（计算机应用技术专业论文）基于lonworks的远程监控组态平台的研究.pdf

摘要 随着控制自动化技术、计算机技术、通讯技术的迅速发展，监 控组态软件正成为监控领域中十分活跃的部分。而组态软件和现场 总线技术的不断普及以及发展为监控组态软件的应用打下了坚实的 基础。 本文对基于l o n w o r k s 现场总线技术的监控组态平台进行了研 究。首先对当今监控组态平台的发展情况进行了综述，说明了监控 组态软件在监控领域中的重要意义及其价值，然后详细研究了 l o n w o r k s 总线的核心技术和监控组态软件的设计思路及体系结构。 接着在分析和研究了国内外现有的主流监控组态软件平台的基础 上，将监控组态软件的通用特性和用户需求结合起来，提出了系统 硬件详细设计方案，说明了如何将系统与l o n 网相结合起来，研究 了监控组态平台的设计思想和开发模型，以及数据结构设计方法， 文件结构的设计方法，用户开发界面设计方法和数据库的设计方案， 分析了系统功能模块的流程图设计。最后详细分析了监控组态平台 的关键实现技术，包括组态元组态体的实现、w i n s o c k 数据交换技 术、a c t i v e x 控件技术、监视控制中的数据交换技术等。 该监控组态软件平台满足了项目的要求，提供了快速有效的开 发平台。同国内外主流的监控组态软件相比，具有简单易用，系统 配置要求较低，成本低，扩展性能好等优点，并已经运用于深圳多 家单位，取得了良好的效果。 关键词组态软件，l o n w o r k s 技术，组态元，a c t i v e x ，o p c a b s t r a ( 了r w i t ht h er 叩i dd e v e l 叩m e n to fa u t o 一( b n t r o l ，c o m p u t e rs c i e n c ea n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a f ei sb e c o m ea na c t i v e p a r t i nt h e m o n i t o r i n g f i e l d t h ep o p u l a r i z a t i o no fc o n f i g u r a t i o n t e c h n o l o g ya n df i e l d b u s h a s g r o u n d e d as o l i df o u n d a t i o nf b r m o n i t o r i n gc o n f i g l l r a t i o ns o f t w a r ei n t h ea p p l i c a t i o n so ft h em o d e m i n d u s t 哆 i nt h et h e s i s ，t h ed e s i g no fc o n f i g u r a t i o ns o f t 、a r ep l a t f b 姗b a s e d o nt h el o n w b r k st e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n to f t h e ( 如n f i g u r a t i o ns o f f w a r ep l a t f i ) n ni ss u m m a f i z e da n di t si m p o n a n c e a n dv a l u ei nm o n i t o r i n gf i e l da f ee x p l a i n e d s e c o n d l y ， t h el o n w b r k s t e c h n o l o g ya n dt h ed e s i g n i l l gm e t h o d ，r e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n dt h e d e s i g nt h i n l 【i n g a n dt h es y s t e ms t m c 乜j r eo fc o n 6 9 u r a t i o ns o 脚a r e p l a t f o r ma r ec o n c i s e l yi n t r o d u c e df u l l 锄dc l e a r t i l i r d l y o nt h eb a s i so f a n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ep f i m a r ) rc o n f i g u f a t i o ns o f 细a r cp l a t f o 姗， i th a st h ec o m m o nc h a r a c t e r so fc o n f i g i l r a t i o ns o f 细a f ep l a t f o r ma n d m e e t st h eu s e rr e q u e s t t h es c h e m eo ft h es y s t e mh a f d w a r eh a sb e e n p l a n e da n dh o wt oc o m b i n ew i t ht h el o n w b r k st