（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线的控制系统组态软件的研究与实现.pdf

一- r e s e a r c h a n d i m p l e me n t a t i o n o f c o n f i g u r a t i o n s o ft w a r e b a s e d o n f i e l d b u s ab s t r a c t n o w a d a y s , t h e t e c h n o lo g y o f fi e ld b u s is o n e o f t h e m o s t p o p t e c h n o lo g ie s i n a u t o m a t io n d o m a i n , it s y m b o l s t h a t a n e w e r a b e g in i n in d u s t ry c o n t r o l s y s t e m . i n t h i s p a p e r , w e 乡 v e s o m e b a s i c c o n c e p t i o n s a n d t e c h n o lo g ie s o f f i e l d b u s , i n t r o d u c e o n e o f s t a n d a r d s o f f i e l d b u s - l o n fi e l d b u s . c o n fi g u r a t i o n s o ft w a r e i s v e ry i m p o rt a n t i n c o n t r o l s y s t e m . w e a n a l y z e t h e h i s t o ry , a r c h it e c t u r e , d e s ig n id e a a n d c o n t e n t o f c o n fi g u r a t i o n s o ft w a r e , g iv e a n e x a m p l e o f e x c e l l e n t c o n f i g u r a t io n s o ft wa r e . b a s e d o n t h e s e a n a l y s i s , w e d e s i g n a n d d e v e l o p a n e w c o n f i g u r a t i o n s o ft w a r e , w h i c h i s b a s e d o n l o n f i e l d b u s . i t i s m o r e fl e x ib l e a n d a l l - p u r p o s e . t h e s o ft w a r e i n c lu d e s t w o p a rt : u p p e r p a rt a n d l o w e r p a rt . t h e u p p e r p a rt u s e s a c t iv e x t e c h n o l o g y t o d e v e l o p t h e s o ft w a r e s f u n c t i o n s i n o r d e r t o g e t m o r e fl e x ib l e . a n d w e g i v e t h e d e s i g n e m p h a s e s o f t h e l o w e r p a rt . a c t iv e x t e c h n o l o g y i s b a s e d o n c o m, t h e c o m t e c h n o lo g y i s a n e w m e t h o d o f d e v e lo p i n g s o ft w a r e ., w h i c h w i l l i m p r o v e t h e e ff i c i e n c y o f s o ft w a r e d e v e l o p i n g a n d m a k e t h e s o ft w a r e r e u s a b le . we u s e it t o d e v e l o p t h e u p p e r p a rt s o ft w a r e t h e c o n fi g u r a t i o n s o ft w a r e h a s b e e n u s e d i n p r a c t i c e k e y wo r d : f i e l d b u s , c o n fi g u r a t i o n s o ft w a r e , c o m, a c t iv e x , c o n t r o l s y s t e m 引言 -一 洲 一-一一一一. 一一-一 喊 一 一一 一一 . 一一 己百 y j . 1 社会的发展正由 工业时代向 信息时代迈进， 信息技术己 成为社会的一个基 本特征。