（控制理论与控制工程专业论文）现场总线lonworks在温湿度控制系统中的应用研究.pdf

塑堕盔堂堡圭兰竺兰兰一 摘要 、5 1 4 3 2 i 信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了自动化 领域的开放系统互连通信网络和全分布式网络集成化自控系统，而现场总线正是 这场深刻改革中的重要技术之一。 本文在对现场总线( l o n w o r k s 总线，c a n 总线，p r o f i b u s 总线，h a r t 总线) 和神经网络系统以及模糊控制温湿度控制系统作了深入分析和探讨的基础 上，建立了一种基于l o n w o r k s 的中央空调温湿度控制系统，针对原有系统 的中间环节过多、安装调试不便以及不能自主双向通信等缺点，结合实际课题， 提出了用l o n w d r k s 总线来代替原有的r s 4 8 5 总线的方案，将上位机和现场 控制系统构成一个整体，使之减少了中间环节、便于安装调试并且具有一定的智 能性。针对温湿度控制对象的大滞后特性，提出了模糊控制与p i d 控制相结合的 控制算法并完成了相关软件，给系统带来了了良好的鲁棒性。最后，编写了从以 太网到l o n w o r k s 的网关算法，并附上详细流程图和部分程序。经过计算机 仿真和试验调试，证明了以上方法的有效性，表明本系统具有较大的实用价值。 关键词：现场总线l o n w o r k s 神经网络模糊控制 塑查奎兰堡主兰焦竺茎一 a b s t r a c t t h er a p i dp r o g r e s so ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yl e a dt h em a r v e l o u sc h a n g ei n t h ea u t o m a t i z a i o nd o m a i n ，i ta l s of o r m st h ed i s t r i b u t e dn e t w o r ki n t e g r a t i o na u t o m a t i o n s y s t e ma n d t h ei n t e r l i n k a g ec o m m u n i c a t en e t w o r ko f o p e n i n gs y s t e mg r a d u a l l ? , 7 t h ef o r m e rc e n t e ra i r c o n d i t i o nc o n t r o ls y s t e mo f t e na d o p tt h es y s t e mb a s e do n r s 4 8 5b u s b u ta st h ep r o g r e s so ft h et e c h n o l o g ya n dt h ec e a s e l e s sr e q u i r e m e n t ，i t b e h i n dt h et i m e s b a s e do nt h ea n a l y s eo ft h en e u r o nn e t w o r k , l o n w o r k sa n df u z z y c o n t r o ls y s t e m , w ee s t a b l i s hac e n t e ra i r c o n d i t i o nc o n t r o ls y s t e mt os e t t l et h ep r o b l e m o fo v e r m a n yt a c h e ，d i s c o m m o d i o u s d e b u ga n d a u t ob i d i r e c t i o n a lc o n t r 0 1 i tu s e d l o n w o r k sb u si n s t e a do fr s 4 8 5b u ss oa st oi n t e g e r a t et h ec o m p u t e ra n dt h el o c a l c o n t r o ls y s t e m a i ma tt h ep r o b l e mo fe a s i n e s ss u r g ei nt h es y s t e ma d j u s t ，w os e tu pa c o n t r o la r i t h m e t i c d o p tt h em o d eo ff u z z y c o n t r o l i n t e g a t e dp i dc o n t r 0 1 i n t h i s w a n t h es y s t e mp o s s e s sn o to n l yn i c e rr o b u s tb u ta l s o e x a c tc o n t r 0 1 i nt h ee n d ，w o w r i t et h e g a t e a r i t h m e t i cf r o mn e t w o r kt o l o n w o r k s ，e n t i r ef l o wc h a r t a n ds o m e p r o c e d u r e b yt h ee m u l a t eo f t h ec o m p u t e ra n da c t u a