（控制理论与控制工程专业论文）基于工业以太网和现场总线技术的控制站.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着生产过程的自动化，集散控制系统( d c s ) 已越来越广泛应用于各种工 业领域，并将会成为工业控制系统应用的主流。d c s 属于不断发展的控制系统， 每一种新技术的应用都推动着它的发展。目前现场总线技术和工业以太网的广泛 应用，特别是两者和d c s 的结合，使集散控制系统拥有新的竞争力。 以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问冲突检测c s m a c d 的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总 线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其他 工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。以太网应用到工业控制系统之 后的网络称为工业以太网。现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的 一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点，多站的通信网络， 被誉为自动化领域的计算机局域网，在制造业，流程工业、楼宇等方面的自动化 系统具有广泛的应用前景。 本文的主要内容是研究开发基于工业以太网和现场总线技术的控制站，它的 核心是控制卡，它负责协调控制站内的所有软硬件关系和各项控制任务，它采用 c a n 总线通信协议采集各i o 模块的数据，采用工业以太网与系统的工程师站 和操作员站进行通讯。它的功能和性能将直接影响系统的可用性、实时性、可维 护性和可靠性。所以本文重点讲述了控制卡的硬件设计和软件设计，并介绍了用 到的相关基础知识，如c a n 总线及其通信控制器s j a l o o o 和驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 的知识等。 控制卡是e m c o r e - n 5 1 l v l 微型主板上扩展的板卡，不但扩展了c a n 总线 接口，还通过t l l 6 c 5 5 4 扩展了r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 4 2 2 接口，以扩大控制卡的应用 范围。并且，因为c a n 控制器s j a l 0 0 0 采用地址数据总线复用结构，而p c i 0 4 总线却是地址数据总线分离结构，所以在设计时，采用c p l d 器件e p m 7 1 2 8 进行 总线转换与驱动，实现了地址数据总线的分离。在设计c a n 总线接口时，还采 用了环回电路的结构，以提高系统的可靠性。 山东大学硕士学位论文 控制卡的软件设计是以s o c k e t 编程为底层，采用t c p 协议来定义的数据 结构，因此本文对s o c k e t 的基础知识进行了简单介绍，并详细描述了自定义 的数据结构。 控制站采取了双控制卡冗余的设计，为系统安全稳定的运行提供了可靠的保 障。 控制卡最多可挂接6 4 个u o 模块，可以根据实际需要来选择i o 模块。本 文介绍的f o 模块为热电偶输入模块，包括模块的硬件设计和软件设计，重点介 绍了测量原理、测量程序的设计和通信程序的设计。 关键词：集散控制系统现场总线工业以太网p c i 0 4c a n 总线控制器 儿 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d c si sa p p l i e dw i d e l yi na l lk i n d so fi n d u s t r i a lf i e l da l o n gw i t ha u t o m a t i z a t i o n o fp r o d u c t i o np r o c e s s , a n dw i l lb et h em a i n s t r e a mo fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m a p p l i c a t i o n s i ti sad e v e l o p i n gc o n t r o ls y s t e m a p p l i c a t i o n so fe v e r yn e wt e c h n i q u e a l lp r o m o t ei t sd e v e l o p m e n t n o wb r o a da p p l i c a t i o n so ff i l e d b u sa n di n d u s t r i a l e t h e m e t , e s p e c i a l l yt h ei n t e g r a t i o no ft h eb o t hw i t hd c s ，m a d ed c ss y s t e mm o r e c o m p e t i t i v e 1 1 1 eb a s i cc h a r a c t 凹o fe t h c r n c ti st h a ti ta d o p t sak i n do fs h a r i n g 绷船s c h e m e c a l l e dc s m l v c d t l l i sm e a n ss e v e r a lw o r k s t a