（精密仪器及机械专业论文）基于LonWorks技术家庭四表远程(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 i o n w o rk s 网络控制技术是近年来迅述发展起来的现场总线控制技术，在工 、j p 、楼宁、运输、能源等自动化领域得到应用寸本课题就是利用l o n w o r k s 技术 i 【成家庭四表( 水表、电表、煤气表、热量表) 的远程抄送系统，此系统组网 灵活、开放性好、易于扩展。 术论文在比较了不同抄表方式的基础上，提出了采用l o n w o r k s 总线技术实 i 见远程抄表的实施方案，并对其可行性进行了分析。抄表系统主要包括三部分： 耗能表、家庭智能终端和管理中心。本论文的研究重点是家庭智能终端和耗能 表。 在文中就家庭智能终端提出了两种设计方案，分别介绍了其硬件构成和工 作原理并从这两种方案的结构和功能卜进行了分析和比较。文中还对耗能表 的设计提出了不同方案，并以电子式电能表为例，详细介绍了电子式电能表的 软硬件设计方法，最后，通过比对性试验和特殊试验，说明所设计的电子式电 能表计量准确，远程计量值与显示值相一致，同时具有较好的稳定性。 关键词：l o n w o r k s 技术； 自动抄表，现场总线? 耗能表 a b s t r a c t t h el o n w o r k st e c h n o l o g y ，o n eo ft h em a n yf i e l d b u st e c h n o l o g i e sd e v e l o p e di n l e c e n ty e a r sa n da v a i l a b l ea sa no p e ns t a n d a r dt oa l lm a n u f a c t u r e r s ，n o wh a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ea u t o m a t i ca r e a sr a n g e df r o mi n d u s t r y , b u i l d i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，t o p o w e rs y s t e m t h et a s kb u i l d st h es y s t e mo fr e m o t em e t e r s - r e a d i n g ( w a t e rm e t e r ， w a t t - h o u rm e t e r , g a sm e t e ra n dh e a tm e t e r ) b a s e do nl o n w o r k st e c h n o l o g yt h e s y s t e mp r o v i d e sv e r s a t i l em e t h o d s f o rb u i l d i n ga n d m a n a g i n gt h ec o n t r o ln e t w o r k s i nt h i sp a p e r , a f t e rt h ed i f f e r e n ts o l u t i o n sf o ra m ra r ed e m o n s t r a t e d ，t h es o l u t i o n o fa m rb a s e do nt h el o n w o r k st e c h n o l o g yc a nb es u p p l i e d ，a n di t s f e a s i b i l i t y i s a n a l y z e d t h e a u t o m a t i c m e t e r - r e a d i n gs y s t e m c o n c l u d e st h r e e p a r t s ：e n e r g y c o n s u m i n gm e t e r s ，d o m e s t i ci n t e l l i g e n te n da n ds u p e r v i s i o nc e n t e r g r e a te m p h a s i s h a sb e e n p u to nd i s c u s s i n gd o m e s t i ci n t e l l i g e n te n d a n d e n e r g y c o n s u m i n gm e t e r s i nt h i sp a p e r , t w os o l u t i o n sf o rd o m e s t i ci n t e l l i g e n te n dh a z eb e e n p r o d u c e d ，a n d t h e i rc o n s t i t u e n t so fh a r d m m ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l e 跹ei n t r e d u e e c lr e s p e c t i v e l y m e a n w h i l et h e s es o l u t i o n sa r ea n a l y z e di nc o n s t r u c t i o na n df u n c t i o n i nt h i sp a p e r , t h e d i f f e r e n td e s i g