lf i x ，w op r o v et h ee f f i c i e n c yo f o u rm e t h o d d u et ot h em i x t u r eu s eo fm a n ym e t h o d s ，w ea d v a n c et h e i n t e g r a t e f u n c t i o no ft h es y s t e mn o t a b l yt h ea c t u a lr e s u l tp r o v eo u rs y s t e mg o e sw e l la n dt a k e o ns o m e t h e o r ym e a n i n ga n db i g g i s h e x t e n d e dv a l u e k e y w o r d s ：f i e b u s l o n w o r k sn e u r o n n e t w o r k s f u z z yc o n t r o l n 塑堕查兰婴主茎垡笙三一 - _ _ _ 一 第一章绪 论 1 1 现场总线技术 随着控制、计算机、通信和网络等技术的发展，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， 逐步形成了以网络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。 1 1 1 现场总线的发展 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算 机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展， 而处于生产过程底层测控自动化系统，采用对一连线，用电压、电流的模拟信 号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外 界之间的信息交换，使自动化系统成为“自动化”孤岛。要实现整个企业的信息 继承，要实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业下场环境运行的、性能可 靠、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外界的信息交换。现场总线就 是在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 自动化、交通等领域现场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。 现场总线的技术特点有： 系统的开放性 互可操作性与互用性 现场设备的职能化与功能自治性 系统结构的离度分散性 对现场环境的适应性 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，并在一些特定 的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力， 塑堕奎兰堡圭兰竺丝三一 对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。它们是： 基金会现场总线 l o n w o r k s p r o f i 蔓 u s c a n h a r t 预计在今后一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几 种异构网络互连通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放 互连系统，已是大势所趋。 1 2 智能控制技术 自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科，自从1 9 世纪 j c m a x w e l l 对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程描述及稳定 性分析以来，经过2 0 世纪初b o d e ，n i c h o l s ，n y q m i s t 等人的杰出贡献，才形成 经典反馈控制的理论基础。二次大战中军事上的需要以及随后工业大发展的要求 又使自动控制理论取得了重大进展。这期间的控制理论主要是采用频率法对控制 系统进行描述、分析和设计，其中有很多有效的设计方法，如n y q m i s t 图法和根 轨迹法等。经典控制理论目前仍然在工业过程控制中发挥着重要的作用，解决了 许多控制问题。但对于解决大规模的复杂控制问题仍远远不够。 随着电子计算机的出现和迅速发展，计算相信息处理的不断提高，促使控制 理论向着更复杂更严密的方向发展。6 0 年代出现了以状态空间分析为基础的现 代控制理论。现代控制理论主要采用时域的状态空间方法：包括线性系统理论、 最优控制理论、系统辨识和随机控制理论等几个主要分支。由于现代控制理论所 采用的各种控制系统分析综合方法都是在取得控制对象数学模型基础上进行的， 而数学模型的精确程度对控制系统性能的影响很大，往往由于某种原因对象参数 发生变化使数学模型不能准确地反映对象特性，无法达到期望的控制指标。为解 决这个问题，自适应控制、鲁樟控制的研究便成为控制理论的研究热点。自适应 控制是在控制系统运行中根据对象或扰动的动态性能改变自动控制律的参数致 结构，以保证控制质量。主要有模型参考自适应控制和自校正控制器等。