t i o n sc o n n e c to no n eb u s , a n da l l w o r k s t a t i o n sc e a s e l e s s l ys e n dm o n i t o rs i g n a lt ot h eb u s b u ta tt h es a m et i m eo n l yo n e w o r k s t a t i o nc o u l dt r a n s m i ts i g n a lo nt h eb u s ，o t h e r sm u s tw a i tw h i l ei tf i n i s h e s t r a n s m i t t i n g n 嵋e t h e m e ta p p l i e di nt h ei n d u s t r yi sc a l l e di n d u s t r i a le t h e r n e t f i e l d b u si sak i n do fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hi sw h o l ed i s t r i b u t e d , w h o l e d i g i t a l ，i n t e l l i g e n t , b i d i r e c t i o n a l ，i n t e r c o n n e c t e d , m u i t i v a r i a b l e ，m u l t i p o i n ta n d m u l t i - s t a t i o n , a n di su s e db c t w o c nl o c a lm e t e ra n dc o n t r o ls y s t e mo rc o n t r o lr o o m a n di ti sr e s p e c t e da sc o m p u t e rl o c a ln e t w o r ki na u t o m a t i o nf i e l d i tc a nb e 谢d e l y u s e di na u t o m a t i o ns y s t e mi nm a n yf i e l d ss u c ha sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , p r o c e d u r e i n d u s t r ya n db u i l d i n g n 圮t h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dac o n t r o ls t a t i o nb a s e do i li n d u s t r i a l e t h e m e ta n df i l e x i b n s 1 1 圮c o r eo ft h ec e n t r e ls t a t i o ni sc o n t r o lc a r d , w h i c h c o r r e s p o n d st h e c o n n e c t i o n o fi t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，a n de v e r yc o n t r o l a s s i g n m e n t i ta d o p t sc a n b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt oc o l l e c td a t ao fe v e r yf o m o d u l e ，a n da d o p t se t h e m e ti n t e r f a c et oc o m m u n i c a t ew i t he n g i n e e rs t a t i o na n d o p e r a t o rs t a t i o n i t sf u n c t i o na n dc a p a b i l i t yw i l ld i r e c t l ya f f e c tu s a b i l i t y , r e a l - t i m e c a p a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m s ot h et h e s i se m p h a s i z e s s o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o lc a r d , a n di n t r o d u c e sr e l a t e db a s i c k n o w l e d g e ，l i k et h ek n o w l e d g eo fc a n b u sa n di t sc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r 山东大学硕士学位论文 s j a l 0 0 0 a n dd r i v e rp c a 8 2 c 2 5 0 1 1 惦c o n t r o lc a r di se x t e n d e de m c o r e n 5 1 1 v lm i n i s i z em a i n b o a r d , n o to n l y e x t e n d si n t e r f a c eo