（生物医学工程专业论文）网络化控制技术实验平台的研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , p r o c e s s c o n t r o la r e ai su n d e r g o i n gat u r n o v e rf r o mc o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t e ms u c ha s d c st oc o n t r o ls y s t e mw i t hc h a r a c t e ro fn e t w o r k t h e r ec o m e san e wc o n t r o l s y s t e mn a m e db yn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mm c s ) a ne x p e r i m e n t a lp r o c e s s c o n t r o ls y s t e mb a s e do nf o u n d a t i o nf i e l d b u sa n de t h e m e ti sd e s i g n e di nt h i s t h e s i s ，w h i c hh a ss e r v e da sa ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt e a c h e r sa n ds t u d e n t s i no u rs c h o o lt os t u d ya d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g y m o r e o v e r , i th a sp r o v i d e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r es u p p o r tf o ro u rs t u d yo fd e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi n n e t w o r ke n v i r o n m e n ta n dr e s e a r c ho f c o n t r o la r i t h m e t i c t h i st h e s i s f i r s t l yi l l u s t r a t e st h eb a s i ct h e o r y o fn e t w o r k e dc o n t r o l t e c h n o l o g yt os h o wt h a td c s f c sa n de t h e m e tc o n t r o ls y s t e ma l lb e l o n gt o n c s i tl a y sas t r o n ge m p h a s i so nt h es t u d yo ff i e l d b n sa n de t h e r n e t t e c h n o l o g ya b o u tg e n e r a t i o n ，d e v e l o p m e n t ，c h a r a c t e ra n dc o m p a r i s o n i t s t u d i e s t e c h n o l o g y c h a r a c t e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ff o u n d a t i o n f i e l d b u s ，a l s op r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fe t h e m e ta p p l i e do ni n d u s t r yc o n t r 0 1 t h e n ，t h et h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e sp i dc o n t r o la l g o r i t h mw i n c hi su s e d w i d e l yi ni n d u s t r yc o n t r 0 1 c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e mo fo p t i m i z i n ga n dt u n i n g t h ep i dp a r a m e t e r s ，t h ea u t h o ru s e sg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z ea n dt u n et h e p i dp a r a m e t e r s g e n e t i ca l g o r i t h mi sah i g he f f i c i e n c ym e t h o d ，w h i c hd o e sn o t n e e da n yo r i g i n a li n f o r m a t i o nt os e e kt h eb e s ta n s w e r a l s oi ti sa no p t i m i z i n g c o m b i n a t i o nm e t h o d a tl a s t ，a i m i n