（控制理论与控制工程专业论文）基于lon+works技术的智能控制网络在水务工程中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 现场总线是以开放互连通信模型为基础的网络集成自动控制技 术，它采用数字化通信方式、智能化测控设备、全分散控制结构及开 放性互连规范，使其可以彻底打破传统自动化系统信息孤岛的局面， 符合当今工业自动控制系统分散化、智能化、网络化的发展趋势。l o n 现场总线是美国e c h e l o n 公司九十年代中期推出的一种用于自动控制 领域的网络技术。它具有统一性、开放性和互操作性的优点。 本文首先叙述了现场总线的基本概念，介绍了现场总线的基本理 论、介绍了当前流行现场总线的发展现状，提出了现场总线技术未来 的发展趋势，介绍了我国目前在水务信息化方面的发展与应用。详细 地阐述了l o n 现场总线的技术内容。根据设计智能节点的需要，论 文有针对性地介绍了l o n w o r k s 核心技术，包括神经元芯片、n e u r o n 芯片固件、n e u r o nc 软件系统、l o n w o r k s 设备开发工具等，讨论了 e c h e l o n 公司互操作性的理论和实现方法。 在介绍基本理论的基础上，论文提出了在上海市水闸泵站自动控 制系统中利用l o n 现场总线技术进行建设的方案。详细地论述了在 该自动控制系统中的关键部分闸门控制器的软硬件设计方法，包括核 心模块电路、数据采集电路、电源电路。在硬件设计的基础上论文进 一步从数据采集与校验、功能分析及控制算法的实现论述了通过 n e u r o nc 语言来实现闸门控制器功能设计方法。随后论文介绍了底 层网络组建的方案，提出了通过i l o n l 0 0 服务器连接底层设备组建 i 江苏大学硕士学位论文 底层网络的新思路。 论文还介绍了利用w e b a c c e s s 组态软件来实现现场监控的可视化 功能。包括组态软件通信协议和组态软件配置及简单的脚本语言。最 后论文简要地介绍了基于b s 架构的水闸泵站自动控制系统的网络 结构。 上海太湖流域水闸泵站监控系统中通过l o nw o r k s 技术的应用实 现了对黄浦江上游河道的水情和工情的实时自动监测、监控和水情数 据采集。在决策系统支持下，作出优化调度与调控水闸泵站运行，有 效地确保了上海市城市防洪安全。 关键词：现场总线，l o nw o r k s ，智能节点，闸门控制 江苏大学硕士擘位论文 a b s t r a c t f i e l d b u si sab r a n dn e wn e t w o r ki n t e g r a t i n ga u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s e do nt h eo p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o nm o d e l i t h a sm a n ym v a n c e dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sf u l ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o n , i n t e l l i g e n tf e l dd e v i c e s ，c o m p l e t e l yd i s t r i b u t e d s t r u c t u r ea n do p e n i n t e r c o n n e c tp r o t o c 0 1 f i e l d b u sc a nc h a n g et h et r a d i t i o n a la u t o m a t i o n f r o m i s o l a t i n g i n f o r m a t i o n s y s t e mt od i s t r i b u t e d , i n t e l l i g e n tc o n t r o l n e t w o r k l o nf i e l d b u si n v e n t e db ye c h e l o nc o r p o r a t i o ni nt h em i d d l e o f 9 0 si san e t w o r kt e c h n o l o g yu s e di nf i e l do f a u t o m a t i o nc o n t r 0 1 i th a st h e a d v a n t a g eo f u n i t y , o p e na n di n t e r o p e r a t i o n f i r s tt h i sp a p e rd i s c u s s e sb a s i cc o n c e p to ff i e l d b u s a f t e ri n t r o d u c i n g o fb a s i ct h e o r yo ff i e l d b u s ，b a c k g r o u n do fp u t t i n gf o r w a r dt h et a s ka n d a u t h o r sm a i nw o r k s ，i tr e v i e w sb r i e f l yt h ed e v e l o pc o u r s eo f t