fc a n b u s b u ta l s oe x t e n d si n t e r f a c eo fr s 2 3 2a n dr s 4 8 5 ，4 2 2 t h r o u g ht l l 6 c 5 5 4 ，i no r d e rt oe n l a r g ea p p l i c a t i o nb o u n do fc o n t r o lc a r d b e s i d e s ， b e c a u s ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l 盯o f c a n b u ss j a l 0 0 0a d o p t sa d d r e s sa n dd a t ab u s r e p e a t e du s e dc o n f i g u r a t i o n , w h i l ep c i 0 4b u sa d o p t sa d d r e s sa n dd a t ab u ss e p a r a t e d c o n f i g u r a t i o n , w ea d o p t sc p l dc h i pe p m 7 1 2 8t om a k eb u sc o n v e r ta n dd r i v e t h e r e b yr e a l i z e sa d d r e s sa n dd a t ab u ss e p a r a t e d w ea d o p tl o o pc o n f i g u r a t i o nw h e n d e s i g nt h ei n t e r f a c eo f c a n b u st oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m n 比s o f t w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o lc a r du ss o c k e tp r o g r a m m i n g ，a n da d o p t s t c pp r o t o c o lt od e f m ed a t as t r u c t u r e s ot h et h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h e b a s i c k n o w l e d g eo fs o c k e t , a n dd e s c r i b e su s e r - d e f m e d d a t as t r u c t u r ei nd e t a i l t h ec o n t r o l l e rs t a t i o na d o p t sr e d u n d a n td e s i g no f c o n t r o lc a r d si no r d e rt oe n s u r e t h er e l i a b i l i t yo f s y s t e mw h e nr u n n i n g 1 1 1 ec o n t r o lc a r dc a nc o n n e c t6 4f ob l o c k sa tm o s t w ec a l lc h o o s ei 0b l o c k b a s e do nr e a ld e m a n d t h eb l o c kt h i st h e s i si n t r o d u c e si st h e r m o c o u p l ei n p u tb l o c k , i n c l u d i n gs o f t w a r ed e s i g na n dh a r d w a r ed e s i g n , e s p e c i a l l ym e a s n r ee l e m e n t s ，d e s i g n o f m e a s u r ep r o g r a ma n dc o m m u n i c a t i o np r o g r a m k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m f l e l d b u si n d u s t r i a le t h e m e t p c 】0 4c a n b u sc o n t r o l l e r i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盈叠 日期：丝! ：鱼：塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逸叠导师签名 山东大学硕士学位论文 1 1d c s 的定义 第一章d c s 系统综述 d c s 即分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n ls y s t e m ) ，在一些资料 中也称集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系 统，是在集中式控制系统的基础之上发展，演变而来的，是继基地式调节器( 变 送、指示、调节一体化的仪表) 、气动、电动单元组合仪表、直接数字控制d d c 系统( d i r e c td i g i t a lc o n 的l ) 以及监督计算机控制s c c ( s u 】，e r s 0 1 w c o m p u r e rc o n t r o l ) 以后又一新兴的自动化控制系统。