ga tt h en e e d o fp r a c t i c e ，w ed e s i g nt h es o f l w a r ea n d h a r d w a r ep l a t f o r mo f n c se x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e do nf o u n d a t i o nf i d d b u s t e c h n o l o g ya n de t h e r n e tt e c h n o l o g y t h eh a r d w a r ep l a t f o r ml a y sa ne m p h a s i s o nt h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e m , t h es e l e c t i o no ft h el o c a lm o d e ld e v i c ea n d t h ei n s t a l l a t i o no ft h en c s t h es o f t w a r ep l a t f o r mb e g i n sw i t ht h ev i r t u a l a b s t r a c t i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dl a b v i e w ：a n dt h e ni n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o n a n dp r o g r a m i td e s i g n st h es u b p r o g r a m so fs i g n a la c q u i s i t i o na n d c o n f i g u r a t i o n ，t a n kl e v e lc o n t r o la n ds u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , t h et h e s i st a k e st a n kl e v e lc o n t r o ls y s t e mf o re x a m p l et oe x p e r i m e n t i tu s e s p i dc o n t r o la n dg e n e t i ca l g o r i t h mp i dc o n t r o l ，a l s og i v e st h ec u r v eo f t h es t e p r e s p o n s et oa n a l y z ea n dc o m p a r et h et w o c o n t r o la l g o r i t h m k e y w o r d sp r o c e s sc o n t r o l ；n e t w o r k e dc o n t r o l ；f i e l d b u s ；e t h e r n e t ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；p i d i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文网络化控制技术实验平 台的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字取五- 晦 日期：血。# 年平月。日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 网络化控制技术实验平台的研究系本人在燕山大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：袱立桶日期：j d d f 年平月工口日 一名：钕纬 日期：捌年易啼日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义 网络控制技术作为过程控制领域的一种新技术，其技术的优越性也伴 随着其技术的复杂性。加强网络控制技术的培训和技术交流对于该技术在 我国的推广和应用具有长远的意义。 作为高校自动化及相关专业教学与实践的重要环节，过程控制实验的 重要性是不言而喻的。我们通过设计一个基于现场总线技术和以太网技术 的网络化过程控制系统，一方面可以为我校师生提供学习网络控制技术的 实验平台，帮助我校师生学习和实践当前先进的控制技术；另一方面也为 我们在网络环境下控制系统的设计、控制算法的改进与创新的研究提供了 软硬件支持。 该网络化控制技术实验平台具有良好的开放性和可靠性，能够模拟工 业现场的某些常见被控对象，可以利用该系统进行具体的液位以及温度等 控制回路设计，而且可以进行网络化环境下控制算法应用与改进的具体研 究。 本课题研究的现实意义包括以下几点： ( 1 ) 该实验平台可以为我校本科生开展过程控制教学的有关实验教学。 学生可以进行控制模型辨识、水箱液位控制、水箱液温控制、各种先进控 制算法对比与验证等实验。学生通过进行模型参数辨识、控制回路设计、 系统组态等实验操作，可以大大的深化学生对书本知识的理解，从而教学 水平和效果也获得了很大的提高。 ( 2 ) 该实验平台可以方便我校研究生对网络控制技术的有关课题研究。 网络化控制系统在克服了传统控制系统控制功能相对集中、布线与维护困 难、智能化程度较低等缺点的同时也给控制系统的设计带来了新的难题。 该实验平台可以帮助我校研究生开展对网络化环境下控制算法的改进与创 新研究。