（机械电子工程专业论文）基于web方式的远程测控系统的研究及实现.pdf

中文摘要 、远程测控是制造业、电力、水利等行业所一直期望解决的问题之一，随着通 信、网络、计算机技术的飞速发展，远程测控的实现在网络技术方面有了保证。 尤其是以t c p i p 为代表的i n t e r n e t 技术的发展，更给远程测控网的实现提供了 深厚的技术基础。但是应用在企业底层的控制网络较企业信息网络发展相对孤立 和滞后，为了实现生产现场的远程测控，必须实现控制网和信息网的融合，并在 、 信息网上发布，实现信息的共享。y f 本文在通过查阅大量的技术资料，并研究了工业控制网络国内外发展的最新 动态，提出了一种的远程测控系统的思想，使得目前已经逐渐广泛应用的现场总 线和以太网能够实现无缝连接，为企业的管控一体化奠定基础。文中对现场总线 进行了详细介绍，并重点研究了基金会现场总线、l o n w o r k s 总线、c a n 总线和 h a r t 等几种常用的现场总线。提出了远程测控系统的分层思想，研究了构建实 时数据发布的b s 、c s 结构的优缺点。论述了控制网络与信息网络相结合的必 然趋势，并以c a n 总线为例，重点对其关键设备通信控制器的进行了软硬件设 计。 技术 提出基于w e b 方式的远程测控系统的思想，使用b s 结构，微软a s p n e t 全新的数据库访问技术a d on e t ，来构建w e b 服务器，实现实时数据在 线发布和历史数据查询。针对火电厂输煤系统，设计其远程测控系统结构，以 w e b 方式实现实时数据发布及历史数据查询。 关键词：现场总线、网关、b s 结构、a s r n e t 、a d o n e t a b s t r a c t r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o li so n eo fq u e s t i o n st h a ta r en o tr e s o l v e di n m a n u f a c t u l 。i n g ，e l e c t r i cp o w e r a n d i r r i g a t i o n w o r k s n o w a d a y sc o m m u n i c a t i o n ， n e t w o r ka n dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e sn o wa r ed e v e l o p i n ga tv e r yh i g hs p e e dn e t w o r k l e c h n o l o g yg u a r a n t e e st h a t r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o li s p o s s i b l ee s p e c i a l l y w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n t e r n e t t e c h n o l o g y r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l n e t w o r kh a sat e c h n i c a lf o u n d a t i o nb u tc o n t r o ln e t w o r kt h a ti s a p p l i e d a tl o w e r c o n t r o ll a y e ri si s o l a t e da n dl a g g i n gt h a ni n t r a n e tf o rw ec a nm e a s u r ea n dc o n t r o li n r e m o t el o c a l e ，w em u s tm e r g ec o n t r o ln e t w o r ka n di n t r a n e t a tt h es a m et i m et h e i n f o r m a t i o ni si s s u e di ni n t r a n e ta n dw ec a ns h a r et h ei n f o r m a t i o n t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dan e wk i n do f t h o u g h to fr e m o t em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o la f t e rw er e f e rt o m a n yd a t a a n ds t u d yt h et r e n dn o w a d a y sa b o u ti n d u s t r y c o n t r o ln e t w o r ki tm a k e si t p o s s i b l et o l i n kf i e l d b u sc o n t r o ln e t w o r ka n de t h e m e t a n d l a y af o u n d a t i o nf o r m a n a g e m e n ta n d c o n t r o la tt h es a m et i m e t