新型準(zhǔn)則在即時(shí)分析儀器研討里的運(yùn)用
隨著自動(dòng)化、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的現(xiàn)場儀表已經(jīng)向智能化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展�，F(xiàn)場儀表的主要發(fā)展趨勢包括：現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，更小的外形尺寸，多參數(shù)變送器技術(shù)的發(fā)展，以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用等。
EPA標(biāo)準(zhǔn)是我國完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合傳統(tǒng)變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，開發(fā)符合EPA標(biāo)準(zhǔn)的溫度、壓力、物位變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其具有現(xiàn)場總線通訊功能，同時(shí)利用EPA標(biāo)準(zhǔn)的多信息傳輸能力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程標(biāo)定和遠(yuǎn)程故障診斷等功能，達(dá)到現(xiàn)場儀表智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的目的。
當(dāng)前主流的現(xiàn)場儀表產(chǎn)品，雖然已經(jīng)普遍采用了單片機(jī)技術(shù)，部分實(shí)現(xiàn)了智能化的目的，基本替代了傳統(tǒng)的模擬儀表，但仍然以“老式而可靠的”420mA的模擬通訊技術(shù)為主。隨著多參數(shù)變送器技術(shù)的出現(xiàn)并逐漸成為變送器的主要發(fā)展趨勢，原有的420mA模擬通訊技術(shù)已經(jīng)無法滿足變送器的通訊需求，同時(shí)，越來越多的控制系統(tǒng)趨向于采用基于現(xiàn)場總線的體系框架，因此在現(xiàn)場儀表中采用數(shù)字化協(xié)議的現(xiàn)場總線技術(shù)勢在必行。
本文主要闡述基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線通信技術(shù)在現(xiàn)場儀表中的實(shí)現(xiàn)，所涉及的現(xiàn)場儀表包括5大類：壓力、溫度及物位變送器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣閥門定位器。由于本文的重點(diǎn)是基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線技術(shù)在現(xiàn)場儀表中的實(shí)現(xiàn)，限于篇幅，僅給出了變送器的總體電路結(jié)構(gòu)。
變送器的總體電路結(jié)構(gòu)包括微處理器單元、傳感器模塊、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、故障檢測單元、顯示與鍵盤操作、電源電路、EPA通信卡等，如1所示。
EPA通信卡主要構(gòu)成包括處理器單元、RAM、程序存儲器、看門狗電路、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口電路、以太網(wǎng)供電電路以及與儀表卡的接口電路，如2所示。
處理器單元采用了ATMEL公司低功耗高性能的32位RISC ARM處理器，具有體積小和能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。以太網(wǎng)控制器采用Asix公司NE2000兼容快速以太網(wǎng)控制器AX88796，執(zhí)行基于IEEE802.3局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能。
在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，為了減少現(xiàn)場安裝的復(fù)雜性，提高安全性以及經(jīng)濟(jì)性，通常希望連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅能夠傳送數(shù)據(jù)信號，還要能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備提供電源，即所謂的總線供電。
總線供電技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中具有重要的地位。
對基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場設(shè)備供電可采用兩種方法：一種是總線供電方式，該方式采用調(diào)制解調(diào)法，將2448V直流電源信號與以太網(wǎng)通信信號調(diào)制在一起；另一種是網(wǎng)絡(luò)供電方式，利用以太網(wǎng)傳輸電纜4對雙絞線中的2對空余雙絞線，對現(xiàn)場設(shè)備直接提供2448V直流電源。無論哪種方式，均保證以太網(wǎng)通信信號和電源信號之間不會(huì)相互影響，以保證現(xiàn)場設(shè)備的以太網(wǎng)通信和測量、控制工作的可靠性。另外，在基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)供電解決方案中，還著重考慮了總線供電的安全性、可靠性設(shè)計(jì)。
基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場儀表的軟件采用基于模塊化的設(shè)計(jì)方法。軟件開發(fā)可以分成3個(gè)部分：EPA用戶應(yīng)用程序、EPA通信棧軟件包、硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊。
EPA通信棧軟件包又包括以下模塊：EPA確定性調(diào)度與精確時(shí)間同步算法、TCP/UDP/IP協(xié)議軟件、EPA應(yīng)用層服務(wù)、EPA應(yīng)用層服務(wù)接口和EPA管理服務(wù)等。
軟件的層次結(jié)構(gòu)如所示。
硬件驅(qū)動(dòng)程序硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊包含了處理器的初始化（包括啟動(dòng)代碼、外圍設(shè)備配置、中斷向量設(shè)置、堆棧設(shè)置等），以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)程序（網(wǎng)絡(luò)接口初始化及接收、發(fā)送數(shù)據(jù)）、FLASH驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。
EPA通信棧軟件實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面的任務(wù)：即數(shù)據(jù)（包括實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）傳輸服務(wù)的實(shí)現(xiàn)及其為用戶層提供的服務(wù)接口，以及EPA管理服務(wù)（包括設(shè)備自動(dòng)識別、系統(tǒng)時(shí)鐘同步、系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、設(shè)備位號及其他信息的管理等）。
