（电路与系统专业论文）基于现场总线的铁路车站信号仿真系统.pdf

舫交罴黧瓤北方交通大学硕士学位论，文 北方交通大学9 7 级硕士学位论文摘要 基于现场总线的铁路车站信号仿真系统 ，电子信息工程学院硕士研究生张燕 ( 随着信息技术、计算机技术、通信技术和电子技术的飞速 发展，工业控制技术也发生了巨大变化。控制技术与计算机 技术和通信技术相结合，使控制系统从传统的集中控制方式 向现场总线分布控制方式( 简称f c s 方式) 转化。基于信息 技术的现场总线控制系统的出现，对工业控制系统具有历史 性的意义。熘 现场总线结构不仅表现在系统结构的简化、由点对点通 信连接方式改为开放式串行总线方式、信号传输全部实现数 字化、系统设置与维护智能化、设备和系统具有互操作性等 方面，更重要的是实现了技术概念上的一次大飞跃，这就是 工业控制系统真正开始了从信号处理向信息处理、从控制网 络转向网络控制、从控制器智能化转向全系统设备智能化。 现场总线技术标志着控制系统信息化、网络化、智能化时代 的开始。 f 与传统的控制系统相比，现场总线技术的突出特点表现 在卜 一 1 ，提供了完整的工业控制系统框架。 2 ，实现了全开放系统。 、 3 ，形成了基于信息技术的网络控制系统。 本论文讨论了现场总线和工业控制系统结构的基本概 念、比较重要的几种现场总线技术和现场总线在铁路信号系 统中的应用，针对铁路信号系统的现状及面临的问题，提出 了现代化铁路信号系统的要求是安全、高效、经济，以计算 机为运算手段、智能决策手段的信号控制系统，将是未来铁 路信号控制系统的发展方向。 传统的集散式控制系统是以计算机为信息处理中心的控 制方式。当现场的控制机构相当多而且设备比较分散时，如 果再用这种控制方式，便大大增加了布线、安装、维护等工 作的难度，成本高，而且在技术上还会出现信号传输距离、 信号传输容量和抗干扰性等一系列问题。现场总线技术的产 生和发展是解决这些矛盾的研究的结果曲r 本论文在现场总线理论的基础上实现了铁路车站信号系 北方交通大学硕士学位论文 统的仿真，将某一个具体的铁路车站站场作为一个智能节 点挂接在传输总线上。在整个控制系统中的控制计算机、所 有智能节点都挂接在总线上，智能节点与控制计算机之间能 够通信。铁路车站作为客户机可以接收远程服务器发送来的 调度命令，并根据命令进行各种站场操作，包括站场图形编 辑、现场设备的增减、列车的运行。同时远程服务器可以查 询铁路信号现场的各种操作。实现了铁路车站远程调度系统。 f 前面已述及，以计算机为运算手段、智能决策手段的信 号控制系统，将是未来铁路信号控制系统的发展方向。运用 现场总线技术正适合于解决被测设备数量多，分布范围广、 信息容量大等特点带来的矛盾。如果把现场总线技术运用在 铁路信号控制系统中，无疑将推动铁路信号控制系统的进一 步发展和高度科技化。 妒 i i r a i l w a ys i g n a ls i m u l a t i o ns y s t e m b a s e do nf i e l d b u s z h a n g y a n e l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gc o l l e g e n o r t h e r nj i a o t o n gu n i v e r s i t y m a s t e rt h e s i s ( s u m m a r y ) 2 0 0 01 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o n c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n a n d e l e c t r o n i c s ，t h et e c h n o l o g y o f i n d u s t r y c o n t r o lh a s c h a n g e dg r e a t l y t h ec o m b i n a t i o n o f t e c h n o l o g y o fc o n t r o la n d t e c h n o l o g y o f c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o nw i l lm a k et h ec o n t r o l s y s t e m t r a n s f o r mf r o m m o d eo ft r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e dc o n t r 0 1t ot h a to ff i e l d b u s d i s t r i b u t i o n c o n t r o l ( s h o r t e n e d f o r m f c s ) t h ea p p e a r a n c e o f f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m b a s e do ni n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i s s i g n i f i c a n tt ot h es y s t e mo fi n d u s t r yc o n t r o l t h es t r u c t u r eo ff i e l d b u sh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ， s i m p l es y s t e mc o n s t r u c t ，t u r n i n g t h em o d eo fd o t t o d o t c o m m u n i c a t i o nt ot h a to f o p e n e ds e r i a lb u s ，d i g i t a lt r a n s m i s s i o n o fs i g n a l ，i n t e l l i g e n t i z e d s y s t e ms e t t i n g a n dm a i n t e n a n c e ，t h e i n t e r o p e r a t i o no fe q u i p m e n ta n ds y s t e m i ti sm o r ei m p o r t a n tt o r e a l i z eal e a po ft e c h n i c a ln o t i o n s ot h ec o n t r o l s y s t e mr e a l l y b e g a nt h et r a n s f o r m a t i o nf r o