（热能工程专业论文）worldfip现场总线分布式控制系统的研究与开发.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 摘要 现场总线控制系统是近年控制系统的一个重要发展方向。w o r l d f i p 是现场总线 i e c 6 1 1 5 8 国际标准中的第七种类型，适用于工业控制现场。国内外在w o r l d f i p 现 场总线应用主要集中在监控层，而在现场总线控制系统方面的应用研究方面还是一 片空白。因此，开发基于w o r l d f i p 技术的现场总线分布式控制系统，走出一条自 主研发、自主创新的现场总线国产化道路有着非常现实和积极的意义。 论文首次研发了一整套拥有自主知识产权的w o r l d f i p 现场总线控制系统产品 原型，详细讨论了关键技术和难点问题的解决方案与新方法。具体研究内容及取得 的主要成果体现在以下四个方面： ( 1 ) 基于w o r l d f i p 协议提出了用户层和总线访问子层( f a s ) 通信协议，开发了 整套w o r l d f i p 协议软件。f a s 定义了报文规范和上层服务接口。用户层的研究工作 包括功能块和功能块应用进程。开发了系统管理软件模块，给出了具体实现方案， 包括设备存在与地址分配，时间同步、功能块调度等。确立了以x m l 语言为基础 的w o r l d f i p 设备描述技术，设计了描述文件解析软件模块。 ( 2 ) 完成了w o r l d f i p 智能主设备的研发。提出了以a r m 9 和v x w o r k s 为软硬 件平台、具有快速以太网接口的w o r l d f i p 智能主设备的设计方案。用c p l d 解决了 硬件模块间的时序匹配问题。描述了整体软件结构，开发了设备所特有的总线系统 管理软件模块，包括总线仲裁器、设备工厂、功能块交互中心等。 ( 3 ) 完成了w o r l d f i p 总线仪表通用平台和四款代表性的总线仪表的开发。提出 了a r m 7 和v x w o r k s 为基础的通用平台的详细设计方案，进而研发了w o r l d f i p 总 线万能输入变送器、f i 转换器、电力参数测量仪以及差压变送器四款仪表。在仪表 开发过程中，提出了几项新颖的测量技术：多路隔离的万能输入模块、基于f p g a 的自同步整周期交流采样技术和电容膜盒压力传感器的数字化测量电路。 ( 4 ) 研发了一款面向功能块技术的w o r l d f i p 总线控制系统组态软件。组态软件 采用了三层c s 整体架构。中间件服务器f i p s e r v e r 通过f a s 协议访问总线设备， 采用d l l 技术开发。组态软件客户端为单文档多视图的w i n d o w s 桌面软件，由七 个模块构成，重点开发的模块包括系统管理、功能块参数组态、控制策略的图形组 态、简单下载和实时监控等。 基于上述研发成果，组建了一个w o r l d f i p 现场总线控制系统，并将其在一个实 际的过程控制系统中进行了实验与试用。整个系统顺利完成了多项测试，能够可靠 稳定地运行，达到了预期的设计目标，具有良好的产业化前景。 关键词：w o r l d f i p ，现场总线控制系统，用户层协议，总线仪表，链路主设备 华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) i so n eo ft h ei m p o r t a n tt r e n d so fc o n t r o ls y s t e mi n r e c e n ty e a r s w o r l d f i pi st h es e v e n t ht y p eo fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do ff i e l d b u s i e c 6115 8 ，w h i c hi sv e r ya d a p tt oi n d u s t r i a lc o n t r o lf o ri t sa t t r a c t i v ef e a t u r e s a th o m e a n da b r o a d ，t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fw o r l d f i pi sm a i n l yf o c u s e do nn e t w o r ko f s u p e r v i s o r yl e v e l ，w h i l et h ew o r ko nf c si sab l a n k t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to f f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nw o r l d f i pi s v e r ym e a n i n g f u lp r a c t i c a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y , w h i c hp l a y