h i s p a p e r i n t r o d u c e sf i e l d b u si nd e t a i le s p e c i a l l yf el o n w o r k s ，c a n ，h a r te t ct h i sp a p e r b r i n g sf o r w a r d t h et h o u g h to fd e l a m i n a t i o na b o u tr e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l a n dd i s c u s s e st h ed i s a d v a n t a g ea n da d v a n t a g ea b o u tb sa n dc st h i sp a p e rd e s i g n s s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ra n db r i n g sf o r w a r dt h et h o u g h t o fb a s i n go nw e bm o d ei nr e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi nt h es y s t e mw e a p p l y b s s t r u c t u r e ，a s p n e tt e c h n i q u e ，a d on e tt e c h n i q u et op u tu paw e b s e r v e ri tc a nr e a l i z e d y n a m i cd a t a i s s u e d i ni n t r a n e ta n d l o o k u pt h ep a s t d a t a c o n v e y i n gc o a ls y s t e mi sm a d e a ne x a m p l eo ft h er e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 w ed e s i g nt h es y s t e ms t r u c t u r e ，i s s u ed y n a m i cd a t ai nw e bm o d ea n dl o o k u pt h ep a s t d a a k e yw o ! d s ：f i e l d b u s ，g a t e w a y , b ss t r u c t u r e ，a s p n e t , a d on e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：乏壑色盖日期：出嘭年弓月投日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 丕幺巨&导师签名：壅垦次 日期：a 矽，；年3 月7 文日 电子科技大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 远程测控系统发展简述 随着计算机、网络、通信等技术的发展，信息共享不仅给人们的生活带来了 巨大方便，同时在工业控制领域也引起了自动化系统结构的深刻变革。工业现场 控制信息不仅仅流动于控制层，而且会渗透到工厂自动化的各个层次，包括与企 业的信息网融合。现场总线技术代表了控制系统向网络化、全开放、全分散的系 统结构的发展方向，获得了广泛的应用和发展。把现在广泛应用的e t h e r n e t 及 t c p i p 技术应用到控制网络中可以实现企业控制网络与信息网的无缝连接，实 现全厂甚至世界范围内的信息共享，可以大大提高企业的生产效率。 控制系统结构经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控 制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统及现场总线控制系统等发展过程。 在5 0 年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表处于起步发展阶 段，所采用的仅仅是安装在生产现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表， 其信号仅在本地仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，各测控点处于 封闭状态，无法与外界进行信息交换j 操作人员只能通过生产现场的巡视来了解 生产状况。 ： r 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握现场多点的运行参数与信息， 并且同时按多点的信息进行操作控制；于是出现了气动电动系列的单元组合式仪 表。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，0 0 2 一o 1 m p a 的气压信号，o 一 1 0 m a ，4 - - 2 0 m a 的直流电流信号，1 - - 5 v 的直流电压信号等送往集中监控室， 操作人员可以在控制室内监视生产过程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按 需要组合成为复杂的控制系统。 