e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d a l s o t h ed e s i f mm o d e la n dt h ed e s i g ni d e ao ft h e ( b n f i g u r a t i o n s o f t w a r ed l a t f b n n ，t h ed a t as t m c t l l r ea n dt h ef i l es t r u c t u r eu s e di nt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep l a t f o 珊， t h eu s e fe x p j o i t u r ei n t e r f a c ea n dt h e d a t a b a s es y s t e mh a v eb e e ni i l v e s t i g a t e d 田1 en o wc h a to ft h es y s t e m f l l n c t i o nm o d u l eh a v eb e e na n a l y z e d l a s t l y ，t h ep r i m a r yr e a l i z a t i o n t e c h n o l o g y o ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f 细a r ep l a t f o r ma r c 洫t r o d u c e di l l d e t a i l ，s u c ha st h er e a l i z a t i o no fc o n f i g i l r a t i o nm o d u l e ，t h ew i n s o c kd a t a e x c h a n g et e c h n o l o g y ，t h ea c t i v e xt e c h n o l o g y ，t h e d a t a e x c h a n g e t e c h n o l o g yi nc o n t r o n i n ga n dm o n i t o r i n ga n ds oo n t h i ss o f t w a r em e e t st h er e q u e s to ft h ep r o j e c t i th a sb e c o m et h e s o f 咐a r e p i a t f o 咖 t h a t p r o v i d e s af a s t w a y o f d e v e l o p i n g t h e c o n f i g u r a t i o np i c t u r c s c o m p a r e dw i t ho t h e rk i n d so ft h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ep o p u l a ru s e d ，t h i ss o f 研a r ep i a t f b 加h a st h ec h a r a c t e r so fe a s y u s i n l o ws y s t e mr e q u e s ta n d c o s t ，w e l lc a p a b i l i t y o fs p r e a d t h i s s o f w a r ep l a t f o 姗h a sb e e nu s e db ys e v e r a lc o m p a n i e si ns h e n z h e na n d i i i tw o r k sw e l l k e yw o r d sc o n f i g i l r a t i o ns o f 啊a r e ，t h el o n w o r l 【st e c h n o l o g y ，t h e c o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，a c t i v e x ，o p c 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 x2， 作者签名：麦丝日期：至竺上年尘月且日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：轴师签名垧锨吼皇叠业月卫日 硕十学伊论文第一章绪论 第一章绪论 为了增强现代企业的市场竞争能力和保持长久的发展能力，如何提高产品 质量，如何将生产和管理现场的信息及时反馈到管理层和技术层，如何提高整 个企业的运作效率，一直是现代企业关注的重要问题。 当前，我们的生产管理过程正处在一个由劳动力密集型、设备密集型、信 息密集型向知识密集型转变的阶段，为此研制开发出了远程监控系统，通过对 重要信息和关键设备进行实时采集和动态跟踪监视和将生产过程系统和管理系 统紧密结合起来，实现了实时信息与管理信息的集成，为管理决策层提供可靠 的决策依据，具有很明显的经济效益。作为监控系统核心部分的监控软件，它 的功能、可扩展性和扩展的费效比都是企业在监控系统的建立和更新时需要重 点考虑的问题。而过去专门只针对一家企业开发的监控软件，由于成本高，可 复用性差，功能扩展的成本高而且周期长，结果往往不能令企业满意“】。 