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 该实验平台的完成和投入使用，对于基金会现场总线产品的开发、 产品互操作性测试、网络化环境下控制技术研究，以及网络控制技术培训 和与国内有关厂家和研究机构开展技术交流和合作都有重要价值。 1 2 过程控制技术与网络控制技术 自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。自2 0 世纪9 0 年代以 来，自动化技术发展很快，已成为我国高科技的重要组成部分，正在工业 生产和国民经济各行业发挥着重要的作用。自动化水平已成为衡量各行各 业现代化水平的一个看要标志【1 。 过程控带j j ( p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、 建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控 制【2 l ，它是自动化技术的重要组成部分。从控制的角度出发，可以把工业 分为三类：连续型、离散型和混合型。习惯上，把连续型工业称为过程工 业( p r o c e s si n d u s t r i e s ) ，有时为突出其流动的性质也称为流程工业( f l u i d p r o c e s si r i d u s l r i e s ) 。在连续型工业过程中，包括了连续的信息流、物质流和 能量流口】。过程控制技术正在为实现现代工业生产过程中各种最优的技术 经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等 方面起着越来越大的作用。 连续过程工业的发展对于任何国家的国民经济发展都有着重大的影 响，随着世界经济的全球化发展趋势，连续过程工业正面临着生产规模、 经济效益、品种、质量和环境保护等多方面的严竣挑战。世界各国都在注 重连续工程工业在国民经济中的地位，采用高新技术改造和加快连续构成 工业的发展 4 】。连续构成工业过程通常伴随着物理化学反应、生化反应、 相交过程、物质与能量的转换和传递，是一个十分复杂的工业大系统；被 控对象往往是高维、耦合、大时滞、严重不确定性与非线性等控制起来非 常困难；连续工业经常在高温、高压、低温、真空、易燃、易爆等环境下 运行，生产安全性至关重要；连续工业生产过程强调实时性、整体性，各 生产装置间存在复杂的耦合、制约关系，要求从全局协调，以求整个生产 装置运行平稳、高效【5 】。 2 第1 章绪论 过程控制的任务是针对连续生产过程的上述特点，面向连续过程工业 增强市场竞争能力的迫切要求，把控制目标放到提高产品收率与质量，节 能降耗、降低成本、提好生产过程的柔性，以适应市场要求的多变。最终 可以归纳为三项要求，即安全性、经济性和稳定性 6 。这些都对过程控制 提出了新的要求，导致了过程控制领域中许多理论问题和关键技术需要研 究和突破。 许多国内外专家、学者认为，过程控制大致经历了以下3 个阶段。2 0 世纪7 0 年代以前，过程工业的自动化水平相对来讲比较低，当时的控制理 论主要是经典控制理论，所能采用的控制工具也以常规仪表为主，在控制 系统方面也以单变量的简单控制系统见长。从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代， 随着先进的控制工具如集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的 出现与不断完善以及控制理论如预估控制、自适应控制、非线性控制、鲁 棒控制以及智能控制等的不断发展与提高，基于现代控制理论的先进过程 控带o ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ，a p c ) 应运而生【7 】。2 0 世纪9 0 年代以来，出 现了基于现场总线( f k l d b u s ) 的新型控制系统，它是计算机技术、通信技术、 控制技术的综合集成，它的特点是全数字化、开放性、互操作性等 8 1 1 9 1 。 它的出现对自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结 构方面产生了深远的影响。 现场总线最首要的特点就在于将传统控制系统模拟与数字混合的信号 传递方式改变为全数字的传递方式n o l 。这种改变所带来的好处是多方面 的，由于采用数字传输，所以可以采用总线来双向、多节点的传送控制信 息，这一方面大大简化了系统结构和节约了布线费用，另一方面由于采用 数字信号传送，所以传送的信息量可以大大增加，从而系统的智能化程度 得到增强，使现代化的设备管理和故障诊断技术成为现实。另外由于通过 现场设备可以构成一种全分布的控制结构，从而弥补了传统的集散型控制 系统控制功能仍然相对集中的缺点，使风险分散、系统结构简化，并提高 了系统的实时性与可靠性。并且由于采用数字信号传输，系统具有很好的 抗干扰性。 现场总线技术与传统的技术相比，其优点是很显然的。但现场总线技 3 燕山大学工学硕士学位论文 术和其他任何技术一样，也有它本身存在的问题。现场总线技术的一个很 重要的特点就是其开放性，满足同一种协议的产品可以实现互操作，从而 用户选购产品时更加灵活，并且可以节约费用。但目前国际上各种现场总 线名目繁多，应用领域和特点各异，不同现场总线协议的产品难以集成到 一起。即使是采用同一种协议的不同厂家产品，在互操作上仍然可能遇到 困难1 1 1 】。另外现场总线技术的一个前提就是智能仪表的广泛使用1 2 1 ，但我 国在这方面的基础却较为薄弱。另外如果现场总线系统的规模较小，其节 约布线以及方便的设备管理和维护、控制风险分散等优势就得不到很好的 体现。 