sal e a d i n gr o l e i ns e l f - r e s e a r c ha n ds e l f - d e v e l o p m e n to n f i e l d b u sl o e a l i z a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p saw h o l ep r o d u c tp r o t o t y p eo fw o r l d f i pf i e l d b u s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mf o rf i r s tt i m ew h i c hh a sp r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h es o l u t i o n sa n dc r e a t i v ea p p r o a c h e so fc r i t i c a lt e c h n i q u e sa n dd i f f i c u l tp r o b l e m sa r e e m p h a t i c a l l yd i s c u s s e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) p r o t o c o lo nu s e ra n df i e l d b u sa c e s ss u b l a y e r ( f a s ) c o m m u n i c a t i o nl a y e r si s p r o p o s e da n daw h o l ew o r l d f i pp r o t o c o ls o f t w a r ei si m p l e m e n t e do nv x w o r k s f a s d e f i n e sm e s s a g es p e c i f i c a t i o na n ds u p p l i e ss e r v e ri n t e r f a c ef o ru p p e rl a y e r f u n c t i o n b l o c k ( f b ) a n df u n c t i o nb l o c ka p p l i c a t i o np r o c e s s ( f b a p ) a r ed e s i g n e da n de x p o u n d e d d e v i c es y s t e mm a n g a n m e n ts o f t w a r ei se s t a b l i s h e da n di t ss o l u t i o n sa r eg i v e n ，i n c l u d i n g d e v i c e p r e s e n c e ， a d d r e s s a s s i g n m e n t ， c l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n df u n c t i o nb l o c k s c h e d u l i n g w o r l d f i pd e v i c ed e s c r i p t i o nt e c h n i q u e sb a s e do nx m li sb u i l ta n dt h e s o f t w a r em o d u l ef o rp a r s i n gd e v i c ed e s c r i p t i o nf i l ei sb r i e f l yd e s i g n e d ( 2 ) t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tw o r l d f i pm a s t e ri sa c c o m p l i s h e d t h ed e s i g no f a ni n t e l l i g e n tw o r l d f i pm a s t e rw i t hf a s t e t h e r n e ti n t e r f a c ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e d o na r m 9a n dv x w o r k sp l a t f o r m t h et i m es e q u e n c em a t c h i n gb e t w e e nt h et w o h a r d w a r em o d u l e si sr e s o l v e db yv h d lp r o g r a mo fc p l dc h i p t h es o f t w a r ef r a m ei s p r e s e n t e da n di t so w nf i e d b u ss y s t e mm a n a g e m e n ts o f t w a r em o d