ms i g n a lp r o c e s s i n gt o i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，t h eo n ef r o mc o n t r o ln e t w o r k t on e t w o r kc o n t r o l ，t h e o n ef r o mi n t e l l i g e n t i z a t i o no fc o n t r o l l e rt ot h a to ft h ew h o l e s y s t e m t h et e c h n o l o g yo f f i e l b u sm a r k e dt h eb e g i n n i n go f t h ee r a o f i n f o r m a t i o n ，n e t w o r ka n di n t e l i i g e n t i z a t i o no f c o n t r o ls y s t e m c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ，t h et e c h n o l o g yo f f i e l d b u sh a st h ef o l l o w i n go u t s t a n d i n gc h a r a c t e r ： 1 、i to f f e r e d i n t e g r a t e d c o n s t r u c t i o no fi n d u s t r yc o n t r o l s y s t e m 2 、i tr e a l i z e dt h ew h o l e o p e n e ds y s t e m 3 、i tc o n s t r u c t e dt h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e d o nt h et e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o n t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ee l e m e n t a r yc o n c e p t i o no ff i e l d b u s 王i a n dt h ec o n s t r u c t i o no fi n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，s o m ek i n d s o f i m p o r t a n tt e c h n o l o g yo f f i e l d b u sa n dt h eu s e so ff i e l d b u s i nt h e s y s t e m o fr a i l w a y s i g n a la i m i n g a tt h e p r e s e n t s i t u a t i o n ，i tp u tf o r w a r dt h a tt h ed e m a n do fm o d e r nr a i l w a y s i g n a ls y s t e mi ss a l t y ，h i g he f f i c e n c ya n de c o n o m y , t h a t t h e s i g n a l c o n t r o l s y r s t e m w h i c ht a k e s t h e c o m p u t e r a sj t s o p e r a t i o nm e a n sa n di n t e l l i g e n t i z a t i o nd e c i s i o n m a k i n gw i l l b et h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fr a i l w a y s i g n a l c o n t r o l s y s t e mi nt h ef u t u r e t h et r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e dc o n t r 0 1s y s t e mw a sa d o p t e d t h ec o n t r o im o d et h a tt o o kt h ec o m p u t e ra si t si n f o r m a f i o n p r o c e s s i n g c e n t e r w h e nt h e r ew e r e m a n y c o n t r o l f r a m e w o r k sa n dt h ee q u i p m e n tw a ss c a t t e r e di nt h ef i e l d ，w e w i l li n c r e a s et h ec o s ta n dt h ed i f f i c u l t yo f w i r i n g ，i n s t a l l i n g a n dm a i n t a i n i n gi fw ea d o p t e dt h i sk i n do fc o n t r o lm o d e a g a i n i na d d i t i o n ，a s e r i e so f p r o b l e m sw i l la p p e a r , i n c l u d i n g d i s t a n c e ，c a p a c i t ya n da n t i - j a m m i n go fs i g n a l t r a n s m i s s i o n t h ee m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g ya r e t h er e s u l to f r e s e a r c ho f s o l v i n g t h e s ec o n t r a d i c t i o n t h et h e s i sr e a l i z e dt h es i m u l a t i o no fr a i l w a y s i g n a l s y s t e mo nt h eg r o u n do ff i e l d b u st h e o r y i tt a k e sas i m p l e s t a t i o na sai n t e l l i g e n t