h ef i e l d b u s ， i n t r o d u c e st h ea d v a n c e dc h a r a c t e ro ff i e l d b u sa n dp u t sf o r w a r dt h e p r o s p e c to ft h ef i e l d b u sd e v e l o p m e n t a tl a s t t h ep a p e ri n t r o d u c e s p r o g r e s s e so fw a t e rc o n s e r v a n c yi no u rc o u n t r y t h ep a p e rd e t a i l e d l y d i s s e r t a t e st h et e c h n o l o g yc o n t e n to fl o nf i e l d b u sf o r mc h a p t e r3 a c c o r d i n gt ot h en e e do fd e s i g n i n gt h ei n t e l l i g e n tn o d e ，i ti n t r o d u c e st h e c o r et e c h n o l o g yo fl o n w o r k s ，i n c l u d i n gn e u r o nc h i p ，f h m w a r eo f n e u r o n c h i p ，s o f r w a r es y s t e m o fn e u r o ncl a n g u a g e ，l o n w o r l 国 d e v e l o p m e n tt o o l s ，d i s c u s s e st h et h e o r i e s o fi n t e r o p e m b i l i t ya n dt h e m e t h o d so f r e a l i z i n gt h ei n t e r o p e r a b i l i t yb ye c h e l o nc o r p o r a t i o n a f t e r i n t r o d u c i n gb a s i ct h e o r i e s ，c h a p t e r4p u tf o r w a r dad e s i g n m e t h o di ns h a n g h a it a i h ud r a i n a g ea r e as l u i c ea n dp u m p i n gs t a t i o nn e t c o n t r o ls y s t e mu s i n gl o n w o r k st e c h n o l o g y i td i s c u s s e sd e t a i l e d l yt h e i n t e l l i g e n tn o d er e a l i z a t i o no ft h es l u i c ec o n t r o l l i n gf r o mt h ew a y so f h a r d w a r ea n ds o r w a r e ，i n c l u d i n gc o r em o d u l ec i r c u i t , d a t ac o l l e c t i n g i i i 江苏大学硕士学位论文 c i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t a tt h eb a s eo fh a r d w a r ec i r c u i t ，t h ep a p e rd i s c u s s e s t h ed a t ac o l l e c t i n ga n dc h e c k i n g ，f u n c t i o na n a l y s i sa n dc o n t r o lm e t h o db y u s i n gn e u r o ncl a n g u a g e a l t e rt h a tt h ec h a p t e ri n t r o d u c e st h eb o t t o m n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，蜥n gf o r w a r dan e wm e t h o dt h a tu s i n gi l o n l 0 0 i n t e m e ts e r v e rt oc o n n e c tb o t t o me q u i p m e n t s i nc h a p t e r5t h ep a p e rd i s c u s s e st h ew a y so f r e a l i z i n gl o c a li l l s p e c t i n g f u n c t i o nb yu s i n gw e ba c c e s ss o f t w a r e i nt h i s c h a p t e ri t i n c l u d e s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ro fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ea