u l ei sa l s op r o g r a m m e d ， s u c ha sb u sa r b i t r a t o r ( b a ) ，d e v i c ef a c t o r ya n df u n c t i o nb l o c kc o m m u n i c a t i n gc e n t e r ( 3 ) t h ed e v e l o p m e n to fw o r l d f i pf i e l d b u su n i v e r s a li n s t r u m e n tp l a t f o r ma n df o u r k i n d so ff i e l d b u si n s t r u m e n ti sa l s oa c c o m p l i s h e d t h ed e s i g no fi n s t r u m e n tp l a t f o r mi s p r o p o s e d ，w h i c hi s b a s e do na r m 7a n dv x w o r k s b a s e do nt h i sp l a t f o r m ，at r a i no f f i e l d b u si n s t r u m e n t sa r ed e v e l o p e d ，s u c ha su n i v e r s a li n p u tt r a n s m i t t e r , f ic o n v e r t e r , p o w e rp a r a m e t e rm e t e ra n dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r s o m ec r e a t i v em e a s u r e m e n t 1 1 1 华北电力大学博十学位论文 t e c h n i q u e s a r e a p p l i e d t oi n s t r u m e n td e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gi s o l a t e du n i v e r s a l m u l t i i n p u t t i n gm o d u l e ，i n t e g r a lp e r i o da cs y n c h r o n o u ss a m p l i n gb a s e do nf p g a a n d d i g i t a lm e a s u r i n gc i r c u i to fc a p a c i t i v ec e l ld i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o r ( 4 ) ac o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ef o rw o r l d f i pf c so r i e n t e dt of u n c t i o nb l o c k t e c h n o l o g y i sp r o g r a m m e dw i t hv i s u a lc + + t h es o f t w a r ea d o p t st h r e e - l a y e rc s a r c h i t e c t u r e m i d d l e w a r ef i p s e r v e ri sd e s i g n e dw i t hd l lt e c h n i q u e ，w h i c ha c c e s s e s f i e l d b u sb yf a sp r o t o c 0 1 c l i e n to ft h i ss o f t w a r ei saw i n d o w sd e s k t o pp r o g r a mw i t h s t r u c t u r eo fs i n g l e - d o c u m e n t m u l t i - v i e w s t h ec l i e n tp r o g r a mi sm a d eu po fs e v e n m o d u l e s ，a m o n gw h i c ht h ep r o j e c tm a n a g e m e n t ，f bp a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o l s t r a t e g yc o n f i g u r a t i o na n dr e a l - t i m es u p e r v i s i n gm o d u l e s a r ed e v e l o p e d b a s e do nt h ea b o v ea c h i e v e m e n t s aw r o l d f i pf c si sb u i l tw h i c hi st e s t e da n d e x p e