i z e dn o d ea r a c h e dt ot h et r a n s m i s s i o n b u s a l lt h ec o n t r o lc o m p u t e r sa n di n t e l l i g e n t i z e dn o d e sa r e a t t a c h e dt ot h e b u s ，t h ei n t e l l i g e n t i z e d n o d ec a n c o m m u n i c a t ew i t hc o n t r o lc o m p u t e r st h er a i l w a ys t a t i o na s ac l i e n tc a nr e c e i v et h ed i s t r i b u t i o nc o m m a n ds e n tf r o mt h e r e m o t e $ e l v e ei tt a k e sa l lk i n d so fs t a t i o n o p e r a t i o n s i n c l u d i n gt h ee d i t i n go fs t a t i o ng r a p h ，t h ei n c r e a s ea n dt h e d e c r e a s eo f s t a t i o ne q u i p m e n ta n dt h er u n n i n go f t h et r a i na t t h es a m et i m e ，t h er e m o t es e r v e rc a nq u e r yt h eo p e r a t i o na t t h er a i l w a ys i g n a ls t a t i o ni tr e a l i z e dt h er e m o t ed i s t r i b u t i o n s y s t e m a sf o r m e r l ys a i d ，t h es i g n a lc o n t r o l s y s t e mw h i c ht a k e s t h e c o m p u t e r a si t s o p e r a t i o n m e a n sa n d i n t e l l i g e n t i z e d d e c i s i o n m a k i n gm e a n sw i l lb et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f r a i l w a ys i g n a l c o n t r 0 1 s y s t e m i nt h e f u t u r e u s i n g t h e f i e l d b u st e c h n o l o g yw i l ls o l v et h e p r o b l e mc a u s e db yt o o m u c he q u i p m e n t ，w i d ed i s t r i b u t i o na n dl a r g ei n f o r m a t i o n c a p a c i t y i fw eu s ef i e l d b u st e c h n o l o g y i n r a i l w a ys i g n a l c o n t r o l s y s t e m ，i t w i l l u n d o u b t e d l yp r o m o t et h e f a r t h e r d e v e l o p m e n ta n dh i g ht e c h n o l o g yo fr a i l w a ys i g n a lc o n t r o l s y s t e m v 北方交通大学硕士学位论文 序言 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交 换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管 理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各 地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的 变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系 统。现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这形式发展起来的新技 术。 工业控制系统是对科学技术发展相当敏感的现代科学技 术应用领域。同时，也对现代科学技术发展起着重要的促进 作用。自二次大战以来，随着计算机、电子技术、信息技术 的飞速发展，工业控制系统在4 0 年内经历了从机械化、半自 动化、自动化到智能化的发展历程。工业控制技术的更新速 度也变得越来越快。特别是7 0 年代以来，各种新的工业控制 系统不断出现。短短的2 0 年中，工业控制系统已经从线性模 拟信号反馈控制发展到了全数字信号集成系统。自9 0 年代以 来，开始进入了以信息技术为基础的集成、开放式控制系统。 实际上，无论是早期的线性模拟信号反馈控制系统，还 是基于信息技术的集成开放式控制系统，信息传输和处理一 直是工业控制系统的重要组成部分。离开了信息的传输和处 理就不存在工业控制系统。随着工业控制技术的发展，控制 系统中对信息的传输和处理已经从早期的信号传递和判别转 换，发展到今天的信息传输和理解处理。 0 - 1 传统控制系统的基本工程结构 工业控制系统工程结构，是指实现控制系统的具体工程 框架。 对工程师来说，设计个工业控制系统必须解决两个主 要问题，一是确定控制方法，二是确定工程控制系统的基本 结构。确定控制方法与具体的控制目标有关，也就是采用什 么样的控制理论和技术，以便实现工程对控制的要求。确定 控制系统的结构，就是要根据工程的具体情况选择合适的控 北方交通大学硕士学位论文 制系统结构，例如信号传输的基本结构、信号处理的基本 结构等。 在工业控制系统的工程设计中，人们一直试图寻找出一 种类似于通信系统那样的统一的系统结构设计方法。然而， 实际情况却一直与人们的愿望相反。在设计一个具体工业控 制系统的结构时，由于控制对象的不同、控制方法的千差万 别和复杂的控制技术，使人们不可能象设计通信系统结构那 样实现统一。不同的工业控制系统采用的是不同的控制原理 和生产过程控制方法与技术，为实现不同的控制原理和方法 必须使用各种不同的专用设备，必须进行专门的结构设计。 这实际上也是控制系统造价高的一个重要原因。 