由于模拟信号的传输需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，要想提高控制 响应速度和精度所需开销较大，信号传输的抗干扰的能力也很差，所以人们就想 用数字信号来代替模拟信号，于是出现了直接数字控制系统。由于当时的数字计 算机技术尚不发达，价格昂贵，人们就尽量用单台计算机来代替控制室内的所有 仪器盘，这就是集中式数字控制系统。但由于数字计算机的可靠性还较差，一旦 计算机出现故障，就会造成所有控制回路的瘫痪，这种危险的集中控制系统结构 电子科技大学硕士毕业论文 很难为很多生产过程所接受。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程 控制器以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统，这就是 现在很多企业采用的集散控制系统( d c s ) 。在d c s 系统中，测量变送仪表一般为 模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统，这种系统在功能、性能上比集中式 控制系统有了很大提高，可以在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。基于 以上优点，在我国的热电厂主控系统中，大多数采用集散控制系统。但是在d c s 系统形成的过程中，计算机系统比较封闭，各个厂家的产品自成系统，不同厂家 的设备不能互联在一起，难以实现互换与互操作，很难组成大范围的信息共享网 络系统。 新型的现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来 实现造成的缺陷，把封闭、专用的解决方案变成了基于公开化“标准化的解决方 案，即可以把来自不同厂商而遵循同一协议规范的自动化设备，通过现场总线连 成系统，实现了控制系统综合自动化的功能，把d c s 集中与分散相结合的集散 控制系统结构，变成了新型的全分布式结构，把控制功能下放到现场，依靠现场 智能设备本身的数字计算和数字通信能力来实现现场的基本控制功能和信息共 享，提高了信号的测量、控带怖传榆精度，为远程传送控制幂绣倩息刨帮条件， 本文中将结合火电厂公用辅助系统的输煤系统，底层采用现场总线j 空制系统，来 设计一基于w e b 方式的远程测控系统。 在现场总线控制网络中，现场总线是控制设备之间实现数字通信的联系纽 带，测控仪表作为控制网络节点具有高度的自治性。数字计算翻通信能力，并通 过现场总线连接成一个开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，同时现场总 线还可以与企业内部网i n t r a n e t 、i n t e r n e t 等连接实现远程信息共享。典型的现场 总线实现的控制系统结构如图1 - 1 所示。 这种网络结构一般可以分为以下几个层次： a ) i n t e m e t ：实现企业之间的信息交流； b 1i n t r a n e t ：实现企业内部管理、财务、办公等的信息化； c ) c o n t r o l n e t ：实现企业现场生产控制系统的设备级综合管理、调度与 监控、生产历史数据的记录等： d ) f i e l d b u s ：实现生产设备内部多个分布式子系统之间的实时通信。 2 电子科技大学硕士毕业论文 另外，还有设备级和传感器级的总线，如4 - - 2 0 m a ，0 5 v 直流信号等。 企业网 监控网 控制网 图1 - 1 现场总线控制网络系统结构 1 2 企业控制网与信息网的融合 现场总线技术代表了几十年来控制网络发展的最新成果，现在世界上有几十 种现场总线技术，其中有十多种在不同的领域中得到了广泛的应用。但是由手各 种现场总线代表了不同公司的研发投资和市场利益，。不同总绞的技术侧重面不 同，各有特色，各有相应的应用领域，。就目前各种现场总线技术来看，没有哪种 现场总线能够完成各种领域应用需要。多年来在现场总线国际标准制定过程中激 烈争论的结果就是在无奈和妥协中，把c o n i x o l n e t j p r o f i b u s 、酗枷缸、p n e t 、 w o r l d f i p 、s w i r n e t 、f f 的h 1 及其高速e t h e m e t ( h s e ) 等8 种现场总线同时接 收为i e c 的现场总线子集。有些虽未围，如c a n ，l o n w o r k s ，但在市场上却有 很大占有率，它们在特定领域的影响不会因为没有加入到i e c 的现场总线子集 就会消失。所以，多种现场总线共同完成控制现场的测控任务，是目前和今后一 段时间自动化领域的一个特点，也只有这样才能适应现场总线测控设备多态性和 用户多样性的要求。 ， 虽然现场总线在工业现场有很大优势，但是现场总线的距离有限，要想实现 企业自q 全球化生产，把生产数据直接传送到工厂，实现远程监控生产现场，必须 借助现在信息网的骨干i n t e m e t ，这是一种非常经济和有效的方法。把现场总线 通过企业信息网接入i n t e m e t ，可以在世界上任何地方监视并控制这些生产现场 电子科技大学硕士毕业论文 以及现场设备的运行状况和各种参数而不必亲临现场，可以节约大量的费用，而 且设备供应商也可以通过网络对自己的设备进行维护，对产品性能及时跟踪调查 以进一步改进设计。 i n l e r n e t 现在主要还是应用在办公自动化和日常生活中，通过i n t e m e t 人们可 以直接交换信息，给人们的工作和生活带来了很大方便。