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1、科技学院 课程设计课程设计(综合实验综合实验)报告报告（2012 - 2013 年度第 1 学期）名 称：分散控制系统与现场总线技术 题 目：工业以太网解决的关键问题（技术）分析院 系： 动力工程系 班 级： 自动化 09K1 学 号： 091912010120 学生姓名： 隋晓东 指导教师： 李大中 设计周数： 1 成 绩： 日期：2013 年 1 月 17 日 分散控制系统与现场总线技术分散控制系统与现场总线技术课程设计课程设计任任 务务 书书一、目的与要求一、目的与要求1通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素
2、材的能力；3培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二、主要内容二、主要内容1每个学生依据个人情况选择课程设计题目；2分散控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施综述；3分散控制系统工程应用方案设计分析；4现场总线技术发展应用综述；5基于现场总线技术的工程应用方案设计分析；6分散控制系统差错、容错控制技术设计分析；7工程师站、操作员站功能应用综述；8现场控制站工程应用控制方案设计分析；8SOE、事故追忆技术分析
3、综述；9分散控制系统接地系统设计与可靠性分析；10分散控制系统电源安全供电系统配置方案综述。三、三、进进度度计计划划序号序号设计内容设计内容完成时间完成时间备注备注1选择课程设计题目，查阅相关文献资料2013 年 1 月 14 日2文献资料的学习根据所选题目进行方案设计2013 年 1 月 15 日3与指导教师讨论设计内容、修改设计方案2013 年 1 月 16 日4撰写课程设计报告2013 年 1 月 17 日5课程设计答辩2013 年 1 月 18 日四、四、设计设计成果要求成果要求1针对所选题目的国内外应用发展概述；2课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；
4、3课程设计总结或结论以及参考文献；4要求设计报告规范完整按照华北电力大学课程设计标准格式撰写。五、考核方式五、考核方式分散控制系统与现场总线技术课程设计成绩评定依据如下：1课程设计报告；2独立工作能力及设计过程的表现；3答辩时回答问题情况。成绩综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。学生姓名：隋晓东指导教师：李大中2013 年 1 月 17 日一、引言一、引言 工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网(即 IEEE 802.3 标准)兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、 可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。
5、 Ethernet 过去被认为是一种“非确定性”的网络，作为信息技术的基础，是为 IT 领域 应用而开发的，在工业控制领域只能得到有限应用，这是由于： (1)Ethernet 的介质访问控制(MAC)层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD) 方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求; (2)Ethernet 所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工 业现场恶劣环境要求; (3)在工厂环境中，Ethernet 抗干扰(EMI)性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安 全性能; (4)Ether-net 不能通过信号线向现场设
6、备供电问题。 随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet 传输速率的提高和 Ethernet 交换技术的发 展，上述问题在工业以太网中正在迅速得到解决。 以太网技术由于具有成本低、通信速率和带宽高、兼容性好、软硬件资源丰富、广泛 的技术支持基础和强大的持续发展潜力等诸多优点，在过程控制领域的管理层已被广泛应 用。事实证明，通过一些实时通信增强措施及工业应用高可靠性网络的设计和实施，以太 网可以满足工业数据通信的实时性及工业现场环境要求，并可直接向下延伸应用于工业现 场设备间的通信。 二、工业以太网相关介绍二、工业以太网相关介绍 2.1 工业以太网简介 工业以太网一般是指在技术上与商业以太
7、网(即 IEEE802.3 标准)兼容，但在产品设计时， 材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能够满足工业现场的需要，也就是满 足环境性、可靠性、安全性以及安装方便等要求的以太网。以太网是按 IEEE802.3 标准的 规定，采用带冲突检测的载波侦听多路访问方法(CSMA/CD)对共享媒体进行访问的一种局域 网。其协议对应于 ISO/OSI 七层参考模型中的物理层和数据链路层，以太网的传输介质为 同轴电缆、双绞线、光纤等，采用总线型或星型拓扑结构，传输速率为 10Mbps, 100Mbps, 1000Mbps 或更高。在办公和商业领域，以太网是最常用的通信网络，近几年来，随着以太 网
8、技术的快速发展，以太网技术已开始广泛应用于工业控制领域，它是现代自动控制技术 和信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有 力工具，同时也是信息化带动工业化的重点方向。国内对工业以太网络技术的需求日益增 加，在石油、化工、冶金、电力、机械、交通、建材、楼宇管理、现代农业等领域和许多 新规划建设的项目中都需要工业以太网络技术的支持。 以太网是当今最流行、应用最广泛的通信技术，具有价格低、多种传输介质可选、高速 度、易于组网应用等诸多优点，而且其运行经验最为丰富，拥有大量安装维护人员，是一 种理想的工业通信网络。首先，基于 TCP/IP 的以太网是一种开放式通信网
