《实时工业以太网技术：EPA及其应用解决方案》以太网以其价格低廉、应用广泛、传输速率高、可靠性高、易于组网等诸多优点，成为现今工业自动化领域应用最为广泛的数据通信技术。《实时工业以太网技术：EPA及其应用解决方案》分析了以太网应用于工业自动化控制系统必须解决的重要关键技术问题，并针对这些问题，重点介绍我国第一个拥有自主知识产权的新一代工业以太网国际标准——EPA在确定性与实时性通信机制、多网段系统设计、线缆与安装技术、网络可用性、功能安全、网络安全等方面的解决思路，并对EPA应用组态进行了介绍，期望使读者对EPA实时以太网应用方案以及技术特点有一个全面的认识和掌握。
　　《实时工业以太网技术：EPA及其应用解决方案》可供自动化、仪器仪表等专业的研究生参考，还可作为现场总线通信技术相关的工程技术人员、科研工作者和学生参考书。

　　第1章 绪论
　　1.1 控制系统发展回顾
　　信息技术的飞速发展，引起了工业自动化系统结构的深刻变革。信息交换的范围正迅速覆盖从工厂的管理、控制到现场设备的各个层次，并逐步形成了全分布式网络集成自动化系统和以此为基础的企业信息系统。现场总线系统就是顺应信息技术的发展趋势和适应工业控制系统的分散化、网络化、智能化发展方向而发展起来的新技术，它的出现和发展已成为全球工业自动化技术的热点之一，受到全世界工业界的普遍重视［1～5］。
　　自动控制系统的发展，经历了直接控制、集中控制、集散控制系统的过程。计算机、通信、网络等技术的发展使自动控制技术的发展有了更加广阔的空间。电力系统自动控制水平也对信息交换的速度和质量提出了更高要求。纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。自动控制系统发展经历了以下几个过程［1～7］：
　　1）模拟仪表控制系统
　　模拟仪表控制系统于20世纪六七十年代占主导地位。早期仪表与调节装置是机械式的，如膨胀式温度计、弹簧管式压力计和用于蒸汽机的飞球式调节器，其显著缺点是模拟信号精度低、易受干扰。
　　2）集中式数字控制系统
　　集中式数字控制系统于20世纪七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；其缺点是对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
　　进入20世纪后，工业生产的规模开始扩大，需要将分散在现场的机械式仪表集中起来，于是就出现了有作为辅助能源的液动调节器，当时是采用油压的方式进行工作的，但由于油容易渗漏和发生火灾，再加上不能远距离调节，所以不久又出现了用压缩空气作为辅助能源的气动仪表与调节器，这样就出现了将检测、显示和调节集中在一起的气动基地式仪表，后来为了便于集中在仪表室进行监控而又生产出气动单元组合仪表。集中式数字控制系统图例如图1.1所示。
　　3）集散控制系统
　　集散控制系统于20世纪八九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在DCS中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此DCS从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统，并且DCS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。DCS的信息采用一条信息线路进行传输。如果该条线路瘫痪，那么所有监控的数据将全部丢失。DCS采用了多级分层网络结构、点对点的接线方式。它集多种功能于一台计算机上，无论是软件系统还是硬件系统都显得十分庞大。多种功能往往需要多实时任务去完成，因而效率不高。DCS大多为模拟数字混合系统，尚未形成从测控设备到操作控制计算机的完整网络。DCS的层次结构如图1.2所示，DCS的体系结构如图1.3所示。
　　4）现场总线控制系统
　　现场总线控制系统是利用现场总线这一开放的、具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连来构成的，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，已经成为21世纪控制系统的主流产品。FCS控制系统如图1.4所示。