广泛应用于企业信息网 的以太网技术现在已经很成熟，1 0 m 1 0 0 m 已经得到广泛应用，1 0 0 0 m 网络已经 有很多产品，1 0 g 的网络也正在研究。把现有得到成功引用的以太网技术应用到 工业控制中，实现控制网络和数据网络的融合，成为控制系统结构的一个新的发 展方向，不仅可以为企业的管理和生活带来很多方便，提高企业的生产效率，而 且为控制网络走向全开放性、全分布式的网络结构奠定了坚实的基础。 但是从功能上数据网与控制网有不同的特点，数据网需要经常交换文档、报 表、图形以及语音、图像等多媒体信息，数据通信量较大，速度是数据网的主要 矛盾。控制网络主要用于完成工业现场的监控任务，它的网络节点除计算机和工 作站等外，更多的还是分布在工业控制现场具有计算和通信能力的测控仪表和传 感器等自动化设备，保证网络的可靠性和时间确定性是关键。 控制网络和数据网络相比，主要有以下特点： ， f 1 、控制网络主要用于生产生活设备的控制，对生产过程进行状态检测。监 视与控制，或实现家庭自动化；数据网络主要用于通信，提供文字、声音与图像 等数据信息的共享。 、 2 、控制网络要求具有高实时性和良好的时间确定性；传送信息多为短帧信 息，且信息交换频繁；容错能力强，可靠性安全性好、网络结构比较分散；而数 据网络则有时候要求能够传输大量数据。 数据网络和控制网络融合主要是把现在广泛应用的以太网和在控制网络中 占主导地位的现场总线实现互连，典型的网络结构如图1 2 所示。 其实，以太网技术已经在工业控制中得到了应用并且是在没有任何组织的推 动下的一种志愿行为。e t h e m e t 进入工业自动化领域首先是从远程i o 开始的， 这类产品最初用在基于p c 机的开放式控制系统。对于多路数字o ，最先采用 r s - 4 8 5 来连接远程i o 与p c 机，但是这种方式有个问题即p c 机本身不提供 r s 一4 8 5 接口及相应的p c 机软件；而绝大多数p c 机均提供e t h e m e t 接口，操作 系统也已经配备了t c p i p 协议，选择e t h e m e t 技术将数据传到基于p c 机的开 4 电子科技大学硕士毕业论文 放式控制系统，必然节省了系统的成本，而且人们对以太网技术也非常熟悉，为 系统的配置和移植等都带来了巨大方便。现在，几乎所有远程i o 接口技术的供 应商均提供一个支持t c p ，i p 协议的以太网接口，如西门子、r o c k w e l l 等，他们 的p l c 除了可以和专用的总线技术相连外，都可以通过e t h e m e t 与基于p c 机的 控制系统相连接。 企 图1 - 2 控制网与信息网结构图 基金会现场总线f f 被很多专家认为是最有前途的一种现场总线，其h 1 已 经被i e c 批准，现在f f 在制定其高速现场总线标准时，直接使用1 0 0 m 的e t h e r n e t 技术作为其标准，称为高速以太网( h s e ) ，有力的推动了e t h e m e t 作为高速现 场总线技术在工业控制网络中的应用。 现在国内外很多公司都在积极研究开发远程监控系统，目前主要有 c l i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e 南e r 两种模式，在后面的章节将会详细的阐述两种模 式的优缺点。在本文中会结合输煤系统设计采用b s 模式的远程测控系统，并利 用现有的w w w 技术，将采集到的数据直接组织成h t m l 文档，本地用户可以 通过控制网络、局域网，远程用户可以通过i n t e r a c t 对生产过程进行监控。这些 都离不开以太网技术和t c p f l p 协议。通过采用e t h e m e t 和t c p ，i p 技术，为远程 通过w e b 监控工业现场的生产情况带来了极大的便利，同时可以把各种生产数 据直接送到工业控制现场，提高了生产效率。 e t h e m e t 能够迅速进入工业控制自动化领域的主要原因有：一、低成本。大 多数计算机都有网卡，工业级的网卡也只是几百元人民币；而且以太网对于人们 来说都比较熟悉，可以显著的降低系统的开发、培训和维护费用。二、速度的提 高。e t h e m e t 从最初的i o m 发展到1 0 0 m ，现在已经有1 0 0 0 m 的产品。比现场总 线的速度快的多，每路以太网可以支持多路的现场总线连接。速度的提高也淡化 电子科技大学硕士毕业论文 了其本身固有的因碰撞而产生信息传输延时的随机性问题的缺点；网线也从同轴 电缆变为非屏蔽的双绞线，大大减少了安装费用，而且提供工业环境所需的抗噪 声隔离，对于强干扰场合，还可以采用具有良好抗干扰能力的光纤。 虽然对于一些控制设备可能会采用e t h e m e t 接口，但是e t h e m e t 技术不可能 完全取代现场总线技术。由于现场总线所处的特殊环境及所承担的实时控制任 务，现场控制层对通信量的要求较低，而工厂底层的设备量又很大，采用现场总 线与采用一般的局域网相比，。可以节省大量投资；现场总线可以在一条总线上挂 很多设备，而以太网为了连接和维护方便，在连接多个设备时需有集线器等设备， 增加了现场的布线，降低了系统的可靠性；而且很多现场总线可以实现总线供电， 具有防尘、防爆等很多工业现场必须的安全特性。因此现场总线依然会保持着它 在底层控制网络中的主导地位和作用。 控制网络与数据网络的融合必将和p c 机进入控制领域相似，将对工业生产 和家庭自动化产生深远的影响。 