d c s 系统基于被控过 程本身具有层次性和可分割性的事实，而使用了多台计算机分担了控制的功能和 范围，使处理能力大大提高，并将危险性分散，以其高度的可靠性、方便的组态 软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点，得到迅速的发展，成为计算机 工业控制系统的主流n 1 。 1 2d e s 的发展 集散控制系统是1 9 7 5 年首先由美国的霍尼威尔( h o n e y w e l l ) 公司推出的。由 于当时过程工业控制应用中采用模拟电动仪表控制系统难于解决有关的控制问 题，采用计算机的直接数字控制也难以克服，它们是：生产过程规模的不断扩大， 使得中央控制室的仪表数量越来越多，操作人员对过程的监视和操作的要求也越 来越高，原来的模拟仪表难以胜任；仪表技术和其他高新技术一样，发展的速度 很快，更新和换代的周期越来越短，工业技术的发展要求仪表控制系统能适应它 们发展的需求：当时计算机已经在工业控制领域开始应用，它具有的数字化控制 算法使控制系统实施变得方便，更改也十分容易，但是，由于它价格昂贵，采用 的是直接数字控制d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 或监督计算机控制 s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t ec o n t r 0 1 ) ，因此如何把因计算机的故障造成的危害减 小，是危险性分散，成为应用计算机控制系统首要解决的问题“” 妊 山东大学硕士学位论文 集中和综合的操作和监督要求对全厂，各车间和工段级的控制和操作，有相 应的数据通信联系，它不仅要求大量的数据传递，也要求有高速的数据传输速率。 d c s 系统就是在这种情况下产生的。 第一代d c s 是指诞生在1 9 7 5 - - 1 9 8 0 年间所出现的第一批系统，一般以 h o n e y w e l l 的t d c - 2 0 0 0 为模型。这个时期的系统比较注重控制功能的实现，因 此系统的设计重点是现场控制站，各个公司的系统均采用了当时最先进的微处理 器来构成现场控制站，因此系统的直接控制功能比较成熟可靠，而系统的人机界 面功能则相对较弱，在实际运行中，只有c r t 操作站进行现场工况的监视，而 且提供的信息也有一定的局限。这一代的d c s 在功能上更接近仪表控制系统。 这是由于大部分推出第一代d c s 的厂家都有仪器仪表的生产和系统工程的背 景。其特点是分散控制，集中监视，这个特点与仪表控制系统类似，所不同的， 是控制的分散不是到每个回路，而是到现场控制站，一个现场控制站所控制的回 路从几个到几十个不等；集中监视所采用的是c r t 显示技术和控制键盘操作技 术，而不是仪表面板和模拟盘。 在这个时期，各个厂家的系统均由专有产品构成，包括高速数据通道、现场 控制站、人机界面工作站及各类功能性的工作站等。当时d c s 产品的类型 有：h o n e y w e l l 公司的t d c 2 0 0 0 ；t a y l o r 公司的m o d 3 ；f o x b o r o 公司的 s p e c t r u m ；横河公司的c e n t u m ：西门子公司的t e l e p e r m ：肯特公司的 p 4 0 0 0 等。 应该说，d c s 在控制功能上比仪表控制系统进了一大步，由于采用了数字控 制技术，许多仪表控制系统所无法解决的复杂控制，多参数滞后、整体协调优化 等控制问题得到了实现。而d c s 在系统的可靠性、灵活性等方面又大大优于直 接数字控制系统d d c ，因此一经推出就显示了强大的生命力，得到了迅速的发展 1 1 l o 随着半导体技术、显示技术、控制技术、网络技术和软件技术等高新技术的 发展，集散控制系统也得到了飞速的发展。第二代d c s 是在1 9 8 0 - - 1 9 8 5 年前后 推出的。它的最大特点是引入了局域网( n ) 作为系统骨干，按照网络节点的 概念组织过程控制站、中央控制站、系统管理站及网关( g a t ew a y , 用于兼容早 2 山东大学硕士学位论文 期产品) ，这使得系统的规模、容量进一步增加，系统的扩充有更大的余地，也 更加方便。这个时期的系统开始摆脱仪表控制系统的影响，而逐步靠近计算机系 统1 。 美国f o x b o r o 公司在1 9 8 7 年推出的i as e r i e s 系统标志着集散控制系统进 入了第三代。从结构上来看，由于系统网络通信功能的增强，各不同制造厂的产 品能进行数据通信，因此，克服了第二代集敖控制系统在应用过程中出现的自动 化孤岛等困难。此外，从系统的软件和控制功能来看，系统所提供的空话子功能 也有了增强，通常，系统己不再是常规控制，逻辑控制与批量控制的综合，而是 增加了各种自适应或自整定的控制算法，用户可在对被控对象的特性了解较少的 情况下应用所提供的控制算法，由系统自动搜索或通过一定的运算获得较好的控 制器参数。同时，由于第三方应用软件可方便地应用，也为用户提供了更广阔的 应用场所。 。” 电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，造就了新一代的 d c s ，其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。在硬件上它采用了开放的工 作站，使用r i s c 替代c i s c ，采用了客户机服务器的结构。在网络结构上增加 了工厂信息网，并可与国际信息网联网。