（电路与系统专业论文）工业控制系统及hart通信协议研究.pdf

托_ 方交通大学碌士学位论交北方交通大学9 6 级硕士学位论文摘要工业控制系统及h a r t 通信协议研究3 1 3 6 “y2 0电子与信息工程学院硕士研究生陈沽关键词：工业控制系现场总d f fh a i h 通信协议v变送器安全f 随着当今计算机技术、数字通信技术、网络技术和自动化技术的迅猛发展，工业生产过程的控制方式也发生了巨大的变化。从原始的手工控制发展到自动化控制，而且控制中的自动化程度在不断的提高。自动化控制水平的提高促使先进的数字通信技术更快地进入工业生产控制领域。通信技术，尤其是数字通信技术在工业过程控制中显示了越来越重要的蚱用。可以认为，没有通信就不可能有现代化的工业生产控制，本论文就是从王些逗壅控制中的通信出发，从通信的基本技术和实现结构这两个角度对工业控制系统进行了研究。首先，工业生产的现场环境和工业生产自身的安全要求对工业过程控制中的通信技术提出了特殊要求。那就是通信的实时性和可靠性。这也是工业过程控制系统的重要指标。其次，论文从通信结构出发研究工业过程控制系统结构。工业过程控制系统结构从d d c ( 直动式控制) 控制系统发展到d c s ( 集散控制系统) 控制系统是一个控制功能分散化的过程。( 而今，现场智能化仪表的不断发展使f c s ( 现场控制系统) 控制系统得以提出。依赖现场仪器仪表的智能特点，f c s 系统的控制功能进一步分散到现场一级j 本论文对f f ( 基金会现场总线) 现场总线技术进行了研究，并将现场总线技术与d c s 系统进行了对比研究。f 比较研究的结果表明，现场总线技术是一种基于信息处理的控制系统结构，为控制系统提供的是网络化和智能化信息处理能力，而d c s系统与现场总线技术相比，只具备集中式信息处理和信号处理的功能。，可、一在以上对工业控制系统的深入探讨的基础上本论文还重点研究了h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 通信协议。托舞交通大学硬士学位论文( h a r t 通信协议作为一个简单的数字通信协议，虽不能称为现场总线，但它在实现数字通信的同时兼容原4 - 2 0 m a 模拟信号，对目前较落后的尚存在大量模拟信号传输的工业生产控制现状有着现实的意义。另外，h a r t 通信协议的d d ( 设备描述) 为实现现场仪器仪表的互操作性和互交换性提供了可能广1 r 、在对h a r t 通信协议进行研究之后，作者设计实现了带h a r t通信功能的智能差压变送器。般计中采用m c 6 8 h c l l e 9 单片机作为中央处理芯片，使用a d 7 7 f 4 芯片和a d 4 2 1 芯片实现信号输入h a r t 通信协议协议的数据链路层和应用层。但由于研究条件的限制没有实现h a r t 通信协议的设备描述。在这方面也缺乏深入研究尹1 1 一。论文最后初步探讨了工业控制系统中现场总线系统的安全问题。箔关安全问题是从本质安全、现场设备可靠工作和信息安全三个方面进行研究的。由于现代的生产过程控制系统将与企业网相连以实现企业的系统优化管理，所以，现场总线的信息安全将是一个重要的问题。而目前有关现场总线的信息安全研究还不是很多。今后应加大这方面的研究力度。卜一乾寿交通大学硬学位论文as t u d yo ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e ma n dh a r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm i s sc h e nj l ee 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 en o a h e r nj i a o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rt h e s i s( s u m m a r y )1 9 9 8 1 2k e yw o r d si n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ，f i e l d b u s ，f f ，h a r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t r a n s d u c e r ，s a f e t ya tf i r s t ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo fc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r ei ni n d u s t r y t h ed e v e l o p i n go fc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r