　　“现场总线技术”实际上是将安装在工业过程现场的智能自动化仪表和装置与设置在控制室内的仪表和控制设备连接起来的一种数字化、串行、双向、多站的通信网络技术。基于这种总线的新一代控制系统被誉为第四代控制系统，即FCS一方面突破了DCS专用通信网络的局限，采用基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面FCS将集中与分散相结合的集散系统变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通信是FCS最显著的特征。
　　现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。正如众多分散的计算机被网络连接在一起，它给自动化领域带来的变化使计算机的功能、作用发生了变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。传统的DCS系统结构和FCS体系结构如图1.5所示。
　　1.2 工业控制网络
　　工业控制网络是指应用于工业控制系统的网络通信技术，它是随着工业控制系统的发展而产生与发展起来的，是计算机网络技术、通信技术与控制技术相结合的产物。
　　控制室和现场仪表之间的信号传输经历了以4～20mA为代表的模拟信号，以内部数字信号和RS232、RS485为代表的数字通信，以控制网络（包括现场总线、工业以太网、工业无线）为代表的网络传输三个阶段，每个阶段都伴随着控制系统的一次变革。特别是20世纪80年代产生的现场总线和互联网技术对自动化控制系统带来深刻的影响，使控制系统的信息交换除了传统的测量、控制数据外，更是扩展到了设备管理、档案管理、故障诊断、生产管理等管理数据领域，覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场，逐步形成了以工业控制网络为基础的企业综合自动化系统。
　　以现场总线和工业以太网为代表的工业控制网络已构成了企业综合自动化体系的核心技术和核心部件，并贯穿了整个企业综合自动化系统［8～15］（见图1.6）。
　　从企业综合自动化控制系统的角度看，工业控制网络从底向上依次为现场设备网、过程控制网、管理信息网等几个层次：
　　1）现场设备网
　　对于DCS、PLC（可编程逻辑控制器）等传统控制设备而言，现场设备网就是系统控制器与现场输入输出设备或者卡件之间信息交换的通道，因此现场设备网又叫现场总线。现场设备是以网络节点的形式挂接在网络上，以实现控制器与现场设备、现场设备之间的数据传输。因此，要求现场设备网必须具有可靠性高、时延确定性好、容错性好、安全性高等特点。
　　为满足这些特性，现场总线对ISO/OSI模型进行了简化，只采用其中的物理层、数据链路层和应用层，有的现场总线在应用层之上还增加第8层（用户层），以实现特定用户信息的交换和传递。
　　2）过程控制（监控）网
　　过程控制网又叫过程监控网，是用于连接控制室设备（如控制器、监视计算机、记录仪表等）的网络，连接在过程控制网上的设备从现场设备中获取数据，完成各种运算（特别是复杂控制运算）、运行参数的监测、报警和趋势分析、历史纪录、过程报表等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。
　　过程控制网对数据传输的实时性要求不高，但对于网络带宽、可靠性、网络可用性有比较高的要求。20世纪80年代，过程控制网一般采用IEEE802.4的令牌网，而到了90年代末期，主流的控制系统（包括DCS、PLC等）一般都采用工业以太网。
　　3）管理信息网
　　管理信息网的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的网络系统。首先要将来自于过程控制网的信息转入管理层的关系数据库中，既可供企业管理层进行计划、排产、在线贸易等管理功能，又可供远程用户通过互联网了解控制系统的运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。
　　因此，管理信息网包括企业内部的局域网（Intranet）和互联网（Internet），由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。在这方面，工业以太网具有较大优势，兼容TCP/IP，可以无缝连接Internet，同时又不影响实时数据的传送，因此，整个控制网络可以采用统一的协议标准。
　　……