而鲁棒 控制则是在控制系统设计中就考虑对象参数的变化，使所设计的控制器不改变自 己的参数或结构就能够在对象参数有一定范围内的变化，保证控制系统的控制质 塑堕奎兰望主堂垒兰苎 量不变。八十年代由加拿大的z a m e s 等人创始的h 设计理论，是鲁棒性设计的 重要发展，目前仍然是控制界研究的热门课题。这些方法原则上还是没有摆脱基 于数学模型的定量化思想，理论上远非完善。 一 现代控制理论从理论上解决了系统的可观、可控、稳定性以及许多复杂系统 的控制闯题。但仍存在不少遗留问题和实际应用中的困难，如： 对大多数被控对象，难以建立精确的数学模型。 对于商维、强耦合，时变、非线性及分布参数等系统，仍然缺乏实用、简 便及有效的分析和综合方法。 传统的控制策略单一，不能适合高层决策问题。 随着科学技术的不断进步，人们所面临的问题越来越多，需要加以控制的 对象和过程交得越来越复杂，对控制质量的要求也变得日益严格，如机器入学、 人机系统、大系统，离散事件系统等一些大型、复杂和具有强烈非线性和不确 定性的系统进行有效而精确的控制就非常困难。在这种情况下，现代控制理论也 显得软弱无力，其局限性就日益突出。 正当人们为寻找一种新理论费尽心机时，人工智能由于得益于计算机科学技 术的飞速发展，已经形成一门学科，并在实际应用中显示出很强的生命力。与此 同时，控制界人们开始认识到，在许多系统中，复杂性不仅仅表现在高维性上， 更多的则是表现在系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性上，是否可 以改变一下思路。不要完全以控制对象为研究主体而是以控制器为研究主体呢? 能否用人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家系统等解决难以建立精确数学棋 型的控制问题呢? 可以说智能控制的出现就体现了这样一种思想。 1 2 1 智能技术的发展 能控制的思想最早来自傅京孙教授。他通过人一机控制器和机器人方面的研 究，首先提出将人工智能的直觉推理方法用于学习控制系统，将智能控制概括为 自动控制和人工智能的结合。他认为低层次控制中用常规的基本控制器，而在高 层次的智能决策，应具有拟人化功能。j m m e n d e l 教授进一步在空间飞行器 的学习控制中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。1 9 6 7 年，l e o n d e s 和m e n d e l 首次正式使用“智能控制”一词。从7 0 年代开始傅京孙、 g i o m i s o 和s a r i d i 等人从控制理论的角度总结了人工智能技术与自适应、自学习 和自组织控制的关系，正式提出了建立智能控制理论的构想。 1 9 8 5 年8 月在荚囡纽约p 砒、i e e e 召开的智能控制专题讨论会t 标志着智 能控制作为一个新的学科分支正式被控制界公认。从1 9 8 7 年开始，每年都举行 一次智能控制图际研讨会，形成了智能控制的研究热潮 智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法。它研究的主要目 标不再是被控对象，而是控制器本身。控制器不再是单一的数学模型解析型，而 是数学解析与知识系统相结合的广义模型，是多种学科知识控制系统。 智能控制具有以下基本特点： 智能控制系统应体现“智能递增，精度递降”的一般组织结构的基本原理， 即协调层次越高，所体现的智能越高； 开、闭环控制结合和定性决策与定量控制结合的多模态控制； 智能控制的基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系 统，以实现预定的目标，智能控制应具备学习功能、适应功能和组织功能； 同时具有以知识表示非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程， 即在信息处理方法上，既有数学运算，又有符号运算的逻辑推理； 智能控制是一门边缘交叉学科。 智能控制的概念是针对系统及其控制环境和任务的不确定性而提出来的。智 能控制过程是含有复杂性、不确定性、模糊性且一般不存在己知算法的非传统数 学公式化的过程。在智能控制过程中，以知识信息为基础进行推理和学习，用启 发式方法来引导求解过程，从而得以在大范围内实现快速自组织的目标。因此， 就智能控制过程而言，系统应当设计成为对环境和任务的变化有快速的应变能 力，而且要能完成各种难以用传统的分析数学和或统计数学方法定义得清楚的 任务。 智能控制针对系统的复杂性、非线性、不确定性而提出来的途径有： - 基于专家系统的专家智能控制： ，基于模糊推理和计算的模糊控制器； 基于人工神经网络的神经网络控制器， 基于信息论，遗传算法和以上三种方法的集成型智能控制 近年来，模糊逻辑控制和神经元网络控制的研究以及它们在控制领域的应用 取得了很大的进展，对于模型未知的复杂非线性系统或是动态特性常变的控制对 象，两者的不依赖精确数学模型的控制特性有着无可比拟的优势【”而工业过程 4 塑! 查茎堡主! 竺坚蔓生一 的对象一般都很难用精确的数学模型来描述m ，这就给智能控制技术在工业生产 中的应用提供了用武之地。 1 2 2 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 1 9 6 5 年la z a d e h 教授创立了模糊集理论并得到了较快的发展和实际的应 用成为智能控制领域中的一个重要分支。7 0 年代中期以e h m a m d a n i 为代 表的一批学者提出了模糊控制的概念，子1 9 7 4 年建立了第一个模糊控制器导致 了模糊控制应用技术的发展例，也标志着模糊控制的正式诞生。