ej sr e l a t i v ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o c o n t r o lt e c h n o l o g y i nc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r e 、c o m m u n i c a t i o ni soneo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o s i l i o n s i ft h e r ew e r en oc o m m u n i c a t i o n 、t o d a y sm o d e r ni n d u s t r i a ic o n t r o lc o u i d n tb er e a l i z e d s ot h et h e s i sa n a l y s i st h ec o n t r o la r c h i t e c t u r ef r o n lt h ea s p e c to fc o m m u n i c a t i o ni ni n d u s t r i a la u t o c o n t r 0 1 e s p e c i a l l y ，t h et h e s i se m p h a s i z e st h es p e c i a lf e a t u r eo ft h ei n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o n o nt h ei n d e xo fs a f e t ya n dr e a l - t i m e t h ec o m m u n i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r o l i sm o r ec r i t i c a it h a nn o r m a l c y s e c o n d m o d e r ni n d u s t r i a lc o n t r o is y s t e ma r c h i t e c t u r et e n d st of c s ( f i e dc o n t r o ls y s t e m ) t f l es y s t e ma r c h i t e c t u r ei sb a s e do n“f i e l d b u s ”t h ef i e l d b u sc o n n e c te a c hf i e l d m o u n t e dd e v i c et oah o s tc o n t r o ls y s t e mb yas i n g l es h a r e db u sc a b l e t h r o u g ht h i sc a b l ed e v i c e sc a ni n c o r p o r a t et h e i ro w ni n t e l l i g e n c ec o m m u n i c a t i o nd i g i t a l l yw i t ht h eh o s t t h e “f i e l d b u s ”c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s ta n dt h ed e v i c e si sb i d i r e c t o r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n l y “h o s tt od e v i c e ”c o m m u n i c a t i o n h o w e v e r a l io ft h e s ea r en o tt h ee n do ft h ef i e i d b u s b e n e f i t s t a k e nas t a g ef u r t h e r ，i nt h ef i e l d b u sa r c h i t e c t u r et h ed e v i c e sm a yn o te v e nn e e dt o “c l o s et h el o o p ”s i n c ef i e l dd e v i c e sc a nc o m m u n i c a t e p e e rt op e e r ”f o rt h ef i r s tt i m e ，g e n u i n e l yd i s t r i b u t i n gc o n t r o lb a c ki n t ot h ef i e l da n