在多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存、無(wú)法混用和統(tǒng)一的情況下,工業(yè)以太網(wǎng)成為世界工控界新的研究熱點(diǎn)。 在國(guó)家“863”課題的支持下,浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等多家單位,聯(lián)合攻關(guān),承擔(dān)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目,在解決多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,起草了“用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA （ ethernet for plant automation） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)”,開發(fā)了“基于EPA 的分布式控制系統(tǒng)”,并在某化工廠的純堿碳化生產(chǎn)裝置上進(jìn)行了試用,對(duì)《EPA 標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行驗(yàn)證。 1 工藝簡(jiǎn)介 碳化工序是純堿生產(chǎn)中的重要工序,反應(yīng)不穩(wěn)定,滯后大,關(guān)聯(lián)因素較多。其中,碳化塔的反應(yīng)過程如下: 由碳化塔底部進(jìn)來(lái)的CO2 氣體逐漸上升,與自塔頂流下的CA Ⅱ母液充分接觸,在塔的中部位置進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)下部通入的冷卻水冷卻到一定溫度后結(jié)晶,從塔的下部流出,送至過濾崗位。過程中要不斷地通入CO2 氣、CA Ⅱ液體、冷卻水,放出尾氣和堿液。碳化塔的工作狀態(tài)分為制堿和清洗,主裝置不變,只是改變了控制的閥門。 其中制堿的生產(chǎn)流程圖如圖1 所示。 [align=center] 圖1 　純堿碳化裝置示意圖[/align] 清洗的主要目的是為了沖掉附著在塔壁上的堿垢,使塔恢復(fù)到最佳的生產(chǎn)狀態(tài),此時(shí)通入碳化塔的主要物質(zhì)是下段氣和CA Ⅱ母液,經(jīng)過16h 后,再次開始制堿。 2 EPA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于EPA 的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2 、圖3 所示。從圖可以看出,EPA 網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)層次,即控制層網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò),其中EPA 控制層網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的主干網(wǎng),用于連接控制室的操作站、工程師站,與現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)控制區(qū)域,由通用以太網(wǎng)構(gòu)成,通?？尚纬桑ㄈ哂啵?環(huán)網(wǎng),以提高系統(tǒng)可靠性。 [align=center] 圖2 　EPA 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖[/align] [align=center] 圖3 　EPA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)則分置于控制現(xiàn)場(chǎng),將控制現(xiàn)場(chǎng)劃分為若干個(gè)控制區(qū)域,各個(gè)控制區(qū)域內(nèi)相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如完成一個(gè)獨(dú)立功能的變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)控制器等） 均通過適用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起,根據(jù)組態(tài),相互協(xié)調(diào)工作,從而完成一定的控制功能。EPA 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn): ① 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用10M以太網(wǎng)（共享式或交換式） ,所采用的介質(zhì)在一般情況下為屏蔽雙絞線（在設(shè)備相距較遠(yuǎn)的情況下可使用光纖） ; ② EPA 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)則采用由網(wǎng)絡(luò)供電的以太網(wǎng),EPA 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信模塊通過EPA 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)取電; ③ 每個(gè)控制區(qū)域由EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器、EPA - HUB、EPA 變送器、EPA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,可實(shí)現(xiàn)相互之間的通信,并可獨(dú)立完成控制系統(tǒng)中某一部分的測(cè)量與控制功能; ④ 各個(gè)控制區(qū)域通過EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器聯(lián)接到主干網(wǎng)上,與控制室內(nèi)的操作站、工程師站交換過程測(cè)量與控制信息、組態(tài)信息等; ⑤ 每個(gè)控制區(qū)域均可以看成是通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來(lái)而形成的一個(gè)個(gè)子控制系統(tǒng)。這些分布于不同控制區(qū)域的子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)與控制室設(shè)備之間的通信均通過控制區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā); ⑥ 現(xiàn)場(chǎng)控制器還具有網(wǎng)絡(luò)隔離的功能,它對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行過濾,一方面使本控制區(qū)域外部的通信流量不會(huì)進(jìn)入本控制區(qū)域; 另一方面本控制區(qū)域內(nèi)EPA 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信流量也不會(huì)溢出到其他網(wǎng)段,不會(huì)影響其他控制區(qū)域和主干網(wǎng)的通信流量,從而使各個(gè)網(wǎng)段的帶寬利用率達(dá)到最優(yōu)。 