n d s i m p l es c r i p tl a n g u a g e i nt h ee n dt h ep a p e rb r i e f l y i n t r o d u c e st h en e t w o r kf a b r i co fs l u i c ea n dp u m p i n gs t a t i o nn e tc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nb sf a b r i c i tr e a l i z e dr e a lt i m ei n s p e c t i o na n dw a t e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt o t h eh u a n g p uf i v e ri ns h a n g h a it a i h ud r a i n a g ea r e as l u i c ea n dp u m p i n g s t a t i o nn e tc o n t r o l s y s t e mu s i n g l o n w o r k s t e c h n o l o g y b y t h e d e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mw ec a nc o n t r o lt h es l u i c er u n n i n gi no p t i m i z e w a y t h i ss y s t e mi n s u r e st h es h a n g h a ip r e v e n tf l o o ds y s t e me f f e c t i v e l y k e y w o r d ：f i e l d b u s ，l o n w o r k s ， i n t e l l i g e n tn o d e ， s l u i c e c o n t r o l l i n g 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 计算机、自动化、信息技术的飞速发展，网络的广泛应用极大的改变了人们 的生产生活方式。在工业控制领域正逐步从集散控$ 0 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， d c s ) 及单纯的可编程序控制( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 向现场总 线控制( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 转变，从简单的点对点控制向复杂的网 络控制转变。 现场总线是一类工业数据总线，它是工业控制领域中计算机通信系统最低层 的低成本网络。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义：现场总线是指安装在 生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动装置系统之间的一种数字式、 串行、双向传输、多分支结构的通信网络0 1 。这样的定义强调了现场总线的两个 重要特点。首先，现场总线是数字化的通信网络。现场总线是通信技术在控制领 域的应用。现场的智能仪表拥有自己的c p u ，具有通信能力。智能仪表之间完 全通过数字信号通信，避免了信号衰减、共模干扰和外部干扰的问题，提高了控 制系统的可靠性。其次，现场总线是开放的分布式底层控制网络。现场总线是在 d c s 的基础上发展起来的，现场总线的智能仪表能完成基本控制、参数补偿、 参数修改、报警、显示等功能，真正实现了分散控制。而且各个设备使用相同的 协议，也就能够与其他设备进行信息共享，消除了传统的d c s 的各个系统之间 形成的“信息孤岛”的缺点，体现了开放性的特点。这也正是现场总线的本质 现场总线的另一个特点是互操作性，这就要求制定一个统一的国际标准。目 前世界上现场总线的类型很多，从1 9 8 4 年美国仪表协会( i s a ) 下属的i s a s p 5 0 开始制定标准以来，己经出现了f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 3 】、c a n 、h a r t 等几 十个总线标准脚。虽然从理论上来说一种现场总线可以面向所有工业控制领域， 但是鉴于技术流派、经济效益，特别是商业利益的原因，到目前为止还没有一种 现场总线能覆盖所有的应用面。可以肯定，由于上述原因，多种总线并存的局面 还会存在相当长的时间。 江苏大学硕士学位论文 1 2 课胚简介 太湖流域综合治理骨干工程( 上海部分) 位于上海市青浦、松江、闵行、金 山四个区境内，工程范围为黄浦江干流段浦西西河泾和浦东千步泾起上游段河道 以及太浦河、拦路港、红旗塘河道管理范围内的全部区域，河道总长度约9 0 公 里。区域内地势低洼，地面高度仅为2 2 0 3 5 0 m ( 上海吴淞基准) ，低于上海一 般地面高程，易受洪涝灾害。河道两岸的配套建筑物构成了沿河地区一线防洪控 制工程，形成太湖流域洪水东排长江的全封闭“洪水走廊”，承担着太湖及太湖 流域上游地区的泄洪、排涝以及上海市的引清输水与改善水环境条件等功能。 