不仅仅在经济领域、政治领域、教育领域、工业生产领域中，可以说， 信息几乎介入了 所有的领域， 在这些领域中， 信息发挥着越来越大的作用。 信息 技术主要得益于计算机技术、 通讯技术及其它相关技术的 发展， 它改变了 我们传 统的信息获取、 共享、 交流方法。 网络主要是互联网己成为全球的信息交互媒介， 它的发展使传统的数据访问、 共享、 分发方式发生了巨大变化， 甚至改变了信息 的表现、 分析方式。 这个时代要求我们去认识它， 把握它， 让信息技术更好的为 我们服务。 在工业自 动化领域，信息技术同样获得了广泛的应用，计算机技术、通讯 技术和自 动化技术的综合应用， 使得工业控制获得迅猛发展。 早期， 处于生产过 程底层的测控自动化系统， 采用一对一连线， 用电压、电流的模拟信号进行测量 控制， 或采用自 封闭的集散系统， 难以实现设备之间以及设备与外界之间的信息 交换， 使自 动化系统成为一个个“ 信息孤岛“ ， 无法为了总体的控制目 标使设备 之间、 设备与环境之间相互协调、 相互补充。 现场总线技术适应这种需要应用而 生。 可是说现场总线开创了工业控制的新纪元， 究其实际是信息时代信息技术在 自 动化领域作用的结果。 工业控制系统由硬件和软件组成，为了 适应不同的控制对象和控制目 标， 控制系统往往相当复杂， 以 适应不同的需要。 从简单的单回 路控制系统， 到大型 的工业现场控制系统， 采用的硬件不仅厂家不同， 而且标准不同。目 前用的最多 的d c s 控制系统，各个大公司的产品也是自 成体系，互不兼容。欲构建控制系 统， 不仅要完成硬件系统， 而且要完成软件设计， 才能使控制系统运转起来。由 于控制系统的 庞大性、复杂性、多样性， 如果采用逐个编程的方法去实 现的 话， 它的工作量是无法承受的。 因 此， 组态软件 简单的说就是快速开发控制系统 软件的应用软件， 应运而生。 组态软件是适应这种需要而产生的， 它大大减轻了 开发控制系统软件的工作量， 在控制系统中占 据了 举足轻重的地位。 现场总线和组态软件是相互促进的。现场总线使现场设备及现场设备与外 部环境之间通讯的标准化， 这样， 同一个组态软件， 能够在符合同一标准的现场 设备上进行软件组态， 使组态软件具有更大的通用性。 其实， 组态软件在现场总 线产生前就存在， 但现场总线的出现， 使其的用途更加广泛、 普遍。 组态软件的 作用对于现场总线控制系统比 起以前的控制系统来讲更为明显， 而组态的方便运 用使现场总线更快的成为 控制系统的主流。 控制系统是复杂多样的，同 样组态软件也是复杂多样的。传统的组态软件 总是为特定的控制系统所设计，这样应用范围总是局限在某一范围、某一产品、 某一系统。 在现实的控制领域中， 不仅仅具有早期的气动式控制系统， 还由大量 的d c s 控制系统，同时，现场总线控制系统正在成为主流的发展方向，这样决 引育 一一. 一一一一-一一 -. -一 - -、 一. 一 一 ， 一一-一，峨 一曲 一一 定了组态软件的多样性。 设计一个组态软件， 往往是先考虑下位的需要， 然后选 择上位开发平台。 完成组态软件后， 再利用它完成控制系统软件的二次开发。 开 发一个组态软件， 具有一定难度， 即使优秀的 程序开发人员也需要花费 很长的时 间， 而且往往适应范围比 较小。目 前在国内 外， 有各种类型的组态软件， 其中不 乏有一些是相当优秀的。 总的来讲，目 前的 组态软件品种繁多， 性能不一， 各有 优缺点:国外的软件功能完善、 通用性强， 但价格昂贵， 中小企业无法承受， 而 且存在界面汉化问 题， 往往又因为汉化不彻底而造成产品不成熟， 代码不开放而 不能增加控制功能块， 不能很好的满足国内 用户的要求; 国内的软件功能不够完 善， 通用性较差， 但价格较低。 在目 前的控制系统向 现场总线发展的情况下， 我 国中小企业的控制系统需要向 现场总线方向改造和发展， 这需要新的合适的组态 软件， 这种组态软件的 特点是:通用、 价格低、灵活性好、 适合现场总线等。 在这种背景下，如何开发一套尽可能通用的组态软件，来满足我国中小企 业技术改造的实际需要， 这是我们欲达到目 的。 新组态软 件的预期目 标: 组态软 件具有广泛的实际 应用价值， 而且即使组态软件的下位平台 发生改变， 或需求发 生了改变， 用尽可能少的代码修改就能够满足需要， 甚至下位平台发生改变时能 用相类似的方法来实现组态软件。 系统应当具有开发性、 可扩充性， 能够增加控 制功能， 下位库开放， 使客户能够在相同的参数条件下， 修改算法， 使系统适应 不同工况。为了达到这一目 标， 我们选用了l o n w o r k s 技术作为我们的下位开发 平台， 而上位软件则采用了以 组件为基础的a c ti v e x技术。 根据实际需要， 我们 给出了一种新的组态软件的设计方法和思想。 现场总线可是说是新事物，它是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术 的发展结果， 是工业自 动化事业的进展需要， 是技术发展的必然。 现场总线使得 控制系统的功能分散， 控制功能由 过去的控制室设备完成变为由智能化的现场仪 表来承担。 现场总线的规范即标准， 可以通过功能模块参数标准化， 实现不同厂 家产品的互操作和集成。l o n w o r k s 技术是现场总线领域重要的标准之一， 应用 十分广泛，所以我们的下位实现采用了这种技术。 