前言
第1章 绪论
1.1 控制系统发展回顾
1.2 工业控制网络
1.3 工业以太网与实时以太网
1.4 EPA技术与标准
参考文献

第2章 EPA确定性与实时性通信技术
2.1 以太网的通信“不确定性”
2.2 EPA确定性通信机制
2.2.1 EPA确定性通信链路层模型
2.2.2 EPA确定性通信调度模型
2.2.3 EPA确定性通信调度规程
2.2.4 EPA时钟同步
2.3 EPA-FRT强实时通信技术
2.4 EPA-BRT数据流业务实时通信技术
2.5 EPA协议簇几种实时通信技术的比较
2.6 EPA实时性能分析
2.7 基于EPA的通信调度规划
2.8 小结
参考文献

第3章 EPA多网段设计技术
3.1 控制系统中的分网段技术
3.2 EPA多网段结构
3.3 EPA网桥
3.4 EPA无线网段接入
3.4.1 无线局域网微网段及其接入
3.4.2 蓝牙微网段及其接入
3.5 二层式EPA微网段及其子网划分
3.6 EPA多网段系统特点及性能分析
3.7 小结
参考文献

第4章 EPA线缆与安装技术
4.1 总体要求
4.2 EPA线缆与安装总体特性
4.2.1 网络拓扑的设计
4.2.2 通信介质
4.3 EPA网络供电
4.4 EPA本质安全与安全防爆
4.5 接地系统、雷击浪涌与防护
4.5.1 接地/等电位连接/参考地
4.5.2 雷击浪涌与防护
4.6 小结
参考文献

第5章 EPA网络可用性技术
5.1 工业以太网的可用性
5.2 分布式环网冗余技术
5.3 DRP冗余故障自诊断与自恢复
5.4 DRP与EPA协议的协同应用
5.5 DRP性能评估
5.6 小结
参考文献

第6章 EPA功能安全通信技术
6.1 功能安全与功能安全通信
6.1.1 安全功能响应时间
6.1.2 功能安全通信模型
6.1.3 工业控制网络通信的风险
6.2 EPA功能安全通信方案
6.2.1 EPASafety安全通信概念
6.2.2 EPASafety协议结构
6.2.3 EPASafety系统架构
6.2.4 EPA功能安全通信流程
6.3 EPA功能安全通信应对风险的解决措施
6.3.1 主要的EPASafety解决方法及与风险的对应关系
6.3.2 实例分析
6.4 EPA功能安全通信SIL等级评估方法
6.4.1 EPASafety通信模型SIL等级计算方法
6.4.2 EPASafety通信模型的SIL等级计算结果
6.5 小结
参考文献

第7章 EPA网络安全技术
7.1 工业控制系统的安全问题
7.1.1 工业控制系统网络的定义和特点
7.1.2 工业控制系统网络安全的提出和意义
7.1.3 IT系统与工业控制系统的差异
7.2 EPA安全概述
7.2.1 EPA网络安全特点
7.2.2 EPA网络安全的脆弱性分析
7.2.3 EPA安全威胁与安全目标
7.3 EPA纵深防御网络安全技术
7.3.1 EPA网络安全结构
7.3.2 EPA系统安全域边界控制器
7.3.3 EPA主机安全监控代理
7.3.4 EPA工业安全交换机
7.3.5 EPA监控层防火墙
7.3.6 EPA安全网桥
7.3.7 EPA系统统一智能安全管理平台
7.4 小结
参考文献

第8章 EPA功能块应用进程与设备描述
8.1 EPA功能块
8.1.1 EPA功能块与互可操作
8.1.2 EPA功能块的定义
8.1.3 EPA基本功能块、复合功能块
8.2 功能块的链接与通信
8.2.1 EPA功能块应用进程
8.2.2 功能块与链接对象
8.2.3 功能块与通信栈的通信
8.2.4 功能块的组态
8.3 设备描述
8.3.1 设备描述格式
8.3.2 设备描述要素
8.3.3 设备描述文件的解析
8.4 设备描述功能块应用举例
8.4.1 设备模型
8.4.2 EPA功能块模型
8.4.3 应用举例
8.5 小结
参考文献

第9章 EPA测试技术
9.1 EPA测试的内容
9.2 一致性测试
9.2.1 一致性测试的目的和内容
9.2.2 一致性测试的方法
9.2.3 一致性测试的原理
9.2.4 一致性测试的系统模型
9.3 实时性测试
9.3.1 递交时间测试
9.3.2 时钟同步精度测试
9.3.3 网络吞吐量测试
9.3.4 非实时通信带宽测试
9.3.5 冗余恢复时间测试
9.4 互可操作性测试
9.4.1 互操作测试系统结构
9.4.2 互操作测试内容
9.4.3 EPA互操作测试的实施
9.5 小结
参考文献

第10章 EPA组态
10.1 EPA系统组态要求
10.2 EPA组态软件概述
10.2.1 组态概念
10.2.2 软件概述
10.3 EPA图形化组态与物理映射
10.3.1 主界面说明
10.3.2 设备管理
10.3.3 设备详细信息访问
10.3.4 控制策略组态
10.3.5 时间组态
10.3.6 功能安全
10.3.7 信息保存
10.3.8 应用实例
10.4 EPA通信在线监控与诊断
10.5 小结
参考文献

第11章 基于EPA的控制系统的实际应用
11.1 基于EPA系统在华东制药的工程应用
11.1.1 工艺简介
11.1.2 系统的安装布置
11.1.3 系统控制方案实施与应用
11.2 基于EPA的系统在安全适用场合的应用
11.3 小结
……