在传统控制系统结构设计概念指导下，设计一个控制系 统工程结构需要设计人员具备广泛的专业技术知识，同时又 必须有用户的紧密配合。因此，工业控制系统工程结构的实 现原理和设计方法是一个十分复杂的技术。 一、工程控制系统的基本类型 从工程应用的角度看，任何一个系统的运行应实现如下 目的： l 、按设计要求运行。也就是按设计的步骤运行。 2 、系统能提出因运行条件的变化而产生的问题，并加以 解决。 3 、系统能接受控制者的命令。 4 、系统具有简单的实现方法。 总结上述，就是要工业控制系统能实现目标、自我调整、 人机交互、简单易行、降低造价。 工程中的控制系统是用具体设备实现控制理论和方法， 从而达到上述四个目的。从设备工业应用角度看，工业控制 系统可以分为两大类： 全自动控制系统只需要人员启动系统，然后系统运 行全部自动化。例如机器人系统、工业生产设备、自动驾驶 系统等。 人机交互式控制系统一一在系统的运行中，人可以对运 行过程进行干预和控制。人机交互系统的主要控制者是人。 例如轧钢机、铁路机车、铁路信号电气集中联锁等。 要实现上述两大类控制系统，可以采用各种不同的方法， 从而也就引起了各种不同的控制系统工程结构( 即实现控制 北方交通大学硕士学位论文 系统的各种不同工程框架) 。 二、工业控制系统工程结构的基本类型 为实现一个工业控制系统，目前工程中采用的控制系统 工程结构基本上可以分成如下几种类型： 直接控制工程结构这种控制系统中系统设备单一、 集中，一般不需要采用专门的分布系统。系统为集中控制方 式。一般用于独立机床、汽车以及小型简单控制系统中。这 种结构的特点是系统规模小，不必考虑信号传输距离的影响， 系统结构设计完全取决于设计人员的专门设计和系统的需 要。 d d o 工程结构通常称为数字直接控制工程结构，这 种控制系统采用数字控制方式，也就是系统的各种控制信号 和输入信号全部采用数字传输和处理方式。需要a d 、d 和 数字通信技术。例如某些大型机床设备、车辆、工业加热设 备等的控制系统般均采用这种工程结构。这种工程结构出 现的比较早，也是一般设计人员比较容易理解的工程结构。 其特点是结构体系完全由设计人员决定，整个系统为封闭式 结构。 d o s 工程结构通常叫做集散控制系统。这种工业控 制系统适用于系统设备为分布方式的工业应用领域，例如冶 金、石化、化工、环境控制、交通控制、机械制造等企业的 生产系统。d c s 系统是7 0 年代中期发展起来的工业控制系统 工程结构，是一个采用计算机控制网络技术的控制系统工程 结构。这种工程结构采用数字通信技术、计算机和p l c ( 可 编程逻辑控制器) ，系统需要核心控制计算机、现场控制计算 机以及系统操作平台和控制组态软件平台，因此d c s 系统结 构十分复杂，系统造价昂贵。同时，由于没有统一的系统结 构标准，不同厂家的系统结构有很大的差别。 上述控制系统的基本结构如图。一卜l 所示。 上述这几种类型控制系统都不是基于信息技术的控制系 统。这样，控制系统工程师就必须对每一个控制系统进行特 殊设计。既要解决系统的结构问题，又要解决系统的控制方 法和控制目标实现的问题。例如设计d c s 系统时，设计工程 是既要考虑系统的通信和信号传输，又耍根据工程需要考虑 系统现场设备的控制组态。 北方交通大学硕士学位论文 图0 一卜1 传统控制系统结构 三、控制系统工程结构设计的基本内容 在工程实际中，提出实现控制目标的方法与技术是一回 事，而如何实现控制方法和技术是另一回事。根据工程实际 要求，可以总结出控制系统工程结构的基本内容： 1 、解决信号传输问题。任何一个工业控制系统，都存在 信号传输的问题，这就是控制系统中的通信问题。信号的传 输问题是所有控制的共性问题，也是决定控制系统工程结构 特点的基本问题。控制系统中的信号传输可以分成直接模拟 方式。模拟调制方式和数字方式。在电子技术不很发达的时 代，要实现工业控制系统中的通信一般比较困难。因此，那 时只能采用模拟信号传输方式。而在d d s 和d c s 系统中，必 须为工业设备附加有关通信部分的电子设备，提供必要的通 信控制软件和协议，因此使设备和系统造价大幅度上升。 2 、解决控制目标实现的问题。控制系统控制目标的实现， 靠的是系统中各种设备的配合动作。决定设备行为的是所采 用的控制技术和控制方法。例如工业中广泛使用的p i d ( 比 例积分控制) 技术、反馈控制技术、程序控制技术等。如何 使系统中的各种设备实现协调工作，是解决控制目标实现问 题的核心。在工业控制系统中，一般使用控制计算机来解决 这个问题。这样，就必须根据具体的控制目标提供计算机的 硬件和控制系统操作软件以及复杂的系统组态硬件和软件。 从上述讨论可以看出，在各种控制系统_ t 程结构设计中， 4 北方交通大学硕士学位论文 要解决的核心问题是如何实现系统的经济有效连接和如何 实现系统控制目标。经过多年的探索研究，特别是全球信息 网络的建立，为控制系统工程师提供了更尖锐的问题，就是 如何实现快速有效的控制系统，使之能满足信息时代的要求。 同时，全球一体化的信息网络又为工业控制系统提供了解决 系统结构和实现控制方法、控制目标的有力工具，为知识经 济的实现奠定了基础。换句话说，就是人们找到了解决工业 控制系统结构设计和实现控制方法、控制目标的经济有效的 方法。这个方法就是基于信息技术的工业现场总线技术。 0 - 2 现代工业对控制系统的要求和 现场总线系统 在传统的工业控制系统中，信息处理是不明显的。人们 关心的是信号处理而不是信息处理，这是因为传统工业控制 系统的基本工作方式就是实现系统的传递函数。同时，由于 传统控制系统的封闭结构特性，使控制系统不必过多的考虑 信息的传输、转换、理解和执行。 一般工业控制系统可以用图。一2 1 所示的结构来描述： 图0 - 2 1 工业控制系统基本组成与结构 一、现代工业控制系统的基本特征 现代工程控制系统的基本特征是信息化、智能化、网络 化。 1 、信息化。信息化不仅是现代控制系统的一个基本特征， 也是现代控制系统与传统控制系统的一个重要区别。信息化 是指系统控制信息流，信息流控制系统的行为，系统行为控 制生产过程。由此可见，现代工业控制系统是基于信息技术 的控制系统。此外，控制系统的信息化也使得工业控制系统 成为现代信息网络的基础和支撑。 2 、智能化。智能化是现代控制系统的基本技术特征之一。 由于信息技术、计算机技术、人工智能技术和电子技术的发 北方交通大学硕士学位论文 展，现代工业控制系统无一例外的都具有智能化特点。智 能控制与传统控制的重要区别之一就是，传统控制要实现的 是在简单约束下的系统函数，而智能控制要实现的是在复杂 约束下的目标功能。因此，工业控制系统智能化主要体现在 系统对异常因素的处理和对控制过程自动优化方面。另外， 传统控制系统的基本结构以实现传递函数为目标，传递函数 要处理的是信号。而智能控制的基本结构以实现系统控制功 能为目标，控制功能的实现以信息处理为基础。 3 、网络化。工业控制系统的网络化是指工业控制系统所 使用的信息网络技术。工业控制系统中的设备不再是只用简 单的信号传递线路连接在一起，而是用信息网络把系统的设 备连接在一起，形成一个完整的信息网络。