1 9 8 7 年，y i n g 在模糊控制理论中首次严格的建立了模糊控制器与传统控制器的分析解关系，特 别重要的是证明了m a m d a r d 模糊p i ( p d ) 型模糊控制器是具有变撑荔的非线性 p i d 控制器【 。近年来，模糊控制研究与应用更是得到了迅猛地发展 模糊控制的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总 结成一系列以“( 条件) n 遁n ( 作用) ”形式表示的控制规则，通过模糊推理得到 控制作用集，作用于被控对象或过程控制作用集为一组条件语句，状态条件和 控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”，“负大“高“低”， “正常”等。它们共同构成控制过程的模糊算法： ( 1 ) 定义模糊子集，建立模糊控制规则； ( 2 ) 由基本论域转变为模糊集合论域； ( 3 ) 模糊关系矩阵运算； ( 4 ) 模糊推理合成，求出控制的模糊子集； ( 5 ) 进行逆模糊运舞、判决，得至q 精确控制量； 模糊控制与常规控制方法相比有以下优点： ( 1 ) 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建 立数学模型，是解决不确定性系统的种有效途径。 ( 2 ) 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不 明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。 ( 3 ) 由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性。 ( 4 ) 控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑。 1 2 3 神经网络技术 神经网络的研究已有较长的历史，最早的研究是4 0 年代心理学家m c e u l l o c h 和数学家p 破s 合作提出的兴奋与抑制型神经元模型和h e b b 提出的神经元连接强 5 度的修改规则，他们的研究结果至今仍是许多神经网络模型研究的基础5 0 年 代、6 0 年代的代表性工作是r o s e n b i a t t 的感知机和w i d r o w 的自适应线性元件 a d a l i n e 1 9 6 9 年，n s 埘和p a p e r t 合作发表了颇有影响的p e r c e p t i o n 一书得 出了消极悲观的论点，加上数字计算机正处于全盛时期并在人工智能领域取得显 著成就，7 0 年代人工神经网络的研究处于低潮。进入8 0 年代后，传统的v o n n e u m a r m 数字计算机在模拟视听觉的人工智能方面遇到了物理上不可逾越的极 限。与此同时，r x u n e l h a r t 与m e e l e l t a n d 以及m c c l e l l a n d 等人在神经网络领域取 得了突破性进展，神经网络的热潮再次掀起。目前在研究方法上已形成多个流派， 最富有成果的研究工作包括：多层网络b p 算法，h o p f i e l d 网络模型，自适应共 振理论( a r t ) ，自组织特征映射理论等。人工神经网络是在现代神经科学的基础 上提出来的。它虽然反映了人脑功能的基本特性，但远不是自然神经网络的逼真 描写，而只是它的某种简化抽象和模拟。 人工神经网络的以下几个突出的优点使它近年来引起人们的极大关注： 可以充分逼近任意复杂的非线性关系1 1 1 ； 所有定量或定性的信息都等势分布贮存于网络内的各神经元，故有很强的 鲁棒性和容错性； 采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能； ，可学习和自适应不知道或不确定的系统； ( 5 ) 能够同时处理定量、定性知识。 从控制角度看，寻求高可靠、鲁棒性、适应性、智能型和简便易行的控制理 论方法，以满足控制复杂系统高维数、非线性、强干扰、不确定、难建模、时滞 未知、快速多变的要求。一直是控制学科追求的目标。而神经网络基于对生物大 脑结构、功能的模仿，因而具有强大的记忆功能，很好的容错性和可调练性i 州， 无疑为人们提供了一条新的思路和选择。 至今为止已有5 0 多种神经网络模型发表在各类文献中，神经网络从结构上 可分为前馈网络和反馈网络；从变量形式上可分为连续型网络和离散型网络；从 性质上可分为静态网络和动态网络。 但应当看到，智能控制虽然已有2 0 多年的发展历史，但目前仍只处于开创 性研究阶段，最多可以说进入了初期发展阶段。它的发展还育待我们大家的不断 努力。 在实际要求不断提高、环境越来越复杂、技术不断突飞猛进的今天，不断运 6 塑曼查兰曼主堂垒丝三一 用新技术是成功的关键。在中央空调温湿度控制这个特定的领域里，针对原有系 统的不足： 1 中间环节过多，容易出现误差： 2 安装调试不方便； 3 只能自主单向发送信息，不能及时处理发生的紧急情况； 我们设计了基于l o n w o r k s 总线的中央空调温湿度控制系统，选择 l o n w 锄s 是因为它功能强大，具有其它总线所不具备的优点，如：完整 的7 层协议、适用于最多的通讯媒介、可靠性强、安装与调试方便和智能节 点自由通信等。并且，l o n w o r k s 与以太网的连接非常方便，有功能强大 和方便的软件包可供使用。