3 系統(tǒng)應(yīng)用方案 EPA 系統(tǒng)試用工程選取了3 套聯(lián)堿碳化裝置的中段氣和下段氣的壓力、流量及其調(diào)節(jié)閥;尾氣溫度與壓力;清洗A Ⅱ流量;清洗氣壓力、溫度、流量;制堿氣流量、壓力;CA Ⅱ流量等共30 多個(gè)I/ O 點(diǎn)等作為測(cè)量、控制對(duì)象。 根據(jù)3 套聯(lián)堿碳化裝置原有測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況,本系統(tǒng)將3 套聯(lián)堿碳化裝置的I/ O 點(diǎn)劃分為3 個(gè)控制區(qū)域,如圖4 所示（圖中信號(hào)組①, ②, ③, ④的信號(hào)連接情況列于表1） : a. 每個(gè)控制區(qū)域設(shè)置1 個(gè)EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器、1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)供電型EPA2HUB 以及若干個(gè)EPA 輸入/ 輸出通信模塊; [align=center] 圖4 　EPA 系統(tǒng)安裝應(yīng)用方案示意圖[/align] [align=center]表1 　EPA系統(tǒng)安裝應(yīng)用方案中各信號(hào)組連接的I/ O [/align] b. 每個(gè)控制區(qū)域通過EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器聯(lián)接到系統(tǒng)主干網(wǎng)上; c. 操作站、工程師站通過以太網(wǎng)交換機(jī)聯(lián)接到主干網(wǎng)上。 4 應(yīng)用系統(tǒng)特點(diǎn) 4. 1 確保EPA 通信的實(shí)時(shí)性 每個(gè)控制區(qū)域均通過EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器與主干網(wǎng)相連,并通過EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器與其他控制區(qū)域隔離,即每個(gè)控制區(qū)域內(nèi), EPA 變送器、EPA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器之間的通信流量（包括廣播信息） 不會(huì)占有其他區(qū)域和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源。 因此,每個(gè)控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷均可以控制在較小的范圍內(nèi)< 5 % ,測(cè)試表明,每個(gè)控制區(qū)域內(nèi),以太網(wǎng)報(bào)文之間發(fā)生的碰撞很少,從而大大提高了通信的實(shí)時(shí)性。 4. 2 增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性 每個(gè)控制區(qū)域中,具有網(wǎng)絡(luò)隔離功能的EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器除了執(zhí)行測(cè)量、控制運(yùn)算功能外,還可以通過報(bào)文過濾起到網(wǎng)絡(luò)隔離的安全功能:即只有EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器可與EPA 主干網(wǎng)上的其他設(shè)備（ 其他區(qū)域控制器、操作站、工程師站等） 直接通信,控制室的工程師站需要對(duì)EPA 變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備下載組態(tài)信息時(shí),必須通過EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行報(bào)文過濾;反之,EPA 變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等需要向EPA 主干網(wǎng)上傳報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)及其他信息時(shí),也需要通過EPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行報(bào)文過濾,以防止系統(tǒng)外部意外入侵。 4. 3 提高了系統(tǒng)可靠性 系統(tǒng)控制功能遵循“總體分散,局部集中”的原則。所謂“總體分散”,即系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)將不再象DCS 那樣由主控制站對(duì)系統(tǒng)中的所有回路進(jìn)行控制運(yùn)算,而是由分散在各區(qū)域的區(qū)域控制器完成,同時(shí)大大提高了系統(tǒng)可靠性,任何一部分的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行;“局部集中”則是指將控制現(xiàn)場(chǎng)分為若干個(gè)控制區(qū)域,每個(gè)控制區(qū)域由一個(gè)區(qū)域控制器負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)的控制和管理,可降低EPA 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的技術(shù)難度和成本。 5 結(jié)束語(yǔ) 該系統(tǒng)自2003 年4 月初在某化工廠的3 套純堿碳化裝置上投入運(yùn)行,至今一直運(yùn)行良好,穩(wěn)定。 隨著對(duì)以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的研究越來(lái)越深入,應(yīng)用也越來(lái)越廣,如美國(guó)ARC 公司最近的調(diào)查報(bào)告指出,今后5 年工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的市場(chǎng)將以平均84. 1 %的速度增長(zhǎng),從2002 年的28. 68 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)上升到2007 年600 多萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。 與此同時(shí),國(guó)際上也開始了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定,如最近IEC/ SC65C 剛成立兩個(gè)工作小組,即工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的安裝導(dǎo)則（“installation guidance for industrial cabling system”） 和基于ISO/ IEC8802 - 3 的通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的行規(guī)（“Profiles for ISO/ IEC 8802 - 3 based commu2 nication networks in real time applications”） 工作組。 因此,有理由相信,在不遠(yuǎn)的將來(lái),Ethernet 將可以直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中將起著非常重要的作用。