r i m e n t e di na c t u a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m t h ew h o l es y s t e mf l u e n t l yp a s s e sm a n y t e s t s t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mc a nw o r kn o r m a l l ya n ds t a b l yw i t hp r o p e r p e r f o r m a n c e t h i sp r o d u c t i o n m e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t a n dh a sp r o m i s i n g u t i l i z a t i o np r o s p e c t k e yw o r d ：w o r l d f i p ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) ，u s e rl a y e rp r o t o c o l ，f i e l d b u s i n s t r u m e n t ，l i n km a s t e r i v 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文w 0 r l d f i p 现场总线分布式控制系统 的研究与开发，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日期：羔迈：兰：兰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期： 华北电力大学博士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 用户的需求，市场的竞争，科技的进步，这些因素都推动着过程控制系统的不 断发展和控制水平的不断提高。至今，过程控制系统大体经历了五代的发展：气动 仪表控制系统、电动仪表控制系统、集中式数字控制系统( d d c ) 、分散控制系统( d c s ) 和现场总线控制系统( f c s ) t 5 1 。下面就对这几种控制系统及其各自的特点进行介绍。 1 1 1 过程控制系统的发展 模拟仪表控制系统是在气动、电动系列单元组合仪表出现的基础上产生的，上 世纪六七十年代占主导地位。人们常把气动信号和电动信号控制系统分别称为第一 代和第二代控制系统。其显著缺点是：模拟信号精度低，传输过程中的抗干扰能力 差。 集中式数字控制系统在上世纪七八十年代占主导地位，被称为第三代控制系 统。它采用单片机、p l c 或微机作为控制器。系统中传递的仍是模拟信号，只有控 制器内部才是数字信号。这种控制系统对控制器的处理能力和可靠性提出了极高的 要求，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 分散控制系统在2 0 世纪八九十年代占主导地位，被称为第四代控制系统。其 核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离。上位机用于集中监视管理 功能，若干台下位机下放到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互连以 实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集 中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求的缺陷，可以在此基础上实现 装置级、车间级的优化控制。但在d c s 控制系统中，测量变送仪表一般仍为模拟仪 表，因而它是一种模拟数字混合系统，这样对于现场的信息采集以及故障诊断都不 能够很好的完成，造成现场级的信息收集不完全，不能给其上位系统提供所需的管 理信息的局面。在d c s 系统形成过程中，由于受到计算机系统早期存在的系统封闭 缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现 互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。因此从该角度而 言，分散控制系统是一种封闭专用的、不具有可互操作性的分布式控制系统，并且 d c s 造价昂贵，在这种情况之下，用户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的 迫切要求【o j 。 2 0 世纪9 0 年代发展起来的现场总线控制系统被称为第五代控制系统。现场总 线是一个开放的、具有互操作性的网络，它将现场各控制器及数字化仪表设备互联， 第一章绪论 构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费 用。因此这种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式现场总线控制系统已经 成为本世纪控制系统的主流产品【2 l 。 