1 3 本论文所作的工作和论文的结构 通过查阅大量的技术资料，并研究了工业测控网络国内外笈展的最新动态， 本论文主要设计了一种基于w e b 方式的远程测控系统，并结合输煤系统给以实 现，使现在逐渐得到广泛应用的现场总线和以太网能够实现无缝连接，为企业的 管控一体化带来方便。给出了远程测控系统的网终结构，并重衷对其关键设备通 信控制器进行软硬件设计，为将来进一步的研究和实现奠定一定的基础。 本论文主要分为五章，第一章介绍了远程测控网络的发展历程，论证了企业 控制网络与信息网络相融合的必然趋势，并提出了远程测控系统的网络系统结 构。第二章研究了远程测控系统的网络结构和现场总线技术及常用的几种现场总 线，并对远程测控系统进行分层设计。第三章提出了基于w e b 方式的远程测控 系统，使用微软最新的a s e n e t 技术构建w e b 服务器，对输煤系统数据库进行 设计。第四章运用远程测控系统的思想，应用于火电厂输煤系统，实现输煤系统 的远程测控，并对其关键设备通信控制器进行软硬件设计，实现了输煤系统基于 w e b 方式的远程测控。第五章总结阐述了本论文的作用和意义，及今后有待继续 研究的问题。 6 电子科技大学硕士毕业论文 第二章远程测控系统的整体架构的研究 2 1 远程测控系统的网络结构的研究 本文研究的远程测控系统是由数据网络和控制网络相结合，以太网技术已经 非常成熟，因而以太网作为数据网络是无可争议的。目前，出现了最具生命力的 工业控制系统现场总线控制系统( f c s ) ，现场总线是应用于生产现场，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，它的关键是把网络 化、信息化的概念彻底引人到控制领域和工业现场的控制中，构建完整的控制网 络和信息网络。f c s 系统突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现 所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决 方案，把控制功能完全下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功 能。基于以上因素我们采用现场总线作为控制网络。 现有以太网的资源非常丰富，由以太网和控制网络相结合的远程测控系统是 种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。而连接以太网和控制网络的网关是该 系统的关键设备。目前该网关的组成方式有以下三种。 第一种是在2 0 世纪9 0 年代中期，人们采用p c 机+ 网卡寸采集插卡组成以太 网测控网关，进行协议转换，将由现场总线连接测控设备组成的测控系统接入以 太网，将管理p c 机放在以太网内，组成一个较大的自控系统。这种组成方式成 本很高，只适用于大的自控系统。 第二种是在近几年，人们采用嵌入式系统+ 以太网卡+ 采集卡来组成以太网 测控网关。嵌入式系统实际上是在硬件和软件上均可按用户需要进行剪裁的p c 机。例如，p c 1 0 4 实际就是一台没有显示器、键盘、硬盘、软盘的p c - 4 8 6 d x 计算机，有电子硬盘及各种i o 插口，可装入w i n d o w sc e 和其他p c 机应用软 件。所以，实际上它是第一种网关的简化和微型化。它的成本比第一种有所下降， 但价格还是较高。另外，利用了p c 机的软件，开发速度较快。 第三种是利用单片机加上以太网接口芯片和总线接口芯片组成以太网测控 网关。这实际上是嵌入式网关向大众化、普及化的进一步发展。它以单片机取代 p c 机，用以太网接口芯片取代以太网卡，用总线接口芯片取代采集卡，使测控 网关的价格大大下降。这就使得现场测控设备能以低廉的费用，以简捷的方式接 电子科技大学硕士毕业论文 入以太网，使以太网和控制网络相结合的远程测控系统成为一种低成本、高可靠 性、快捷的技术方案。数据网络和控制网络相结合的原理图如图2 - 1 所示。 图2 1 数据网络和控制网络的连接原理 由以上的分析可见，我们选择第三种网络结构方案，也就是采用网关即通信 控制器将数据网络和控制网络连接起来。现在我们来研究网络传输速度的问题。 首先数据网络目前主要采用以太网技术，1 0 m 1 0 0 m 以太网已经得到广泛应用， 1 0 0 0 m 网络已经有了很多产品，相信1 0 0 0 m 以太网技术不久蒯会非常成熟。网 络带宽远远大于网络流量时，以太网的冲突将会变的非常小，某种程度上说不会 影响数据的传输。对一般的控制网络，要传送的仅仅是控制命令和测量数据，数 据量不大，通常是几十k b s 到上百k b s ，因此通信控制器的以太网接口芯片的速 度( 1 0 m b s ) 和微处理器的速度就远大于网络实际流量，不会影响整个系统的速 度。系统的传输速率就取决于现场总线的通信速率； 远程测控系统在很多场合都要强调它的实时性，但以太网不是一个实时系 统。由于它的载波侦听碰撞检测( c s m m c d ) 通信方式，决定了以太网中i p 包 的传输会有延迟，甚至丢包，这是利用以太网组成远程测控系统最大的缺点。但 是，现在以太网的速度越来越快，百兆网甚至千兆网，或在一些小型封闭的局域 网中，当网络的繁忙程度大为减轻时，i p 包几乎没有碰撞，传输延迟、。丢包现 象就大大减小，因此不会影响测控系统的正常工作。 2 2 现场总线技术 “现场总线”这一名词的出现，已有十六、七年历史了。现场总线是连接工 业现场设备和控制室系统的全数字、双向、多站通信线路。在过程控制领域内， 它就是从控制室延伸到现场测量仪表、变送器和执行机构的数字通信总线。