EPA通信協(xié)議基于TCP/UDP/IP協(xié)議，為用戶層的應(yīng)用程序間提供實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。EPA通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了客戶/服務(wù)器、發(fā)布者/預(yù)訂者、報(bào)告分發(fā)等3種通信機(jī)制。其中客戶/服務(wù)器是一對一、需確認(rèn)的通信，主要用于組態(tài)信息的上傳/下載，設(shè)備信息（如位號、IP地址等）的查詢，以及用戶自定義程序的下載等；而發(fā)布者/預(yù)訂者通信則是用于生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)信息（如測量、控制數(shù)據(jù)）的周期性傳輸?shù)�，通常采用廣播、多播、單播的傳輸方式；報(bào)告分發(fā)則是用于控制過程報(bào)警信息的傳輸?shù)龋ǔ２捎枚嗖?廣播發(fā)布的通信。
EPA應(yīng)用層服務(wù)接口主要根據(jù)過程控制信息傳輸?shù)囊�，為用戶層開發(fā)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)通信，并實(shí)現(xiàn)以下服務(wù)：域管理服務(wù)、域上載服務(wù)、域下載服務(wù)、事件管理服務(wù)、事件報(bào)告服務(wù)、確認(rèn)事件報(bào)告服務(wù)、改變事件監(jiān)視條件服務(wù)、變量訪問服務(wù)、變量讀服務(wù)、變量寫服務(wù)和信息分發(fā)服務(wù)等。
EPA管理服務(wù)是EPA通信協(xié)議中的重要組成部分。EPA系統(tǒng)管理主要完成以下幾個(gè)系統(tǒng)管理功能：設(shè)備識別、對象定位、地址分配、時(shí)鐘同步和功能塊調(diào)度。
精確時(shí)間同步算法實(shí)現(xiàn)了完整的IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議，保證EPA網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備的時(shí)鐘都是同步的。EPA確定性調(diào)度引擎實(shí)現(xiàn)了EPA確定性調(diào)度的機(jī)制，確保同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上只有一個(gè)設(shè)備在發(fā)送報(bào)文，從根本上避免了以太網(wǎng)報(bào)文的碰撞問題。
EPA用戶應(yīng)用程序EPA用戶應(yīng)用程序主要包括：EPA功能塊殼與功能塊、EPA技術(shù)塊、EPA通信卡與儀表卡的接口模塊。
EPA功能塊是基于IEC61499定義的，功能塊將控制過程中的某個(gè)特定功能封裝在一個(gè)功能塊中，并提供給用戶接口，用戶不必關(guān)心功能如何完成的具體細(xì)節(jié)，而只需根據(jù)功能塊的接口，來配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)即可。功能塊的接口定義中分為數(shù)據(jù)輸入輸出接口、事件輸入輸出接口。事件的輸入接口用于觸發(fā)功能塊中某個(gè)功能算法的執(zhí)行，而事件輸出接口用于本功能塊的運(yùn)算完成后通知其他功能塊，數(shù)據(jù)的輸入輸出用于傳遞功能運(yùn)算的數(shù)據(jù)。
在各類型的變送器中，都包含了一個(gè)或多個(gè)符合EPA功能塊標(biāo)準(zhǔn)的AI功能塊。AI功能塊通過物理通道從技術(shù)塊獲取輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)AI功能塊內(nèi)嵌的算法輸出給其他功能塊。由于AI功能塊被設(shè)計(jì)成與硬件無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，因此需要在物理傳感器和AI功能塊之間有一個(gè)映射關(guān)系，技術(shù)塊就是將硬件通道數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)功能塊相隔離。另外，技術(shù)塊還提供對傳感器的校準(zhǔn)和診斷功能。EPA功能塊標(biāo)準(zhǔn)分別為溫度、壓力、物位和流量規(guī)定了相應(yīng)的技術(shù)塊規(guī)范。
在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，都包含了一個(gè)符合EPA功能塊標(biāo)準(zhǔn)的AO功能塊。AO功能塊將輸入數(shù)據(jù)（一般為控制器給出的閥位控制值）轉(zhuǎn)換成硬件通道所需要的值。
由于AO功能塊被設(shè)計(jì)成與硬件無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，因此需要在硬件物理通道和AO功能塊之間有一個(gè)映射關(guān)系。技術(shù)塊就是將硬件通道數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)功能塊相隔離，AO功能塊通過通道參數(shù)給出硬件數(shù)據(jù)信息。另外，技術(shù)塊還提供對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)和診斷功能。EPA功能塊標(biāo)準(zhǔn)分別為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)定了相應(yīng)的技術(shù)塊規(guī)范。
EPA通信卡與儀表卡的接口模塊，主要完成兩者之間的數(shù)據(jù)交換。接口模塊的具體實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于單CPU的方案而言，該接口就是一個(gè)程序模塊，完成不同程序模塊之間的數(shù)據(jù)交換；對于雙CPU的解決方案而言，該接口就是一個(gè)通訊接口，可以是串行通訊，也可以是并行通訊，完成兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)交換。
EPA遠(yuǎn)程組態(tài)、標(biāo)定及故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對EPA現(xiàn)場儀表進(jìn)行組態(tài)、標(biāo)定和故障診斷。這些功能的實(shí)現(xiàn)除了EPA功能塊和技術(shù)塊標(biāo)準(zhǔn)，還依賴于基于XDDL的EPA設(shè)備描述技術(shù)，EPA設(shè)備描述文件描述了EPA現(xiàn)場儀表中的所有資源，包括功能塊、技術(shù)塊、物理塊等資源信息。EPA設(shè)備管理軟件根據(jù)設(shè)備描述文件，提供在線的EPA設(shè)備管理功能。主要功能包括：在線EPA監(jiān)視、EPA設(shè)備的遠(yuǎn)程組態(tài)、標(biāo)定和故障診斷等功能。
EPA標(biāo)準(zhǔn)是我國完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)的符合EPA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場儀表，具有工業(yè)以太網(wǎng)通訊功能，并通過EPA一致性和EPA可互操作性等測試平臺的測試，同時(shí)利用EPA標(biāo)準(zhǔn)的多信息傳輸能力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程標(biāo)定和遠(yuǎn)程故障診斷等功能，達(dá)到現(xiàn)場儀表智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的目的。
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