ns o l u t i o n so f e n e r g y c o n s u m i n gm e t e r sa r ep u tf o r w a r d a n dm a k i n g t h ee l e c t r o n i cw a t t - h o u rm e t e ra sa n e x a m p l e i t sc o n s t i t u e n t s o fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r ei u t r o d u e e di nd e t a i l f i n a l l yt h et e s ts h o w st h a tt h ew a t t h o u rm e t e rh a s g o o da c c u r a c nc o n s i s t e n c ya n ds t a b i l i t y k e y w o r d s ：l o n w o r k st e c h n o l o g y , a r m ，f i e l d b u s ，e n e r g y - c o n s u m i n gm e t e r 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，也不包含为获得金蟹王业盔坐 或其他教育机 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。 学位论文作者签名：枷 签字日期：弘哆年争月f j _ 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒墼工些态堂有关保留、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，允许论文技查阅和 借阅。本人授权金丝王些盔堂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适用本授权书) 学位论文作者签名： 和土柱 签字日期：矿，年争月，j ，日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： ：凯够 签字目期：彦叫年髟月旷日 也话： 邮编： 致谢 本论文是在导师吕国强教授的悉心指导下完成的。吕老师一直以其渊博的科 技戋口 、对科学研究敏锐的洞察力、严谨的治学作风、清晰的思路影响着我，使 我终乍受益。读研期间及课题研究阶段，吕老师不仅始终在学习上和专业技术方 肌纶r 指导帮助，而且生活上加以悉，心关怀。在论文即将完成之际，向吕老师表 示衷心的感谢和深深敬意! m 课题阶段，还得到了邓善熙教授、彭良清老师、洪占勇老师的关心支持和 帮助，另外还感谢安徽光电技术研究所许光升所长和钟毅先生，在课题设计阶段 抛供的良好设备条件和有益的建议。在检测技术研究所学习期间其他许多老师的 指导捌关心，以及雷刚、刘芳芳、蒋敏兰、任潇潇、丁信号等同学的鼓励和帮助， m 此并表示感谢。 矗i 读研期间还得益于检测技术研究所提供的良好学习条件，及所内团结 友爱和积极进取的气氛，在此向工作在一起的老师和同学们表示诚挚谢意。 感驸我的爱人钟跃明给予我的支持、理解和帮助，感谢我的父母及家人 刈我的宽容和关心，是他们的爱使我在学业上能够不断的前进。 谍以此文献给关心、帮助过我的父母、家人、老师和朋友们! 第一章序 论 1 1 前言 随着2 1 世纪的到来，特别是近年来现代高科技和信息技术正在由智能大厦 走阳智能住宅小区，进而走进家庭。现代社会的家庭正在以追求家庭智能化带来 的多元化信息和安全、舒适与便利的生活环境作为个理想的目标。 代宅小区智能化这项技术在国外已经j f ：始广泛的研究，并已推广应用，成为 住宅小区的个重要的组成部分，带来很好的效益。早在几年前，欧、美和东南 弧等经济比较发达的国家先后提出了”智能住宅”( s m a r th o m e ) 的概念。实现了 ”将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线 技术( h b s ) 连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家 庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐”的目标1 4 ”。 小区智能化是一个综合性系统工程，要从其功能、性能、成本、扩充能力及 脱代相关技术的应用等多方面来考虑。不仅要考虑到系统初期建设的投资成 本，更要考虑到系统在未来运行的实用性、可操作性，以及系统维护的成本。所 以，舟小区智能化系统设计选型时要考虑各个方面的因素，选用技术成熟，可靠 性商且有较好性价比的产品是至关重要的。本课题正是基于这种背景而产生的。 课题来源于安徽省“十五”科技攻关项目“家庭网络智能终端产品及多元化 信息集成”中的家庭水、电、煤气、热量表远程抄送系统，主要是利用l o n w o r k s 总线技术，通过家庭智能终端，将用户所用的水量、热量、电量和煤气量送入上 层锊一h 系统，实现各种能量表的远程抄录、统计、收费、报警、控制等功能。 1 2 研究的目的和意义 近年柬随着我国国民经济的发展和国家住房制度的改革，人民生活水平和自 身素质不断的提高，人们对住宅的质量和档次也越来越高，对居住环境、物业管 理水、h 住宅区的安全性、便利性和舒适性等要求也日益提高，而且电子信息产 、i 咖i 快速地向人们生活的各个领域渗透，与此相适应，各种不同档次的公寓、生 活小区纷纷提出了自己不同的智能需求，使得住宅也向着智能化、网络化的方向 发展。