最近几年以来，由于以太网( e t h e m e t ) 技术的飞速发展，基于以太网的 控制技术研究非常活跃，而且不断克服了一些困难，取得了较大进展，国 内外己经有相应的产品面世。以太网从上个世纪七十年代中期开始发展， 在1 9 8 3 年发布了8 0 2 3 规范【1 ”。以太网后来在商业领域获得了巨大的发展， 但在工业领域以太网却由于其传输的不确定性等被认为不适合工业应用。 在过去几年，以太网由于其高速、易于集成、技术支持丰富和管理成本低 等优势而开始重新得到工业界的高度重视。随着以太网技术的发展，以太 网的速度已经达到千兆级，而由于交换技术的引入，不确定性问题也得到 了改善。随着o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 基金会的o p cd a t a e x c h a n g e ( o p cd x ) 推出，和i e e e8 0 2 3 a f 的采用( 它将电源引入了以太网 电缆) 【l “，以太网向过程自动化领域进军的各项工具都已经具备。网络化控 制的最后堡垒，实时应用、本质安全等都在受到以太网技术的冲击。也许 所有的专用网络，现场总线、设备总线，最后变成与以太网兼容只是时间 早晚的问题了1 1 5 】。所以现场总线领域现在最明显的个特点就在于现场总 线技术和以太网技术的集成。目前国际上各种有影响的现场总线组织都提 出了现场总线利用以太网技术的解决方案。例如现场总线基金会( f m l d b u s f o u n d a t i o n ) 提出了高速以太网h s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) ”，而其他如 p r o f i b u s 协会推出的p r o 矗n e t 等。而且几乎所有新型的现场级设备都配备 了以太网接口。将以太网直接用于工业控制存在的问题包括1 7 】【1 8 l ： ( 1 ) 缺乏确定性； 4 第】章绪论 ( 2 ) 非总线供电； ( 3 ) 接口卡功耗大； ( 4 ) 非本质安全； ( 5 ) 帧和包过于臃肿； ( 6 ) 大量的协议单元与现场控制无关。 但其优点也是显而易见的： f 1 ) 系统冗余； ( 2 ) 成熟的产品支持； ( 3 ) 易于与通用信息网络集成； ( 4 ) 价格低廉，技术支持丰富。 从上面以太网的优缺点可以看出，以太网和现场总线之间具有很好的 互补性。对于过程自动化领域来说，由于往往要求较高的实时性和总线供 电以及本质安全等，所以直接用以太网进行控制还有一些技术难点需要克 服。虽然可以相信这些问题在不久的将来就会得到逐步解决，但从目前的 实际情况来看，将以太网直接用于控制还有一些路程要走，而通过网关将 现场总线系统接入以太网是最好的方案。f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) h 1 具有很 好的实时性，并且支持总线供电、本质安全等【1 9 ，但它存在的缺点是速度 有限、不支持介质冗余，难以构成较大的控制系统。而以太网却具有高速、 技术成熟、产品便宜、技术支持广泛，并且容易形成完全冗余系统的特点。 所以现场总线基金会推出了f fh s e 规范，实现了这两种技术的融合。 这些控制系统，不管是基于各种现场总线的控制系统，或是直接采用 工业以太网的控制系统，还是将两种技术相结合的控制系统，都有一个共 同的特点，那就是控制回路中有通信网络的存在，所以我们称之为网络化 控制系统刚。它是网络技术与控制技术不断结合，网络技术向控制技术不 断渗透的结果，体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化 的发展趋势。网络控制系统已成为控制界研究的热点。 由于网络化控制系统的通信网络所采用协议不同，所以其各自的通信 特点也不一样。网络化控制系统一方面克服了传统控制系统控制功能相对 集中、安装与布线困难、智能化程度较低等缺点，但另一方面由于控制回 5 燕山大学工学硕士学位论文 路中通信网络的引入，控制系统的设计也变得更为复杂。由于通信网络采 用总线结构，各传输节点因为带宽有限而发生竞争，从而在传输过程中产 生时间延迟。并且产生了这样的新问题：由于同一时间只能有一个节点获 得总线使用权，从而使对某些节点同时采样成为不可能。由于时间延迟的 存在，并且这个延迟可能是不确定的，所以容易导致系统不稳定而增加了 控制的难度。 所以目前对网络化控制系统的研究主要围绕两个方面展开，方面是 围绕网络控制系统的通信协议，研究怎样提高其速度、实时性以及安全性 等指标，使其更适合于工业应用。而另一方面却是围绕控制系统设计，研 究怎样适应新的网络化环境，而对控制理论加以改进和发展r 2 ”。 国内外最近几年在网络化控制技术的研究方面较为活跃。这也是现场 总线等网络化控制技术给控制理论研究者们提出的新的挑战。提高对于具 有纯传输时间延迟的系统的控制性能指标一直是控制工作者们的一个长期 但至今没有得到很好解决的问题。所以加强这方面的研究具有重要意义， 也是网络化控制向我们提出的要求。 目前我国在现场总线技术研究以及符合现场总线协议的现场设备产品 开发方面已经取得了长足的进步。如中科院沈阳自动化研究所、浙大中控 等已经开发出各种基金会现场总线产品，例如压力变送器、温度变送器， 以及主机接口卡和通信栈软件等【2 2 】。但产品步入实用化还需要工业现场的 实际应用经验以及互搡作性的提高和完善等。在基金会现场总线高速规范 f fh s e 的开发方面，他们也作了许多工作。现在也有很多厂家和研究机构 在着手用于工业控制的以太网产品的研究和开发。例如用于现场的交换式 集线器，以及各种现场设备等。但这方面还有许多有待解决的问题团j 。 