通过本文所设计的系统，中央空调温湿度控制系 统的整体性能将大为提高，不但能更加方便、高效，而且维修方便、调控及 时，更能满足用户的需要。 1 3 本文的组织 本论文的组织结构基本如下： 第一章：绪论 本章介绍了一些关于模糊控制技术和神经网络技术的背景资料。 第二章：现场总线的发展 本章论述了早期控制技术，然后介绍了现场总线技术的发展，分析了几种现 场总线的技术特点，并进行了比较。 第三章：1 0 n w o r 】娼总线 本章重点介绍了l o n w 0 r k s 现场总线，分析了它的特点，如七层协议和 网络变量，介绍了它的专用编程语言n e u r o nc 和通讯协议l o n t s i k 及一些工具 包，并对l 弼懈s 做了一些展望。 第四章：神经网络系统 本章介绍了智能控制技术的一些最新发展，包括分层递阶控制，模糊控制和 神经网络重点分析了我们实际采用的神经网络系统的技术特点，并介绍了它的 几种具体模型：b p 模型，h o p f i e l d 模型，a r t 模型和k o h o n e n 模型。 第五章：基于l o n 0 r k s 的中央空调温湿度控制系统 本章介绍了基于l o n w o r k s 的中央空调温湿度控制系统，对 l o n w o r k s 、模糊控制和p i d 控制在其中的应用做了详细的阐述。并且介绍了 l o n 网与以太网之间的网关算法和部分程序。 7 塑查盔堂塑兰兰些丝兰一 第二章现场总线的发展 2 1 早期控制技术 2 0 世纪5 0 年代前，第一代过程控制体系结构( 直动式或p c s ) 是基于( 3 1 5 ) p s i 的气动信号标准。随后的2 5 年，第- - 4 - 过程控制体系结构( 模拟式或a c s ) 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，即第三代过程控制体系结 构f c c s ) 。所谓集中控制是以计算机为基础加上扩展j o 接口而构成的。控制中 心是一台计算机。当然，它可以是单片机，也可以是个人计算机，或者是通用型 工业控制机。其扩展的i o 接口模板按不同的总线分成不同的系列，从最初的 s - 1 0 0 总线、p c 总线到后来被广泛采用的s t d 总线和m u l t l b u s 总线标准，等 等。其基本结构见图2 1 。i 6 j 图2 - 1集中控制结构示意图 这种结构如同主从式计算机网络一样有着与尘俱来的缺点，也就是由集中式 控制机制带来的缺点。这些缺点是l ： ( 1 ) 集中式的计算机控帝0 降低了系统的可靠性，风险高度集中。 ( 2 ) 模拟信号数字化的工作在计算机端，使得太多太长的现场连线通过各类 干扰环境到达现场，这些连线各自传递着不同性质的信号，有微弱电流、电压信 塑堕壁业型鲨生一 号，也有大功率的脉冲、丌关信号，加上环境干扰，使系统抗干扰的设计和实现 都十分困难。 ( 3 ) 开发大范围的系统比较困难。到了8 0 年代，由于微处理器被嵌入到各种 仪器设备，仪器设备的智能化从而产生了分缸式控制，即第四代过程控制体系结 构( d c s ) 。在这种体系结构中，多台微处理器分散在现场，它们之间利用高速数 据通道( d h w ) 连接在一起构成分柿式网络控制系统。它的结构示意图见图1 - 2 。 输入输出 图2 - 2d c s 结构示意图 分布式网络控制系统的多个基本调节器( b c ) 是以微型计算机为核心加上扩 展i 0 接口电路而组成的，担负着系统的基本控制任务。由于多台微型计算机 分散在现场进行控制避免了集中式控制系统风险高度集中的缺点。另外，由于 基本调节器可以靠近现场，使得现场连线大大缩短，便于实现大范围的系统控制。 数据通信、c r t 显示、监控计算机及其它外设的加入使得系统成为一个整体， 可实现集中操作、管理、显示以及报警，克服了常规仪表控制过于分散、人机交 互困难的问题。这就是人们常说的“分散控制、集中管理”的分布式控制系统的 特点。 有人曾尝试把成熟的l a n 技术用于分命控制系统的联网，实验证明，它存 在性能不匹配的问题，而且以传递大量数据、文件为目的的l a n 并不适合用作 以传递控制信息为目的的中、低传输速率网，另外还有一点是它不能适应恶劣的 工作环境，而d c s 体系结构仍然有许多不尽人意的地方，比如各公司都有各自 的标准，不能互联，所谓分散控制也不是完全彻底的，而所谓的数字化也仅是半 数字化而已。尽管这些年来，人们在d c s 的框架内做了很多使系统丌放的努力， 9 最终只能取得有限的改良效果，因此迫切需要有更佳的控制系统以实现真正意义 上的全数字化、开放、互联以及高可靠性。n 3 2 2现场总线 鉴于以上几种技术的缺陷，2 0 世纪8 0 年代厉期固际上出现了现场总线技术， 马上就成为了自动化领域的技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局 域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域 的发展产生重要影响。1 1 3 1 现场总线是一种多点、多站、多变量、全分布式智能、双向串行的数字通讯 链路，它直接沟通生产现场的测量、控制与执行设备，以及更高层( 如车间级) 的自动化控制设备；它不仅是一个网络，而且是一个开放式的控制系统l ”1 。 现场总线技术是实现现场设备数字化通信的控制网络通信技术，是一种全开 放性的、标准化的通讯协议。m 现场总线及现场总线控制系统( f c s ) 已成为目前世界自动化技术的熟点。 1 4 5 1 2 2 1现场总线技术的特点 现场总线技术具有以下特点： ( 1 ) 一对n 结构：一对传输线，n 台仪表，双向传输多个信号。