自动抄表和自动收费已成为小区智能化的必备条件，会影响到小区的发展。 传统的的抄表方式是各类表的抄表人员定期挨家挨户读抄录相应表的数据， 结算出费用后再到各家收费，这种抄表收费的方式存在着许多的弊端，给住户和 供能部门都带来很多麻烦，究其原因主要有以下几点： ( f ) 随着居民生活水平的提高，家庭财产价值越来越高、人们也越来越重视隐 私权，用户不希望被人打扰；同时入户抄表只能在早、晚居民休息时间，抄表人 员t j j 利用的时间较短，因而很难一次性完成抄、收的任务，还会造成漏抄、欠牧、 漏l & 的现象，使得实际收费远低于统计值，费用流失严重。 ( 2 ) 传统的人工抄表、收费，手工结算，效率低，误差大，而且现在的楼层越 来越高，住户一般只是早晚在家，如果遇到住户不在家，抄表人员就得找时间再 上。返就使得抄表人员的劳动强度加大。甚至会出现有些不法分子冒充抄表人员 入室作案，影晌居民生活和社会的稳定。 ( ： ) 用户、收费人员窃水、窃电、窃气，拒交费用等情况时有发生，造成各类 费j j 不能及时准确的收缴。由于损耗、漏收和欠收等还会给供能部门和住户带来 定的经济负担。如：同供气j 0 0 万立办的能力下。收费率提高一个百分点，每 f f 就町增收3 6 5 万立方的气费，而实际上，少收、漏收远高于此，有的地区高达 2 0 以匕，供水、供电的情况更为严重1 7 j 。 除了上述的以外，人工抄表需要大量的抄表和管理人员，费用开支很大。尤 足陋着城市的发展，抄表收费问题更为突出，已严重制约了相关企事业的发展。 r | 动抄表作为小区智能化的一个组成部分，它不仅给住户带来了方便，而且 对供能部门来说节省了大量的时间、人力、物力，也节省了开支，提高了工作效 率，这种抄表方式是一次性的投入，实现了一户一表制，降低了损耗，从而可以 减轻住户和供电、供水、供气部门的费用，同时还解决了长期以来人工抄表所带 米n 1系列问题。为实现小区科学、系统的物业管理提供了有效的解决方法。 1 3 国内外研究的现状 随着全球范围内供水、电、气、热经营市场化的发展，自动抄表( a m r ) 技 术的墟用越来越广泛，不仅在电力行业，其它如供水、供气、供暖等公用企业也 部花阳自动抄表的方向发展，这使得自动抄表成为新的产业部门。 企八十年代中期，国外就开始安装和投入使用自动抄表系统。现在已有不少 箸私商已生产出a m r 系列产品，而且对a m r 的研究也越来越深入。美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表技术协会( a m r a ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次 f i 会l i h 都有专题报告，近年又成立了欧洲自动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国 n 动抄表协会( u k a m r a ) 【1 1 。 l f j i 许多发达国家采用遥读方式读取用户用气量后，在银行通过用户帐户 进行结算。在美国等国家多半是采用无线遥读方式，而在欧洲许多国家采用的有 线集中读取，用户在银行结算的方式。近年日本等国家又发展了通过电话线采集 川户消费量，银行结算的方式，与欧美等国家相比技术上有定的优势，具有遥 读和遥控双向功能，且方便、准确f 6 。 荚国的w e s t e r nm a s s a c h u s e t t s 电力公司【引1 ，在它管制的辖区内有4 0 的 爿j 户已使用了自动抄表系统，利用车载或手持式抄表器来读取用户的用电量。而 i ) 。n v e f 供水公司从2 0 0 1 年3 月开始在其负责的范围内进行水表抄表系统的改装， 汁划到2 0 0 5 年将有2 0 0 ，0 0 0 户都改用车载式自动抄表f 6 2 j 。另外，基于低压屯 力载波技术的抄表方式在国外发展也较为成熟。 近年来，我国智能化住宅小区建设发展也很快，从沿海的经济发达地区深圳、 广州、上海到政治文化中心北京，以及其它城市如成都、重庆、贵州、昆明、安 徽臀地均不同程度地建设了智能化示范小区。而家庭所用的耗能表远传计费系统 是j 住户密切相关的一个智能化系统。建设部( ( 2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产 、l k ：稃城市示范小区规划设计导则( 修改稿) 中已经明确提出：”推广应用户外 汁量( 含水、电、暖、燃气表) 技术”。在中国住宅户年品发展纲要中也明 确提出：实现方便查表，不干扰住户，使大量人工查表工作逐步过渡到数字化传 送，外发智能化的水、电、气、热计量装置及接口箱柜。智能化计量装置的开发 要达到准确计量、抗干扰能力强、稳定性与耐久性好，使用安全，防盗等基本技 术性能要求【2 】。随着国家“康居工程”的推广，智能化小区的建设，自动抄表系 统f 也逐渐普及，也有应用实例，如深圳的梅林三村小区、上海的邮电二村小区等。 但是，寻求简单可靠的自动抄表方法，仍是一个热门话题。特别是美国、欧 洲及本1 6 引，有很多公司从事着这个领域的研究和开发。国内也有不少的公司和 们l k 7 i ! 进行这方面的开发和研究。目前已推出的抄表系统覆盖了很多应用领域。 所使j n 的通信媒体包括：红外线、双绞线、无线电、电话线、光纤、电力线、及 同轴i 乜缆等。其中，电话线和无线电抄表已有很多应用事例。抄表系统既可以 采川菜种单媒体，也可采用多种媒体结合。 有关自动抄表国内外目前普遍采用的几种方案在本论文的第三章有具体的 比较说明。 1 4 术课题研究内容及预期效果 j f ! j f ：究内容及要解决的问题 总线式家庭智能终端的研究。 智能终端对各种信号的采集，终端与下层基表的接口电路的设计。 