在软件上则采用u n i x 系统和x - w i n d o w s 的图形用户界面，系统的软件更丰富。同时，在制造业，计算机集成制造系统 ( c i m s ) 得到了应用，是人们看带了应用信息管理系统的经济效益。计算机集成 作业系统也开始进行试点应用。这一代集散控制系统只要是为解决d c s 系统的集 中管理而研制。它们在信息的管理，通信等方面提供了综合的解决方案n ”。 随着计算机技术，通信技术，显示技术，半导体集成技术，控制技术，表面 安装技术及其他高新科学技术的发展，集散控制系统也将得到发展，并发挥更大 的效益。 1 3d o s 的基本构成 一个基本的d c s 应包括四个大的组成部分：至少一台现场控制站，至少一 台操作员站，一台工程师站( 也可以用一台操作员站兼做工程师站) ，一条系统 山东大学硕士学位论文 网络。一个典型的d c s 体系结构如图1 1 所示，图中表明了d c s 各主要组成部 分和各部分之间的连接关系“。 络 图i - i 典型的i ) c s 体系结构 除了上述四个基本的组成部分以外，d c s 还可以包括完成某些专门功能的 站，扩充生产管理和信息处理功能的信息网络，以及实现现场仪表、执行机构数 字化的现场总线网络。 下面具体描述d c s 体系结构中各个组成部分n 儿。 ( i ) 操作员站 操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图 形工作站或个人计算机等，其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显 示器( c r t 或液晶屏) 和高性能的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站 使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的显示速度，一般都在操 作员站上配置较大的内存。 ( 2 ) 现场控制站 现场控制站是d c s 的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、 可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都 4 山东大学硕士学位论文 有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除 了计算机系统所必需的运算器( 即主c p u ) 、存储器外，还包括了现场测量单元、 执行单元的输入输出设备，即过程量i o 或现场i o 。在现场控制站内部，主 c p u 和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场v o 则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场各种信号，包括 干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。现场控制站内逻辑部分和现场部分的 连接，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。现场控制站内逻辑部分和 现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，常用的并行总 线有m u l t i b u s 、v m e 、s i d 、i s a 、p c i 0 4 、p c i 和c o m p a c tp c i 等。 由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效的 隔离，成本较高，而且并行总线很难方便地实现扩充，因此很多厂家在现场控制 站内地逻辑部分和现场i o 之间地连接方式上转向了串行总线。串行总线的优点 是结构简单，成本低，很容易实现隔离，而且容易扩充，可以实现远距离地i o 模块连接。近年来，现场总线技术地快速发展更推进了这个趋势，目前直接使用 现场总线产品作为现场l o 模块和主处理模块的连接已很普遍，用得较多得现场 总线产品有c a n 、p r o f i b u s 、d e v i e e n e t 、l o n w o r k s 及f f 等。由于d c s 的现场控 制站有比较严格的实时性要求，需要在确定的时间期限内完成测量值的输入、运 算和控制量的输出，因此现场控制站的运算速度和现场i o 速度都应该满足很高 的设计指标。一般在快速控制系统( 控制周期最快可达5 0 m s ) 中，应该采用较 高的现场总线，如c a n 、p r o f i b u s 及d e v i e e n e t 等，而在控制速度要求不是很高 的系统中，可采用较低速的现场总线，这样可以适当降低系统的造价。 ( 3 ) 工程师站 工程师站是d c s 中的一个特殊功能站，其主要作用对d c s 进行应用组态。 应用组态是d c s 应用过程当中必不可少的一个环节，因为d c s 是一个通用的控 制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什 么样的参数，在系统中设置那些人机界面来实现人对系统的管理和监控，还有诸 如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些，都是组态所要 完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的d c s 才能够成为一个针对一 山东大学硕士学位论文 个具体控制应用的可运行系统。 当系统在线运行时，工程师站可起到一个对d c s 本身的运行进行状态进行 监视的作用，以及时发现系统出现的异常，并及时进行处置。