df a c i l i t a t i n gt h ed e v e l o p i n go fan e wg e n e r a t i o no fs y s t e m m e a n w h i l e f f ( f o a n d a t i o nf i e l d b u s ) a c t sa st h ei托杰交通大学硬士学位论文r e p r e s e n t a t i o no ff i e l d b u si si n t r o d u c e di n t od e t a i l nt h i st h e s i s o nt h eo t h e rh a n d ，a sad i g i t a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，h a r tp r o t o c o li sv a l u a b l ea m o n gs om a n yk i n d so ff i e l d b u sb e c a u s eo fi t sc o m p a t i b i l i t yw i t ht r a d i t i o n a la n a l o g u e4 2 0 m as i n g l e t h et h e s i sr e s e a r c h e sh a r tp r o t o c o la n da n a l y z e st h ef e a t u r eo fi t o nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ha b o u th a r t ，t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s d u c e rw i t hh a r tc o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gs o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e a tl a s t ，t h es a f e t yi ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e df r o mt h r e ea s p e c t s ：t h ei n t r i n s i cs a f e t y ，t h ed e v i c es a f e t ya n dt h en e t w o r km e s s a g es a f e t y i v耗方交谴大学硬士学位论文序言0 1 过程控制体系结构的发展概况和趋势随着工业过程控制技术的发展，工业生产的过程控制系统结构也在不断的发展变化着。过程控制系统中各设各能否协调工作，主要取决于设备间必要的信号传输。特别是当计算机引入到过程控制系统之后，通信技术与过程控制系统结构更是密切相关，而成为了过程自动化技术中的重要组成部分。所以，要研究过程控制系统的结构，就必须了解自动化技术中的通信系统结构。过程测控技术中信号传输方式的变化与生产过程控制系统结构的发展有着密切的联系，是一个从局部到全局，从模拟到数字，从近距离到远程的发展过程。随着工业自动化技术的发展，过程控制系统结构，测控信号传输大致经历了三个发展阶段1 ”。5 0 年代以前可以归结为基于3 1 5p s i 的气动信号标准的第一代过程控制体系结构( 直动式或p c s ) 。在此阶段，工业自动化仅为局部自动化，采用经典控制理论实现单输入单输出控制系统，自动化水平处于低级阶段，控制仪表从基地式发展到单元组合式，对测控信号的传输要求相对较低。5 0 到7 0 年代，大多采用4 2 0m a 模拟信号作为控制信号传输标准，形成第二代过程控制体系结构( 模拟式或a c s ) ，这一一时期，现代自动控制理论已经产生，并已在某些尖端技术领域取得惊人成就。现代控制理沦以状态空问分析方法为基础，内容包括了以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核，1 1 , 的最佳估计等三部分。现代控制理论在综合和分析系统时，已经从外部现象深入到揭示系统内在的规律性，从局部控制进入到在一定意义下的全局最优。而且在结构上已从单环扩展到适应环、学习环等。可以说，现代控制理论是人们对控制技术在认识上的一次质的飞跃，为实现高水平的生产过程自动化奠定了理论基础。与此同时，计算机的发展为现代控制理论的应用提供了解决工程问题的新思路和新的控制系统结构。在6 0年代中期，出现了如图0 一l l 所示的、用计算机代替模拟调节器的直接数字控制系统( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 和由计算机确定模拟调节器或d d c 回路最优设定值的髓督控制系统( s c c s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) 。