1 1 2 现场总线技术的发展历程 2 0 世纪8 0 年代中期，美国r o s e m o u t 公司开发出了一种可寻址的远程传感器通 信协议( h a r t ) ，协议在4 - - - 2 0 m a 模拟量信号上叠加一种调频信号，用双绞线实现 数字信号传输。h a r t 协议是现场总线的雏形。1 9 8 5 年由h o n e y w e l l 和b a i l e y 等大 公司发起，成立了w o r l d f i p 并制定了f i p 协议。1 9 8 7 年，以s i e m e n s 、r o s e m o u t 、 横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会并制定了p r o f i b u s 协议。后来美 国仪器仪表学会也制定了现场总线标准i e c i s as p 5 0 。随着时间的推移，世界逐渐 形成了两个互相竞争的集团：i s p 集团和w b r l d f i p 集团。1 9 9 4 年，两大集团宣布合 并，融合成现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o nf f ) ，共同制定和遵循s p 5 0 协议标 准。围绕着现场总线技术的标准化，世界各大厂商和组织展开了激烈的竞争，最终 在2 0 0 0 年初公布了i e c 6 115 8 国际标准采用8 种类型现场总线，即：f fh 1 、 c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、i n t e r b u s 、p n e t 、w o r l d f i p 、s w i f t n e t 、f fh s e 。其中，c o n t r o l n e t 、 p r o f i b u s 、w o r l d f i p 和i n t e r b u s 从p l c 发展而来的：f f 的h 1 和h s e 是从传统d c s 发展起来的；而p n e t 和c o n t r o l n e t 是专用现场总线。这些标准再加上i e c 的 s d s ( s m a r td i s t f i b u t e ds y s t e m ) 、a s i ( a c t u a ls e n s o ri n t e r f a c e ) 和d e v i c e n e t ，i s o 118 9 8 的c a n ，此外还有一些颇具影响的总线，如l o n w o r k s 、h a r t 、m o d b u s 等，目前 国际上有4 0 多种总线标准p j 。 正当现场总线大战正浓时，工业以太网开始在工业控制领域蓬勃发展起来。早 先就有几家老牌现场总线厂商推出各自的工业以太网标准。2 0 0 2 年的i e c 会议期间， t cs c 6 5 c 开始成立工作组对工业以太网技术开展研究，并起草相应的标准。2 0 0 4 年在法国举办的s c 6 5 c 大会将六个新的实时以太网提案以p a s 规范的形式发布。 2 0 0 5 年在加拿大，i e c 正式发布了实时以太网国际标准i e c 6 1 7 8 4 2 ，其中包括中国 的e p a 、西门子的p r o f i n e t 、美国的r o c k w e l l 的e t h e r n e t i p 、丹麦的p n e t 、德国 倍福的e t h e r c a t 、欧洲开放网络联合会的e t h e r n e tp o w e r l i n k 与s e r c o s 、施耐德的 m o d b u s r t p s 、日本横河的v n e t 等1 5 种实时以太网协议。这些不同的实时以太网 协议都是在标准以太网协议的基础上，加以改进提高网络的传输效率和实时性能， 达到不同工业控制网络的应用需求。 2 0 0 5 年1 1 月在美国正式启动现场总线国际标准i e c 6 115 8 第四版的修订工作， 决定将i e c 6 1 7 8 4 2 全部纳入i e c 6 11 5 8 第四版。i e c 6 i1 5 8 第四版和i e c 6 1 7 8 4 - 2 分 别在2 0 0 6 年和2 0 0 7 年通过了c d v 投票和f i d s 投票，已于2 0 0 7 年8 月被正式出 版，新版的i e c 6 11 5 8 包含的总线标准多达1 6 种1 4 】。 2 华北电力大学博士学位论文 1 2 课题相关领域发展现状 多种现场总线长期并存并且相互竞争的局面由来已久，更有愈演愈烈的趋势。 可以相信，在未来相当长的时期内，这种多种总线并存的局面仍会继续。每种总线 都有其产生的背景和应用领域。由于不同领域的自动化需求各有其特点，从某个特 定领域发展起来的总线对该领域的满足度就会高一些，适应性就会好一些，一种或 少量几种现场总线不可能满足所有自动化领域对通信的全部要求。