它取 代了传统模拟仪表单一的4 - 2 0 m a 传输信号，实现了现场设备与控制室设备间的 双向、多信息交换。 随着计算机技术和信息技术的发展以及企业管理水平要求的提高，企业、工 电子科技大学硕士毕业论文 厂要形成信息的集成，实施综合自动化，信息交换的需要正从管理、控制的各个 层次延伸到现场设备层。因此要求一种能在工业现场环境运行、性能可靠、造价 低廉的通信系统，形成工厂的底层网络，完成信息的交换，现场总线技术由此应 运而生。现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自 都具有了数值计算、数字通信和故障检测能力，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，将它们连 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。 因此，现场总线是连接智能现场设备和各类自动化系统的数字式、双向传输、 多分支结构的通信网络。现场总线技术是计算机、微处理器、计算机通信、检测 技术和控制技术的综合体现。现场总线控制系统既是个开放通信网络，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 点的各种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、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。 因此，现场总线综合了智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络等方面的内 容。 、 一 现场总线是新型启动化系统，又是低带宽底层控制，网：络。它可与因特网 ( i n t e m e t ) 、企业内部网o n u i ：a n e o 相连，且位于生产控制和网络结构的底层。现场 总线一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信 设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传到远离现场的控制室，并进 一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。一个现场设备的运 行参数状态以及故障信息等可以通过总线送往各相关的现场设备，因此沟通了生 产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。由于现场总线 所肩负的是测量控制的任务，因而它要求信息传输的实时性强，可靠性高，且多 为短信息传送。 2 2 1 现场总线出现的背景 随着科学技术的发展，全球化的进程的不断加快，全球性的市场已经初露端 倪，导致竞争日趋激烈，产品的技术含量增大，更新换代的间隔缩小。处于全球 9 电子科技大学硕士毕业论文 市场中的工业化生产已经转为以市场为导向，面向订单的生产。生产商必须能够 按照市场的需求灵活快速的调整产品品种的结构。同时还要努力改善质量，减少 能耗、物耗，降低成本；并不断完善售前售后服务。 为了适应市场竞争的需要，在追求生产优势的过程中，逐步形成了计算机集 成制造系统，它采用系统集成、信息集成的观点来组织工业生产，把市场、生产 计划、制造过程、企业管理、售后服务进行统一的系统的考虑。在技术上综合了 计算机、自动化、通信等技术来实现整个综合自动化过程。由于生产过程中的信 息的采集、传送和加工处理均需要运用信息技术，综合自动化就是在信息采集、 加工的基础上，运用信息技术、网络和数据库技术，实现信息的集成，在集成信 息的基础上进一步优化生产和操作，提高生产企业的市场应变能力和竞争能力。 在二十世纪九十年代，计算机和计算机网络系统发展迅速，：使不少企业已经 开始使用计算机网络进行管理，但是要实现位于企业生产过程中底层的生产设备 的测控自动化系统，必须能提供一种能在工业现场环境运行的、：性能可靠的i 性 价比合理的通信系统，用以实现现场自动化智能设备之间的数字通信，形成底层 网络系统，实现现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 一 传输信号的数字化是实现数字通信的基础。最初的智能化仪表是在原有模拟 仪表的基础上增加了微处理器芯片，可以进行复杂的计算，同时在原有的 4 - 2 0 m a 直流信号的基础上叠加数字信号，使现场与控制室之间的连接开始了数 字信号，如最早的脚数字通信协议。因此，最初的智能化仪表是模拟和数 字的混合仪表，其通信媒介是借助于原有的模拟信号的传输线，：接线是对的 布线方式，各厂商均有自己的通信协议标准，这种模拟和数字混合式仪表的出现 虽然推动了仪表的发展，但由于是建立在原有模拟仪表的基础上，数字化的优势 还没有得到充分的发挥。 以微处理器为核心的各种智能仪表的出现使具备通信功能、传输信号的全数 字化以及实现复杂应用提供了条件。从用户到设备生产商苦于通信标准的不统 一，不同厂商的设备之间不能互连、互通，阻碍了工厂底层网络的发展。此时需 要是统一的通信标准，只要是遵守相同标准的设各，就可以互连组成开放互连系 统。现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统。 1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总线标准( p r o e e s sf i e l d b u s ) ；1 9 9 4 年现场总 线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，f f ) 成立，并很快推出h 1 标准。