但在当时，由于计算机不但体积大，价格昂贵，靶舞交通大学硬士学搜论文而且在可靠性和功能方面还存在不少问题，所以计算机控制基本停留在实验阶段。此外，现代控制理论和工程实现方法之间的差距，使得现代控制理论一时还难以应用于工业生产过程控制场合，也使得工业现场的信号传输方法一直以模拟信号传输为主要手段。控制量0 扰动0输出量生产过程( a ) d d c 系统结构伯1s c c 系统结构尉0 1 id d c 和s c c 系统结构7 0 年代始，由于大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世，使汁算机不仅功能强大、可靠性高，而价格却大幅度下降。尤其是工业控制计算机系统，在采用了冗余技术、软硬件自诊断功能等措施后，其可靠性已提高到能够满足工业控制要求的程度。这样，人们在信号检测和过程控制领域率先使用了工业控制计算机，并由此提出了数字通信的要求。这时工业控制系统中开始出现了不同的数字通信接口标准，例如r s 4 8 5 、i e e e 4 2 2 、i e e e 4 9 9 等。针对工业生产规模大，过程参数和控制回路多的特点，为满足工程实际对工业控制系统提出的高可靠性和灵活性要求，在过程控制体系结构上出现了分布式控制系统( 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 ) ，又称集散系统。它是集计算机技术，控制技术，通信技术于一体的工业过程控制体系结构。这种系统在结构上分散，将计算机分布到车间或装置一级，不仅使系统危险分散，消除了全局性的故障节点，增加了系统的可靠性，而且可以灵活方便地实现各种j t 杰交通大学硕士学位论盘新型控制规律和算法，便于系统的调试和投运。显然，集散系统的出现，是工业控制体系结构的一大发展，数字通信技术随着计算机进入了生产过程自动化控制。与此同时，自动化控制理论与其他学科相互交叉，互相渗透，向着纵深方向发展，形成了所谓的第三代控制理论【l i ，即大系统理论和智能控制理论。智能控制将人工智能，控制理论，运筹学三者相结合用以解决一些复杂的工业过程控制，如：反应过程，冶炼过程和生化过程等。在工业生产实际中也提出了以优质、高产、低消耗为目的的控制要求，从客观上促进大系统理论的发展。工业自动化控制突破了局部控制的模式，进入到全局控制，既包含了若干子系统的闭环控制，又有大系统协调控制、最优控制以及决策管理，即人们称之为控制管理一体化的新模式，比如c i m s 。这样，控制理论和生产实际对过程控制体系结构又提出了新的要求。9 0 年代以来，信息高速公路的兴起和计算机网络技术的迅猛发展及其相关技术的成熟，对社会各领域产生了深远的影响。工业控制领域也向着网络化、分布性和开放性的方向发展。通信技术在工业现场控制系统中起着日益重要的作用，控制系统结构也从集散式控制系统发展到智能化分布式控制系统，以实现第三代控制理论( 智能控制和大系统理论) 在工业控制领域中的应用。为满足工程实际的需要，在信息技术的基础上，现场总线技术开始出现在过程控制系统中。现场总线技术是连接智能现场设备和自动化系统的数字式，全分散，双向传输，多分支结构的通信网络，得到了充分的发展和应用。它是控制技术，仪表技术和计算机网络技术的结合，代表着工业控制体系结构口后发展的方向。另一个重要方面，现场总线作为一种控制体系结构，使基于信息的网络控制成为可能。这将给工业控制带来更广阔的发展前景，使工业真正加入信息高速公路并实现智能控制。从工业自动控制技术的发展及信号传输技术的演变中，可以得到以下结论：1 ，首先是工业生产过程本身的发展带动控制理论的研究，理论的先行又带动了工业自动化控制工程的发展，发生了结构体系的更迭，相应的有了测控信号传输标准的演变。其次，当信号传输发展到信息传输，测控信息化对过程控制体系结构产生了变革性的引导作用，使控制理论更快地应用于工业生产，整个工业发生了划时代的变革。2 ，工业现场总线结构体系，是计算机集成过程控制系统发展中北方交通太学砸土学位论文的一个重要部分，必须引入智能控制和专家系统，而且应采用基于信息按术的通信而非简单的信号通信，才有真正的价值和发展前景。0 2h a r t 协议产生背景及其意义为适应工业控制系统数字通信和信息处理的需要，同时又能对当时大部分工业设备实现兼容使用，1 9 8 5 年，h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 通信协议作为模拟通信到数字通信的过渡协议被正式推出。在诸多的现场总线技术中，h a r t 通信协议由于其开放性和与4 2 0 m a 信号传输的兼容性，是模拟通信到数字通信的过渡协议，有着非常实用的价值。对于那些不想对现存控制和测量系统做大的改动，又想以较少的花费获取智能化设备的优点的用户来说无疑是一种很好的选择。