据美国a r c 公 司的市场调查，世界市场对各种现场总线的需求份额为：过程自动化1 5 ( f f 、 p r o f i b u s p a 、w o r l d f i p ) ，医疗领域18 ( f f 、p r o f i b u s p a 、w o r l d f i p ) ，加工制造业 1 5 ( p r o f i b u s d p 、d e v i c e n e t ) ，交通运输1 5 ( p r o f i b u s d p 、d e v i e e n e t ) ，航空国防 3 4 ( p r o f i b u s f m s 、l o n w o r k s 、c o n t r o l n e t 、d e v i e e n e t ) 。随着时间的推移，占有 市场8 0 左右的现场总线将只有七八种，而且应用领域比较明显，如f f 、 p r o f i b u s p a 、w b r l d f i p 适用于冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制， p r o f i b u s d p 、d e v i c e n e t 适用于加工制造业，l o n w o r k s 、p r o f i p b u s f m s 、d e v i c e n e t 适用于楼宇、交通、农业。但这种划分并不绝对，相互之间又有渗透。 由于工业以太网和实时以太网的诸多优点，它们的发展势头也很强劲。据a r c 针对工业以太网市场提供的报告称，2 0 0 2 2 0 0 7 年间，每年工业网络接口递增高达 8 4 。与工业以太网密切相关的d c s 产品和p l c 产品的市场容量年增长率分别达 到l5 和1 4 。 国内市场蕴含的巨大潜力一直令国外现场总线厂商垂涎。d e v i e e n e t 、f f 、 p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、p n e t 、p r o f i b u s 和w o r l d f i p 纷纷在中国建立了分支机构，f f 在中国的会员超过了5 0 多家，p r o f i b u s 的会员有1 2 0 多家，w o r l d f i p 也有l o 多家。 一些现场总线在国内的应用已取得了骄人业绩，p r o f i b u s 产品在国内5 0 0 多个项目 中投入运行，投入运行的设备超过了1 0 0 0 0 台，f f 已经进入石油、化工、公共建筑、 水处理等行业的大型项目中，例如上海s e c c o 就是全球最大的f f 总线项目，整个 自动控制系统拥有4 8 0 0 0 多个控制回路，8 0 0 0 0 个i o 点，2 3 0 0 0 多个f f 现场设备 和2 5 0 0 个f f 网段。 现场总线发展伊始，国内一些企业和机构就紧跟国际潮流，在国家“九五 科 技攻关项目和“8 6 3 ”计划支持下，开展了现场总线标准和总线产品的研究工作， 取得了历史性的突破。 基金会现场总线产品国产化研究已经取得突破性进展，拥有完全自主知识产权 的总线产品已经开始参与到国际市场的竞争中。1 9 9 7 年以来，中国科学院沈阳自动 化所承担了国家“九五”攻关课题“基于f f 协议的新一代全分布式控制系统。通 过自主创新，他们完全掌握全分布控制系统的体系结构和通信协议栈等核心关键技 术，并开发出了一系列软、硬件产品。2 0 0 0 年，主站协议软件在德国通过了国际一 3 第一章绪论 致性测试，成为国际上第三个、国内首家通过国际协议认证的协议栈。2 0 0 4 年h s e 现场总线网关、f fh 1 压力表、f i 仪表等系列产品成功通过了国际认证测试。由他 们研制的“基于f f 的s i a c o n 全分布式工业控制系统 ，获得了2 0 0 2 年国家科技 进步二等奖【7 1 。 更让人振奋的是：中国完全拥有自主知识产权的实时以太网标准e p a 已于2 0 0 7 年进入了i e c 6 1 1 5 8 ，位列类型1 4 ，成为现场总线的国际标准。这标志着我国在自 动控制领域国际标准取得零的突破。在国家“8 6 3 计划c i m s 主题系列课题的支持 下，以浙江大学为首的研究团队，历时三年，先后解决了以太网用于工业现场设备 间通信的确定性通信调度、总线供电、网络安全、可互操作等关键技术难题，开发 了基于e p a 的分布式网络控制系统，首先在化工、制药等生产装置上获得成功应用。 在此基础上，标准起草工作组起草了我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家 标准用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范，后来该标准被列入 现场总线国际标准i e c6 1 1 5 8 ( 第四版) 中的第十四类型【4 j 。 1 3 国内外w o r l d f i p 技术及基于w o r i d f i p 技术的分布式控制系统的应用 与研发现状 本文研究开发的是基于w o r l d f i p 现场总线技术的分布式控制系统，与 w o r l d f i p 现场总线技术有着密切的联系。w o r ld f i p 位列国际现场总线标准 i e c 6 1 1 5 8 的类型7 ，是一种面向工业控制的现场总线。w o r l d f i p 组织目前有1 0 0 多个成员，其中许多是世界著名的大公司，如阿尔斯通、施奈德、霍尼韦尔等。经 过十多年的应用与改进，w o r l d f i p 已经是一项完全成熟的技术，具有品种齐全的通 信产品和开发工具。 