目 前的软件开发领域，组件技术十分活跃，c o m / d c o m. e j b . c o r b a 就是组件技术的三大主流。组件技术一定程度上改变了软件的结构和开发方式。 组件是一种二进制兼容的代码级重用， 封装彻底， 组件通过提供接口 来提供服务。 在组件技术的模式下， 软件系统作为相互作用的对象的集合， 每个对象提供一定 的 服务， 发出 特定的消息， 并且一标准形式发布出 来， 以 便其他对象了 解和调用。 在我们实现的 组态软件上位部分中， 采用的是基于c o m技术的a c ti v e x控件， 每个控件对应于一个算法。 当 增加算法库的时候， 只要在上位增加相应的 控件和 相关的代码即可，可以说，用组件开发组态软件比传统方式更容易，并且用 a c t iv e x控件开发的组态软件，二次开发相对容易。 本文对组态软件的体系结构、内 容、设计思想和组态控制的设计和实 现进 行了研究， 在现有技术的基础上， 提出了一种图形控制组态软件， 其主要内容总 结如下: . 基于l o n现场总线， 作为下位实现的平台。 l o n总线作为一 种现场总线标 准，具有广阔的市场和良 好的前景。 . 基于a c t i v e x控件技术， 大大加快了 开发进程和软件重用性，使得系统的开 发具有快速、高效、可重用性等优点。 . 基于图 形界面的组态方式， 组态控制实现简单、易于使用。 . d d e 通讯方式是上下位通讯的基础。 在d d e基础上设计上下位通讯协议。 本论文的组织方式如下: . 第一章介绍现场总线的基本概念和基本理论， 对l o n w o r k s 总线技术作了 详 细的介绍。 . 第二章介绍了 现场总线控制系统及控制系统软件 指出了 组态软件在控制系 统中的重要地位。 . 第三章对现行组态软件的体系结构、 设计思想、 组态内 容、 实现方法等作了 具体的分析和研究。 . 第四章提出了欲实现的组态软件的框架，对框架作了解释。 . 第五章论述了组态软件的具体设计和实现。设计和实现包括具体的控制算 法、上下位通讯协议、上位软件和下位软件。 . 第六章对一些问题提出自己的见解，总结并指出组态软件进一步发展的方 向。 第1 章 现场总践 第1 章 现场总线 现场总线是我们实现的下位平台。 本章先讲述现场总线的定义， 然后讲述它 的结构和特点，最后比较详细的介绍了一种实际中广泛应用的现场总线-l o n 总线。 本文的实现是基于l o n 总线平台的。 1 . 1 现场总线的定义 在计算机科学中， 我们可以了 解到一些系统总线如数据总线、 控制总 线、 地址总线等概念， 如i s a总线和p c i 总线等等， 从某种意义上，总线 就是传送数据的通道。对具体的某一种总线来说，它是一个标准， 包括通 讯的标准。相对于网络而言，总线往往是指一个很小的范围，因为我们只 把在c p u 、 存储器等周围的数据连线当 成是总线。 而现场总线却超越这个 传统的思想，现场总线就是网 络，它是应用在工业控制中的网络。现场总 线通常用如下的定义: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、多分支结构的通信网络。 现场总线应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行 多节点 数字通信的系统中，又称为开放式、 数字化、多点 通信的底层控制 网络。开放系统互连模型和通信协议是现场总线的核心。 使用有现场总线通讯能力的智能现场设备是现场总线系统的本质特征 之一。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们都 具有了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的网络系统， 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，它把单个分散的测里控制设备变成网络节点，以现场总线 为纽带，把它们连成可以 相互沟通信息、 共同 完成自 控任务的网 络系统和 控制系统。 现场总线使自 控系统与设备具有了 通信能力，把他们连成网 络 系统，加入到信息网络的行列。 现场总线是8 0 年代中期发展起来的。 随着微处理器和计算机功能的不 断增强和价格的急剧下跌，计算机和计算机网络得到迅速发展，而处于生 产过程底层的测控自 动化系统， 采用一对一连线，用电 压、电流的模拟信 号进行测量控制，或采用自 封闭的 集散系统， 难以实现设备之间以 及设备 与外界之间的信息交换，使自 动化系统成为“ 信息孤岛“ ，严重影响了 各 生产单位之间的 协调、 优化控制和企业的集中 统一管理。 要实现整个企业 的信息集成，要实施综合自 动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运 行的、 性能 可靠的、造价低廉的通信系统， 形成工厂底层网络，完成现场 自 动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以 及生产现场与 第1 章 现场总线 外界的信息交换。 现场总线正是这种实际需求的驱动下应运而生的。 