因此，虽然h a r t 产品还不是现场总线产品，却得到广泛的接受和应用，h a r t 也已成为过程控制事实上的标准5 1 ，成为了最先出现在过程控制系统中的数字通信协议并仍在不断的发展中。在解决可操作性和可互换性方面，h a r t 协议对现场总线技术具有重要的意义。目前，根据市场的需求和技术的发展趋势，国外各大仪表制造厂商都把发展现场总线技术和产品放在公司技术进步的第一位。自8 0年代初，采用数字模拟混合信号的智能现场仪表开始投放市场，如h o n e y w e l l 公司开发的s t 3 0 0 0 压力差压变送器和r o s e m o u n t 公司开发的s m a r t l l 5 i 压力差压变送器均属于这类产品。但是，由于模拟现场仪表与全数字现场仪表存在本质差异，所以，要市场接受全数字仪表还需一定的时间。国外专家预计，这个过度过程大约需要1 0 一1 5 年。我国仪器仪表行业胁会现场总线专业委员会( c f f c ) 提出，1 9 9 6 _ - 2 0 0 0 年将重点完成我国的现场仪表数字化和智能化的设计开发和商品化工作。形成符合h a r t 协议的智能化现场仪表产业，使其市场占有率达4 0 以上1 。可见，研究并实现h a r t 协议产品有着现实的意义并有其绝对的必要性。0 3 本论文的研究内容基于上述讨论，本论文通过对现场总线技术进行的分析研究，提出了基于信息技术的网络控制结构体系。同时根据我国ix l k 生产自动化的现状，对h a r t 协议的技术基础进行比较透彻的研究，并在智能变送器中的设计实现了h a r t 通信协议。最后，本论文还对现场总线系统的网络信息安全和设备运行安全问题进行了研究讨论。4托方交通天学硕士学位论文第一章工业控制体系结构中的通信技术随着工业的发展，z , i k 控制体系结构也进行着变化。现代自动化控制体系结构离不开通信技术的支持。在通信技术支持的基础上，各种控制体系才得以实施。可以说，没有通信技术就不可能有现代工业控制系统。本章从工业现场通信的重要性出发，详细阐述了通信在工业测控中的功能。以及工业测控技术对通信技术的基本要求。最后对现有工业现场的各种通信方式作出分析比较和总结。1 1 综述自从 2 = l k 生产开始采用自动控制技术以来，测量和控制就进入了工业生产系统。自动控制理论和控制策略是通过测控系统实施在工业生产过程中的。因此，工业测控技术是工业自动控制系统的基本技术之一。人们通过各种仪器仪表对工业生产过程的变量进行监测，将各变量值转变成信号输入各种控制系统。然后在实时控制策略的作用下产生控制信号输出到各种执行器实现对生产过程各变量的控制。为实现信号传输，就必须使用相应的信号传输技术。可见，通信技术对工业控制系统来说是必不可少的。一、测控系统的组成一个完整的计算机测控系统由测控核心、操作系统和现场通信系统几部分组成。】，测控核心。测控核心包括系统所依赖的控制理论，所采用的控制策略，实施时所使用的控制方法，可以说它是一个系统的灵魂。系统的控制性能的实现，如准确性、实时性和稳定性，首先得在控制理论、控制策略上得到保证。进入8 0 年代以来，控制理论向着大系统理论和智能控制方向发展。众所周知，工程实际中有类机理复杂、尚未被人们所认识的生产过程，如生化过程。此类过程易受众多随机因素的干扰和影响，难以建立精确的数学模型以满足闭环最优控制的要求。同时，其控制策略也有待进步研究。目前已有的策略或是过于复杂，难以实行在线控制，或是过于粗糙，难以建立精确的数学模型来满足高水平的控制要求。根据现代控制理论和人工智能技术，解决此类问题的重要方法之一是采用将人工智能、控制理论和运筹学三者相托奇交通大学硕士学位论文合的智能控制技术，如推理控制、自适应控制、预测控制等。在我国。已出现了利用知识和推理的实时专家系统进行诊断、预报和控制的实例。另外，由于世界范围内出现的能源危 ! l l 和市场竞争的加剧，i t ：业生产规模更趋庞大，如石化工业中年产3 0 万吨级甚至更大的乙烯，合成氨等工厂也大批建成。设备的更新较大的提高了生产率，但要进一步提高产量，降低成本，节约原料和减少能源消耗并非易事。必须在分散控制的基础上，从全局最优的观点出发对整个大系统进行综合协调。单项的自动化控制必须走向集成，摆脱自动化孤岛局面。从现代化企业生产组织与管理的角度进行信息集成，优化企业总体效益，这将成为控制理论的发展方向1 2 1 。最后，有必要重视的是理论要运用到实际的工业控制领域，还必须进行改造和移植工程化，要求从工业实际出发，寻求对模型要求不高、在线计算方便、对过程和环境的不确定性有一定的适应能力的实用的控制策略和方法。综上所述，控制理论和控制策略是实现工业过程控制的核心。2 ，操作系统。操作系统包括控制站和操作站。控制站的核心是调节器和输入输出模块。但一个简单的控制系统还应包括被控对象，如变送器和调节阀等。其中，被控对象往往是工业过程控制中六大参数( 即温度、压力、流量、液位( 或物位) 、成分和物性) ，对生产过程的控制就体现在控制这些过程参数上。