在太湖流域( 上海部分) 建立水闸泵站监控系统，对黄浦江上游河道的水情 和工情进行实时自动监测、监控，实时采集水情数据、通过信息传输与处理，在 决策系统支持下，作出优化调度与调控水闸泵站运行，这对于“洪水走廊”功能 的有效发挥，对于确保上海市城市防洪安全和充分发挥清水资源的合理利用，具 有重大的现实意义。 在太湖流域水闸泵站监控系统中采用了l o n w o r k s 现场总线。实现现场闸门 的就地自动控制和远程监控。l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司九十年代中期推 出的一种用于自动控制领域的网络技术，是用于工业设备控制的开放的数据网 络。监控系统中采用l o n w o r k s 总线技术的优点主要体现在：l 布线简单：无论 是节制闸或套闸，其现场设备信号( 如闸门开度、水位、搁门器位置、钢丝绳松 动监测以及相关辅助设备的等i o 信号) 直接通过l o n w o r k s 通用采集控制模块 挂在总线上，并通过一根双绞线采用自由拓扑的方式连接到监测主机，布线极其 简单、可靠。不仅实现控制信号的监测，同时可以监测故障信号，实现现场设备 的远程诊断。2 与远程管理系统的无缝联接：现场监测主机采用l o n w o r k s 总线 核心产品i , l o n1 0 0i n t e m e t 服务器，该服务器是e c h e l o n 公司和思科公司联合开 发的高性能的网络接口。它既可以作为现场控制器，也可以连接l o n w o r k s 网络 到企业珥网络或者i n t e m e t 。由于内置了一个w e bs e r v e r ，因此允许通过w e b 的 方式访问其内置的时序调度、报警处理和数据记录应用程序。此外，它还提供一 个用作和监控中心相互集成的s o 舭v lw e bs e r v i c e s 接口，通过该接口可以 实现在当前最流行的m i c r o s o r n e t 架构下实现组态和监控功能，而该架构是一 个全开放的软件平台，真正做到底层设备的扁平化、互操作性和全开放性。3 技 术成熟、节点开发周期短：作为远程测控终端( r t u ) ，子系统监测点控制器以 神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 为核心，采用与osi ( 开放系统互连) 七层参考模型 2 江苏大学硕士学位论文 兼容的l o n m l k 协议，只在应用层上需要开发，从而实现真正的分布式控制4 扩展性强：l o n w o r k s 是世界上唯一支持o s i 全部七层协议的现场总线技术，网 络协议是开放的，其核心之一是利用“网络变量”来绑定监测点i o 信息的逻辑 关系，扩展性强。 t 3 本人主要工作 本人的主要工作如下： 硬件电路设计：闸门控制器的硬件电路设计，包括数字量输入输出， r s 4 8 5 r s 2 3 2 转换电路，供电电源电路，复位电路。在设计时要注意按照神经元 芯片的要求选择与神经元芯片兼容的硬件，同时要注意电源的滤波、抗干扰设计， 复位电路的可靠性。整个硬件电路要充分合理的利用神经元芯片的1 1 个i o 口。 l o n w o r k s 网络配置：利用i l o n l 0 0i n t e r n e t 服务器进行底层网络组网，将闸 站现场的各个监控设备配置到l o n w o r k s 网络中来。 软件部分设计：n e u r o nc 程序设计：要充分的考虑到闸门控制的各项因素。 保证控制逻辑的高可靠性。同时利用网络变量将闸门现场的数据如闸门位置，水 位等发送到l o n 网络上。 利用组态软件实现远程监控：通过监控软件w e b a c c e s s 中添加的s 0 a p v 【l 通讯协议，从各现场的i l o n1 0 0 服务器中直接采集现场实时数据和运行状态参 数。通过脚本语言编辑实现人机界面。 江苏大学硕士学位论文 第二章现场总线控制系统 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、 企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这一 形势发展起来的新技术。 2 1 现场总线的发展 2 0 世纪5 0 年代前，第一代过程控制体系结构出现嘲随后的2 5 年，第二 代过程控制体系使用的是4 2 0 m a 的模拟信号。到了7 0 年代，人们在测量、模 拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，从而产生了集中式控制，即第三代控 制体系结构。集中控制是以计算机为基础加上扩展i o 接口而构成。这一代控制 系统初步采用数字信号代替模拟信号提高了控制系统的精度和信号传输的抗干 扰能力。但是由于当时的计算机价格昂贵，人们企图用一台计算机代替所有用于 过程控制的仪表，用一个操作员控制台代替原来庞大的模拟仪表盘。这种系统使 得控制操作变得异常简单，操作台上只有数字显示和一些按钮，一个控制回路的 参数能作为操作条件的函数。另外用专用的非常简单的d d c 语言编程，使用者只 需将有关参数填入相应的表格。但是当时的计算机可靠性还较差，一旦计算机出 现某种故障，就会造成所有的控制回路瘫痪、生产停止的严重局面。因此这种危 险高度集中的控制系统很难被人们所接受。 到了8 0 年代，由于微处理器被嵌入到各种设备中。使设备具有了智能化， 于是产生了分布式控制，即第四代过程控制体系结构( d e s ) 州“1 。它针对集中 式控制系统风险集中的弊端，把一个控制过程分解为多个子系统，由多台计算机 协同完成，采用阶梯式控制结构，具有现场级的控制单元。