这种控制系统网 络是企业内部信息网络o n t r a n e t ) 和互联网络( i n t e r n e t ) 的一部 分。由于采用信息化技术，工业控制系统就必须实行网络化。 网络化的工业控制系统是实现信息化的基础，同时也是实现 智能化的基础。没有良好的网络，就不能实现信息的有效传 递和控制。 例铁路道岔转辙机的控制。 采用如图0 - 2 2 所示的两种不同控制方式。 1 ) 采用基于信号传输的传统控制方式时，由连锁系统根 据调度员的控制操作打开转辙机的电源开关，转辙机开始运 动，运动到位后自动切断电源。 2 ) 采用基于信息技术的控制方式时，列车运行的进程向 调度控制系统发出进程信息，调度控制设备将控制信息分解 后发往包括转辙机在内有关的设备，并监视各设备的运行， 各设备接收到控制信息后向与本次动作有关的其他设备发布 自己的有关信息，并接收其他设备发出的有关信息，同时开 始执行控制信息中的动作命令。 表面上看，传统的转辙机控制方式比较简单，但必须注 意到一个重要的事实，那就是传统控制方式下是控制信号的 单向流动，信息处理由调度人员完成，而调度人员并不能获 得充分的信息。采用基于信息技术的现代工业控制方式控制 转辙机时，实际上是信息流在控制联锁设备在动作，每一个 设备都具有信息处理的能力。系统中调度员以及各种设备均 能得到充分的信息，并能对其进行正确的处理。如果再考虑 到系统的安全性、系统协调性等问题以及现代工业所能提供 6 北方变通大学硕士学位论文 的技术手段后就会发现，现代控制方法具有相当高的系统 和设备安全性，同时，由于采用了标准化的信息技术，实现 起来并不复杂。也就是说，把复杂的工作留给了系统和设备。 此外，由于采用的是信息流控制系统行为的方式，这样的系 统还具备有随时检查系统中各种设备以及设备故障自检和报 警的功能。 基于信号传输的转辙机控制 垂十侣恩技术的转辙d l 控制 图0 - 2 0 两种不同的转辙机控制方式 二、现代控制系统的工程设计问题 由此可知，智能控制的基础是信息传递和信息处理技术， 智能控制目标和功能的实现方式，完全取决于信息处理技术。 因此，工业控制系统设计师就面i 临着这样两个问题， 1 、框架问题。能否提供一个能满足现代控制系统智能控 制的标准系统结构，是现代工业控制系统设计中的一个重要 问题。现代工业系统的工程结构是指为实现控制目标提供的 基本工程框架，这个框架必须能满足控制系统对信息传递和 信息处理的基本要求，提供标准的通用结构设备和部件，同 时还必须形成行业标准，以便最大限度地提高工程设计效率、 降低工程成本。 2 、内容问题。内容问题是指实现控制目标所采用的控制 技术和控制方法。现代控制系统工程中控制技术和控制方法 的实现应当不受系统工程结构的限制。在系统构架内实现特 匦 瞽碰 北方交通大学硕士学位论文 殊的功能和控制目标要求是每一个控制工程的基本设计目 标。这样就能满足控制系统控制原理的特殊要求。 三、工程对现代控制系统的基本要求 现代控制系统的基本特征表明，在实现现代工业控制系 统时一般需要信息拾取、信息加工、信息处理、信息传输、 决策生成、信息输出。可见，一个控制系统可以被看成是一 个信息处理系统。因此，控制系统和其中的设备应当具备如 下能力： 1 ) 接受信息的能力。 2 ) 处理信息的能力。 3 ) 输出信息的能力。 4 ) 控制信息的能力。 实际上，上述四个能力也是现代通信系统的基本要求。 同时，通信系统也早就提出了基本上可以实现这四个能力的 统一结构框架，这就是i s o 在1 9 7 7 年提出的o s i 参考模型， 通常也叫做7 层通信协议【6 。图o 2 3 是i s o 的协议参考模 型。由此可以看出，i s o 的7 层协议完全可以成为现代控制 系统的基本结构重要组成部分，这个参考模型不仅是系统的 基本结构，也是任何一个设备的基本结构。采用i s o 模型的 突出特点就是实现系统结构的开放性。与通信系统不同的是， 通信系统只需要接收和发送信息，而控制系统还必须处理和 利用信息，因此，如果把局部环境换成用户系统，就可以达 到形成完整控制系统结构的目的。 通过传统结构与现代工业控制系统结构的对比可以发现， 两者的最大区别就在于，传统结构的基础是信号处理，用计算 机发出的信号流控制系统行为，而现代工业控制系统结构的基 础是信息处理，整个系统行为完全处于信息流的控制之下。 圈o - 2 31 s o 的o s | 参考模型 北方交通大学硕士学位论文 0 3 本论文的任务 根据上述对工业控制系统基本问题的分析，本论文将针对 两个主要问题展开，一个是对现场总线的技术内容进行研究， 以便从中总结出相应的工程特点。另一个是根据工业生产实 际中存在的问题，提出一个解决方案。 本论文先介绍了现场总线的概念和理论，提出了现场总 线技术的基本技术特点和工业工程对现场总线技术的基本要 求，介绍了工业现场中常使用的些串行通信接口标准、并 行通信的接口标准及h a r t 协议的内容。同时，还指出了现 场总线技术在实际应用中应注意的一些具体问题。 在建立了现场总线基本概念的基础上，针对铁路现场设 备数量多、分散、不利于控制等特点，提出利用现场总线技 术，以微机联锁理论为基础对铁路车站信号系统进行仿真。 同时，在客户机一服务器系统中作为客户机接收服务器发送来 的远程调度指令，指导铁路现场进行各种现场操作。 北方交通大学硕士学位论文 第一章现场总线技术概述 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交 换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管 理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各 地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的 变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系 统。现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技 术。 1 _ 1 现场总线简介 一、现场总线简介 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉 为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制 技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重 要影响。 1 、什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之 间实现双向串行多节点数字通信的系统，【! 