9、络，不同厂商的 设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问 题;其次，低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服 务器等接口十分方便。以太网技术人员多，可以降低企业培训维护成本;第三，以太网具有 相当高的数据传输速率可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作 为现场的总线，很容易将 I/O 数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统 上的资源、应用软件和数据库共享;第四，以太网易与 Internet 连接。在任何城市、任何地方甚至都可以利用电话线通过 Internet 对企业生产进行监视控制;另外，以太网
10、作为目 前应用最广泛的计算机网络技术，受到了广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以 太网的应用开发，有多种开发工具可供选择。 2.2 工业以太网的构成 一个典型的工业以太网络环境，有以下三类网络器件： 网络部件 连接部件： FC 快速连接插座 ELS(工业以太网电气交换机) ESM(工业以太网电气交换机) SM(工业以太网光纤交换机) MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块) 通信介质：普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤，工业以太网使用的电缆有屏蔽双绞 线（STP） 、非屏蔽双绞线（UTP） 、多模或单模光缆。10Mbps 的速率对双绞线没有过高 的要求，而在 100Mbps 速率下，推
11、荐使用五类或超五类线。光纤链接时需要一对，常用 的多模光纤波长为 62.5/125m 或 50/125m。与多模光纤的内芯相比，单模光纤的内 芯很细，只有 10m 左右。通常，10Mbps 使用多模光纤，100Mbps 下，单模、多模光纤 都适用。 2.3 工业以太网协议 由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的以太 网要求，所以必须在以太网和 TCP/IP 协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定 有效的以太网服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成被广 泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议。目前已经制定的工业以太网协议有
12、 MODBUS/TCP、ProfiNet、Ethernet/IP、HSE 等。(1) 法国施奈德公司推出透明工厂的战略使其成为工业以太网应用的坚决倡导者，该公 司于 1999 年公布了 MODBUS/TCP 协议。MODBUS/TCP 协议以一种非常简单的方式将 MODBUS 帧嵌入 TCP 帧中。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种呼叫/应答 的机制与 MODBUS 的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。利用 TCP/IP 协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，并且利用网络浏览器就可以查看企业网 内部的设备运行情况。施奈德公司已经为 MODBUS 注册了
13、 502 端口，这样就可以将实时数据 嵌入到网页中，通过在设备中嵌入 Web 服务器，就可以将 Web 浏览器作为设备的操作终端。(2) 德国西门子公司于 2001 年发布其工业 Ethernet 的规范，称为 ProfiNet。该规范主 要包括三方面的内容:基于组件的对象模型(COM)的分布式自动化系统;规定了 ProfiNet 现场总线和标准以太网之间开放透明通信;提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的模型。ProfiNet 的基础是组件技 术，在 ProfiNet 中，每一个设备都被看成是一个具有 COM 接口的自动化设备，同类设备都 具有相同的 COM 接口。在系统中可以通过调用
14、 COM 接口来调用设备功能。组件对象模型使 不同制造商遵循同一个原则创建的组件之间可以混合使用，简化了编程。每一个智能设备 都有一个标准组件，智能设备的功能通过对组件进行特定的编程来实现。同类设备具有相 同的内置组件，对外提供相同的 COM 接口。为不同设备的厂家之间提供了良好的互换性和 互操作性。(3) 美国罗克韦尔公司于 2000 年分布工业 Ethernet 规范，称为Ethernet/IP。Ethernet/IP 是一种工业网络标准，它很好地采用了当前应用广泛的以太网 通信芯片以及物理媒体。IP 代表 Industrial Protocol, 以此来与普通的以太网进行区别。 它是将传
15、统的以太网应用于工业现场层的一种有效方法，允许工业现场设备交换实时性强 的数据。Ethernet/IP 模型由 IEEE802.3 标准的物理层和数据链路层、以太网 TCP/IP 协议 和控制与信息协议 CIP 三部分组成。CIP 是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高 级设备之间的连接的协议，CIP 有两个主要目的，一是传输同 I/O 设备相联系的面向控制 的数据，二是传输同其它被控系统相关的信息，如组态、参数设置和诊断等。CIP 协议规 范主要由对象模型、通用对象库、设备行规、电子数据表、信息管理等组成。 基金会现场总线 FF 于 2000 年分布工业 Ethernet 规范，称为 H
16、SE。HSE 是以太网协议 IEEE802.3、TCP/IP 协议族和 FF H1 的结合体。FF 现场总线基金会将 HSE 定位于实现控制 网络与 Ethernet 的集成。由 HSE 连接设备将 H1 网段信息传输到以太网的主干网上，这些 信息可以通过互连网送到主控室，并进一步送到企业的 ERP 和管理系统。操作员可以在主 控室直接使用网络浏览器查看现场运行情况，现场设备也可以通过网络获得控制信息。 2.4 工业以太网的特点 虽然脱胎于 Intranet、Internet 等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生产过程, 对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。既有与信息网络相同的特点，也 有自己不同于信息网络的显著特点： （1）工业以太网是一个网络