随着微电子技术、现场总线技术、计算机控制技术以及工业以太网技术的 发展，远程监控组态软件一用户无需改变运行程序源代码的软件平台工具， 日渐成熟。监控组态软件在管理控制的过程中免去了大量繁琐的编程工作，解 决了长期以来管理控制人员缺乏计算机专业知识与计算机专业人员缺乏现场管 理控制经验的突出矛盾，极大地提高了自动化工程和管理的工作效率。近年来， 监控组态软件，作为一种全新的高效的远程监控软件开发平台和开发模式，越 来越受到中小型管理控制企业的欢迎，不仅如此，它在机房监控管理、智能大 厦监控管理、环保监控管理、智能小区监控管理、变电站远程监控管理、远程 医疗、远程会议等众多领域也展示了其独特的优势”“”。 1 1 几种主要的监控系统 随着科学技术的不断进步，现代工业的生产管理技术、工业过程日趋复杂， 生产设备和装置的规模也不断扩大，企业自动化的要求越来越高，早期传统的、 封闭的、专用的监控系统已经显得力不从心，从而出现了以下几种主要的监控 管理系统。 ( 1 ) s c a d a 系统概况 s c a d a 系统是生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之 一，它有两层含义：是分布式的数据采集系统，即下位机；另一个是数据处 理显示监控系统，即上位机。下位机和上位机数据传输是通过特定通信方式来 完成的，即这些智能数据采集设备实时感知各种参数及设备状态，并将这些信 息转换成数字信号，通过有线或无线等通信方式传输到通信前胃机，通信前置 l 硕十学仲论文第一章绪论 机将这些信号翻译成p c 机能接收的信息，通过专用以太网传递到上位机咖i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 系统。上位机删i 系统接收这些信息后，以适 当的形式如声音、图形、图像等方式显示给用户以达到监视的目的，并根据系 统要求，通过h i i 系统向下位机发送调控指令，同时数据经处理后告知用户各 设备实时状态，并将数据保存到数据库中“1 。 s c a d a 系统按功能分可以分为三层：管理信息层、控制层、设备层。详细 功能结构如图l l 所示。 图l ls c a d a 系统功能结构图 ( 2 ) s c a d a ，p l c ，d c s 系统的比较 主要从系统组网的测控规模、组网通讯以及性价比来分析。 p l c 系统：适用于工业现场的测量控制，现场测控能力强，性能稳定，可 靠性高，技术成熟，使用广泛，价洛合理。 d c s 系统：即集散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 。 适用丁二测控点数多，测控精度高，测控速度快的工业现场。其特点是便于分散 控制和集中监视，具有组网通讯能力，测控能力强，运行可靠，易于扩展，组 态方便，操作维护简便，但系统的价格较贵。其典型结构如图l 2 所示。 2 硕士学付论文 第一章绪论 中央主机系统 瀛_ ：t 悖蠢器 单脚蘑挂棚蠢卖氛辑辘筠智椎悻羲器丢他嘲投镬善 图卜2 d c s 系统典型结构图 s c a d a 系统：即分布式数据采集和监控系统，是中小规模的测控系统，集 中了p l c 系统现场测控能力强和d c s 系统组网通信能力强的优点，性价比高。 其典型结构如图l 一3 所示。 r 一一一一吾己五6 五再瓢一一一一一一一一一一一一一= f 西菊_ 一一一一一一蔷吞j 露j ，；匠一一一一一! | _ 翌殳警娑翌壁空翌翌| ；11 ：冬耋考兰誓：l ll1 ： 图卜3s c a d a 系统典型结构图 ( 3 ) d c s ( s c a d a ) 与现场总线系统( f i e l d b u ss y s t e m ) 的区别 从系统的控制机构上划分，以有无现场智能( 设备) 节点为依据划分为现 3 硕十学竹论文第一章绪论 场总线系统和非现场总线系统( d c s ，s c a d a 系统部属后者) 。 主要的区别在于：现场总线系统将s c a d a ，d c s 中i o 控制站的控制功能交 由智能设备节点来完成，控制系统中所有的信息均为数字化信息，而智能设备 与主控计算机系统之l 日j 的通信协议采用现场总线协议。 d c s ( s c a d a ) 和现场总线系统将在未来一段时间内并存或在同一系统的不 同控制层次中综合采用，以提高监控系统对于复杂现场灵活的适应能力。 在本课题中，现场总线系统为主，s c a d a 系统为辅。 现场总线型控制系统结构如图l 4 所示。 i 挫计算钒煮纯 智能律 薯簟毽挂瑚矗矗字镧节器 图卜4现场总线系统控制结构图 1 2 监控组态软件的发展现状 监控组态软件产品于8 0 年代仞出现，并在8 0 年代末进入我国。但在9 0 年代中期以前，监控组态软件存我酮的应用并不普及。原因主要有以下几点： 国内用户还缺乏对监控组态软件的认识；在很长时日j 黾，国内用户的软件 意识还不强，面对价格不菲的进口软件，很少有用户去购买使用；监控组态 软件提供了对大规模应用、大量数据采集的监控和处理并可以将处理的结果转 化为管理所需的数据，但是国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高， 这些需求并没有完全形成。 