收发器的选择。 数字化智能四表( 水表，电表，气表，热能表) 的开发。 现有u q 表多为机械式，其输出信号不能满足智能终端输入的要求，需将其改装为脉 冲输出的计量表或进行电子式计量表具的设计。 汁量表的准确性，稳定性，有关表的防爆，防腐及肪盗。 2 预期效果 家庭智能终端实时采集下层四表的脉冲数或数据，再处理并保存。 配合相应的管理软件，能安全可靠地与主机进行通讯，实现数据的交换。 最终形成一个完整的系统实现家庭四表的计量，收费等各项功能。 系统具有可兼容性和可扩展性。 第二章l o n w o r k s 网络控制技术原理 2 1 控制技术的发展 任何新技术的出现无不是建立在相关技术的发展之上的，随着计算机技术、 微r 乜l 了二技术、网络技术的快速发展以及智能化仪表的发展和广泛应用，加之工业 自动化程度不断提出高要求，使得控制技术也不断的发展。每一代新的控制系统 的推出都是针对老一代控制系统所存在的问题而给出的解决方案。 六、七十年代在控制技术方面占主导地位的是模拟仪表控制系统，它使用的 是( 4 2 0 ) m a 的模拟信号，由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号 变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力较 低。所以这种系统显著的缺点就是：模拟信号精度低，很容易受到外界的干扰口1 【8 l 。 l 、八十年代在工业控制及自动化领域使用的主要是集中式数字控制系统， 它足以计算机为基础加上扩展的i 0 接口而构成。传输的是数字信号，因此克服 了模拟仪表控制系统中精度低的缺点，提高了系统的抗干扰能力。这种系统的优 点足易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可 以统一调度和安排；不足的是对控制器本身要求很高。必须具备极高的计算、处 理能力和极高的可靠性，否则在系统任务加重时，系统的效率和可靠性都会急剧 卜1 降。一旦控制器出现某种故障，就会造成所有的控制回路瘫痪、生产停产的严 重局函i 。所以说这种集中式的控制，风险高度集中p 】i 射。 八十年代以后，随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降。微处理器可 被嵌入到各种仪器设备，仪器设备的智能化从而产生了分布式控制( d c s ) ，是相 对j ：集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的 基础卜发展、演变而来的，在系统功能方面，d c s 与集中式控制系统的区别不大， 但盔系统功能的实现方法上却完全不同【3 j 【g l 。 分布式控制系统的核心思想是集中管理，分散控制。即管理与控制是相分离 的，所以也叫做集散控制系统，它将多台微处理器分散在现场担负着系统的基本 控制任务，上位机用于集中监视管理功能，各上下位机之间通过控制网络互联实 现相互间的信息传递。这种分布式控制结构避免了集中式控制系统风险高度集中 的缺点，有力地克服了它对控制器处理能力和可靠性要求高的弱点。 在分布式控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和 应用，但是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各 自专用的封闭形式，各厂家的产品自成系统，不同厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互联和信息共享，因此 集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控 制系统且d c s 造价较高，开发具有开放性即互操作性并且成本要低的控制系统成 4 为必然趋势【8 j ， 现场总线的实时、可靠、成本低、丌放、使用方便等特点，使其在控制现场 得到。泛应用，于是产生了现场总线控制系统( f c s ) 。 传统的分布式控制系统，其结构体系可描述为“三站一线川习，即工程师站、 操作员站、i o 站和通信网络。工程师站负责系统管理、组态工作、系统生成和 卜装。操作员站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、历史数据的收集、报 表生成打印等；现场i o 站实现各种信号的采集和处理、回路的运算和控制结果 输等；通信网络负责提供各种功能站之问的数据通信和联络。而现场总线在结 构上二只有现场设备和操作管理站两个层次，将传统d c s 的i o 控制站并入现场智 能设备，现场仪表都是内装微处理器的，将控制功能下放到现场，依靠现场智能 设备本身实现基本控制功能，不需要经过控制室主控系统；将基于封闭专用的解 决方案变成基于公开标准化的解决方案【4 j ，改变了传统d c s 集中与分散相结合的 结构体系，变成了新型全分布式结构。这样容易组成大型的开放式控制系统，实 现从最高决策到最底层设备的综合管理和控制；也降低了安装成本和维护费用。 闵为这种系统是一种真正意义上的丌放式、具有互操作性的、分散的分布式 控制系统，使得它成为目前控制系统的主流。使用现场总线技术后，工业控制体 系d f 集敌控制系统( d c s ) 演变为现场总线控制系统( f c s ) ，实现了控制技术领域的 大变革。 2 2 现场总线技术简介 2 ，2 1 概述 按照国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 的标准定义：现场总线是安装在生产过程 区域的现场装置与控制室内的自动控制装置系统之问的一种串行的、多点、数 字式的、双向通信的数据总线”。