在多种现场总线并存、无法混用和统一的情况下,工业以太网成为世界工控界新的研究热点。
在国家“863”课题的支持下,浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所等多家单位,联合攻关,承担了国家标准化项目,在解决多项关键技术的基础上,起草了“用于工业测量与控制系统的EPA （ ethernet for plant automation） 系统结构和通信标准”,开发了“基于EPA 的分布式控制系统”,并在某化工厂的纯碱碳化生产装置上进行了试用,对《EPA 标准》进行验证。
1 工艺简介
碳化工序是纯碱生产中的重要工序,反应不稳定,滞后大,关联因素较多。其中,碳化塔的反应过程如下:
由碳化塔底部进来的CO2 气体逐渐上升,与自塔顶流下的CA Ⅱ母液充分接触,在塔的中部位置进行反应,反应产物经下部通入的冷却水冷却到一定温度后结晶,从塔的下部流出,送至过滤岗位。过程中要不断地通入CO2 气、CA Ⅱ液体、冷却水,放出尾气和碱液。碳化塔的工作状态分为制碱
其中制碱的生产流程图如图1 所示。
图1 纯碱碳化装置示意图
清洗的主要目的是为了冲掉附着在塔壁上的碱垢,使塔恢复到最佳的生产状态,此时通入碳化塔的主要物质是下段气和CA Ⅱ母液,经过16h 后,再次开始制碱。
2 EPA 系统结构
基于EPA 的分布式网络控制系统体系结构如图2 、图3 所示。从图可以看出,EPA 网络分为两个层次,即控制层网络和现场设备层网络,其中EPA 控制层网络是系统的主干网,用于连接控制室的操作站、工程师站,与现场的各个控制区域,由通用以太网构成,通常可形成（冗余） 环网,以提高系统可靠性。
图2 EPA 系统总体结构图
图3 EPA 系统结构示意图
而现场设备网则分置于控制现场,将控制现场划分为若干个控制区域,各个控制区域内相关现场设备（如完成一个独立功能的变送器、执行机构、现场控制器等） 均通过适用于工业控制现场的以太网络联接在一起,根据组态,相互协调工作,从而完成一定的控制功能。EPA 现场设备层网络具有以下特点:
① 现场设备层网络采用10M以太网（共享式或交换式） ,所采用的介质在一般情况下为屏蔽双绞线（在设备相距较远的情况下可使用光纤） ;
② EPA 现场设备层网络则采用由网络供电的以太网,EPA 现场设备通信模块通过EPA 现场设备层网络取电;
③ 每个控制区域由EPA 现场控制器、EPA - HUB、EPA 变送器、EPA 执行机构等组成,可实现相互之间的通信,并可独立完成控制系统中某一部分的测量与控制功能;
④ 各个控制区域通过EPA 现场控制器联接到主干网上,与控制室内的操作站、工程师站交换过程测量与控制信息、组态信息等;
⑤ 每个控制区域均可以看成是通过现场设备层网络联接起来而形成的一个个子控制系统。这些分布于不同控制区域的子系统之间、子系统与控制室设备之间的通信均通过控制区域内的现场控制器进行信息的转发;
⑥ 现场控制器还具有网络隔离的功能,它对接收到的报文进行过滤,一方面使本控制区域外部的通信流量不会进入本控制区域; 另一方面本控制区域内EPA 现场设备间的通信流量也不会溢出到其他网段,不会影响其他控制区域和主干网的通信流量,从而使各个网段的带宽利用率达到最优。
3 系统应用方案
EPA 系统试用工程选取了3 套联碱碳化装置的中段气和下段气的压力、流量及其调节阀;尾气温度与压力;清洗A Ⅱ流量;清洗气压力、温度、流量;制碱气流量、压力;CA Ⅱ流量等共30 多个I/ O 点等作为测量、控制对象。
根据3 套联碱碳化装置原有测点的实际情况,本系统将3 套联碱碳化装置的I/ O 点划分为3 个控制区域,如图4 所示（图中信号组①, ②, ③, ④的信号连接情况列于表1） :
a. 每个控制区域设置1 个EPA 现场控制器、1 个网络供电型EPA2HUB 以及若干个EPA
输入/ 输出通信模块;
图4 EPA 系统安装应用方案示意图
表1 EPA系统安装应用方案中各信号组连接的I/ O
b. 每个控制区域通过EPA 现场控制器联接到系统主干网上;
c. 操作站、工程师站通过以太网交换机联接到主干网上。
4 应用系统特点
4. 1 确保EPA 通信的实时性
每个控制区域均通过EPA 现场控制器与主干网相连,并通过EPA 现场控制器与其他控制区域隔离,即每个控制区域内, EPA 变送器、EPA 执行机构以及EPA 现场控制器之间的通信流量（包括广播信息） 不会占有其他区域和主干网的网络资源。
因此,每个控制区域的网络负荷均可以控制在较小的范围内< 5 % ,测试表明,每个控制区域内,以太网报文之间发生的碰撞很少,从而大大提高了通信的实时性。
4. 2 增强了系统安全性
每个控制区域中,
4. 3 提高了系统可靠性
系统控制功能遵循“总体分散,局部集中”的原则。所谓“总体分散”,即系统控制功能的实现将不再象DCS 那样由主控制站对系统中的所有回路进行控制运算,而是由分散在各区域的区域控制器完成,同时大大提高了系统可靠性,任何一部分的故障不会影响整个系统的正常运行;“局部集中”则是指将控制现场分为若干个控制区域,每个控制区域由一个区域控制器负责本区域内的控制和管理,可降低EPA 现场设备的技术难度和成本。
5 结束语
该系统自2003 年4 月初在某化工厂的3 套纯碱碳化装置上投入运行,至今一直运行良好,稳定。
随着对以太网应用于工业控制领域的研究越来越深入,应用也越来越广,如美国ARC 公司最近的调查报告指出,今后5 年工业以太网设备的市场将以平均84. 1 %的速度增长,从2002 年的28. 68 万个节点上升到2007 年600 多万个节点。
与此同时,国际上也开始了相关标准的制定,如最近IEC/ SC65C 刚成立两个工作小组,即工业网络化系统的安装导则（“installation guidance for industrial cabling system”） 和基于ISO/ IEC8802 - 3 的通信网络在实时应用中的行规（“Profiles for ISO/ IEC 8802 - 3 based commu2 nication networks in real time applications”） 工作组。
因此,有理由相信,在不远的将来,Ethernet 将可以直接应用于工业现场控制,在工业现场控制系统中将起着非常重要的作用。