它作 为过程自 动化、制造自 动化、 楼宇、交通等领域智能设备之间的互连通信 网 络， 沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网 络之间 的联系，为彻底打破自 动化系统的信息孤岛创造了条件。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络， 又是一种全分布控制系统。 它作为智能设备的联系纽带， 把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备 连接为网络系统，并进一步构成自 动化系统，实现基本控制、补偿计算、 参数修改、报替、显示、及控管一体化的综合自 动化功能。这是一项以智 能传感器、 控制、 计算机、数字通信、网 络为主要内 容的综合技术。 现场总线是底层网络。现场总线可与因特网、企业内部网相连，且位 于生产控制和网络结构的底层。 通 过 现 场 总 线， 可实 现 现 场 设 备 之 间 的 信 息 共 享， 同 时， 可 将 控 制 室 与现场设备联系起来，实现信息共享，把现场设备的运行参数、状态、故 障信息传送到控制室，把控制、组态、维护命令送往现场设备，沟通了现 场控制设备与高层管理层次的联系。由于现场总线的特殊任务，它要求信 息传输的实时性强、可靠性高。 现场总线的出现，导致了目前的自 动化仪表、集散控制系统、可编程 控制器在产品的体系结构、 功能结构方面的变革，自 动化设备的更新换代。 出现了 智能化具备数字通信功能的数字仪表、具有监测运算控制功能的变 送控制器、具有检测温度压力流量于一身的多变量变送器、 带有控制模块 和故障信息的执行器。 1 . 2现场总线的系统结构 数字信号传输使现场总线打破了传统控制一对一单向 传输的结构，实 现了高 速、 双向、多节点传输，而且支持多传输介质和拓扑结构。 数字信 号提高了测量和控制精度，也加强了信号的抗干扰能力;一对传输线上能 挂接多个现场设备。 现场总线的系统结构如图1 . 1 . 现场总线 智能设备 图1 . 1 现场总线的系统结构图 第1 章 现场总线 1 . 3现场总线的网络体系结构 从本质上说， 现场总线就是一种通信协议， 是适合于工业控制要求的 通讯网络。现场总线中的通讯与计算机网络通讯不同，在现场总线中通讯 量小，信息传输任务相对简单，但实时性、可靠性要求高，因此，现场总 线在不同程度上对o r的七层通讯模型进行了 简化，尽量减少中间环节， 提高数据的流通速率，以 满足实时性。 现场总线一般采用o r模型中的物 理层、 数据链路层和应用层，根据需要增加了一个用户层用来定义功能块 f b和设备描述d d ， 其中d d好比设备驱动程序， 为不同产品的互操作提 供了 基础。 现场总线把现场节点连成类局域网 方式， 节点间共用传输介质 进行传输，所以数据链路层是现场总线的核心。现在国际上对数据链路层 的 介质访问 协议( m a c ) 提出了 三种协议: 集中 式轮询; 令牌总 线; 总线仲 裁器。 现场总线通讯协议和 o r的七层模型比较如下 ( 图 1 .2 ) : 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 系 统 9 $ 数据链路层 物理层 尸 m 夕护 m 3尸 m g 下 人 4 d l l p r 丫 图1 . 2 现场总线通讯结构与o s i 模型比较 令物理层 现场总线的物理层标准规定了 物理介质的类型以及用于传输数 据的信号协议。具体包括: . 传输介质支持屏蔽双绞线、无屏蔽双绞线、屏蔽多对双绞线、 多芯屏蔽电缆、光纤、射频电缆等 . 节点供电方式有两种:总线供电和独立供电方式。 .数据链路层 数据链路层采用i s a 数据链路层协议的 子集， 分为mac 子 层 第1 章 现场总线 和数据传送子层。 .应用层 应用层分为两个子层:fas 和 fms。 1 . 4现场总线的特点和优点 现场总线作为当 前控制领域的热点，具有自己的技术特点和优点， 现 总结如下。 1 . 4 . 1 现场总线的技术特点 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家设备之间可进行互连并实现 信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的 开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标 准的 共识与遵从。 一个开放系统， 它可以与任何遵守相同 标准的其它 设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统，必须是开 放的;开放系统把系统集成的权利交给了 用户。用户可按自己的需要 和考虑， 把来自 不同 供应商的 产品组成大小随意的系统。 互可操作性与互用性 这里的互可操作性， 是指实现互连设备间、 系统间的信息传送与沟通， 可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着对不同生 产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备 中完成，仅靠现场设备即可完成自 动控制的基本功能，并可随时诊断 设备的运行状态。 