标准标准vEPA=以太网（物理层链路层）以太网（物理层链路层）TCP/IP(网络层网络层传输层）应用层用户层传输层）应用层用户层v目标：目标：降低现场总线产品的开发和应用难度，促进先进技降低现场总线产品的开发和应用难度，促进先进技术的推广应用术的推广应用降低现场总线产品的成本，实现工业企业的管理控降低现场总线产品的成本，实现工业企业的管理控制一体化制一体化基于以太网的工业控制设备互连与互可操作实现基于以太网的工

44、业控制设备互连与互可操作实现EPA控制系统模型控制系统模型分布式控制系统基于XML的设备描述功能模块EPA通信实体EPA设备1基于XML的设备描述功能模块EPA通信实体EPA设备2基于XML的设备描述功能模块EPA通信实体EPA设备nEPA通信媒体EPA通信模型通信模型EPA管理功能块应用进程管理功能块应用进程功能块功能块应用进程应用进程非实时应用程序非实时应用程序SNMP简单简单网络网络管理管理协议协议SNTP简单简单网络网络时间时间协议协议DHCP动态动态主机主机配置配置协议协议EPA管理管理服务服务EPA实时应用层实时应用层服务服务EPA套接字映射接口套接字映射接口HTTP协议协议FTP协议协议其他其他标准标准协议协议UDPTCPIPIEEE802.3/IEEE802.11/IEEE802.15EPA管理管理信息信息库库六、应用六、应用六、应用六、应用六、应用六、应用EPAEPAEPA的好处的好处的好处的好处的好处的好处“e网到底网到底”？ 控制层网络控制层网络管理层网络管理层网络远程节点远程节点Web服务器服务器 操作站操作站