基于以太网和现场总线的异构化网络集成的研究

摘要

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。由于各种现场总线技术的竞争与发展，形成了当今多种现场总线标准并存和共同发展的局面，因此现场总线互操作问题的研究已经迫在眉睫。随着TCP/IP和以太网技术在工业自动化领域应用的逐步深入，以太网和现场总线的结合是目前解决多种现场总线互联与控制系统集成问题的发展趋势。 本文对以太网和现场总线异构化网络集成的问题进行了理论分析与应用研究，针对异构化网络的互操作性、电子设备描述技术的应用、嵌入式网关的开发、现场总线本质安全栅的开发、异构化网络的工程应用等方面进行了深入的探讨，提出了“e网透明”的观点，解决了异构化网络集成的关键技术问题。 1．分析了以太网和现场总线各自的特点，总结出以太网与现场总线相结合才是网络控制的最佳选择手段；通过对几种基于以太网的现场总线的研究，发现OPC(OLEfor Process Control，用于过程控制的对象链接嵌入)技术与EDDL(ElectronicDevice Description Language，电子设备语言)结合，是当前实现数据集成和互操作的唯一合理方法，并以此提出了“e网透明”观点。 2．分析了功能块、设备分类、对象字典和设备描述等实现互操作的关键技术；研究了基于工业以太网的现场总线协议；提出了HSE(High Speed Ethemet，高速以太网)和H1之间的网桥的设计方案，给出了网桥的软、硬件体系结构，对主要的模块和功能做了说明，应用网桥技术实现了同族总线协议之间的互操作，达到了透明网络通信的目的。 3．研究了不同现场总线协议之间实现互操作的原理，为多总线的集成提供了理论指导。实现了针对于工业以太网的嵌入式网关的软、硬件设计和基于Modbus/TCP协议的OPC服务器的设计，并在实际项目中得到了应用，取得了良好的效果。 4．对EDDL的主要特性和原理进行了分析，并对改进的EDDL增强功能进行了设计，探讨了设备数据库技术(简称GSD)和FDT(Field Device Tool，现场设备工具)技术，研究了基于驱动器部件的解决方案，介绍了EDD(Electronic DeviceDescription，电子设备描述)的开发与生成过程。 5．以“攀钢1450mm热连轧自动化系统改造”项目作为异构化网络的应用背景，介绍了此项目庞大的自动化系统组成方案和应用技术的主要特点，按照该项目设计的基本原则和系统的控制功能，实现了多种控制器、多总线产品的集成，在过程级和控制级实现了基于以太网的数据交换，形成了一系列具有自主知识产权的成套软件和技术，应用EDDL实现了复杂设备互操作及参数整定，在实践中验证了基于“e网透明”观点的核心技术的可行性。 6．根据现场总线FISCO(Fieldbus Intrinsically Safe Concept，现场总线本质安全概念)的原理，分析了它和传统“整体”本质安全的区别，进行了参数对比和在防爆场合的应用。开发出基于FISCO原理的、具有自主知识产权的安全栅产品，并在攀钢1450热连轧工程中进行了应用，填补了我国在本安防爆领域里的一项空白，缩小了我国仪表自动化和国际先进水平的差距。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.1.1现场总线的国际标准

1.1.2几种典型现场总线的现状和发展动态

1.1.3工业以太网的发展趋势与前景

1.1.4现场总线和工业以太网由争论走向应用

1.2工业以太网和现场总线的异构化网络集成

1.2.1异构化网络控制系统的概念

1.2.2以太网和现场总线相互补充的关键性问题

1.2.3工业以太网和现场总线的可互操作性

1.2.4基于工业以太网的现场总线

1.3“e网透明”观点的提出

1.3.1“e网透明”的概念

1.3.2“e网透明”概念的技术背景

1.3.3完全集成的透明网络体系结构

1.4本文的主要工作

1.5本文的结构框架

第二章基于工业以太网的同族总线协议下网络集成的研究

2.1现场总线互操作关键技术的研究

2.1.1功能块技术

2.1.2设备分类技术

2.1.3对象字典技术

2.1.4设备描述技术

2.2基于工业以太网的现场总线协议的研究

2.2.1 CF1协议族-基金会现场总线HSE协议分析

2.2.2 CF3协议族-PROFINet的以太网通信方式简介

2.3 基于工业以太网的同族总线协议网桥的设计

2.3.1网桥的硬件结构

2.3.2网桥的软件设计

2.4本章小结

第三章不同现场总线协议下异构化网络集成的研究

3.1 常规的总线之间集成方案的研究

3.1.1采用网关技术的集成方案

3.1.2采用中间件技术实现总线的集成

3.2基于以太网和OPC技术的集成方案研究

3.2.1采用OPC DA技术的集成方案介绍

3.2.2基于以太网和OPC DX技术的集成方案

3.2.3基于工业以太网的控制系统框架结构

3.3基于以太网的嵌入式模块的设计

3.3.1以太网控制模块-嵌入式智能芯片Rabbit介绍

3.3.2以太网控制模块与现场总线的通信

3.3.3以太网控制模块与I/O设备的通信

3.3.4以太网控制模块的软件设计

3.4基于Modbus/TCP的OPC软件设计

3.4.1组件划分及系统构架

3.4.2 OPC对象管理组件

3.4.3 Modbus/TCP组件

3.4.4 Device组件

3.4.5 Finder组件

3.4.6界面及测试

3.5本章小结

第四章应用EDDL解决互操作性和数据集成方法的研究

4.1 EDDL的主要特性介绍

4.1.1 EDDL的概念

4.1.2 EDDL产生的背景和发展历程

4.1.3 EDDL的主要特性

4.2 EDD技术的原理

4.2.1设备属性描述

4.2.2设备描述技术的逻辑结构

4.2.3 EDDL主要元素介绍

4.3改进的EDDL功能的实现

4.3.1图形增强功能详细信息

4.3.2改进的实例数据处理

4.4关于配置设备信息的应用技术分析

4.4.1 FF总线使用的设备描述(DD)技术

4.4.2 FF总线使用的设备配置文件技术

4.4.3 PROFIBUS总线使用的设备数据库(GSD)技术

4.4.4基于驱动器部件的解决方案

4.5 EDD的生成过程

4.6本章小结

第五章异构化网络应用EDDL配置复杂设备参数的实现

5.1攀钢1450mm热连轧自动化系统改造总体设计

5.1.1系统设计的基本原则和主要内容

5.1.2系统总体框图和加热炉区分系统控制说明

5.2应用技术的主要特点

5.2.1多种控制器的集成应用

5.2.2过程级和控制级实现基于以太网的数据交换

5.2.3实现多总线产品的集成

5.2.4形成了具有自主知识产权的成套技术

5.3应用EDDL实现复杂设备互操作及参数的整定

5.3.1设定参数以及参数的从属关系

5.3.2设备检测信息的描述

5.3.3应用EDDL的优势

5.4本章小结

第六章现场总线本质安全栅的开发与应用

6.1 引言

6.2应用于现场总线的本质安全原理-FISCO模型

6.2.1危险场所和可燃性环境的分类

6.2.2 FISCO模型的点燃曲线

6.2.3总线供电设备的设计要求

6.2.4输出电压与输出电流之间的相互关系

6.2.5 FISCO系统电缆的设计要求

6.3 FISCO隔离安全栅的设计

6.3.1 FISCO隔离安全栅需要满足的必要条件

6.3.2 FISCO安全栅的对外参数和输出能力的确定

6.3.3 FISCO安全栅设计开发要点

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文工作总结

7.2工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表(录用)的论著情况

致谢

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