现场控制单元中的 i 0 模块接收来自现场设备的4 2 0 m a 模拟信号，再将其转换为数字信号传送给 控制单元。同时接收来自控制单元的指令，转换成相应的控制信号，指挥现场设 备完成控制功能。集散控制系统( d c s ) 的确切定义没有形成一个明确的标准。 目前比较常用有两种理解方式： 4 江苏大擘硕士学位论文 第一种是广义上的，从d c s 的字面语义上理解的，控制器通过某种通讯协 议能实现相互之间进行数据交换，并能实现“管理集中，控制分散”功能的控铜 系统就可以称为集散控制系统( d c s ) ； 第二种是狭义上的，相对于p l c 而言的。集散型控制系统源于模拟仪表技 术，在运算放大器的基础上得以发展的，侧重于模拟量处理。过去在复杂的过程 控制中流程工业的控制系统一般选用集散型控制系统( d c s ) ，他们一般是一些 国际大公司专门研发的功能很完善的一整套控制系统。 d c s 产品在电力、石化、化工等行业发挥了重大作用，但是国际上d c s 产 品的生产专有化和价格的高昂；由于整套系统的各种产品都由自己研发，存在产 品更新慢、通讯协议采用自己的专用协议各公司都有各自的标准，缺乏通用性和 系统的开放性，这些都严重阻碍了d c s 的普及和技术改造。 在8 0 年代中期，国外就提出现场总线的概念。原始的现场总线思想非常简 单，它针对传统集散型控制系统( d c s ) 的问题，希望用一个开放的独立于产品 厂家的多回路通信系统来取代4 2 0 m a 的电流标准。到了9 0 年代，由于电子技 术和计算机技术的高速发展，现场总线的技术条件才得以完善。叫” 2 2 现场总线概述 根据国际电工委员会( m c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义，现场总线是 连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网 络嘲。它的关键标志是能支持双向，多节点、总线式的全数字通信。它构造了网 络集成式全分布式控制系统，同时它又是一种低带宽的底层控制网络，是c i p s c i m s ( 计算机集成过程系统计算机集成制造系统) 的最底层“”。现场总线 一出现，就受到了各方面的关注。国内外各大著名的自动化厂商出于各自利益的 考虑，都研究并开发了各种各样的现场总线产品。于是出现了多种现场总线的企 业标准、集团标准和国家标准。1 9 9 9 年底，i e c 通过了f f 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t c e 】 等八种国际总线标准。 现场总线表现为一种通信网络现场总线符合自己的通信协议，并最终表现为 具体的设备。正确地理解现场总线，应该从本质特征上来考虑。现场总线的本质 含义表现在以下几个方面； 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 、现场总线是一种数字化通信网络。这方面的特征是现场总线在控制领 域带来革命性变化的本质基础。现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设 备，是一种用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信 网络。在此基础上，出现了各种现场总线通讯协议，包括f f 、h a r t 、p r o f i b u s 、 c a n 、l o n w o r k s 等等。对应每一种协议，都有支持厂商和各种硬件和软件以及 系统产品。网络数字化，是现场总线应用的本质之一正是因为实现了数字化， 才导致了双向通讯、通讯多变量，从而控制分散，管理分散。 ( 2 ) 、现场的核心是总线协议，即总线标准。一种类型的总线，只要其总线 协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本 原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据 但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。为了使现场总线满足可 互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在i e c 国际标准，现场总线通讯协议 模型的用户层中，就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作，每个 现场总线装置都用装置描述d d 来描述。d d 能够认为是装置的一个驱动器，它包 括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于d d 包括描述装置通信所需 的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操作性。 ( 3 ) 、现场总线的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是f c s 系统 的硬件支撑，是基础。