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生 产过程两类。“现场装置”是指系统最低层的监测、执行和计算设备，包括传感 器、执行器等，并且都可兼带有调节器，具有控制功能。一般认为，“现场总 线是种全数字化、双向、多站的通信系统是用于工业控制的计算机系统的工 业总线。”i i o l 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有 了数字汁算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制，通信任务的网络节点。 它们分别通过普通双绞线等多种通信媒介，把多个测量控制仪器仪表以及远程监 控、管理中心的计算机等作为节点连接成的网络系统。并按照i s o 的开放系统互 连参考模型( o s i ) 的全部或部分通讯协议，在位于生产控制现场的多个微机化 自控i 殳备之1 | j j 、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传 输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 简而占之，它把单个分散的数字化，智能化的测量控制设备变成网络节点， 用现场总线相连接，共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。从本质上来 说，现场总线是一种控制网络，它给自动化领域带来的变化，如计算机网络、互 联网给单台计算机带来的变化】，是当今自动化领域技术发展的热点。 现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通讯技术和自动控制技术的 产物。通过使用数字化和智能化的仪器设备，不仅提高了信号测量、控制和传输 的速度和精度，增强了抗干扰的能力，同时也丰富了信息传输的内容，为各种信 息的远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有 通信连接的其它网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气 月关等。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所 匦亟圃 固翼 圆点 圃 圈21 现场总线系统围 不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等 信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解 生产现场和自控设备的运行状态。由于现场总 线强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件 实现设备的互操作性和互换性。也就是说，用 户可以把不同厂家、不同品牌的产品集成在同 一个系统内，并可在同功能的产品之间进行相 互替换，使用户具有了自控设备选择、集成的 主动权。 从物理结构上来说，现场总线系统主要是 有两部分构成( 见图2 1 ) 【1 3 】：现场设备和传输 媒介。现场设备由传感器、变送器、执行器、 持冰 显烈 蛳 啪 是含型 图2 2 拓扑结构类型 微处理器以及处理电路等所组成，而传输介质则有多种如双绞线、同轴电缆、光 纡、 乜力线等，目前用的最多的是双绞线现场总线的拓扑结构有很多种如：总线 6 ，纵坏型、星型及混合型等，拓扑结构如图2 ，2 所示i l 。 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时 控制通讯网络，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、多站的通讯系统，被誉为自动化领域的 计算机局域网。现场总线在制造业、流量工业、电力、交通、楼宇、医疗等领域 1 1 勺自动化系统中具有广泛的应用前景。 2 22 现场总线技术特点1 1 3 1 i 1 4 l 现场总线技术之所以能够迅速发展，并能够成为未来控制系统的发展方向。 心为现场总线较之以往的控制系统具有一下特点： ( 1 ) 以数字信号完全取代了传统的d c s 系统的4 2 0 m a 模拟信号，信号的传输 实现了数字化，从而提高了信息交换和数据传输的速率，以及信号传输的 可靠性和精度。 ( 2 ) 总线式结构：一对传输线可以挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号， 这种一对n 的结构比对一的单向模拟信号传送结构布线简单，工程周期 短，安装费用低，便于维护，系统扩展方便。 ( ： ) 丌放互操作性：现场总线采用统一的协议标准。是开放式的互联网络，对用 户是透明的，这样用户可以把不同厂家的各种品牌的仪表设备集成在同一 控制系统中，迸行统一组态，构成自己所需要的控制回路，因此简化了系 统集成，降低了成本。 ( 4 ) 分散控制：现场总线将控制功能下降到作为网络节点的现场仪表设备，使 得系统具有较高的灵活性、可靠性和自治性，这样系统组网更简单，易于 扩建和维护。 ( 5 ) 综合功能强、组态灵活：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制 和运算能力。控制系统通过获取的现场仪表的各种状态、诊断信息，实现 实时的系统监控和管理。此外，f c s 引入了功能块的概念，它们通过统的 组态方法，使系统组态简单灵活，不同现场设备中的功能块可以构成完整 的控制回路。这样不仅方便了用户，也节省了成本。 