1 3 过程控制算法 p i d ( p r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a la n dd e r i v a t i v e ，比例、积分、微分) 控制规律 是最早发展起来且目前在工业过程控制中应用最为广泛的控制策略之一。 即便在科技发达的日本，p i d 控制的使用率仍在8 4 5 以上【州，属于常规控 制。这是因为p i d 控制规律结构简单，且综合反映关于系统过去的积分作用 6 第】章绪论 ( i ) 、现在的比例作用( p ) 和未来的微分作用( d ) 三方面信息，对动态过程无须 太多的预先知识，鲁棒性强，控制效果一般令人满意。 p i d 控制作为工业过程控制中应用最广的策略之一，控制器参数的优化 整定成为人们关注的问题，它直接影响控制效果的好坏，并和系统的安全、 经济运行有看密不可分的关系i 2 “。出现了许多改进型p i d 控制器，对于复杂 系统，其控制效果远远超过了常规的p i d 控制j 2 6 】。在这些改进型的控制系统 中，主要有模糊p 1 d 控制系统、专家p i d 控制系统、基于遗传算法整定的p i d 控制系统、灰色p i d 控制系统以及神经p i d 控制系统等。p i d 参数的优化方法 还包括如间接寻优法，梯度法，爬山法等【2 ”，而在热工系统中单纯形法、 专家整定法则应用较广。虽然这些方法都具有良好的寻优待性，但却存在 着一些弊端，单纯形法对初值比较敏感，容易陷入局部最优化解，造成寻 优失败。专家整定法则需要太多的经验，不同的目标函数对应不同的经验， 而整理知识库则是项长时间的工程。因此本文中我们选取了遗传算法来 进行参数寻优，该方法是一种不需要任何初始信息并可以寻求全局最优解 的、商效的优化组合方法。 1 4 本文研究的主要内容 本文将传统过程控制模型与现场总线和以太网有机结合起来，设计了 一个基于网络化技术的控制实验平台。该系统参数全面，涵盖工业生产现 场中液位、流量、压力、湿度等典型热工参数。利用该系统不但可以进行 具体的控制回路设计，并且可以进行网络化环境下控制算法的应用与改进 研究。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( i ) 研究现场总线控制系统和以太网控制系统的原理和特点，在此基础 上总结网络控制系统的基本理论以及在网络控制系统应用于工业控制中的 一些技术特点和问题； ( 2 ) 研究传统p i d 控制规律以及基于遗传算法p i d 控制的规律； ( 3 ) 根据实验平台的特点，进行硬件选型及硬件平台的设计安装，重点 完成以太网控制系统的建设以及现场控制模型与网络控制系统的信号传递 7 燕山大学工学硕士学位论文 连线； ( 4 ) 研究虚拟仪器技术的软硬件结构以及图形化编程语言l a b v i e w ， 进行上位机组态与软件平台建设，重点完成各个信号的采集设定子程序和 上位机监控平台； ( 5 ) 以上位箱液位控制实验为例，编写上位箱液位控制子程序，采用传 统p i d 控制算法和基于遗传算法的p i d 控制算法进行了液位控制实验，并 给出相应的阶跃响应曲线，对两种算法的控制效果进行了分析比较。 8 第2 章网络控制基础 第2 章网络控制基础 2 1网络控制系统的概念 随着网络技术的发展，i n t e r n e t 正在把全世界的计算机系统、通信系统 逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。在此基础上，传 统的工业控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展， 形成了新的控制网络。 通常，通过网络来设计一个控制系统有两种方法 2 盯。第一种方法是有 许多子系统构成分层结构，如图2 - 1 ( a ) 所示。子系统从中心控制器c m 得 到设定值，尽量满足c m 的要求，并将运行的状态信号或者传感器信号通 过网络返回到c m 。第二种设计方法就如图2 一l ( b ) 所示，是一种扁平结构。 传感器和执行器直接连到网络上，控制器通过网络读取传感器信号，然后 计算控制信号，再将控制信号通过网络发送到执行器上。 ( a )( b ) 图2 - i网络控制系统的两种形式 f i g 2 - 1t w ot y p eo f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 目前，国内外研究者将后者，即在反馈控制系统中，控制回路通过实 时网络封闭的控制系统，称之为网络化控制系统( n e t w o r kc o n t r o ls y a e m ) ， 简称网络控制系统1 29 1 。网络控制系统，目前并没有统一的名称与定义，有 人称之为基于网络的控制( n e t w o r k b a s e dc o n t r o ls y s t e m ) 9 “，还有人称之为 控制网络。网络控制系统这个名词最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g c w a l s h 等人的论著中，但是当时并没有给出确切的定义，只是用图说明了 网络控制系统的结构。 9 燕山大学工学硕士学何论文 网络化控制系统的特点在于控制回路中有通信网络的存在。集散控制 系统、现场总线系统和工业以太网都属于网络控制系统。 2 2 控制系统的发展历程 控制系统的结构从最初的计算机集中控制系统( c o s ，c o n c e m r a t e d c o m p u t ec o n t r o ls y s t e m ) ，到第二代的集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ，发展到现在流行的现场总线控制系统( f c s ，f m d b u s c o m r o ls y s t e m ) 。