结构的高度分散性 由于现场设备本身可完成自 动控制的基本功能，导致现场总线已 构成 一种新的 全分布式控制系统的体系结构。 从根本上改变了现有d c s 集 中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠 性. 对现场环境的适应性 工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线， 是专为现场环 境工作而设计的， 它可支持双绞线、同轴电缆、 光缆、 射频、 红外线、 电力线等， 具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信， 并可满足本质安全防爆要求等。 统一组态 由于现场设备或现场仪表都引入了 功能块的 概念， 所有制造商都使用 相同的功能块，并统一组态方法。 ， 7 第t 章 现场总线 1 . 4 . 2 现场总线的优点 由 于现场总线的以上特点， 特别是现场总线系统结构的简化， 使控制 系统的设计、 安装、 投运到正常生产运行及其检修维护， 都体现出优越性。 . 节省硬件数量和投资 . 节省安装费用 . 节省维护开销 . 用户具有高度的系统集成主动权 . 提高了系统的准确性和可靠性 . 设计简单、易于重构 1 . 5现场总线的发展背景和趋势 计算机、控制、网络、通讯等信息技术的飞速发展，引起了自 动化系 统结构的变革。现场总线就是适应这一形势融合了多种技术发展起来的新 技术。 . 现场总线是综合自 动化的发展需要 综合自 动化要求在信息采集、加工的基础上，运用网络数据库技术， 实现信息集成，在信息集成的基础上，进一步优化生产和操作，增加 产量，提高企业的竟争能力。 . 智能仪表的为现场总线的出现莫定了 基础 具备通信功能、传送数字信号的智能仪表，能处理多个信息和复杂计 算。 . 现场总线朝着开放系统、统一标准的方向 发展 目 前，几种现场总线标准共存，但是，发展遵从同一的标准规范， 真 正形成开放互连系统是大势所趋。下面我们介绍现在常见的几种现场 总线，它们在各自 的领域中显示自己的优势。 1 . 6 几种有影响的现场总线技术 8 0 年代以 来， 有几种现场总线技术逐渐形成其影响并在一些特定的 应 用领域显示了自 己的优势，显示了强大的生命力。对现场总线技术的发展 继续发挥着较大作用。 . 基金会现场总线 基金会现场总线得到广泛支持和应用，它由美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公 司 和h o n e y w e ll 为 首， 联合欧美等几百 家公司 制订的 现场总 线协 议。 .l o nwor ks 由 美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布形成。下面我们将具体介绍它。 一.曰. 第1 章 现场总线 一 一一 - -一一月 一一一-一一， .p rof i bus p r o f i b u s是由德国国家标准d i n 1 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场 总线标准。 .c an c a n是由 德国b o s c h公司推出的用于汽车内部测量与执行部件之间 的数据通讯。 .har t 最早由r o s e m o u n t 公司开发的开发可寻址远程传感器高速通道的开放 通讯协议。 以上几种现场总线有一定的相似之处，但都形成了自己的标准和应用 领域，下面我们对l o n w o r k s 作比 较详细的介绍。 1 . 7 l o n w o r k s 技术和l o n 总线 l o n w o r k s 是一具有强劲实力的现场总线技术标准，它采用了i so / os i 模型的 全部 7 层通信协议， 采用了 面向 对象的设计方法， 通过网 络 通信设计简化为参数设置。 其通信速率从3 0 0 b p s 到1 . 5 m b p s 不等， 直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ， 双绞线) ， 支持双绞线、 同 轴电 缆、 光纤等多种通信介质。 l o n w o r k s 技术所用的协议为l o n t a l k ， 它是os i 参考模型面 向现场对象应用的一个子集。它比现场总线历来推荐的功能覆盖面更广， 如支持多介质、大网 络。 这为工厂制造自 动化的测、控、管一体化提供了 全局性的解决方案。 l o n w o r k s 提供 一 个 开 放 性强的 局 部 操作网 络 ( l o n ) ， 但 l o n w o r k s 控制网络又不同于一般的lon，它是针对控制对象研制的新型网络.其 特点是与通信介质无关，被优化成适于实时控制通信，以数据交换率和响 应时间来衡量网络性能。 1 . 7 . 1 l o n t o r k s 的技术核心 神经元芯片 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片( n e u r o n c h i p ) 。 