一些在各自领 1 0 电子科技大学硕士毕业论文 域中占有优势的大公司也推出了不同的总线标准，如德国的b o s c h 公司的c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ，美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s ( l o c mo p e r a t i n g n e t w o r k ) 等。一时间，由于各种现场总线代表了各自公司和组织的利益，出现 多种现场总线标准并存的情况。 2 2 2 几种常用的现场总线 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。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。 一、基金会现场总线 基金会现场总线的前身是f i s h e r - r o s e m o u n t 公司联合f o x b o r o 公司、横河公 司、a b b 公司和s i e m e n s 公司等多家公司开发的i s p 协议和h o n e y w e l l 公司联合 其它公司开发的w o r l d f i p 协议。这两大组织合并后称为现场总线基金会，它是 国际上公认的唯一不依附于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织，其现场 总线标准随之称为基金会现场总线。 ， 基金会现场总线的主要技术特点： 1 ) 参考o s i 模型，设有物理层、数据链路层和应用层，另外还定义了用 户层。 2 ) 已公布的低速总线标准h 1 支持3 1 2 5 k b s 的波特率，高速总线标准h 2 可支持1 m k b s 和2 5 m k b s 的波特率。 3 ) 传输介质可为双绞线、同轴电缆、光纤和无线。 4 ) 拓扑结构：h 1 支持总线型或树型；h 2 支持总线型。 5 ) 介质访问采用令牌和查询通信为一体的技术，在一个网络中可以有多个 主站。开始时，仅有一个主站处于通信状态，允许其查询从站，查询结 束后通过特殊的帧，即令牌将通信状态传给下一个主站。 6 ) 标准化的功能块与功能块应用进程，可支持不同厂商产品的混合组态与 应用。 7 ) 设备描述与设备描述语言，便于控制系统对总线设备进行操作，同时是 互操作的基础。 电子科技大学硕士毕业论文 8 、低速总线h 1 采用本安型的总线供电，满足本安防爆要求。 9 1 完善的系统测试技术，总线产品须经过设备认证。 二、l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 总线是美国e c h e l o n 公司推出种综合测控网络。它可解决在控 制网络的设计、构成、安装和维护中出现的大量问题。目前，采用l o n w o r k s 技 术的产品越来越广泛的应用于工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域，l o n w o r k s 总线也成为当前最为流行的现场总线之一。 l o n w o r k s 技术特点： 1 ) 开放性：网络协议开放，对任何用户平等。 2 1 通信介质：为了适应控制现场各式各样的要求，l o n w o r k s 不仅可以使 用双绞线、同轴电缆，还可以使用光纤、无线电波、电力线以及红外光 波等多种介质。在同一网络中可以有多种通信介质。 3 ) 互操作性：l o n w o r k s 使用l o n t a l k 通信协议进行设备之间的控制信息交 换。l o n t a l k 协议最大的特点是对o s ! 的七层协议的支持，e o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 符合国际标准化组织( i s o ) 定义的开放互连( o s i ) 模型，在所有的现场总线中独树一帜。任何制造商的产品都可以实现互 操作。 ， 4 ) 网络拓扑：l o n w o r k s 可通过多收发器提供各种典型的拓扑结构系统， 如总线型、星形、环形、混合形等，这就为网络安装提供了极大的方便。 5 ) 网络结构：可以是主从式、对等式或客户服务器式结构。 6 ) 网络通信采用直接面向对象的网络协议，具体实现就是采用网络变量的 形式。网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连 接便可完成。 7 1 通信的每帧有效字节可从0 到2 2 8 个字节。 8 ) 通信速率依据通信媒介的不同，为3 0 0 b s - - 1 2 5 m b s 。速率为1 2 5 m b s 时，有效距离为1 3 0 m ：速率为7 8 k b s 时，有效距离为2 7 0 0 m 。根据需 要选择不同的通信媒介，包括双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。不 仅可以简化网络的安装，降低系统的成本，同时还可选择不同的数据传 输率以满足不同的自动化领域中不同的通信速率要求。 电子科技大学硕士毕业论文 9 ) l o n w o r k s 网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达3 2 0 0 0 个。 