王被称为开放式、 数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、 交通、楼字等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 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计算和数字通信能力，采用可 进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连 接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场 的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计 算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需 要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设 备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相 互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它 ( ) 北方交通大学硕士学位论文 给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连 接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。现场总线则 使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统， 加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成是一个控 制技术新时代的开端并不过分。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低， 计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底 层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模 拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实 现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统 成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合 自动化，就必须设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，形成工厂底层网络，完成现场 自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以 及生产现场与外界的信息交换。 现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的，它 作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能 设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之 间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动 化系统的信息孤岛创造了条件。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全 分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线 上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进步构 成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、 显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一 项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内 容的综合技术。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、 智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术 的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线的出现，导致目 前生产的自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编程控制器 ( p l c ) 在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动 化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。传 统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通 信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能干一体的变送 北方交通大学硕士学位论文 控制器；出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量 变送器；出现了带控制模块和具有故障信息的执行器，并由 此大大改变了现有的设备维护管理方法。 2 、现场总线构造了网络集成式全分布控制系统 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型 的网络集成式全分布控制系统一一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 。这是继基地式气动仪表控 制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控 制系统、集散控制系统d c s 后的新一代控制系统。 5 0 年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表 尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现 场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号仅在本 仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控 点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能 通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运 行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是 出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制 室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0 0 2 0 1 m p a 的气压信号，o l o n l h 、4 2 0 m h 的直流电流信号，1 5 v 直流电压信号等，送往集中控制室。操作人员可以坐在控 制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按 需要组合成复杂控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对的物理连接，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 的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信 号，出现了直接数字控制。由于当时的数字计算机技术尚不 发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎 所有的仪表盘，出现了集中式数字控制系统。但由于当时数 字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会 造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种危险的 集中系统结构很难为生产过程所接受。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了 数字调节器、可编程控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构 成的集中、分散相结合的集散控制系统。这就是今天正在被 许多企业采用的d c s 系统。d c s 系统中，测量变送仪表一般 北方交通大学硕士学位论文 为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在 功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进 步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是， 在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系 统封闭这一缺陷的影响，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。 4 厶新型的现场总线控制系统则突破了d c s 系统中通信由专 用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用 的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以 把来自不同厂商而遵守同协议规范的自动化设备，通过现 场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时 把d c s 集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分 布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备 本身便可实现基本控制功能。 伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代，系统的功 能、性能也在不断完善与发展图1 1 1 为各阶段测控仪表能 力指数示意图。它表明，测量控制系统从早期基地式模拟仪 表只能实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐渐发展到 按装置或过程的多回路、多变量集中监控，整个装置或车间 的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。每一 代更新都带来能力指数的跃变，同时随着工具与功能开发的 不断完善，每一代系统的测控能力指数会按各自的增长速率 不断升高，为生产过程的控制与管理提供更为完善的服务， 带来更大的经济效益。这里，图1 1 1 中对能力指数的描述 在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达而已。 现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于 仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能。把微处理器置 入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字通信能力，一 方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制 信息的内容，实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环 境下，借助设备的计算、通信能力，在现场就可进行许多复 杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统，提高控制 系统运行的可靠性。还可借助现场总线网段以及与之有通信 连接的其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百 公里之外的电气开关等。还可提供传统仪表所不能提供的如 北方交通犬学硕士学位论文 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。 巅 罩璺 棠 趟 鲻 露 5 0 年代 1 0 6 01 9 8 01 9 9 8 图1 1 一l 各阶段测控仪表能力指数示意图 3 、现场总线是底层控制网络 现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网 络。它可与因特网( i n t e r n e t ) 、企业内部网( i n t r a n e t ) 相 连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而有人称之为底 层网i n f r a n e t 。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统 一的通信协议，肩负着生产运行线测量控制的特殊任务。 图卜3 - i