工业以太网集成现场总线的关键技术及应用研究

摘要

随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。工业控制网络直接面向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。 控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放透明的通讯协议。以太网正逐步向现场级深入发展，并尽可能和其他控制网络进行融合。但以太网和TCP/IP协议原本就不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据传输、应用软件、适用环境等诸多方面与成熟的自动化解决方案（如PLC、DCS、FCS等）相比有很大差异，要想做到完全意义上的融合是很困难的。因此，其他控制网络与以太网保留各自优点并互为补充，是目前以太网进入控制领域最常见的应用方案。 本课题研究的目的，是在对工业以太网的通信协议、网络模型、适用环境等方面的研究基础上，重点研究工业以太网集成现场总线时面临的通信实时性、设备互操作性等问题以及解决的关键技术。基于我国提出的EPA工业以太网标准，本文提出了一种新型工业以太网网络模型，从协议组成、控制运行和诊断运行等几方面进行了讨论。根据工业现场的实际需求，本文设计了工业以太网集成现场总线的系统架构方案，并对MODBUS/TCP工业以太网和EPA工业以太网集成现场总线用实例加以验证。同时根据电力设备故障诊断系统的需求，提出了一种基于工业以太网和现场总线的嵌入式数据采集与故障诊断系统的设计方案，并用相应的实例加以验证。最后，本文讨论了将工业以太网应用于重型矿山设备的嵌入式控制系统以及将PROFIBUS现场总线应用于DCS控制系统上的解决方案，并给出了相应的验证实例。本文的工作来源于实际的科研项目，对工业现场应用有较高的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1 工业控制网络发展概况

1.1.2 现场总线和工业以太网国际标准化进程

1.1.3 工业控制网络的发展趋势

1.2研究现状

1.2.1 现场总线研究现状

1.2.2 工业以太网研究现状

1.2.3 工业控制网络目前存在的问题

1.3工业以太网集成现场总线关键技术的研究意义

1.4论文主要内容及章节安排

第2章工业以太网与现场总线网络模型及特性研究

2.1现场总线网络模型及特性研究

2.1.1 网络模型研究

2.1.2 特性研究

2.1.3 小结

2.2工业以太网网络模型及特性研究

2.2.1 网络模型研究

2.2.2 特性研究

2.2.3 小结

2.3 一种新型工业以太网网络模型

2.3.1 工业以太网网络构成特点

2.3.2 新型工业以太网网络模型

2.3.3 控制运行过程

2.3.4 诊断运行过程

2.3.5 小结

2.4本章小结

第3章 工业以太网集成现场总线的系统架构设计

3.1系统架构

3.2 MODBUS/TCP工业以太网集成现场总线

3.2.1 系统架构设计

3.2.2 协议分析

3.3 EPA工业以太网集成现场总线

3.3.1 EPA系统概述

3.3.2 系统架构设计

3.4本章小结

第4章 工业以太网集成现场总线的应用方案及具体实现

4.1系统总体结构

4.2系统三层B/S结构

4.3状态监测与诊断系统功能模块

4.4系统网络结构

4.5系统网络结构的具体实现

4.5.1 MODBUS/TCP集成MODBUS的具体实现

4.5.2 MODBUS/TCP集成INTERBUS的具体实现

4.5.3 EPA集成MODBUS的具体实现

4.6本章小结

第5章工业以太网和现场总线的应用案例

5.1工业以太网应用于重型矿山设备的嵌入式控制系统

5.1.1 重型矿山设备控制系统的特点

5.1.2 基于工业以太网的嵌入式控制系统设计

5.1.3 系统实现

5.1.4 小结

5.2 PROFIBUS现场总线应用于DCS控制系统

5.2.1 现场总线技术应用于DCS控制系统的意义

5.2.2 系统总体设计

5.2.3 系统实现结果

5.2.4 小 结

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1全文总结

6.2论文的创新点

6.3进一步的研究方向

参考文献

致 谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果