在d c s 在线运行 当中，也允许进行组态，并对系统的定义进行修改和添加，这种操作被称为在线 组态，同样，在线组态也是工程师站的一项重要功能。 ( 4 ) 服务器及其他功能站 在现代的d c s 结构中，除了现场控制站和操作站以外，还可以有许多执行 特定功能的计算机。这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能 完备的复杂的控制系统。 服务器的主要功能是完成监督控制或称s c a d a 功能的主节点。在一个控制 系统中，监督控制功能是必不可少的，因为这部分能保证生产工况平稳、控制系 统各个部分工作在正常状态下，一旦出现异常，必须实行人工干预，使系统回到 正常状态。 ( 5 ) 系统网络 系统网络使连接各个站的桥梁。由于d c s 是由各种不同功能的站组成的， 这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络的 实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约， 关系到网络通信的效率和系统功能的实现。在早期的d c s 中，系统网络包括硬 件和软件，都是各个厂家专门设计的专有产品，随着网络技术的发展，很多标准 的网络产品陆续推出，特别是以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的 d c s 厂家直接采用了以太网作为系统网络。 ( 6 ) 现场总线网络 现场总线出现以后，d c s 在现场检测和控制执行方面被数字化，d c s 也随 即成为一种全数字化的系统。实现全数字化后，系统与现场之间的连接通过现场 总线实现，这就彻底改变了整个控制系统的面貌。 首先，改变的是现场信号线的接线方式，将从i ：1 的模拟信号线连接改变为 i ：n 的数字网络连接，现场与主控制室之间的接出线数量将大大减少，而可以传 递的信息量则大大增加；其次，是现场控制站中有很大一部分设备将被安装在现 6 山东大学硕士学位论文 场，形成分散安装、分散调试、分散运行和分散维护，因此安装、调试、允许和 维护的方式将不同，也必然需要有一套全新的方法和工具；第三，回路控制的实 现方式将发生改变，由于现场i o 和现场总线仪表的智能化，它们已经具备了回 路控制计算能力，这便有可能将回路控制的功能有现场控制站下放到现场i o 或 现场总线仪表来完成，实现更加彻底的分散。 ( 7 ) 高层管理网络 它主要是完成综合监控和管理功能，并且在这层网络上传送的主要是管理信 息和生产调度指挥信息。它使得d c s 系统的结构表现出非常大的灵活性。 1 4d c $ 系统的特点 d c s 系统的特点如下： ( 1 ) 控制分散、信息集中 采用大系统递阶控制的思想，生产过程中的控制采用全分散的结构，而生产 过程的信息则全部集中并存贮于数据库，利用信息高速公路或通信网络输送到有 关设备。这种结构使系统的危险性分散，提高了可靠性。 ( 2 ) 系统模块化 在集散控制系统中，有许多不同功能的模块，如c p u 模块、灿和a o 模块、 d i 和d o 模块、通信模块、c r t 模块、存贮器模块等。选择不同数量和不同功能 的模块可组成不同规模和不同要求的硬件环境。同样，系统的应用软件也采用模 块化结构，用户只需借助于组态软件，即可方便地将所选硬件和软件模块连接起 来组成控制系统。若要增加某些功能或扩大规模，只要在原有系统上增加一些模 块，再重新组态即可。显然，这种软、硬的模块化结构提供了系统的灵活性和可 扩展性。 ( 3 ) 数据通信能力较强 利用高速数据通道连接各个模块或设备，并经通道接口与局域网络相连，从 而保证各设备间的信息交换及数据库和系统资源的共享。 ( 4 ) 友好而丰富的人机接口 7 山东大学硕士学位论文 操作员可通过人机接口及时获取整个生产过程的信息，如流程画面、趋势显 示、报警显示、数据表格等。同时，操作员还可以通过功能键直接改变操作量、 干预生产过程，改变运行状况或进行事故处理。 ( 5 ) 可靠性高 在集散控制系统中，采用了各种措施来提高系统的可靠性，如硬件自诊断系 统、通信网络，信息高速公路、电源以及输入输出接口等关键部分的双重化( 又 称冗余) ，还有自动后援等。并且由于各个控制功能的分散，使得每台计算机的 任务相应减少，同时有多台同样功能的计算机，彼此之间有很大的冗余量，必要 时可重新排列或调用备用机组。因为集散控制系统的可靠性相当高。 目前，d c s 大致可分为三种：一是多功能控制器型分散控制系统；二是以可 编程控制器( p l c ) 为基础的分散控制系统；二是以p c 机总线为基础的分散控制系 统。同时f c s 也吸收了许多d c s 技术，未来d c s 将包含f c s 功能并进一步分散化 i o - h j 【l 刀 8 山东大学硕士学位论文 第二章d c s 控制站的总体设计 2 1 系统的整体结构 控制站是系统中直接与现场进行i o 数据采样、信息交互、控制运算、逻辑 控制的核心单元，完成整个工业过程中的实时控制功能。并且它直接实现了各种 i ，o 接口。如图2 - l 所示。 工业以太网 图2 - l 控制站的结构图 控制站通过工业以太网与工程师站、操作员站等进行信息交换。基于工业以 太网的通信主要实现的功能如下： ( 1 ) 采集的控制站的信号通过工业以太网传送到工程师站、操作员站。 ( 2 ) 由工程师站、操作员站将系统的组态信息通过工业以太网传送到控制 站。 控制站通过现场总线采集i o 模块的数据和状态信息。控制站的核心是控制 卡，因为它是控制站的软硬件核心，负责协调控制站内所有软硬件关系和各项控 制任务，如完成控制站中的i o 信号处理、控制计算、与上下网络通信的控制处 9 山东大学硕士学位论文 理、冗余诊断等功能。