这种一对n 结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或 现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。 ( 2 ) 可靠性：数字信号传输抗干扰性能强、精度高，无需采用抗干扰和提高 精度的措施，从而降低了成本。 ( 3 ) 状态可控：操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作状况， 也能对其进行多次调整，还可预测或寻找故障，始终处于操作员的远程监视与可 控状态下，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。 ( 4 ) 互换性：用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场 设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表出现故障，换上其它 品牌的同类仪表可照常工作，实现“即接即用”。 塑! 查竺堡圭兰竺竺苎一 ( 5 ) 互操作性：用户把不同制造商的各种品牌的仪袭集成在一起，进行统一 组态，构成他所需的控制回路。用户不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品而在 硬件或软件上花费力气或增加额外投资。 ( 6 ) 综合功能：现场仪表既有检涌、变换和补偿功能，又有控制和运算功能 实现一袭多用，不仅方便了用户，也节省了成本。 ( 7 ) 分散控制：控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪袭可构成控制凰 路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 ( 8 ) 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。这样，使组态变得非常简单，用户不 需要因为现场设备或现场仪表种类不同带来组态方法的不同，而进行培训或学习 组态方法及编程语言。 ( 9 ) 开放式系统：现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准全是公开的， 所有制造商都必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可 与同层网络互连，也可与不同层网络互连。另外，用户可极其方便地共享网络数 据库。 总之现场总线是高可靠性、低成本、组态简单、可互换、可互操作、分散控 制、方便运行、数据库一致的开放式系统。1 4 2 2 2 当前流行的现场总线 由于技术和利益的原因，且前国际上还存在若多种现场总线标准，比较流行 的主要有： 1 c a n ( c o n t r o l l , r a r e a n e t ，控制局域网络) c a n 是主要用于各种过程监测及控制的一种网络。它是由德国b o s c h 公司 为汽车的监测和控制而设计的，目前已逐步应用到其它工业部门的控制应用中并 己成为i s o 11 8 9 8 困际标准。 c a n 的技术特点： ( 1 ) c a r , j b u s 接口芯片支持8 位、1 6 位c p u ，可做成i s a 与p c i 总线的插卡 任意插在p c 、) 玎、a t 兼容机上，也可置于温度、压力以及流量萼物理量的变 送器中，构成智能化仪表。 ( 2 ) c a n e u s 的国际标准是i s o 11 8 9 8 ，c a n b u s 的规范是2 0 p a r t a ，p a r t b 。 塑! 奎主曼主茎垒兰奎一 ( 3 ) c a n 可以是对等结构，即多主工作方式，网络上任意一个节点可以在任 意时刻，主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。利用 这一特点，可以很方便地构成多机备份系统。 ( 4 ) c m q 网络上的节点，可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求。 f 5 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时， 优先级低的节点主动地停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输 数据，有效地避免了总线冲突。 ( 6 ) c a z i 可以点对点、点对多点以及广播式发送及接收数据。通信距离最远为 1 0 k m ( s k b s ) ，通信速率最高可达到1m b s ( 4 0m ) ，节点数目实际可达l l o 个。 ( 7 ) c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个。这样短的帧传输时间短， 受干扰概率小，重发时间短。每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了 数据的出错率极低。 ( 8 ) c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线 的联系，避免影响总线上的其它节点操作。 ( 9 ) 通信介质采用廉价的双绞线，无特殊要求。开发系统价廉，o e m 用户易操 作，用户接口简单、编程方便，很容易构成用户系统。 