该芯片 内部装有3 个微处理器cpu:一个用于完成os i 模型中第 1 和第2 层 的功能，称为媒体访问控制mac 处理器，实现介质访问的控制和处理: 第二个用于完成第3到第6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的 寻址和处理、函数路径选择、网络管理，并负责网 络通信控制、收发数据 包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码，从而完成用 户现场控制应用。芯片中还具有存贮信息缓冲器，以实现cpu 之间的信 息传递，并作为网络缓冲器和应用缓冲器。下图为 3个处理器和 存储器结 构的框图。 在控制单元中需要采集和控制功能， 为此， 神经元芯片特设置1 1 个i . 9. 第1 章 现场总线 1 0口。这些 1 / 0口 可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口，如r s / 2 3 2 、并口、定时 / 计数、间隔处理、 位1 / 0 等。神经元芯片还有一个时 间 计 数 器， 从 而能 完 成w a t c h d o g 、 多 任务 调度 和定 时 功能。 神 经 元芯 片 支 持节电 方式，在节电 方式下系统时钟和计数器关闭， 但状态信息( 包括ra m 中 的 信息 ) 不 会改 变。 一 旦1 / 0 状 态 变化 或网 线 上 信息 有 变， 系 统 便会 激 活。其内部还有一个最高1 .2 5 m b p s 、独立于介质的收发器。由此可见， 一个小小的神经元芯片不仅具有强大的通信功能， 更集采集、 控制于一体。 :- _ _ 二_ _ _ _ _ . _ _ _ _ . _ 二。 ， . . _ _ _ _ _ _ ; 共率存仲肠 图 1 .3 神经元芯片处理器和存储器 然而， l o n w o r k s 提供的不仅仅是一套高性能的神经元芯片， 更重要的是， 它提 供了 一套完整的开发平台。工业现场中的 通信不仅要将数据实时发送、 接收，更多的 是数据的打包、 拆包、 流t处理、出错处理。 这使控制工程师不得不在数据通信上投 入大a精力。l o n w o r k s在这方面提供了非常友好的服务， 提供了 一套完整的建网 工 1 . 7 . 2 l o n w o r k s 的通信核心网络变量 l o n wo r k s通信的核心是网络变量。网络变量是 l o n wo r k s通信协议 l o n t a lk 的具体实现形式， 属于表示层和应用层。 在应用中， 应用程序声明 网络变量，经过编译，网络节点中就建立了相应的数据结构和输沁输出缓 冲区。在网络建立时，将不同节点中的输入/ 输出缓冲区连接起来就组成了 网络变量。由于网络变量的建立和连接是分开的，因此可以大规模地生产 网络变量。 当应用程序写输出网络变量时，neur onchi p自 动将网络变 量打包，根据节点内的网络构造数据，选择相应的寻址方式进行传输。网 络上的其它节点根据报文中的目 的节点地址和输出网 络变量的选择码来更 新对应的输入网络变量，同时产生一个事件，通知应用程序网络输入变量 己经改变。 由此可见，网络变量的引入，简化了网络通信的设计。 第1 章 现场总线 1 . 7 . 3 l o n t o r k s的通信协议l o n t a l k l o n t a lk 是l o n w o r k s 的通信协议， 固化在神经元芯片内。 它是直接面 向 对象的网 络协议:为l o n w o r k s 通信设置框架，支持i s o / 0 5 i 模型 的7 层协议: 可使简短的 控制信息在各种介质中非常可靠地传输。 图 表1 .4 概括了l o n t a l k 协议在os i 模型中每层所提供的服务。 l o n t a l k 介质访问控制mac的特点: 介质访问控制( mac ) 子层是o s i 模型数据链路层( d a t a l i n k l a y e r . d l l ) 的 一 部分。cs ma / c d ( 载 波 监听多 重 访问 / 冲 突 检 测 ) 是 大家熟悉的mac 协议。csma分为坚持、非坚持和p 坚持三种方式。 l o n t a l k协议使用的是改进的cs ma / cd 介质访问控制协议， 称为 “ 预 测p 一 支持、时间片c9 ma / cd” ， p随网络负荷的状况而动态调整，当 网 络负荷变小时， p增大， 否则反之。 这样保留了cs ma / cd 优点的同 时，又克服它在控制中的不足。从而支持重负荷的网络。 。1 屏次 叫的 标 准 服 务l a n t o l 、 的 服务 处理公 1 物理县ie (#eit 1i n l, 嚼耀ld7 琉 f1r l fis1if q i f t!1 l, lieg e(s lmb 上位流的 透明传恰 提供介质、电气接口m a c 处理器 2 致抢链路层核结构: 流，控制 g g 5l k j l v盼 cr c仪 每 ; 扭 f m ，鉴 持 、 时 间 片 c 吕 m a t c d ;优先级 m a c 处理路 】 网续 名 足1 报 文 分 姐箱由 选 捧 地 址播由1 用 络 处 理 钳 4传翰层 蜻对 翻的可旅传输 a1 n .u 1$ s .i d ff 点 对 网络处理翻 ， 会话层 舞霍 蠢 歪 蔚 籍立 会 话 连 坛 并 管31 求 晌 应 、 闷 络 管 用络处理公 衰示县 簇魏 选择计算机与网 络配件; 选择开发组态软件、控制操作的人机接口软件n mi : 根据系统结构和控制策略及各智能现场设备具备的条件，分配功能块所 在位置; 通过组态软件，完成功能块之间的连接; 通过功能 块的 特征化， 设定功能 块参数; 网络组态; 下载组态信息到现场设备。 