当然，即便对同一过程参数根据具体情况也有不同的控制目标。为实现不同的目标就有不同的控制方案。测量变送器的作用是测量被调量的值，以电信号表示并将此信号转变为适宜于传输的标准信号传送给调节器。调节器根据输入的值实现控制策略和控制方案，它是控制理论和控制策略的载体。调节阀的作用是接受调节器送来的控制信号，调节管道中介质的流量( 即改变调节量) ，从而实现生产过程自动化。操作站则是控制系统与操作人员进行交流的设备，也就是人与系统交互的界面。3 ，现场通信系统。现场通信系统是系统的数据和控制命令传输系统，主要包括有电缆、电源、物理接口、中继器等。根据通信协议和信号传输技术的不同，有时还需要实现通信网络管理来协调网络通信。现今计算机技术、通信技术和网络技术飞速发展，促使工业测控技术向系统集成化、协调化发展。各种自动化控制体系结构也是基于通信技术而提出的，如总线型和点对点等结构。6耗方交遘大学硕士学位论文上述三大部分组成的测控系统中，由于现代工业自动化系统的基础是计算机和网络技术，因此，软件在现代工业控制系统中占用相当重要的地位。工业控制系统软件包括系统操作平台、通信管理软件、计算机控制算法软件等。二、通信技术在工业控制体系结构巾的地位和作用从工业过程控制系统的组成结构可以看出，工业控制系统中的通信技术是形成系统的基本技术。可以认为，没有通信技术就没有现代工业控制系统。各种数据通过通信系统得以在各设备之间进行传递，并经过通信接口与局部网络相连，从而保证了设备间的信息交换、控制信息传输以及数据库和系统资源的共享。目前，c i m s 和c i m 的提出和实施，使通信技术在整个工业控制系统乃至整个企业管理中的作用将更加显著。另一方面，通信技术将直接影响控制系统的技术性能及控制理论、控制策略的实施。系统通信网络的拓扑结构、通信系统的调度管理方法及系统所采用的通信协议，对实现系统控制目标和技术性能，特别是系统控制的安全性、实时性，将起到决定性的作用。系统采用的通信结构和通信协议蕴涵着系统的控制体系结构。提高控制系统中的通信技术水平是提高系统信息化、智能化和网络化的重要技术基础。所以，在工业现场控制系统中利用先进的通信、网络技术是： 业控制的一个重要发展方向，这样才能与信息化的社会发展相接轨。1 - 2 工业测控系统对通信的基本技术要求由于通信技术在现代工业控制系统中占踞了举足轻重的地位，同时也因为采用何种通信技术对工业控制系统技术特性和复杂程度有重要的影响。所以，工程中历来都是根据实际情况选择所使用的通信技术。选择工业控制系统通信技术的主要原则是1 ，能否满足系统对通信技术的要求。2 ，能否与设备所提供的通信条件相匹配。3 ，是否具有较高的性能价格比。为了能充分理解工业控制系统通信技术的选择原则，有必要对工业控制系统提出的通信技术要求进行分析和讨论。一、基本通信技术概念在讨论工业测控系统对通信技术的基本要求之前，有必要简单地介绍一些有关通信技术的基本概念。托杰交通大学硕土 学证论史1 ，现代测控系统中通信系统的主要指标9 1 。为实现可靠通信和便于系统和设备设计，通信系统必须满足一些重要的技术指标要求。1 ) 传输速率。常用的传输速率的表达方式有：比特率( b p s ) 单位时间内所传送的信息量。波特率( b a u d s ) 单位时间内所传送的码元( 单位脉冲)数目，也叫调制速率。比特率= 波特率i 0 9 2 n ，其中n 是信号所表示的状态数。数据传送速率单位时间内的比特数，字符数，或码组数。2 ) 差错率。是衡量数据传输系统正常工作下可靠性，以误码率表征，即错误接收的码元数所传输的总码元数。3 ) 功率利用率和频带利用率。功率利用率以比特差错率小于某一规定值时所要求的最低归一化信噪比来衡量，所要求的信噪比越低，功率利用率越高。频带利用率是描述数据传输速率和带宽之问的关系，用来衡量通信系统的有效性。定义是单位频带内所能传输的信息速率：比特率所需带宽。这两项指标决定于调制解调方式。在功率受限的场合适当牺牲频带利用率以提高功率利用率，在频带受限的场合适当牺牲功率利用率以提高频带利用率。4 ) 信号强度。即信号能量，在任何传输系统中，当信号沿着传输媒质进行传输时，信号能量将有所损失或衰减。2 ，通信方式。按信息流和时间来分通信方式有单向通信、半双工通信、全双工通信三类f 9 | 。单向通信是在任何时间信息只能向一个方向传输。半双工通信是信息流可以在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。全双工通信能同时作双向通信。在工业控制系统中的通信方式以半双工通信为主，如h a r t 、f f 通信协议就采用半双工通信。3 ，数字传输技术。数字传输技术包括串行与并行通信和同步与异步两个方面。串行与并行通信是针对数字信号传输过程中字节输入输出方法提出的，同步和异步则是指字节传输模式。串行通信只需要较少的通信线，而并行通信则需要较多的通信线。在串行传输中，有同步串行传输和异步串行传输之分。其中。