控制卡的功能和性能将直接影响系统功能的可用性、实时 性、可维护性和可靠性。所以要对控制卡的软硬件进行设计，并使之能和现场总 线结合，实现控制卡和多个输入输出通道模块的通讯。本文会在后面的章节中对 控制卡的设计做具体介绍。 为了提高系统运行的可靠性，控制卡采用了冗余设计方案，即一块控制卡作 为主控制卡完成各种操作，另一块控制卡作为从控制卡，处于备用状态，实时监 测主控制卡的运行状态和工作参数，在主控制卡出现异常时，立即转为主控制卡， 接替原主控制卡的工作。互为备用的两块控制卡采用现场总线进行信息交换。 上面已经提到控制卡通过工业以太网和工程师站、操作员站进行通讯，下面 简单介绍工业以太网的基础知识。 2 2 工业以太网的简单介绍 以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问冲突检测 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 的共享访问方案，即 多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号， 但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其它工作站必须等待其传 输结束后再开始自己的传输。以太网应用到工业控制系统后的网络叫工业以太 网。 所谓工业以太网，一般来讲是指技术与商用以太网( 即i e e e s 0 2 3 标准) 兼 容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性及实时性、可互操作 性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面满足工业现场的需要 1 3 - l 4 | 。 本文采用工业以太网和高层管理网络通讯，主要是因为工业以太网和其他网 络相比有以下的优势( 1 s - t ? l ( 1 ) 应用广泛 以太网是目前应该最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎 所有的编程语言都支持以太网的应用开发。因此，如果采用以太网作为现场总线， 可以保证有多种开发工具、开发环境供选择。 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 成本低廉 由于以太网应用最为广泛，因此受到硬件开发和生产厂商的高度重视与广泛 支持，因此硬件价格也相对低廉。并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进 一步下降。 ( 3 ) 通信速率高 以太网具有很高的数据传输速率，可以提供足够大的带宽。在办公自动化领 域，主流的以太网带宽已经从1 0 m 提升到了1 0 0 m ，1 0 0 0 m 的网络也已经得到 了一定范围的使用，1 0 g b p s 的网络也即研制成功，推向应用领域。 ( 4 ) 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，大家对以太网的设计等方面有比较多的经验，对其 技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的整体成本，并 ：一 可以大大加快系统的开发和推广 ( 5 ) 易与i n t e m e t 连接。i n t e m e t 无处不在，在任何城市，任何地方，都可 以通过i n t e m e t 对企业的生产情况进行监视控制。 由于这些突出的优点，使工业以太网在通信网络领域占据统治地位。 2 3 现场总线的综述 本文采用现场总线进行主控制卡的信息交换和数据采集，下面介绍现场总线 技术。 2 3 1 现场总线的定义 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室直接的一种全分散、全数字 化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。i e c 对现场总线一词 的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制 装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。它是当今自动化领域发展的 热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网1 1 7 | 0 山东大学硕士学位论文 2 3 2 现场总线的本质 现场总线的本质含义包含以下6 个方面“。 ( 1 ) 现场通信网络 用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。 ( 2 ) 现场设备互连 现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传 输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要 因地制宜的选择不同类型的传输介质。 ( 3 ) 互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需 的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户不希望 为选用不同的产品而在硬件或软件上花很大气力，而希望选用各制造商性能价格 比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用”；用户希望对不同品牌的 现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。