t 6 ) 多种传输媒介和拓扑结构：现场总线控制系统可根据控制系统中节点的空 问分稚情况，采用多种网络拓扑结构，并且支持多种通信介质，这给自动 化系统的施工带来了极大的方便，据统计，f c s 与传统b c s 的主从结构相比， 只计算布线工程一项即可节省4 0 的经费。 ( 7 ) 状态可控：管理人员在控制室内可以监控现场仪表设备的工作情况，提高 了整个系统的可靠性、可控性和可维护性。 ( 8 ) 成本低：衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察 系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。上述各点都说明了 f c $ 开放的体系结构无论是在开发成本或是安装、维护费用等方面都大大 地降低。 总之，现场总线是高可靠性、低成本、组态简单、可互操作性、分散控制、 运i 方便的丌放式系统。 2 23 现场总线技术的发展状况1 1 5 j 5 1 1 8 i n 八十年代未以来，现场总线发展迅速，现在处于群雄并起、百家争鸣的阶 段。d 口国际上已丌发出有4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s 、b i t b u s 、d e v i c e n e t 、 n h u s 、a r c n e t 、p - n e t 、f i p 、i s p 等，其中有几种现场总线技术已逐渐形成起 影 啊，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们各具特点。下面具体介 绍最具有影响力的五种分别是基金会现场总线( f f ) 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 、 l o n h o c k s ( 性能对照见表2 1 ) 表2 1 五种现场总线性能对照表【8 】 t j ：能 f fp r o f i b u sc a nh a r tl o n w o r k s 戍川范嗣仪表 p l c汽车智能变送器楼宇、工业自动化 o sj 网络层次i 2 3 ，8l ，2 71 2 7l ，2 71 7 j j ! i 信介质双绞线、电双绞线、光舣绞线、光电源信号线双绞线、电力线、 缆、光纤、 纤 t t - 电缆、光纤、无线 无线等等 介质沂问方令牌、主从令牌、主从位仲裁令牌、查询p p c s m a 、 纠请疗式c r cc r cc r cc r cc r c 通信速率2 51 ，211 21 2 5 ( m b p s ) 最人肖点数3 21 2 81 1 01 52 ” 优先绂有有有有 有 保密级 身份认证 木安性是是是 是是 外发i 具有有 有 有 1 基命会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u b ) f ? f 是1 9 9 4 年由美国仪器协会( i s a ) 推出的。在现场总线标准的研究制定 过枷1 1 出现多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1 9 9 4 年基本上形成了 炳人阵营，是以美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、 两门子等八十家公司制订的i s p 协议，另一个是以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧 洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r l d f i p 协议，这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并成立 了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。它的特色是其通讯 协议在1 s 0 0 s i 的物理层、数据链路层和应用层之上增加了用户层，通过描述设 备特征、参数、属性及操作接口的设备描述语言( d d l ) 和设备描述字典实现互 操作性。f f 提供两种物理标准：h l 和h 2 。h i 为用于过程控制的低速总线，速率 为扎2 5 k b p s ，传输距离为2 0 0 m 、4 0 0 m 、1 2 0 0 m 和1 9 0 0 m 四种。可支持总线供电， 支持本质安全防爆环境。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 ，5 m b p s 两种，其通信距 离分男u 为7 5 0 m 和5 0 0 m 。协议符合i e c l1 5 8 2 标准。其物理媒介的传输信号采用 曼彻颠特编码。基金会现场总线主要用于石油化工、连续工业过程控制中。目日u 基于f f 的现场总线产品有，美国s m a r 公司生产的压力温度变送器， l l o n e y w e i l l & r o c k w e i l l 推出的p r o c e s s l o g i x 系统，f i s h e r r o s e m o u n t 推出的 i l a n t w e b 。 2i r o f i b u s 现场总线 它是德国西门子公司1 9 8 7 年推出的。是由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - f m s 、 p r o f i b u s p a 所组成的p r o f i b u s 系列。它采用o s i 模型的物理层、数据链路层。 