在所有一切完成后， 可以启动系统开始运行。 在设计中要考虑到目 前的 .曰. 第z 童 基于现场总线的控制系统 控制系统的主流是d c s控制系统， 在向f c s升级过程中，尽可能的保护已 有投资， 将f c s 与d c s 集成起来，达到共存的h的。 2 . 2 . 2 现场总线控制系统的软件部分 现场总线控制系统不仅仅是现场设备的智能化，处于灵魂的是它的软 件。作为一个控制系统， 软件是不可缺少的一部分，并且越来越占据更重要 的地位。像 d c s控制系统一样，现场总线控制系统仍然需要控制软件、系 统接口软件. 不过，现场总线控制系统软件在在它们的基础上有所发展和前 进并且具有自己的特色。 现场总线控制系统软件主要由以下几部分组成: .组态软件 包括通讯组态和控制线路组态。 生成各种控制回路， 通讯关 系。 明确系统完成的控制功能， 各控制回路的组成结构， 各回路采取的 控制方式与策略:明确节点间的通讯关系。以便实现各现场仪表之间、 现场仪表与监控计算机之间以及计算机与计算机之间的数据通讯。 .维护软件用于对现场控制系统软硬件的运行状况进行进行监测、 故障 诊断以及软件测试维护工具。 .仿真软件 用于对现场总线控制系统的部件， 如通讯节点、 网 段、 功能 模块等进行仿真运行，作为对系统进行组态、 调试、 研究的工具。 .现场设备管理软件 对于现场设备进行维护管理的工具。 .监控软件用于生产操作和监视的控制软件包。功能十分丰富，包括: 1 ) 实时 数据采 集 将现场的 数据送入计算机， 并放入实时 数据库。 2 ) 常规控制计算与数据处理 如标准p i d 、 积分、比 例、 滤波等 3 ) 优化 控制 在数学模型的 支持下， 完成监控层的各种先进控制功能， 如 专家系统、神经网络、 模糊控制、预测控制等 勺逻辑控制 完成开、 停等顺序启停过 程 5 ) 报警监视 监视生产过 程的 参数变化， 对信号 越限 进行相应的处理， 如 报警等。 6 ) 运行参数的 画面显 示 带有实时数据的流 程图、 棒图显示、 历史 趋势显 示等 7 ) 报表输出 完成生产报表的 打印 输出 8 ) 操作与参数修改 操作 人员人工修改 控制参 数、 报警值等 9 ) 其他部分 如数据库管理、文件管理、质量控制软件等。 功能 和实现是不相同的。 可以说，控制系统是复杂的、 ， 都符合一定的需要， 多样的。在组态软件 控制系统的功能就是控制和监测。 每一个控制系统， 第2 章 基于现场总线的控制系统 产生前， 要设计和开发一个控制系统， 确定系统方案后， 选择硬件的 任务不 大， 但是绝大部分的工作量在开发软件方面。 如果对每一个系统的每一种功 能， 都要编写程序来实现， 工作量太大了。 并且， 设 计出 来的软件适应性差， 不同的对象都要重新设计或修改程序; 软件的 功能也较差， 每次都要重新设 计。 这一切都不利于控制系统的广泛应用。为了 使控制系统能够更为容易的 应用于生产实践中， 组态软件就应运而生。 组态软件， 是用来快速开发控制 系统软件的应用软件。 组态软件， 减少了开发控制系统的工作量， 缩短了开 发时间， 降 低了开发 难度， 因 而在控 制系统软件中占 据很重要的 地位， 成为 不可缺少的部分. 可以这么说，如果没有组态软件，要完成大规模的控制系 统 是 不 可 想 象 的。 即 使 一 个 小 的 控 制 系 统， 如 果 没 有 组 态 软 件， 那也 要 优 秀 的程序人员而不是普通的控制系统开发人员所能完成的， 对于开发控制系统 的开发人员的要求超出了 现实所能达到的。 组态软件是控制系统软件的一个 重要组成部分。 前面我们已 提到， 现场总线的一个优点是控制功能下载， 控制功能由 过 去的 控制室设备转变为由 智能化的现场仪表来承担。 现场仪表集成了 微处理 器， r o m. r a m. e p r o m等， 并且具有它自己的操作系统和通讯协议， 这 些为组态软件的发展提供了良 好的基础. 现场仪表的下位控制参数部分可以 通过上位p c完成组态后下装。在控制系统的集中控制时代，软件组态应用 到现场设备是不太现实的， 因为现场设备都采用模拟仪表和模拟量传递. 到 了d c s 时代， 现场控制设备开始大量使用单片机和p l c ，由 于单片 机的 智 能化、 p l c的可编程性和操作站的使用， 使得组态软件应用广泛。 现场总线 控制系统和 d c s系统相比，现场总线控制系统的优点是开放性和标准化。 f c s 控制系统成为发展方向 后， 现场设备成为智能设备， 能够通过现场总 线 接受上位机的参数下装， 组态软件成为了 它的 特色软件， 组态软件的重要性 大大提高， 应用更为广泛。 第一章提到统一组态是现场总线的特点之一，由 于现场设备或现场仪表都引入了 功能块的概念， 所有制造商都使用相同的功 能块， 并统一组态方法，故组态软件在现场总线中的作用和地位愈发显得重 要。同样， 现场总线也会因为组态软件的通用性的提高而更快的成为事实上 的标准。组态软件和现场总线两者相互影响相互促进。 可见， 组态软件在控制系统中具有很重要的地位， 下一章我们将详细介 绍组态软件。 