而以太网又逐渐与现场总线结合并进入工业控制领域【3 1 1 。 2 2 。1 计算机集中控制系统c c s 本世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统 一计算机集中控制系统，其结构如图2 2 所示。在c c s 中，数字计算机取 代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，例如复杂控制 算法和协调控制，从而使自动控制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直 接面向控制对象，并未形成控制网络体系，c c s 在集中控制的同时也集中 了危险，系统可靠性很低。由于只有一个c p u 工作，实时性差。系统越大， 上述缺点越突出。 计 一燃i h 变送器，执行器 被 算 控 机 对 检女i 执行单元 象 图2 - 2 计算机集中控制系统 f i g 2 - 2c o n c e n t r a t e dc o m p 毗ec o n t r o ls y s t e m 2 2 2 集散控制系统d c s 真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系 统：集散控制系统d c s ，也称分散型控制系统。目前所使用的d c s 有环形、 1 0 第2 章网络控制基础 总线形和分级式几种，其中分级式应用最为普遍。 典型的d c s 可分为操作站级、过程控制级和现场仪表3 级。集散控制系 统的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能在过程控制级中， 工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可 靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走 向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系 统的主流。然而d c s 的缺点也是十分明显的。首先其结构是多级主从关系， 底层相互间进行信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低 下，并且主机一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪”口2 1 。其次它是一种数 字模拟混合系统，d c s 的现场仪表仍然使用传统4 2 0 m a 电流模拟信号， 传输可靠性差，成本高，再有各厂家的d c s 自成标准，通讯协议封闭，极 大的制约了系统的集成与应用。 操 作 站 级 管理计算机jj 管理计算机 m n c t 蠢剧l 纛嚣l 雠嚣il 羹砝| | 计算站操作站ll 操作站l l 操作站ii 操作站| l ”丹州 s n e t 过 程 控 制 级 一 现 场 搜 表 级 蕊掣曲吐 控制站u 苎r _ r h 时 基本 控制 单元 基本 控制 单元 基本 控制 单元 熟掣。嘲 输入 输出 输入 输出 输入 输出 常规仪表 常规仪表 n 2 3 一个集散控制系统的结构模式 f i g 2 - 3 t h es t r u c t u r eo f d c s n 燕山大学工学硕士学位论文 如图2 - 3 所示为一个集散控制系统的典型结构，系统中的所有设备分别 处于不同的层次，自上而下分别是：操作站级( 3 l 分为管理级和监控级) 、过 程控制级和现场仪表级【3 ”。对应这四层结构，分别由四层计算机网络即现 场网络( f i e l d n e t w o r k ) 、控制网络( c o n t r o l n e t w o r k ) 、监控网络( s u p e r v i s i o n n e t w o r k ) 和管理网络( m a n a g e m e mn e t w o r k ) 把相应的设备连接在一起。 集散控制系统( d c s ) 从1 9 7 5 年问世以来，大约有3 次比较大的变革，2 0 世纪7 0 年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各d c s 厂 家自己开发，也没有动态流程图，通信网络基本上都是论询方式工作的f 3 4 i ； 2 0 世纪8 0 年代通讯网络较多使用令牌方式；2 0 世纪9 0 年代操作站出现了通 用系统，2 0 世纪9 0 年代末通信网络有的部分遵循t c p s p 协议，有的开始采 用以太网。近3 0 年来，d c s 己经广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为 工业控制系统的主流，目前我国现场控制系统一般采用d c s 。 2 2 3 现场总线控制系统f c s 为了克服d c s 系统的技术瓶颈，迸一步满足现场的需要，现场总线技 术应运而生，它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、 数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络( i n 丘a n e t ) 3 5 】。 和i m e m 眦、i n t r a n e t 等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程， 因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 以现场总线为基础丽 发展起来的全数字控制系统。