随着工业控制系统应用的深入，在砸临规模更大、控制更复杂的控制系统 时，人们逐渐认识到原来的上位机编程的开发方式对项目来说足费时费力、得 不偿失的，同时管理信息系统( m i s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 的大量应 用，要求工业现场为企业的生产、经营和决策提供更详细和深入的数据，以便 于企业优化生产经营中的各个环节。因此，从1 9 9 5 年起，监控组态软件在国内 4 硕十学位论文 第一章绪论 的应用逐渐得到了普及。下面就对几种常见的监控组态软件分别进行介绍。 ( 1 ) 美国w o n d e a r e 公司的i n t o u c h 域称监控组态软件的“鼻祖”，率先 推出了基于1 6 位w i n d 侧s 环境下的监控组态软件，在国际上曾得到较高的市场 占有率。i n t o u c h 在中国最初采用代理制，1 9 9 6 年变换代理后，在中国市场上 推出了低价小软件包，并结合较强的广告宣传攻势，产生了积极的影响，销售 量上升很快。i n t o u c h 软件的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较 弱。其i o 硬件驱动丰富，只是使用d d e 连接方式，实时性较差；另外驱动程 序需单独购买。它的5 6 版( 1 6 位) 很稳定，在中国市场普遍受到好评。7 o 版( 3 2 位) 在网络和数据管理方面有所加强，并实现了所谓的实时关系数据库， 其实只是在s q l s e r v e r 上增加了数据传输插件而已。在3 2 位w i n d o w s 环境下， i n t o u c h 已受到其他产品的猛烈冲击。i n t o u c h 软件小系统软件包价格比较适 中，但大系统包比较贵。 ( 2 ) 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 产品在中国市场也由来已久，1 9 9 3 年 i n t e l l u t i o n 公司就曾到中国参加过展览会，但其在中国的销售渠道比较混乱。 1 9 9 5 年i n t e l i u t i o n 公司被爱默生集团收购后，通过日本分公司的大中国区进 入了中国，在北京、上海直接成立了办事处，新发展了几家代理。f i x 产品系 列较全，包括d o s 版，1 6 位w i n d o w s 版，3 2 位w i n d o w s 版，o s 2 版和其他一 些版本，功能较i n t o u c h 强，但实时性仍欠缺，总体技术一般。其r o 硬件驱 动丰富，只是驱动程序也需单独购买。最新推出的i f i x 是全新模式的监控组态 软件。思想和体系结构都比较新，提供的功能也比较完整。但也许过于“庞大” 和“臃肿”，对系统源耗费巨大，用户最为明显的感受就是“缓慢”，提出的许 多“大而全”的功能对于中国用户也并不适用，而且经常受到w i n d o w s 操作系 统的影响而导致不稳定。 ( 3 ) c i t e c h ：c i t 公司的c i t e c h 也是较早进入中国市场的产品。c i t e c h 具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员的，而不是普通用户。 c i t e c h 提供了类似c 语言的脚本语言进行二次开发，但与i f i x 不同的是， c i t e c h 的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于c 语言，这无疑为用户进行 二次开发增加了难度。 ( 4 ) w i n c c ：s i e m n s 公司的w i n c c 新版软件有了很大进步，但体系结构还 是比较老的思想，在网络结构和数据管理方面耍比i f i x 差，但也属于比较先进 的产品之一。西门子公司似乎仅是想把这个产品当作其硬件的陪衬，对第三方 硬件的支持也不热衷，若选用西门子硬件，可免费得到w i n c c ，所以对于使用 其他硬件的用户，不是个好选择。 ( 5 ) 组态王：组态王是我国国内第一家较有影响的监控组态软件开发公司。 5 硕十学伊论文第一章绪论 组态王提供了资源管理器式的操作主界匝，并且提供了以汉字作为关键字的脚 本语占支持。组态王也提供了多种硬件驱动程序。但是价格昂贵。 ( 6 ) c o n t r ox ( 开物) ：华富计算机公司的c o n t r ox2 0 0 0 足全3 2 位的组 态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表 及报告功能。作为国内最早加入o p c 组织的软件开发商，c o n t r ox 内建o p c 支 持，并提供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持 a c t i v ex 组件和插件的即插即用，并支持通过0 d b c 连接外部数据库。c o n t r ox 同时提供网络支持和w e b s e r v e r 功能。 其他常见的组态软件还有g e 公司的c i m p l i c i t y ，r o c k w e l l 的r s v i e w 。n i 的l o o k o u t ，p cs o f t 的w i z c o n 以及国内的一些组态软件，也都各有特色“。 1 3 研究的内容和意义 1 3 1 主要研究内容 随着计算机控制系统的发展，信息化控制系统的复杂性的增加、数量的增 大，信息化控制系统己经歼始走向标准化，构成信息化控制系统的可组合化的 硬件设备已经成型，这使得信息化控制系统的兼容性、可靠性、互换性都大大 增加，并且使得系统易于升级和替换。