第3 章 组态软件 第3 章 组态软件 本章介绍组态软件。从组态软件的发展讲起，论述了组态软件的结 构、设计思想、 主要内容， 并且介绍了两种国内外常用的组态软件， 最后 针对组态软件的核心部分控制组态， 提出了一种通用的实现方案 基于 现场总 线的v i s u a l c o n t r o l c o n fi g u r a t i o n s o ft w a r e ( v c c ) 可视化控制 组 态软件。 3 . 1组态软件的产生和发展 在组态软件产生前的工业控制系统中， 很多软件功能( 如控制回路生成， 数据纪录点生成以 及图形报表等功能)的实现是由 软件人员的编程实现的， 工作量大的 惊人。 在确定了 一个系统的方案后， 选择硬件的任务并不大，而 绝大部分的开发工作量在软件，这样设计出来的软件适应性差，对于每个不 同的 应用对象都要重新设计或修改程序，用这种方法实现的软件功能较差， 因为每次都需要重新设计，难以保证质量。组态软件就是适应这个需要而开 发出 来的，它可以 适用于一大类应用对象，系统的执行代码部分一般是固定 不变的，为适应不同的应用对象，只需要改变数据实体 ( 控制回 路文件、图 形文件、报表文件等)即可，这样大大提高了系统的开发进度，又保证了系 统软件的成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。 所谓组态软件， 实际上是一组功能较强的软件包， 它有一个友好的人机 界面， 且不用编什么代码程序便可生成自 己需要的应用“ 软件” 。 组态软件没 有一个明确的定义，它是一个在操作系统平台上的一个应用软件，同时又是 工业控制系统的开发平台、面向用户的系统开发工具。用户不需要有专业的 编程知识，只要了解应用系统的功能和产生控制的过程， 就可以利用组态软 件来生成自 己的监控系统，因此，组态软件具有简单、 直观、易学、易用的 特点，以 所见即所得的特点与用户交互。 计算机技术的发展， 使一般p c能够胜任组态软件的开发任务， 而目 前 在p c上的主流操作系统是wi n d o w s ，组态软件也从以 前的d o s 时代发展到 了w i n d o w s 时 代。 w i n d o w s 的图 形界面 ( g u i ) 、 面向 对象编 程思 想、 组 件、 w i n 3 2 a p l . c / s等技术被用于组态软件的开发上， 使组态软件的发展同时具 有了以上的优点。它应用了 面向对象的技术，因此具有可重用性、可靠性、 连续性等特点， 满足了组态软件的要求; 它的图形界面具有良好的人机接口， 便于理解、 操作、开发等; 利用v c . v 1 3 等编程工具大大加快了组态软件的 开发进度。 现场总线技术作为控制技术的发展方向 后，组态软件必须适应这 个发展方向，支持现场总线标准。随着现场总线的发展， 过程控制系统将在 各方面受到总线标准的制约，同时这也使其构造的过程控制系统变得更加方 第3 章 组态软件 便，组态软件将愈来愈普遍，市场愈来愈大。 目 前， 工 业控 制的 组 态 软 件是 基于 系 统 平台 ( 例 如w in d o w s ) 的 大 型 应 用 软件，它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于 一身，包含动态显示、 报警、趋势、控制策略、i / o控制、网络通讯等组件， 具有极大的灵活性可适应性。同时向着几个方向发展: 1开放的体系结构为更好的实现组态软件的各种功能，采用开放的体 系结构( 例如c li e n t/ s e r v e r ) 必将成为组态软件更佳的选择。 2支持现场总线标准 现场总线是控制系统的发展方向， 组态软件和现 场总线将相互影响、相互促进。 3支持网络可以通过网络实现远程控制和组态。 4灵活性 为实现灵活组态的目 标，将更加注重灵活性。 组态软件的发展与计算机软件技术、硬件技术、网络技术和控制技术的 发展紧密联系在一起，这几种技术共同决定着组态软件的发展方向。 3 . 2组态软件的体系结构 组态软样是一个不断发展的应用软件，适应不同的需要，各个公司的产 品不相同，没有既定的、 特别的体系结构。 但是， 从早期的单机上位组态软 件通过v 0口 控制到现场总线的组态软件， 都是上下位结构。 从某种意义上， 它符合c l i e n t/ s e rv e r 结构。 在实际上， 许多组态软件的开发也是按c l i e n t / s e r v e r 模式进行的。我们用c li e n t / s e rv e r 结构去分析一下组态软件的体系结构。 3 . 2 . 1 c l i e n t / s e r v e r 体系结构 c l i e n t / s e r v e r ” 术语由 麻省剑桥的f o r r e s t e r r e s e a r c h 于1 9 8 9 年首 先提出，它代表了一种计算模式。随着关系数据库技术的长足进步，图形平 台的应用， w e b的大量应用，使得c / s 模式易于实现和使用。客户机/ 服务 器模式的独特性在于用户可以处于无处不在的计算环境，以各种不同的形式 和不同的状态，在需要的时间、地点对需要的人合理地使用系统资源，还能 把应用处理有机地加以集成，使之在适时、有序、有效的环境下运