2 p r o f i b u s ( 过程现场总线) 过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是德圉标准，1 9 9 1 年在d l n t l 9 2 4 5 中公布了此标准。p r o f i b u s 有几种改进型，分别用于不同的场合。例如： ( 1 ) p r o f i b u s - - p a ( p r o c e s s a u t o m a t i o n ) 用于过程自动化，通过总线供电，提 供本质安全型，可用于危险防爆区域。 ( 2 ) p r o f i b u s - - f m s ( f i d d b u sm 醑s a g es p e 凼c a t i o n ) 用于一般自动化。 ( 3 ) p r o f i b u s 辨用于加工自动化，适用于分散的外围设备。 p l u s 引入功能模块的概念。不同的应用需要使用不同的模块，在一个 确定的应用中，按照p r o f i b u s 规范来定义模块，写明其硬件和软件的性能， 规范设备功能与p r o f i b u s 通信功能的一致性。p r o f i b u s 为开放系统协议， 为了保证产品质量，在德田建立了f z i 信息研究中心，对制造厂商和用户开放， 对其产品进行一致性检测和实验性检测。p r o f i b u s 已成为欧洲首屈一指的开放 式现场总线系统。f ”j 3 可寻址远程传感器数据通路( h a r t ) 可寻址远程传感器数据通路h a r t 是美国r o s e m o u n t 研制的。h a r t 协议 参照i s o 的o s l 模型的第1 、2 、7 层，即物理层、数据链路层和应用层。它主 要有以下特性： ( 1 1 物理层：采用基于b e l l 2 0 2 通信标准的f s k 技术，e ! o ：e ( 4 - - 2 0 ) e 认( d c ) 模拟信号上叠加f s k 数字信号，逻辑1 为1 2 0 0i - h ，逻辑0 为2 4 0 0 i i z ，波特率 为1 2 0 0 b s ，调制信号为土0 5 m a 或0 2 5 v ( 2 5 0 0 负载) 。用屏蔽双绞线单台 设备距离为3 0 0 0m ，而多台设备互连距离为1 5 0 0 m 。 ( 2 ) 数据链路层：数据帧长度不固定，最长2 5 个字节。寻址范围为0 - 1 5 ，当 地址为0 时，则处于( 4 2 0 ) n a p c ) 与数字通信兼容状态；当地址为1 - 1 5 时，则 处于全数字通信状态。通信模式为”问答式”或“广播式”。 ( 3 ) 应用层：规定了三类命令，第l 类是通用命令，适用于遵守h a r t 协议 的所有产品；第2 类是普通命令，适用于遵守h a r t 协议的大部分产品；第3 类是特殊命令，适用予遵守h a r t 协议的特殊产品。另外，为用户提供了设备 描述语言( d d l ；d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) t 4 现场总线基金会( f f ) 现场总线 现场总线基金会 ) 是嗣两；公认的惟一不附属于某企业的公正的非商业化的 田际标准化组织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，无专利许可要求供任 何人使用。f f 现场总线主要有如下特性： 1 时体系结构 除参照i s 0 o s i 模型的笫1 、2 、7 层，即物理层、数据链路层和应用层外， 另外增加了用户层。 2 ) 物理层p l ( p h y s i c a l l a y e r ) h 】为用于过程自动化的低速总线，波特率为3 1 2 5 k b s ，传输距离为 ( 2 0 0 1 9 0 0 ) m ( 取决于传输媒介) 。总线供电，提供本质安全型。h 2 为用于制造自 动化的高速总线，波特率为1 0m b s ( 7 5 0 m ) 或2 5 m b s ( 5 0 0 岫。传输媒介为双 绞线、同轴电缆、光纤和无线电波等。 h l 每段节点数最多为3 2 个，l 2 每段节点数最多为1 2 4 个，碰与h 2 之间 通过网桥( b r i d e e ) 互连。拓朴结构：h 1 为总线型或树型；h 2 为总线型。 e c 己 批准物理层标准( i e c h 5 8 - - 2 ) ，目前已有多家公司生产h 1 低速总线的专用芯片， 他们是h o n e y w e l l r o n a n 、v i s i 、y o k o g a w a 、s m a r 、f 域、s h i p ，s t a r , n a t i o s n a l s e m i c o n d u c t o r 等。 3 ) 数据链路层( d l l ) 塑! 奎茎堡主兰垫笙苎一 d l l ( d a t al i i l l c 脚e r ) 低层的基本设备b d ( b a s i cd e v i c e ) 功能：不能主动发起 通信，只能接收查询；链路主设备l m d ( l i n km a s t e rd e v i c e ) 在得到令牌时可以 发起一次通信；每个网段的l i v i d 中有一个链路活动调度器l a s ( l i n k a o t i v c s c h e d u l e r ) ，发起周期和非周期通信 d u 。高层( 数据传输) 功能：无连接数据传输，发送数据定向连接传输，请求 响应数据定向连接传输。 