丽监控系统软件的开发就显得相对落后， 这使得大多数用户和项目承包商还需自行开发相应的应用软件，这既延长了开 发周期，又由于开发水平参差不齐，使得应用软件水平不高，质量不好，造成 了大量低水平的不必要的重复。我们认识到，得力的信息化控制系统软件开发 工具在信息化控制系统软件的开发过程中是必不可少的，因此出现了一种新型 的系统软件开发工具远程监控组态软件。用户可以通过远程监控组态软件， 自行经过组态过程构成其所需要的远程监控系统软件。 论文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了监控组态软件的发展现状及其特点。 ( 2 ) 对l d n w o r k s 现场总线技术的基本原理及其应用进行了研究。 ( 3 ) 介绍了监控组态软件的体系结构和组成原理。 ( 4 ) 以机房监控为例对远程监控组态平台的系统硬件设计进行了详细讨 论，研究了监控组态软件的总体设计方案及其子系统的软件设计，包括软件设 计思想、软件开发模型功能描述、软件数据结构设计、软件文件系统设计、软 件用户界面设计及软件数据库设计等。 ( 5 ) 讨论了监控组态软件的实现技术，包括组态元组态体的实现、 w j n s o c k 数据交换技术、a c t i v e x 拧件技术、历史数据库的实现以及监视控制中 6 硕十学付论文 第一章绪论 的数据交换技术等。 此外，论文对一些相关技术和硬件设备也有涉及，如视频监控、硬盘录像 机、l o n 智能控制模块等。由于篇幅限制，论文不会单独对这些技术作深入探 讨。 1 3 2 研究的意义 功能完善，易扩展的远程监控组态平台能够在很大程度上增强企业的竞争 力和管理的高效性。面对激烈的市场竞争，为了及时掌握和分析最新信息和提 高整个系统的运行效率，企业对监控系统提出了更高的要求。特别是当企业对 原来系统进行功能扩展和应用维护时，系统的可重用性，易扩展性和稳定性是 设计者首先要考虑的问题。 远程监控组态软件是远程监控系统的核心部分。在硬件产品发展迅速，主 要厂商产品在性能和应用范围上的差别越来越小的情况下，远程监控系统功能 的发挥主要在于远程监控软件的设计上，好的分析和设计成就一个好的系统。 远程监控系统的柔性和可重用性的提高，要求系统设计的速度能够进一步提高， 鼙 要求系统的设计过程具有更高的柔性和可重用性。 组态思想的提出和组态软件的应用，无疑把远程监控软件的发展推进了一 大步。作为一个远程监控软件的开发平台，组态软件只要按照目标用户的要求 进行控制逻辑的图形描述和配置，一个具有特定应用范围的远程监控系统软件 就基本完成了。它不仅提高了系统的成功率和可靠性，缩短了项目的开发周期， 而且减少了开发费用”。 ， 7 硕十学忙论文 第二章l o n w o r k s 现场总线技术 第二章l o n w o r k s 现场总线技术 随蓄控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正 在从企业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。现 场总线的出现，使数字通信技术迅速占领了过程控制系统中模拟量信号的最后一 块领地。一种全数字化的、全丌放式的、可互操作的新型控制系统现场总线 控制系统正在向我们走束，l 0 n w o r k s 总线技术，作为其中的佼佼者，已经广泛 被应用在我们生产生活的各个领域之中。 2 1 现场总线技术 2 1 1 现场总线的概念和特点 按照固际电工委员会i e c 标准和现场总线基会会f f 的定义：现场总线( f i e i d b u s ) 是连接智能现场设各和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通 信网络。它指的是在控制现场的测垦控制设备之间实现双向串行多节点数字通 信、完成测量控制任务的系统，这种开放型的底层控制网络构造了新一代的网络 集成式全分部控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网，并将对该领域的发展 产生重要的影响。具体柬说，现场总线是用于过程自动化或制造自动化中的，实 现智能化现场设备( 例如，变送器、执行器、控制器) 与商层设备( 例如主机、网 关、人机接口设备) 之| 日j 互联的，全数字、串行、双向的通信系统，通过它可以 实现跨网络的分布式控制。 现场总线的本质含义表现在以下六个方面： ( 1 ) 现场通信网络现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到现场 中的设备，使过去采用点到点式的模拟量信号传输或牙关量信号的单向并行传输 变为多点一线的双向串行数字式传输。 ( 2 ) 现场设备互连现场设备是指位于现场的传感器、变送器和执行器 等。这些现场设备可以通过现场总线直接在现场实现互连，相互交换信息。而在 d c s 系统中，现场设备之问是不能直接交换信息的。 ( 3 ) 互操作性所谓互操作性足指来自不同厂家的设备可以相互通信，并 且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。它体现在：用户可以自由地选择设备， 而这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议，制造商具有增加新的、有用的 功能的能力，不需要专有协议和特殊定制驱动软件和升级软件。 ( 4 ) 分散功能块现场总线控制系统把功能块分散到现场设备中执行，因 此取消了传统的d c s 系统中的过程控制站。 8 硕+ 学付论文第：章l o n w 0 r k s 现场总线技术 ( 5 ) 现场总线供电现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设备 供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装靠线，而且还可以通过配套的安全 栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。 ( 6 ) 开放式互连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。现场总线协议是一个完全开放的协议，它不像d c s 那样采用封闭的、专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协 议。这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以 通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化州。 2 1 2 常见的几种现场总线技术。” 目前，有几种类型的现场总线技术已经发展成熟并且广泛地应用于特定的领 域。这些现场总线技术各具特点，以下就是几种典型的现场总线之间的比较。 ( 1 ) c a n 总线 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 ) 的缩写，它是建立在i s 0 0 s i 模型基础上的，采用了o s i 底层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号 传输介质为双绞线，信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而 传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有c r c 校验和其他检错措施，通信 误码率极低。c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动脱离总线的功能，使其他 节点的通信不受影响。 ( 2 ) p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 总线是过程现场总线( p r o c e s sf i e l db u s ) 的缩写，它由三个兼容 部分组成，即p r o f i b l s d p 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 。p r o h b u s d p 是 一种高速低成本通信系统，它按照i s o o s i 参考模犁定义了物理层、数据链路层 和用户接口；p r o f i 朗s p a 专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在 一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性；p r o f i b u s m s 的应用层包含了 现场总线报文规范f s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和低层接口 l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 。 ( 3 ) f f 总线 f f 是现场总线基含会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的缩写，它是国际公认的、 惟一不附属于某企业的、非商业化的国际杯准化组织，其宗旨是制定单一的国际 现场总线标准。f f 以i s o 0 s i 参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层 为f f 通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。它分为低速现场总线 和高速现场总线两种通信速率。 ( 4 ) h a r t 总线 9 硕十学伊论文第二章l o n w o r k s 现场总线技术 h a r t 是可寻址远程传感器数据通路( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r ) 的缩写，它参考了i s o o s i 参考模犁的物理层、数据链路层和应用 层，主要特点是采用基于b e l l2 0 2 通信标准的频移键控f s k 技术。在现存的4 2 0 j i l a 模拟信号上叠加f s k 数字信号，以1 2 0 0 h z 的信号表示逻辑l ，以2 2 0 0 h z 的 信号表示逻辑o ，通信速率为1 2 0 0 b p s 。h a r t 协议的应用层规定了三类命令：第 一类足通用命令，适用于遵循姒r t 协议的所有产品；第二类称为普通命令，适 用于遵循h a r t 协议的大多数产品；第三类称为特殊命令，适用于遵循h a r t 协 义 的特殊设备。