w o r l d f i p 在技术上有很多特点与优势【8 】： ( 1 ) 实用性。w o r l d f i p 采用i e c l l 5 8 2 物理层标准，支持物理层冗余，具有总 线自动切换功能。任何一条总线故障，均可以自动切换至另一条总线，保证生产过 程的正常运行。它可以采用非总线供电和总线供电两种方式为现场设备供电，非总 线供电设备的工作电源来自外部电源；在总线供电的场合，总线上传送数字信号的 同时还要为现场设备供电。 ( 2 ) 抗干扰能力和实时性强。w o r l d f i p 总线采用变压器隔离、零支线长度连接， 电磁兼容性e m c 符合i e c 6 1 3 2 6 标准三级，在当今现场总线当中，是电磁兼容性 等级最高的总线。它的通信模式支持后台传输消息、周期和事件变量，保证诊断信 息传输不影响实时控制。它的生产者消费者模式和总线仲裁器的调度方式保证了在 一条总线上的传递大量信息的同时，不会干扰实时变量的通信。 ( 3 ) 周期信息的确定性强。w o r l d f i p 的生产者消费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模式 4 华北电力大学博士学位论文 和总线仲裁器( b u sa r b i t r a t o r ) 的调度方式特别适合工业过程控制。i e c 标准与f f 规 范都采用了这种通信模式。w o r l d f i p 大部分协议固化在硬件上，稳定性强。 ( 4 ) 协议兼容性和连通性强。w o r l d f i p 有足够的带宽( 3 1 2 5 k ，1 m b i t s ， 2 5 m b i t s ) ，具有较宽的覆盖面，它不但可以用于传感器级网络，而且可以用于设备 级、现场级和监控级网络。现场总线不论低速还是高速，只有一套通信协议，所以 不需要任何网桥和网关，低速与高速网络的衔接只用软件完成。w o r l d f i p 适合于包 括t c p i p 在内的各种类型的协议数据单元，容易实现同其它通信协议系统的集成。 因为它的消息帧有2 5 6 字节，可以很容易地处理最少2 0 字节的i p 头帧，并为无分 组的应用数据留下了很大的空间。w o r l d f i p 还满足i n t e m e t 传输和实时自动化传输 互不干扰的要求，这是因为它能在同一条总线上传输实时变量的同时又能传输消 息，这一特点为w o r l d f i p 所独有。 w o r l d f i p 是开放的现场总线，w o r l d f i p 产品的设计者、用户或集成商都可以 得到w o r l d f i p 组织的帮助。这些帮助包括：技术培训、技术支持和技术测试，可 以根据用户、集成商和开发商要求提供各种培训服务，帮助大家在产品开发应用及 安装过程中，正确的使用w o r l d f i p 协议及各种器件：为客户提供产品规划、硬件 设计和测试支持：还可为各厂商开发和销售的产品提供测试，以鉴定设备的互操作 能力。 w o r l d f i p 现场总线目前已被广泛应用于能源、石化、冶金、建材、机械、公路、 铁路、城市交通、航运与造船、航空与航天、汽车制造、楼宇自动化等多个自动化 控制领域。w o r l d f i p 在法国市场的占有率已达6 0 之多，在欧洲市场占有率约有 2 5 ，欧洲核子研究中心耗资数十亿美元的世界上能量最高的大型强子对撞机采用 了施耐德公司的基于w o r l d f i p 技术的p l c 产品。 在我国，基于w o r l d f i p 技术的分布式控制系统已应用在一些成套引进的项目 中，涉及发电、输配电、地铁、水处理等诸多领域，如岭奥核电站、军粮城电厂、 珞璜电厂、来宾电厂、高坝洲水电站、上海地铁、以及即将建设的南京地铁等p j 。 国内开展相关研究的单位主要有南瑞继保、国电南自、铁道部科学研究院、大连北 方机车集团【i o 】、同济大学和华北电力大学等。 在基于w o r l d f i p 总线的研究开发方面，w o r l d f i p 组织提供了从通信芯片到开 发工具的各种软硬件产品。在国外，作为w o r l d f i p 技术设计开发及应用领域的领 导者，a l s t o m 公司设计开发出了各种基于w o r l d f i p 技术的软硬件产品，主要有 各类控制器、执行器、连接设备、输入输出设备、开发测试用的各种芯片、专用器 件、板卡以及用于设备调试和监测的专用软件等，目前其设计开发及产品还只是限 于设备级，没有形成一个完整的系统】。目前，国内的会员单位对w o r l d f i p 的应 用研究仅局限于应用层( 含) 之下【协1 4 】【1 0 0 1 ，在分布式控制系统方面则完全是一片空 白。另一方面，目前国际上基于w o r l d f i p 技术开发出的系统的在数字化程度上还 s 第一章绪论 处于控制层以上，没有达到现场层，即还没有实现真j 下意义上的现场总线分布式控 制，这种现状概括性地讲就是基于w o r l d f i p 技术的控制系统目自仃还没有现场级的 开发应用，在技术和体系上，仍是一个空白。由此就为丌发基于w o r l d f i p 现场总 线技术的分布式控制系统提供了一个很好的机遇。图1 1 所示为监控层面的 w o r l d f i p 控制系统向w o r l d f i p 现场总线控制系统的演变示意图。 