这些就是现场总线设备互操作性的 含义。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由的集成 f c s 。 ( 4 ) 分散功能块 f c s 废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，把d c s 控制站的功能块分散 地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号 交换、补偿和累加输入模块，而且有p i d 控制和运算模块，甚至有阀门特性自检 验和自诊断功能。功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选 用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底地分散控制。 ( 5 ) 通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全 的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。众所周知，化工、炼油等企业的生产 现场可燃性物质，所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准。现场总线设备也 不例外。 山东大学硕士学位论文 ( 6 ) 开放式互连网络 现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互连，也可与不同层网络互 连，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络互连十分简便，用户不必 在硬件或软件上花太多气力。通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂 商的网络及设备融为一体，构成统一的f c s 。 2 4 控制卡的冗余设计 本文为了提高d c s 系统的可靠性和安全性，控制卡采用了热备用方式冗余。 热备用方式冗余的含义是指：在整个系统中有两个相同的成员模块，它们同时工 作，互为备份，但在任一时刻，只有一个成员模块能有效驱动负载“”。在热备 用方式中，备用子系统和在线子系统运行完全同样的程序，形成完全并列的运行， ，0 模式，所不同的，是备用子系统不对现场输出控制信号，处于一种“哑”状态。 当在线子系统出现故障时，切换子系统将在线子系统的输出通路切断，同时接通 备 备用子系统的输出通路，这样就完成了切换过程。由于构成冗余结构的各个子系 统处于完全同样的运行状态，因此切换过程可以缩短到毫秒级。在d c s 系统中， 冗余可以保障单一成员出现故障时，重要的控制系统或者生产过程能不间断的运 行。我们把正在运行工作的控制卡称为主控制卡，把处于热备用状态的控制卡称 为从控制卡，从控制卡就是作为主控制卡的冗余。 系统正常工作时，主从控制卡同时投入运行，并且两控制卡不停的进行信息 通讯，及和工程师站、操作员站还有输入输出模块进行通讯。但只有主控制卡回 送数据，当主控制卡发生故障时，从控制卡检测到此信息，自动投入运行并回送 数据，从而保证了整个系统的通信工作能正常运行，大大提高了系统的可靠性， 实现了控制卡的全面冗余设计。 在软件上，如果要让主控制卡和从控制卡能够正确的交互数据和信息，同时 要让整个冗余功能能够正确运转和实现，则需要一定量的控制信息和冗余信息输 出给从控制卡。这些控制信息和冗余信息，根据工业现场控制需求的不同，不同 场合会有很大的差异。冗余系统运行时，在软件设计上要和主控制卡接口，也要 1 3 山东大学硕士学位论文 和输入输出模块接口。 2 4 1 主控制卡的功能 主控制卡的功能如下： ( 1 ) 接收工程师站、操作员站发送过来的各种操作命令，数据，参数，根 据这些数据调用相对应的处理。 ( 2 ) 把控制现场的各种数据，状态，以及控制站工作的各种组态发送到工 程师站。 ( 3 ) 定期读入输入输出卡采集回来的数据，根据工程师站的组态要求，调 用对应的控制算法，计算出新的输出控制量，发送到输入输出卡，构成各种控制 回路。 ( 4 ) 定期向从控制卡( 即热备用控制卡) 发送自己正常工作的信号。 2 4 2 从控制卡的功能 从控制卡其实是为实现主控制卡的冗余而存在的，属于可选的部分。作为主 控制卡的后备控制卡，它的软硬件设计和主控制卡的是完全一样的，不同的地方 在于在控制卡上电之后通过竞争来争夺主控制卡的身份，只是争夺失败的就成了 从控制卡。从控制卡在控制站中也需要时刻进行如下的工作： ( 1 ) 接受工程师站发送过来的组态和各种参数。 ( 2 ) 响应工程师站、操作员站对自己的操作命令。 ( 3 ) 接收各种加板卡发送回来的各种测量数据。 ( 4 ) 根据接收到的各种加板卡发送回来的各种测量数据进行对应的运算 处理，但是运算结果不发送回去。 ( 5 ) 监听主控制卡的工作情况。 ( 6 ) 当转变为主控制卡的时候，向操作员站、工程师站报告原主控制卡出 错的信息。 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章d c s 控制卡的硬件设计 3 1 控制卡的总体设计方案 在上一章中，本文提到控制卡通过现场总线实现各个输入输出模块的控制， 各回路的控制算法的执行，本文采用现场总线中的c a n 总线。并且在设计中， 每个控制卡上设置了两路独立的c a n 接口，以构成环回结构，从而保证线路如 果出现一处断