另外h a r t 还为用户提供了设备描述语占d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 。 ( 5 ) l 抓w o r k s 总线 本文在后面章节有详细介绍。 关于几种现场总线的性能比较请看表l 。 表2 1 五种现场总线性能对照表 性能 c a np r o f t b u sf fh a r tl 0 w f ) k k s 应用范围 汽车 p l c 仪表智能变送器楼宇、工业自动 化 o s i 网络层次l 、2 、71 、2 、7l 、2 、3 、8l 、2 、7 l 7 通信介质 双绞线、双绞线、光 双绞线、电电源信号线双绞线、电力线、 光纤 纤 缆、光纤、电缆、光纤、无 无线等 线等 介质访问方位仲裁令牌、主从令牌、主从令牌、查询p p c s a 式 纠错方式 c r cc r cc r cc r cc r c 通信速率 11 22 51 21 2 5 ( 怕p s ) 最大节点数 1 l o1 2 83 21 52 伯 优先级有 有有 有有 保密级 身份认证 开发工具有有有有有 2 2 l o n w o r k s 总线技术的特性 除了前面介绍的几种现场总线外，还有一种现场总线产品即l o n w o r k s ( l o c a l 1 0 硕十学付论文 第二章l o n w o r k s 现场总线技术 o p e r a t i n gn e t w o r k ，局部操作网络) 网络，简称l o n 网，它是由荚国e c h e l o n 公 司研制的。 据研究，未来的发展要求调控网络应具备如下条件： ( 1 ) 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的。 ( 2 ) 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。 ( 3 ) 通信媒介：可用任何传输媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、 同轴电缆、无线电波和红外光波，并且多种媒介能够在同一个网络中混合使用。 ( 4 ) 网络结构：应该能够使用所有现在已有的网络结构，如主从式、服务式。 ( 5 ) 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑单一形式的限制。网络拓扑应该可 以选择任意形式的网络拓扑。 目前较流行的现场总线，如f f 、c a n 等，都达不到上述要求。而l o n w o r k s 技术却可以完全满足上述这些基本要求。l o n w o r k s 以其特有的优良性能，成为 了众多现场总线产品中的佼佼者，因此本课题中采用的是l o n w o r k s 总线技术n 1 1 。 2 2 1l o n w o r k s 的开放性及互操作性 从科学的角度来讲，作为管理者，总是希望把环境、安全、保卫报警过程、 动力分配、给水控制、资产的管理等所有功能都可监视并控制起来，也就是希望 能用一个通用的控制网络把它们网接在起，并尽可能降低成本。但是现实情况 是各部门独立工作，它们具有不同的现场控制总线、设备总线、传感器总线及多 种专用的解决方案，既要解决其专门的任务，又要把它们组织在一起，这是极其 因难的，无法用一个圆满的网络方法，把这些“异型网络”连接起来。 但是，随着l o n w o r k s 技术的出现，上述问题迎刃而解。因为l o n w o r k s 技 术具有两大基本优势：高性能低成本的网络接口产品( 内含3 个c p u 的超大规模 n e u r o n 芯片) 和固化的l o n t a l k 通信协议。同时，利用其m i p ( 微处理器接口程 序) 软件还可以开发出各种低成本的网关。这就是说，有了l o n w o r k s 技术。企业 的设计者将不再担心他们的网络在性能、可靠性等方面会变得过时。 2 2 2l o n w o r k s 网络特性 作为测控网络的l o n 网具有较强的网络功能，因为它本身就是一个局域操作 网，有完整的0 s i7 层协议，具备了网络的基本功能。同时，l o n 与l 从| 日j 也存 在许多不同之处。 ( 1 ) l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ，局域网) 主要用于局部区域内计算机系统之 间的相互通信：l o n 网主要用于小范围内各种仪器( 传感器) 、仪表、设备之间的 相互通信。 硕十学侍论文 第二章l o n w o r k s 现场息线技术 ( 2 ) l a n 需要一套中央处理机和服务器束拧制和管理整个局域网络；l o n 网 无需中央处理机和服务器即可实现各节点之日j 的相互通信。 ( 3 ) l a n 传输信息速率高，适宜于大数掘垦的传输：l o n 网传输速宰低，适 宜于数据量较小的枪测信息、状态信息和控制f 吉息的传输。 ( 4 ) l a n 结构复杂，需要专用网络电缆，成本高：l o n 网构成简单，可利用 电力线或廉价的电缆( 如双绞线) 传输信息，故成本低，适用于各类大、中、小型 自动检测和控制系统组网。 l o n w o r k s 网络有以下几点特性： ( 1 ) 通信媒介 现场总线的通信媒介大都局限于双绞线或同轴电缆，可是控制现场的情况十 分复杂，要求也是于差万别的。