道理很简单，f c s 系统执行的是自动控制装置与现场装置 之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即 相关的通讯规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话， 也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场 一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统 的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的 ( 4 ) 、现场总线系统的本质是信息处理现场化。对于一个控制系统，无论是 采用1 ) c s 还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上， 采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少， 甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆 传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制 机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 、减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返 常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交 换量大的节点，放在同一条支路里。减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互 矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做选择。如果所选择系统的响应时间允许的 话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧张，稍微减少一点信息 的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。现在一些带现场总线的现场仪 表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个 网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上 的功能块，是系统组态所要解决的问题。考虑这个问题的原则是：尽量减少总线 上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能 块。嘲嘲 2 3 当前流行的现场总线现状 现场总线最早产生于1 9 8 4 年，随后各大组织在大型跨国公司的支持下为了 维护自己的利益，为了能在现场总线的市场竞争中抢占制高点，纷纷制定自己的 标准，形成了目前现场总线百家争鸣的局面。在1 9 9 9 年底i c e t c 6 5 ( 负责工业 测量和控制的第6 5 标准化技术委员会) 通过了f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会 现场总线) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、w o r l d f i p 、p n e t 、f fh s e 、s w i f tn e t ， w o r l df i p 等8 种国际总线标准。同时虽然在现场总线i e c 6 1 1 5 8 中只包括上述8 种，但是如l o n w o r k s 、c a n 、h a r t 、d e v i c en e t 、b a cn e t 等都有自己的应用 背景，而且在自已的领域产生了一定的影响，都在积极增强自身的竞争能力，他 们不会轻易放弃自己的总线标准和市场份额。因此，在今后很长一段时间内，各 大总线将会相互竞争，共同发展，每种现场总线将形成其特定的应用领域，最终 能占有市场的总线将集中在少数几种有竞争力的总线上。 标准众多为用户选择造成了极大的不便。从目前典型的现场总线来看，f f 总线技术是针对工业过程自动化来开发的，该协议在满足工业现场环境、安全环 境、总线供电等方面有全面考虑，工业控制领域的最佳选择f f 现场总线技术。 l o n 总线技术可拥有电力线载波收发技术等独特优势，并消除了布线复杂度可 直接与e t h e m e t 联接，具有通讯速率高、通信距离远的特点。在应用层给用户很 7 江苏大学硕士学位论文 大的自由度，有很好的灵活性。因此，很适合于城市信息化、楼宇自动化以及电 力自动化领域。目前在世界范围内已经被推广应用于楼宇自动化、城市信息化、 电力自动化领域。但是由于其在工业环境和防暴方面考虑不够，目前还不是很适 合应用于工业过程自动控制领域。c a n 总线技术具有实时性好，抗干扰能力强， 自动出错处理及故障保护功能的技术特点，可应用于环境复杂、可靠性要求高的 领域。目前主要应用于测控测试仪器、执行机构的通信，他应用于过程自动化还 不够成熟，适合于汽车电子铡控网络和野外检测控制网络。h a r t 协议总线技术 实际上不是真正的现场总线技术，它保留了4 2 0 m a 的模拟信号，既确定了用 户原有投资的有效性，也让用户对现场智能仪表有深刻的体会：在国内大量使用 模拟仪表，工业现场仪表没有完全智能化的今天，采用h a r t 仪表作为一种过 渡很具有现实意义。在断续控制为主的自动化控制领域p r o f i b u s 是较优的现场总 线。 2 4 现场总线发展的趋势 现场总线发展到今天，关于标准的争论已经告一段落。但是计算机通信技术 的飞速发展，为现场总线技术带来了新的亮点。 