同步串行传输传输速度高，以电压信号传输，设备复杂，有同步要求；异步串行传输传输速率低，以电压或电流信号传输，易于控制，设备简单。现有工业控制系统中的通信协议有同步通信协议也有异步通信协议。如f f 协议他实际已包含了同步字符，h a r t 通信协议就是标托卉交通大学硕士学证诧文准的异步通信协议。在现代工业控制系统中，各设备的通信连接主要采用的是串行通信技术，如d c s 系统就使用串行传输。1 ) 串行通信。串行通信是指数字信号以字节为单位逐位传输，任何时刻只传输一位( 一个b i t ) 数字信号。串行传输中，组成一个字符的各个比特按顺序一位一位在一个信道上传输传。只需要一条传输线或信道，能充分利用频带，但传输速率低，收发问需要有相应的协议约定。当远程传输数据时，采用串行传输将大大降低系统硬件费用。2 ) 并行通信。并行通信是指信号姒字节为单位同时传输。这种传输方式巾，用来表示字符的n 个比特( 1 1 位二进制数) 是同时在n 个信道上传输，所以需要多条传输线或信道，还要附加的传输线来传输控制或奇偶校验位。因此设备比较复杂，特别是传输线路比较复杂，但传输速度高。在要求高速的数字系统中，由于距离近，可采用并行式传输数据，如v m e ，v x i ，i e e e 4 8 8 等都属于并行传输。3 ) 同步通信。所谓同步通信技术，是指串行通信过程中，通信各方均采用相同频率和相位的“同步时钟信号”作为通信过程的基准。同步通信系统中收发同步是传输系统的一个重要问题，同步不好将会导致误码增加，甚至使整个系统不能正常工作。同步时钟信号可咀是独立的信号，通过独立的传输线路与数据信号同时传输。也可以由某个信号发送端产生，或由专门的通信设备提供。还可以使用同步编码方式在所传输的数据中插入“同步码”，再由接收方所接收到的信号中提取出始终信号。同步通信的特点是通信速度高，并对同步信号有严格的要求。目前，一些高速的工业控制现场总线中均采用同步通信，以提高通信速度【9 l 。4 ) 异步通信技术。与同步通信技术相比，异步通信系统中，通信各方只需要采用相同的通信速率，而不必使用相同频率和相位的同步时钟信号为通信基准。异步通信中，每次只传输或接受一个字符，用起始位和停u ：位来指示被传输字节的丌始和结束。这种传输方式效率较低，但通信设备相应的比较简单，特别是不受同步时钟信号的约束，可以大大地提高数据传输的有效性。异步通信技术目前是在各种工业设备和现场总线技术中的主要通信方式。二、传输信道信道是以传输介质为基础的信号通道。工业控制现场的传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆和无线通道等。在工业控制现场数据9托寿交逶天学硕士学位论文传输信道主要是数字信道，其基本技术指标有：1 ，信道容量。信道容量用来衡量信道所具有的信息传输能力。是指在传输差错概率趋于零的条件下，单位时间内可以传输的信息量，也就是信道能够传送信息的最大速率。2 ，信道传输损耗。信号在信道中传输时，由于种种原因会产生信号损失，例如幅度损耗、相位偏移和信号能量损失等，所有这些就叫做信道损耗。其中最重要的损耗是衰减，延迟畸变和噪声。3 ，衰减。在任何传输媒质上，信号的强度都会随距离的增加而降低。对于有线信道，衰减是剥数式的。在工业控制通信中，由于衰减的存在，需要考虑两个问题：1 ) 接收到的信号应有足够的强度( 电压幅度和功率) 以便接收方能检测并解释信号。2 ) 信号必须维持一个相对于噪声来说足够高的电平，以确保被正确接收。解决这两个问题的办法包括了多种技术，这些技术有集成电路技术、数字编码技术等。此外，合理选用信道介质、决定适当的传输距离或者选用适当的中继器等也是基本处理技术之一。4 ，延迟畸变。是有线信道的特殊现象。是由于信号通过硬传输媒质时，其传播速度随频率变化而引起的畸变。一个信号的不同频率成分在不同的时问到达接收段。延迟畸变对数字信号特别关键，会产生码问干扰。可以采用均衡补偿技术来减少这种畸变。5 ，信道噪声。信道噪声是在传输和接收间串入的额外的有害信号，是系统性能受到限制的主要原因。噪声主要有热噪声，交调噪声，串音，脉冲噪声。其中，对工业控制场合，脉冲噪声是主要的差错根源。脉冲噪声由多种因素造成，例如雷电、外界电磁干扰等。三、工业控制现场应用通信技术的特殊要求由于工业生产领域的工作条件和系统组成十分复杂，因此，工业测控现场对通信技术的应用有其特殊性，不同于一般的通信场合。比如，工业现场的环境条件比较恶劣，电磁干扰较强，实时性、安全性要求较高等。1 ，对通信技术的安全性要求。在一般的通信业务中，例如普通的电信业务，对通信技术提出的安全性要求比较低，仅仅对通话质量和接通时问提出要求。因此，可以使用误码率作为通信技术的安全技术指标。对于工业控制系统托方交通大学硕士学位论文来说，控制信号传输错误可能会带来致命的后果，例如铁路行车指挥信号系统，一旦执行了错误的命令，很可能会引起重大的行车事故，给国家，企业带来巨大的经济损失。因此，工业控制系统对通信技术提出了比一般通信系统更为严格的安全性要求，这就是通信系统必须具有故障安全性，必须保证信号系统具有故障识别和处理、误码识别和处理的能力。