因此作为通用的现场总线，应当适应备种场合， 满足不同的要求，在这一点上l o n 网显示出了它的优势，它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( i r ) 等多种媒介。 这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 以满足不间的自动化领域中不同的通信速率要求。 ( 2 ) 网络拓扑 l o n 网町通过多种收发器提供各种典犁的拓扑结构系统，如总线型、星形、 环形、混合形等，这就为网络的安装提供了极大的方便，如图2 1 所示。 环型 ( 3 ) 可靠性 现场总线的呵靠性非常重要，一个复杂的系统最致命的问题就是系统的瘫 痪，l o n 网为其提供了最好的解决方法，其原因在于：超大规模的n e u r o n 芯片 使每个节点的应用变得很简单，而最简单的就是最可靠的，固化的l o n t a l k 协议 具有检测应答、自动苣发、请求响应等功能，保证了通信的高可靠，高可靠的 节点结构分散，使得故障隔离，不影响整个系统的正常运行，易于实现冗余备份， 从而大大提高了系统的可靠性。 总而言之，l o n 网具有局域网的功能，所以与异型网的兼容性比仟何现存 的现场总线部好，这一点对形成真正的网络有十分重要的意义。当前那蝗管理网 以及不同厂家推出的彼此无法兼容的现场总线形成的网，还称不上真正的网。真 正意义的网应| 订j 时包含上层的管理网及前端的拧制网，l o n 网以其独特的技术优 1 2 硕士学付论丈 第二章l o n w o r k s 现场总线技术 势，把计算机技术、网络技术、控制技术结合在一起，实现了企业测控及组网两 大任务的统一。 此外，l o n 网还能把新老设备方便地纳入它的网络，组成个新的控制网， 这是别的现场总线且i i 还难以实现的，同时还可提供与l a n 的接口，从而实现了 l a n 与l o n 网的有机结合。 2 2 3l o n w o r k s 与c i m s 系统 l o n w o r k s 的出现，极大地降低了c i m s 系统的成本，简化了c i m s 的体系结 构。依靠极强的u r o n 芯片及l o n t a l k 协议，l o n w o r k s 一方面分散独立地解决 其测控任务，另一方面通过点对点、点对多点的通信，解决节点问的信息通信， 而与上位机相互传输的只是些关键的管理命令以及一些供统计、分析用的实时数 据等少量信息。这黾所说的上位机可以是便携式机、台式p c 机、工作站等，它 们与串行s l t a 或并行及总线型的p c l t a 等网络适配器一起作为主机节点直接上 网。它既可作为一个域或子网的监控计算机，用来监视、控制系统过程，也可作 为一个域或予网的生产管理计算机，进行生产管理，并通过网卡连接到有经营管 理内容的计算机或服务器的以太网上。这样，管理网( l a n ) 和控制网( l o n ) 的组合 就构成了c i m s 系统，结构体系只有两层。无疑大大降低了c i m s 的造价，改变并 提高了c i m s 的功能“4 其组成结构如图2 2 所示。 温度流量开关量基于l o n w o r k s 带有l o n w o r k s 接口 图2 2基于l a n 以及l o n 网的c i m s 系统 1 3 硕十学位论文第一：章l o n r k s 现场总线技术 2 3l o n w o r k s 总线核心技术 2 3 1 神经元芯片 神经元芯片n e u m n 足l o n w o r k s 技术的核心。所有获得信息、做出决定、生 成输出、传播控制信息、标准协议以及使用不同的通信介质所需要的功能都包括 在神经元芯片中。每个神绎元通常都奉献于某一专门功能，但失去任何个不一 定影响网络的整体性能。 神经元芯片是一种半导体装置。专门用于为低价控制装置提供智能的联网能 力。神经元芯片包括使用用户编码和开发商装置的通信和应用处理能力。神经元 基本上是一个“芯片上的系统”，由多个微处理器，读写存储器和只读存储器 ( r a m 和r o m ) 、通信和1 ，0 接口组成。只读存储器包含操作系统、l 0 n t a l k 通 信协议和m 0 功能数据库系统。芯片有用于装置数据和应用程序的 e 易失性r a m ， 两苔都可从通信网络上下载。在制造时，每个神经元芯片皱赋予一个永久的全世 界唯一的名为神经元i d 的4 8 位码。 一个全面实施l o n t h l k 协议的l o n 喇k 固件包含在每个神经元芯片的r o m 中。这使得神经元能保证存每个装置中公共协议的应用以完全相同的方式实施。 大部分l o n w o r k s 装置包括一个具有完全相同的嵌入式l o n t a i k 协议实施工具的 神经元芯片。这个方法解决了“9 9 兼容性”问题，并保证l o n w o r k 装置在同一 网络上的连接只需要很少甚至于不需要额外的硬件。 n e u r o n 芯片有三个c p u ，每个c p u 各自分工不同，见图2 3 所示。c p u l 是介质访问控制处理器，处理l o n t a l k 协议的第l 和第2 层，这包括驱动通信子 系统硬件和执行m a c 剪法。c p u l 和c p u 一2 用共享存储区中的网络缓存区进行 通信，正确地对9 哪上报文进行编解码。c p u 一2 是网络处理器，它实现l o n t a l k 协议的第3 到第6 层，这包括处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、 通信端口 - - - - - - i 姒c