2 4 1 以太网引入现场总线领域 以太网目前在公用数据网络中已经非常成熟了。过去人们认为以太网的信道 分配方式采用l 一持续的c s m a c d ( 带冲突检测的载波侦听和多路访问) 协议 ，因此它是不确定的，不适合实时性要求较高的场合应用；又因为以太网不提 供电源，必须要有额外的供电电缆，不是本质安全系统。所以，人们在工业领域 一直不敢采用以太网。 今年来网络技术发展迅速，上述问题都已得到基本解决： ( 1 ) 采用交换机，接入网络的节点各自独占一条线路。避免了冲突 ( 2 ) 采用高速背板交换或微处理器交换，响应时问是确定的。据a r c 公司 的分析，1 2 6 个节点的1 0 0 - ! 交换式以太网的响应时间是2 3 s ，几乎可以满 足各种控制系统的要求。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 现代以太网采用非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力与4 2 0 m a 模拟传输 线路相当，如果需要更强的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤通信 而且以太网有其它控制网络所没有的优势。 主要体现在以下几个方面； ( 1 ) 以太网技术比较成熟，可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信 息网络与控制网络得以统一。 ( 2 ) 设备成本下降，现场总线的成本远远无法与以太网相比。 ( 3 ) 用户拥有成本下降。开发技术支持广泛，人们对以太网也比较熟悉， 维护比较容易。 ( 4 ) 以太网易于与i n t e r n e t 集成。实现自动化控制领域彻底开放，打破 任何垄断的企图，也可以更好地实现控制网络与管理层的信息共享。 因此，深受用户和控制生产商的欢迎，各大控制生产商纷纷引入以太网技术。 各大现场总线紧跟时代发展的潮流，也采取了一系列措施支持以太网在现场总线 领域的应用。现场总线基金会为了适应以太网技术的发展，放弃了原来规划的 h 2 高速总线标准，并于2 0 0 0 年3 月2 9 日公布了基于e t h e m e t 的告诉总线技术 规范( h s e l 0 版) 。h s e 充分利用低成本的以太网技术，以1 0 0 m b i t s 到1 g b i t s 或者更高的速度运行；e c h e l o n 应用l o n w o r k s 的控制网络路由技术和c i s c o 公 司的网络基础技术，开发了i l o n1 0 0 0 、i l o n1 0 0 、i l o n1 0i n t e r n e t 服务器，实 现了控制网络与i n t e m e t 的连接。 总之，以太网的发展为现场总线技术注入新的血液，被证明是控制网络的最 佳解决方案。 2 4 2 f c s 与d c s 技术并存 d c s 控制系统采用的是阶梯式控制结构，结构如图2 1 中a 图。它采用主 从式分层控制策略，各层有各自的功能。但也有一些固有的缺陷。如上层故障会 造成下层控制的整体瘫痪；设备布置的改变会影响整个系统等。f c s 现场总线采 用分布式网络控制结构，采用总线式连接。如图2 一lb 图中所示，现场总线将 各种现场信息传送给监控计算机，通过生产管理计算机与上层网络相连。它把现 场设备的各种运行参数、运行状态信息及故障信息送往监控计算机和其他现场设 9 江苏大学硕士学位论文 备，同时又将各种控制、维护、组态命令送往各相关设备，建立了生产过程现场 及控制设备之间、现场设备与更高控制管理层之间的联系。所以说f c s 是由i ) c s 以及p l c 发展而来，而且它还保留了i ) c s 的特点，或者说f c s 吸收了d e s 多年开 发研究以及现场实践的经验，当然也包括教训。f c s 较传统的i ) c s 优势明显，因 此f c s 将逐步代替d c s 。 i ) c s 应用广泛，技术成熟，并且具有丰富的监控协调管理功能，目前还可以 通过工业以太网建立管理层网络，以满足火电厂呼声越来越高的加强管理的要 求。可以这样说，i ) c s 系统的监控可以覆盖大型火电机组的工艺全过程。在现有 技术条件和市场情况下f c s 不能完全取代i ) c s ，这使控制系统进入d e s 向f c s 过 渡的混合控制系统的时代。 画中虹作站甲毕l 二j j 息层 画目 罔 l 量口fi 喧阃 i甲控制层甲 山 控觯元 由 1l - 黼米一小兰备至堕壶设竺 图2 la 、集散系统网络结构 b 、现场总线控制网络结构 这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适应于更广泛的富于实用价值的 应用。其方法有f c s 于d c s 系统i 0 总线上的集成、d ( 焉系统网络层的集成 以及f c s 通过网关与d e s 系统并行集成。即将过去处于控制系统中心地位的d e s 移到现场总线的一个站点上去，使用户有更多的选择，以实现更合理的控制系统 因而也会给用户带来更大的收益。 2 4 3 系统的开放性 为了适应各种不同现场总线协议，必须实现各种现场总线控制系统的集成。 现场总线是开放的系统，但是目前有为数众多的各国标准和一些大制造商的企业 标准，形成了实际上的封闭性。异种现场总线之间是不能进行互操作的，而且近 l o 江苏大学硕士学位论文 期又不可能形成统一的国际标准。多种总线共存的局面在一个很长时间内存在仍 是无法避免的。