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动 控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的 “点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、 全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应 的控制网络结构也发生了较大的变化。 现场总线发展迅速，现在处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已经 开发出4 0 多种现场总线1 3 ”。 尽管现场总线获得了巨大的成功，但也存在许多问题，制约其应用范 围的进一步扩大。 第2 章网络控制基础 ( 1 ) 现场总线的选择虽然目前i e c 组织己达成了国际总线标准，但总 线种类仍然过多，而每种现场总线都有自己最合适的应用领域，如何在实 际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都 选择最合适的现场总线，对用户来说，仍然是比较棘手的问题。 ( 2 ) 系统的集成问题由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式 的现场总线，因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成，从而 使整个系统实现管控一体化，是关键环节。现场总线系统在设计网络布局 时，不仅要考虑各现场节点的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、 信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强，因此许多 仪表会有同样的功能块，组态时选哪个功能块是要仔细考虑的，要使网络 上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要，要在系统的实时性 与网络效率之间做好平衡。 现场总线的开放性是有条件的，是不彻底的。多种现场总线并存已成 定局，难以沿开放的方向发展。当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网技 术却得到了迅猛发展。 2 2 4 以太网控制系统 控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。 传统现场总线技术的问题，根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、 不彻底的。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势， 由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近 些年来，随着网络技术的发展，以太网开始与现场总线技术结合进入控制 领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统 向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求， 目前的现场总线由于种类繁多，互不兼容，尚不能满足这一要求。而以太 网的t c p i p 协议的开放性使得其在工控通讯领域这一关键环节具有无可 比拟的优势。目前，许多公司已经将以太网引入到工业控制网络中。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 2 - 3 现场总线控制系统 2 3 1现场总线的定义 根据国际电工委员会i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c l m i c a lc o m m i s s i o n ) 标 准和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf u n d a t t o l l ) 的定义m ：现场总线是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统( f c s l 具体的来说，现场总线的本质含义表现在以下6 个方面。 ( 1 ) 现场通信网络现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设 备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互联的通信网络。 数字通信的优点是不仅可传输测量参数，而且可附带信息，如在传输测量 参数或反馈阀位的同时还可附带传输过程标签、装置连接数目、环境温度、 过程静压等辅助信息。数字通信的双向性，使其不仅可实现现场仪表向控 制器系统传送过程信息，而且还可反过来实现控制系统对现场仪表的远程 组态、标定和诊断。 ( 2 ) 现场设备互联现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器 等。通过现场总线技术可将所有的现场总线设备与控制器用一根电缆( 光缆 或无线) 连接在一起，形成设备与车间级的数字化通信网络，可完成现场状 态监视、控制、远程诊断等功能。 ( 3 ) 互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，没有一家制造商可提供 一个工厂所需的全部现场设备。所以互相连接制造商的产品是不可避免的， 只要符合总线协议的产品即可挂接在同一现场总线上。 ( 4 ) 现场总线的核心、基础、本质现场总线的核心是总线协议，即总 线标准13 8 1 。基础是数字智能现场装置，数字智能现场装置f c s 是系统的硬 件支持，是基础。本质是信息处理现场化，f c s 废弃了d c s 的输入偷出 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，大大减少 了信息往返。 ( 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摄取 能量，这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还 1 4 第2 章网络控制基础 有安全栅。 ( 6 ) 开放式互联网络现场总线为开放式互联网络，既可与同层网络互 联，也可与不同层网络互联。不同制造商的网络互联十分简便，用户不必 在硬件或软件上花多大气力。 开放式互连网络还体现在网络数据共享，通过网络对现场设备和功能 块统一组态，天衣无缝的把不同厂商的网络及设备融为一体。 2 3 2 现场总线的产生与发展 现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果。首先，现场总线的产 生反映了仪器仪表发展的需要。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智 能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全 模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过v i 电路转换，输出 4 - 2 0 m a 或0 - 5 v 的模拟信号。其后随着计算机技术的发展，微处理器在 仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、a d 采样，转换为数 字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过d a 、v ，i 等电 路，仍然以4 - 2 0 m a 或o 5 v 的模拟信号输出，测量精度得到较大提高， 但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。 于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口( 如r s 一2 3 2 4 8 5 等) ，以数字通信 的方式代替模拟信号传输。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气 特性，面对于数据链路层及其以上各通信层次，则没有统一定义，不同生 产厂家生产的仪器仪表也会由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互 之间的通信，严重束缚了工厂底层网络的发展。为解决这个问题，必须使 这些网络的通信标准进行统一，组成开放互联系统，于是产生了现场总线。 其次，现场总线的产生反映了企业综合自动化、信息化要求。为了适 应越来越激烈的市场竞争需要，逐步形成了计算机集成制造系统( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m s ，c i m s ) 。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、售后服务看 作要统一考虑的生产过程，运用网络和数据库技术，实现信息集成，并进 一步优化生产与操作，增加产量，提高产品质量，降低成本。这就要求设 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以 实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统， 实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 因此，从2 0 世纪8 0 年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的 有基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 、局部操作网络l o n w o r k s ( l o e a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 、过程 现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 年l lh a r t 协议( h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t et r a n s d u c e r ) 以及d e v i c e n e t ，c o n t r 0 1 n e t 及p - n e t 等。 面对如此之多的现场总线，用户如何选择? 为解决这个问题，国际电 工委员会i e c 在1 9 8 4 年就开始筹备制定单一现场总线国际标准。然而， 由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱 使，围绕着现场总线技术的标准进行了一场大战，最后经过多方妥协，于 1 9 9 9 年年底通过了包含八种总线的i e c 6 1 1 5 8 标准口，这个结局向世人表 明，在相当长一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信 息集成会面临园难的