、j 前i 司外w o r i d f i p 控制系统w o r l d f i p 现场总线控制系统 图1 1 监控层的w o r l d f i p 控制系统向现场总线控制系统的演变 1 4 课题的意义 随着信息技术的高速发展，国内外高新产业领域的不断扩大以及经济的全球化 趋势，知识产权显得越来越重要，只有发展独立自主的现场总线产业，才会在国内 外激烈的科技、经济的竞争中立于不败之地。中国的现场总线产业要走自主创新之 路，沈阳自动化所和浙大中控就是我们行业的榜样。国际工控领域的大公司垄断了 整个总线标准和设备供应市场，并不断推出新的版本。我们既要借鉴学习他人的技 术，又不能永远跟着他人走下去。只是热衷于在他们的总线上做一些应用工作是短 视的，长此下去会逐渐丧失自主创新的能力。面对国外工控行业的总线标准和产品， 适当的借鉴是必须的，但不应盲从和依赖，不能靠花高价买来别人的技术方案、软 件包并在其上进行二次开发，核心技术仍然不被我们掌握在自己手中，那样永远不 会有自己真正的东西1 8 引。因此在现场总线控制系统的开发上，要注重研究和探索核 心技术，建立起一整套具有强的生命力的总线控制开发的方案和基本方法。目前国 内外尚无基于w o r l d f i p 技术的分布式控制系统产品，而介绍其核心技术方面的文 献更是凤毛麟角。所以，如何在批判地借鉴国内外同行新技术的基础上高效、独立 地开发出一整套具有完全自主知识产权的适于我国使用的功能先进的w o r l d f i p 现 场总线分布式控制系统，就成为我们的首要目标。 w o r l d f i p 现场总线分布式控制系统是一个完全意义上的现场总线控制系统。它 6 华北电力大学博士学位论文 应该在功能上集中管理，控制分散，在结构上横向分散，总线分级，它应对过程信 息的传输能够快速响应，它还应具有良好的互操作性和高的可靠性。从图1 1 可以 看出，它的研发是一个完备的系统级的研发，在设备层次上讲，涉及到对各类总线 智能仪表的研发和生产；而在较高的层次上讲，涉及到对总线主设备( 网关) 研究开 发；而在协议层次上讲，涉及到通信协议栈、用户层协议、互操作协议的定义与实 现；而在应用接口层次上讲，涉及到对整个网络设备进行组态、配置和管理的组态 软件的研究开发。结合电力生产过程的实际需求和自身的研究条件，华北电力大学 自动化系现场总线实验室目前正在致力于对具有自主知识产权的w o r l d f i p 现场总 线分布式控制系统的研发，本文所阐述的正是该系统的设计方案和关键技术问题的 解决方法。本课题的研究必将促使w o r l d f i p 现场总线技术在应用上实现了质的飞 跃，它将和f f 现场总线技术一样，达到同一个战略高度，必将为今后基于该种总 线技术在应用上的进一步发展开拓出了广阔的空间。同时本课题对于在w o r l d f i p 现场总线技术研发及应用方面填补国内空白、赶超国际先进水平具有重大意义。 1 5 论文的主要工作 基于论文的背景和意义，华北电力大学自动化系现场总线实验室自2 0 0 3 年起 开始设计开发这套w b r l d f i p 现场总线分布式控制系统，至今已攻克了许多技术难 关，整套系统逐步呈现出来。论文作者作为项目核心成员，自始至终地工作在第一 线，完成了整套系统的大部分研发工作。论文以实际的全部设计开发工作为基础， 详细介绍和阐述了系统的总体架构、系统功能、协议定义、软件实现和总线设备的 开发的内容，重点介绍了系统中的特色和创新所在。其中在许多的章节内，在充分 分析和借鉴其它较为成熟的现场总线控制系统技术基础上，详尽、系统地阐述和论 证了在本系统中对关键问题的解决方案的具体思路、原理和设计、实现的方法，做 到有的放矢、突出重点。全文共分为八个章节，结构安排如下： 第一章为绪论部分。绪论首先回顾了计算机控制系统和现场总线技术发展历 程，在对理论和现实的背景进行了分析与综合后指出了开发具有自主知识产权的基 于现场总线技术的分布式控制系统的重大意义。然后介绍了w o r l d f i p 总线技术特 色、国内外w o r l d f i p 技术及w o r l d f i p 现场总线分布式控制系统的应用与研发现状 和存在的问题，再结合我们电力生产过程对总线控制系统的需求，进一步引证了课 题的重要意义。 第二章首先进行了以w b r l d f i p 为现场层网络的综合自动化系统的体系结构的 总体分析，并据此对w o r l d f i p 现场总线控制系统的总体结构进行了概要设计。然后 通过横向比较，分析了w o r l d f i p 协议，针对分布式过程控制的需要，补充定义了用 户层和应用层的总线访问子层，进而介绍了补充后的协议结构和各层协议工作机 理。最后对w 斫l d f i p 系统管理所必须实现的服务提出了设计需求。 7 第一章绪论 第三章是本文重点所在，详尽、系统地介绍了补充协议关键技术问题的解决方 案。关于功能块应用进程，详细分析了功能块协议模型，以p i d 功能块为例给出了 功能块的v x w o r k s 软件实现方案；以协议格式与软件工作流程方式分别交待了功能 块交互通信与功能块服务的设计实现：概要给出了功能块应用进程的封装外壳一一 功能块壳所实现的三项功能。关于系统管理，详细分析了其核心组件，即可预约定 时器管理、宏周期