解决各种现场总线之间的融合的一种办法是采用不同总线的协议 转换器，使不同现场总线之问通过协议转换器能够互相交信息，这虽然不能从根 本上解决由于垄断所产生的实际上的封闭性，但是也为沟通不同现场总线之间的 联系提供了一个有效的办法。所以应该使系统通信协议一致公开，让不同厂家的 设备之间可实现信息交换，建立统一的工厂底层网络系统；通过现场总线构筑自 动化领域的开放互连系统，使多种总线共存于一个系统之中。近期，现场总线要 解决自身的开放性和互操作性，必须要加强这方面的研究，在现场总线的国际标 准逐渐统一后，将实现一个真正开放式的可互相连接的系统结构。各厂家产品可 交互操作和互换使用，用户选择产品时拥有更多的自由度。嘲嘲 2 5 目前我国水务信息化的发展及应用 目前我国的水务信息化建设正处于起步阶段。鉴于资金和技术方面等方面因 素的制约，水务信息化目前只在北京、上海、天津、武汉、深圳等经济发达地区 和城市的水务工程中开始初步的尝试，其中比较典型的有深圳市防洪泵站控制系 统，该系统利用m o d b u s 现场总线、施奈德p l c 进行数据交换获得现场数据， 通过m o d b u s t c p i p 协议由以太网与服务器连接建立基于b s 软件结构的远程监 控系统，实现了对泵站远程监控功能。水务信息化其他方向的应用还有武汉市利 用地理信息系统( g i s ) 、遥感技术( r s ) ，全球定位系统( g p s ) 等技术对水库 的水流量、水库底的地形变化等数据的采集对水库、水坝等水工程设施进行动态 检测管理的工程；深圳市利用台式在线检测仪器对深圳市自来水、西沥水库、沙 河水进行在线检测，快速测定水质动态变化过程的工程等。虽然目前我国的水务 信息化建设在技术的稳定性、成熟度与国际先进水平相比还存在一定的差距。但 这些工程的开发与应用极大的促进了我国在水务信息化领域的进步，根据水利发 展“十一五”规划要点要求“基本建成全国水文水资源信息监测网络，建成国家 防汛抗旱指挥系统、全国水土保持监测与管理信息网络，初步建成重要流域和南 水北调工程的水资源调度管理信息系统，加强流域、区域、城市、骨干水利枢纽、 调水工程、大型灌区等水利自动化调度系统建设，推进水利信息共享，以水利信 息化促进水利现代化。”我国在水务信息化领域必将有更大的进步。 江苏大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章首先介绍了现场总线技术的产生和发展以及当前流行的现场总线现状。 接下来从以太网引入现场总线领域、f c s 与d c s 并存、系统的开放性等方面介 绍了现场总线的发展趋势。最后简要地介绍了我国水务信息化的发展和应用 第三章l o n 总线和l o n w o r k s 技术 l o n 现场总线是美国埃施朗公司于1 9 9 1 年推出的局部操作网络( l o c a l o p e r a t i n gn e t w o r k ) 。为全分布式测控系统提供了很强的实现手段。为了支持 l o n 总线，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术。它为l o n 总线设计提供了一 套完整的软、硬件设计平台。目前采用l o n w o r k s 技术的产品已经广泛应用在楼 字、电力、交通、能源、城市信息化等领域。l o n 总线也成为当前世界最流行 的总线之一。 3 1l o n 总线概述 l o n 总线的典型结构如图3 - - l 所示： l o 模n p 块o i “- - - il 0 模n f 块o i “ 节点i i 节点 节点 路由器 路由器 路由器 便携式电脑 l n s 软件 诊断工具 亟蛩圈爿盈七f 申行网络接口ll 调器ii 调整i ：x 垂雒 网络接口 ih茹最 p c l t a 一2 0p c i 网络接口 l n s 服务器 安装工具和哪i 瓦i n t e r n e 恧t 拓服务器i “。 u 、 1 2 5 如p s 双毁线 主信道 吣 软件 远程监测站 吣 软件 维护工具 、j i l o n1 0 0 0 自由拓扑信道l 坐! ! 竺垦墨矍 l 匕 图3 - - 1l o n w o r k s 典型网络结构图 蓄 诰 江苏大学硕士学位论文 系统由以神经元芯片为核心的l o n 节点、路由器、i n t e r n e t 服务器和网络 管理等几部分组成。典型的节点一般由神经元芯片、i 0 处理单元、收发器和其 他电源、复位等接口电路组成。神经元芯片是系统c p u ，它接受i o 处理单元的 数据，并通过收发器把数据发送到l o n 控制网络中，接收过程与上述过程相反。 路由器有中继器、网桥以及路由器的几种类型。它用来连接两个通道并在通道间 完成消息包的路由配置。图3 - 1 中各主机通过p c l t a - 2 0p c i 等网络接口与l o n 控制网络相连。主机运行l n s 、l o n m a k e r 等工具来完成网络安装配置、维护、网 络监控等功能。i l o n1 0 0 0 等相当于i n t e r n e t 服务器，使用户能够通过以太网进 行l o n 网络的远程安装和维护。实际上，路由器、i n t e r a c t 服务器、p c i 网络接 口主机等也是基于神经元芯片的节点。不过它们是用来完成网络管理而特别设计 的节点。 集成、开发这样一个l o n 网络的完整的开发平台被称为l o n w o r k s 技术。 l o n w o r k s 技术主要包括以下几个部分：l o n w o r k s 节点和路由器、l o n w o r k s 收发 器、l o n t a l k 协议、l o n w