4 ) 现场总线访问子层( p a s ) f a s o f i e l db u s a c c e s ss u b l a y e r ) 提供3 类服务：发布索取( p u b l i s h e r s u b s c r i b e r ) ：客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) ：报告分发( r e p o r td i s t r i b u t i o n ) 这 3 类服务被称为虚拟通信关系( v c r ：v w t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p s ) 。 5 ) 现场总线报文规范i f m s ) f m s ( f i e i d b u s m e s s a g i n g s p e c i 矗c a t i o n ) 规定了访问应用进程a p ( a p p l i c a t i o n p r o c e s s ) 的报文格式及服务，f i l l s 与对象字典o d ( o b j e c t h d i c t i o n a r y ) 配合，为现 场设备规定了功能接口。f m s 通过调用v c k ，在现场设备之间传递报文。 上述f a s 和f m s 构成应用层a l ( a p p h c a t i o nl a y e r ) 。 6 ) 用户层c o l ) 用户层u l ( u s e r l 矗y e r ) 规定了2 9 个标准的“功能模块”f b ( f u n c t i o n b l o c k ) ， 其中基本功能块1 0 个，先进功能块7 个，计算功能块7 个，辅助功能块5 个。 功能块由输入、输出、算法和参数四大要素组成。功能块参数分为3 个层次：第 1 层由f f 定义，第2 层由用户集团定义，第3 层由制造厂定义。 为了支持功能块模型的标准化和互操作性，f f 定义了两个工具，即设备描 述语言( d d l ) 和对象字典( o d ) ，用来定义和描述a p 的“网络可见的对象”，如 功能块及其参数。另外还有网络管理n m ( n e t w o r k m a n a g e m e n t ) 和系统管理 s m ( s y s t 锄m a n a g e m e n t ) ，这里不再论述。 5 l o n w o r k s 总线 l o n 是美田e c h e l o n 公司于9 0 年代初推出的一种局部操作网络系统的简称， 而l o n w o r k s 是为了支持l o n 总线而开发的一种功能先进的现场总线技术，它 是当前流行的众多现场总线技术中较为完善的一种。t , q l o n w o r k s 技术的优势是 将通讯协议固化于n e u r o n 芯片中，并且提供套完整的开发与建网工具： l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 。这样，用户可以少关心网络的通讯，而集中于节点 的具体应用与开发。l o n w o r k s 技术极大的方便了用户，也促进了该技术的推广 应用。【舯】目前已广泛应用于智能建筑、家庭自动化、过程控制、商业、汽车、 电子等领域。1 4 1 1 4 下而县备种现场总臻幛熊比翳表 综上所述，现场总线对当今的自动化带来以下7 个方面的变革： ( 1 ) 用一对通信线连接多台数字仪表代替原来一对信号线只能连接一台模拟 仪表的情况； ( 2 ) 用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式； ( 3 ) 用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表； ( 4 ) 用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站； ( 5 ) 用现场控制系统f c s 代替集散控制系统d c s ； ( 6 ) 变革传统的信号标准、通信标准和系统标准； ( 7 ) 变革传统的自动化系统的体系结构、设计方法和安装调试方法。 自动化领域的这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次，必将开创自动控制 的新纪元。( 1 3 j 塑塑叁兰堕! ：兰垡笙兰 一 一一 第三章l o n w o r k s 总线 3 1l o n w o r k s 综述 现场总线产品l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ，局部操作网络) 网络t 简称l o n 网。l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司研制的( 也许对l o n w o r k s 产品来说用通用测控网络这个名字更为恰当) 。相比上述的各种现场总线， l o n w o r k s 网络完全满足了未来发展对测控网络的要求。未来的发展要求测控 网络应具备如下条件：l ”1 ( 1 ) 开放性：网络协议必须是丌放的，并且对任何用户都是平等的； ( 2 ) 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作； ( 3 ) 通信媒介：可用任何传输媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、 同轴电缆、无线电波和红外光波，并且多种媒介应能够在同一个网络