分散化的外围设备( d p ) 型隐去了第3 层至第7 层，而增加了直接数据连接拟合作 为用，。接口；现场总线信息规范( f m s ) 型则只隐去第三至第六层，采用了应用层。 过程自动化( p a ) 型的标准目前还处于制定过程之中。其最大传输速率为1 2 m b p s ， 传输距离为l o o m 和4 0 0 m ，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 i2 f 个站点。f 裕用于主站之间的通讯：d p 用于制造行业从站之闭的通讯；p a 用 j 二过程行业从站之间的通讯。 3 1 a 1 1 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e a t o t et r a n d u c e r ，可寻址远程传感器数据通 路) 是美国r o s e m o u n t 公司1 9 8 9 年推出的一种兼容4 2 0m a 模拟信号和调制 数宁信号的现场总线协议。主要应用于智能变送器。h a r t 为一过渡性标准，它 通过舟4 - 2 0 m a 电源信号线上叠加不同频率的正弦波( 2 2 0 0 h z 表“0 ”，1 2 0 0 h z 表“l ”) 来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性。它 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较 强的竞争力，得到了较快的发展。 4 c a n c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 最早由德国b o s c h 公司1 9 9 3 勺二推出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性位 仲裁方式，c a n 结构模型取i s o 0 8 1 模型的物理层、数据链路层和应用层。通信 速率最高可达i m b p s ，通信距离最远可达1 0 0 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线， 最多可挂接设备1 l o 个。适用于实时性要求很高的小型网络且开发工具廉价。 9 m o r h l a 、i n t e l 、p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片和带有c a n 接口的8 0 c 5 1 芯 i 。c a n 型总线产品有a b 公司的d e v i c e n e t 、台湾研华的a d a m 数据采集产品等。 c a n 住我国的应用较早，我国华控技术公司基于c a n 协议开发了s d s 智能分布式 系统；和利叫公司开发的h s 2 0 0 0 系统的内部网络就是应用c a n 。 5 l o n w o r k s 1 。o n ( l o c a lo p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) 美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年 推 | ，它采用i s o o s l 模型的全部7 层协议，介质访问方式为p - pc s m a ( 可预 测l uo 涟持载波监听多路复用) ，采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了 通讯的实时性，安全机制采用身份认证方式，因此能构建大型网络控制系统。下 丽将具体介绍有关l o n w o r k s 技术的有关原理。 23l o n f f o r k s 技术概述1 1 6 1 l , o n w o r k s 总线技术是美国e c h e l ( ) n 公司1 9 9 1 年推出的局部操作网络( l 洲 例，l 。o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) ，它的主要特色是将通信协议嵌入到一个芯片内， 川户采用该芯片及相关的配件就可设计出自己需要的各种应用节点。再利用各节 点与路由器中继器等组成l o n w o r k s 网络。最初它主要用于楼宇自动化，但很快 发展到工业现场网。l o n w o r k s 技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一 套完整、丌放、成品化的解决途径。 在控制系统中引入l o n w o r k s 网络控制技术，可以方便地实现分布式的网络 控制系统。并使得系统更高效、更灵活、更易于维护和扩展。与当前已有的几种 现场总线技术相比，l o n 网有其特出的特点，使其成为实际上的现场总线推荐标 准。j ：l 有以下特点： ( 1 ) 丌放性和互操作性：网络协议丌放，对任何用户平等。l o n w o r k s 通信协议 i 0 1 17 r a l k 是符合国际标准化组织( j s o ) 定义的开放互连( o s l ) 模型。任何 制造商的产品都可以实现互操作。该技术提供的m i p ( 微处理器接口程序) 软件允许开发各种低成本网关，方便了不同系统的互连，也使得系统具有高 的可靠性。 ( 2 ) 通信媒介：l o n w o r k s 支持多种通信媒介，包括双绞线、电力线、光纤、同 轴电缆、无线电波、红外线等，而且在同一网络中可以有多种通信媒介。这 使得不同工业现场的不同设备实现互联，增强了网络兼容性。 ( 3 ) 网络结构：可以是主从式、对等式或客户服务式结构 ( 4 ) 网络拓扑：有星型、总线型、环型以及自由型 ( 5 ) 网络通信采用面向对象的设计方法，l o n w o r k s 网络技术称之为“网络变量”， 它使网络通信的设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性。通信的每帧有 效字节数可从0 到2 2 8 个字节。通信速率可达1 2 5 m b p s ，此时有效距离为 i3 0 m 。7 8 k b p s 的双绞线，直线通信距离长达2 7 0 0 m 。l o n w o r k s 网络控制技 1 0 术在一个测控网络上的节点数可达3 2 0 0 0 个。 ( 6 ) 提供强有力的开发工具平台一一l o n b u i i d e r 与n o d e b u i l d e r 。 l o n w o r k s 技术核心是神经元芯片( n e u r o n 芯片) ，它既能管理通信，同时 具有输入输出以及控制能力。此外，芯片附有固件，该固件实现l o n t a l k 通信 协议和所有的任务调度。而且，l o n w o r k s 控制网络在功能上就具备了网络的基 本功能，它本身就是一个局域网，和l a n 具有很好的互补性，又可方便的实现 互联，易于实现更加强大的功能。l o n w o r k s 以其独特的技术优势，将计算机技 术、网络技术和控制技术融为一体，实现了测控和组网的统一，而其在此基础上 ) 1 ：发出的l o n w o r k i p 功能将进步使得l o n w o r k s 网络与以太网更为方便的互 联。 l o n w o r k s 网络是采用神经元芯片技术，在o s i 七层协议上实现的控制网络。 神经元芯片和l o n t a l k 网络协议是l o n w o r k s 的核心技术。 2 4 神经元芯片1 1 7 | f 1 8 1 1 5 7 i 241 概述 神经元芯片基本上是一个“芯片上的系统”。由多个微处理器、读写存储器 和岁 读存储器( r a m 和r o m ) 、通信和i o 接口组成。只读存储器包含操作系统、 l o n l a l k 通信协议和i o 功能数据库系统。在制造时，每个神经元芯片被赋予一 个永久的全世界唯一的4 8 位码的标识符即神经元i d 。现在有不同速度、存储器 类型和容量、接口的许多系列的神经元芯片。其内部结构如图2 3 所示。 图2 3 神经元芯片结构框图 一个全面实施l o n t a l k 协议的固件程序包含在n e u r o n 芯片的r o b l 中，这使 搿n 。，o 。芯片能保证在每个装置中公共协议的应用以完全相同的方式实施。一 般的l o n w o r k s 装置中都包括个具有完全相同的嵌入式l o n t a l k 协议实施工具 的n o u r o n 芯片。这个方法解决了“9 9 兼容性”问题，并保证l o n w o r k s 装置在 i 司删络上的连接只需要很少甚至不需要额外的硬件。因为n e u r o n 芯片是结合 成体的3 个8 位的微处理器，其中两个优化以执行协议；第三个供节点应用。 所以n e u r o n 芯片既是网络通信处理器又是应用处理器。这保证了不论控制装置 或网络来自哪个制造商，使这些装置能相互通信的内在协议是相同的。每个神经 ，i 芯”或其他实施已公布的l o n t a l k 踟议的，允许复制件的处理器都有一个被保 证是唯一的4 8 位的i d ，一般只在网络安装和配置时使用，可以作为产品的序列 弓。这样每个l o n w o r k s 装置就有唯的可由l o n t m k 协议使用的物理地址。 神经元芯片既可以从具有5 个管脚的通信口，也可以从具有1 1 个管脚的i 0 f 1 发送和接收信息。这些i o 口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口。 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r a m 中的信息) 不会改变。一旦i 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 5mb 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。在理想情况 f ，一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为d c s 系统中一个独立的控制单 2 4 2n e u r o n 芯片的c p u 结构 n e u r o n 芯片内部装有3 个8 位微处理器，其微处理器和存储器结构的框图 如图2 ，4 所示。这三个微处理器各自分工不同。m a c 处理器即c p u 一1 为介质访闯 图2 4n e u r o n 芯片处理器和存储器框图 控制处理器处理l o n t a l k 协议的第一和第二层，包括驱动通信子系统硬件和执行 m a c 算法。c p u 2 为网络处理器，它实现l o n t a l k 协议的第三到第六层，包括处 理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件定时器、网络管理和 路出等。同时它还控制网络通信端口，物理地发送和接收数据包。c p u 一3 为应用 处理器，它执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。c p u 一2 与 c p u l 通过共享存储区的网络缓存区进行通信，并正确地对网上报文进行编解码。 c p u 一2 与c p u 一3 通过应用缓存区来实现相互间通信。 2 4 3 应用i 0 对象和通信端口 1 应用i 0 对象 n e