1 0 ) 提供开发工具平台：l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 。 11 ) 神经元芯片( n e u r o n ) 是l o n w o r k s 技术的核心，它不仅是总线的处理 器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术中所有关 于网络的操作实际上都是通过它来完成的。n e u r o n 芯片内部装有了3 个8 位微处理器、3 4 种i o 对象和定时器，计数器等，还内置l o n t a l k 协议。可满足实时性和接口的直观、简洁的现场总线的应用要求。 1 2 ) 采用可预测p 坚持c s m a ，大大改善了网络在重负载下的性能。 1 3 ) 可靠性：对于复杂的系统最大的问题是系统的不可靠，l o n w o r k s 的神 经元芯片使每个节点的应用变得很简单，减少了所使用的硬件类型：其 内部的l o n t a l k 通信协议具有检测应答、自动重发、请求响应等功能， 保证了通信的可靠性；各节点结构分散，易于隔离故障、实现冗余备份， 从而提高了系统的可靠性。 1 4 ) l o n t a l k 协议的链路层使用带预测的p 一坚持c s m a 的介质访问控制协 议，数据链路层还提供了可选择的优先级机制，低优先级的节点将比高 优先级的节点等待更多的时间，才进入带预测的p - 坚持c s m a 。 三、c a n 总线 c a n 最初由德国b o s c h 公司及其它几个半导体生产商开发出来的，起初是 为汽车的监控和控制而设计，现在已经应用于航空、电力、机械等行业，并且成 为i s 0 1 1 8 9 8 标准。 c a n 总线技术特点： 1 ) c a n 协议遵循i s o o s i 模型，采用了其中的物理层、链路层和应用层 三层结构。 2 ) 对等结构，网络上的任意一个节点随时可以主动向网络上的其它节点发 送信息，而且没有节点地址等信息。 3 ) 优先级设置，网络上的节点可以分为不同的优先级，以满足不同的传输 要求。 4 ) 独特的总线仲裁技术，当多于个的节点同时向总线发送信息时，通过 优先级比较，只有优先级最高的节点可以继续传送信息，其他节点均停 止发送信息。具有非破坏性。 电子科技大学硕士毕业论文 5 1 报文过滤机制，轻易实现点对点、一点对多点的传输方式。 6 1 通信距离最远1 0 k m ( 通信速率低于5 k b s ) ，通信速率最高为1 m b s ( 距 离小于4 0 m ) 。 7 ) 节点数最多可达1 1 0 个。 8 ) 数据传输采用短帧结构，每帧的有效字节数为8 个，传输时间短，受干 扰的概率低。 9 ) 出错检验，通过c r c 和其他措施保证数据的正确性。 1 0 ) 支持多种通信介质，包括双绞线、同轴电缆和光纤。 1 1 ) 节点自动关闭功能，在严重出错的情况下，c a n 节点可自动关闭，切 断与总线的联系。 四、h a r t 2 、 l h a r t 是h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基 金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有 模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过 渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。 它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命 令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为- 般行为命令，所提供的功 能可以在许多现场设备中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库：第三 类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金 会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发 现同时存在这三类命令。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场设备开发商采用这种标准语言 来描述设备特性，由h a r t 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设 备描述字典，主设备运用d d l 技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设 备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足 各公司要求的通信接口芯片。 h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器 与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 电子科技大学硕士毕业论文 2 3 远程测控系统的分层设计 传统测控系统主要是采用集散控制系统，对于它的优缺点前面已经有所讨 论，它的信息流主要是在设备层到主控室之间，而本文提出的远程测控系统是以 i n t r a n e t 为基础的，对企业信息进行自动采集、处理和实时发布，并能对工业现 场进行远程控制的计算机应用系统，