可以看出，对通信技术来说，安全性要求十分严格。实际上，在工业控制系统中，不能用误码率来衡量通信系统的工作质量，而必须以误码无害作为技术要求。为此，在通信系统工程建设中注意布线的合理化，以及根据控制通信现场的实际情况( 如通信距离，通信场合条件) 设计选用合适的通信介质，适当加中继器以适应传输距离的要求。提高信号强度，降低误码率。采用均衡电路，提高功率利用率，减少误码率。除此之外，必须充分利用信息技术，以保证系统安全的要求。为保证工业控制系统满足通信技术提出的安全性要求，必须在通信软件上加入设备自动判别错误指令的功能，引入故障安全的思路，实际可采用的方法是给每个设各设定其进行动作的条件逻辑推理，对不在此逻辑推理结论中的命令不予执行并使有关的设备处于安全状态，同时要向系统警报。这就是误码无害的含义，也就是即使通信中产生了误码也得保证误码对生产控制无效。2 ，对通信技术的可靠性要求。工业控制系统要求通信技术能具有尽可能高的工作可靠性，以保证控制系统各部分设备通信可靠。在控制系统中，通信可靠性实际上是系统可靠性的基础，也是控制系统安全性的基础之一。提高了通信系统的可靠性，可以降低所使用控制系统安全技术的复杂程度。在工业控制系统中，在能实现控制目标的前提下，应采用尽量简单的、分布式的通信体系结构，采用简单可靠的连接方法和信道设备，减少差错发生的可能性并且避免危险集中。在通信系统上应有必要的冗余，减少设备故障带来的影响。另外，为提高通信的可靠性还可以采用复合协议来确保可靠通信，如美国西屋公司的w d p f 就是在时间分段上再用令牌环，只有在拥有的时间段内而同时是有令牌的站才可以发送数据。这虽牺牲了通信效率但提赢了通信可靠性。3 ，对通信阱议的开放性要求。托吉交通大学硕士学位论文从7 0 年代以来，计算机系统、网络系统以及通信系统就开始了开放性发展进程，形成了相应的工业标准。这对信息技术和产业的发展具有相当重要的意义。然而，就工业控制系统而言，大多数系统技术并不具备通信协议的开放性，而仅限于接口技术开放性。也就是说，只有o s i 七层协议中的物理层实行了标准化的开放性，而其他各层一直处于技术专有的状态。这不仅造成了系统设备的专用性，同时也给设备制造商和用户带来了极大的不便。因此，通信协议的开放性对工业控制系统来说具有相当重要的意义。通信协议的开放就意味着不同设备制造商的产品可以实现简单方便的组合应用，这不仅可以降低系统的总体成本，也为系统的设计、维护和安全提供了有利的条件。4 ，通信技术的实时性要求。由于计算机和智能技术的介入，工业控制系统对信息和信号的实时性提出了较高的要求。这些要求包括：1 ) 要对数据进行分类：根据系统对数据响应速度的要求把数据分为不同响应类型数据，第一级数据为实时值，如测量值、部分计算值、输出值和报警信号等。他们变化很快，约为毫秒级，要求实时传输。第二级数据是操作员需要的数据，例如选择命令、修改设定值等。这种数据较第一级数据变化慢，实时性要求相对低一些。这两级数据占有信道时间较长，构成通信量的主体。第三级数据主要包括组态数据、算法等。报表、事故记录等则为第四级数据。后两级数据变化慢，可以定时传递。这样，按不同类型数据的要求，分别进行传输，可以充分利用信道，提高通信效率。2 ) 分类通信：根据数据性质，可采用不同的通信方式，有些组态时能确定的数据，利用发送和接受表采用广播式通信；而对某些组态时不能确定的量，则用请求回答式进行数据传输，这也可以有效减少信道的信息量。3 ) 例外报告：没定例外死区，当一个变量的变化超过一个预置的值时，才能通过网络传递。这就可以人为地疏通信道，保持负荷均匀。总之，在工业控制通信系统中，数据传输的实时性和安全性是衡量系统性能的重要指标之一。1 3 现有的应用于工业测控现场的通信技术无论是工业控制领域还是信息技术领域，信息的传递都是通信技术的基本任务。目前，在通信技术中，信息被驮载在各种不同模托方交通| 夭学硬圭学位论文式的信号上，而信号的传输有模拟信号传输和数字信号传输两种方式。因此，通信技术也就分为了模拟通信技术和数字通信技术。就目前的工程应用而言，工业控制系统中这两种通信技术都在使用，但其发展方向则是用数字通信技术取代模拟通信技术。一、模拟通信技术模拟通信利用模拟信号来传递信息，如电话、电视就采用模拟通信。按传输模拟信号设计的系统就是模拟通信系统。在系统中原始的信号经过调制成为适宜在传输媒质中传输的信号，在接收端经解调还原信号。在模拟通信中信号的频谱通常比较窄，因此，信道的利用率较高。它的主要缺点是：传输信号是连续的，混入噪声后不易清除，抗干扰能力差。通信不易加入保密技术。不能适应计算机和网络技术要求的数字通信。工业控制系统采用模拟通信技术有以下几种：1 ，3 1 5p s i 气动信号传输。在5 0 年代之前，自动化控制是单输入单输出的经典控制模式，采用3 1 5p s i 气动信号作为信号传输方式。这种方式是草方向的信号传输，属于单工通信方式。信号传输距离受限制，信号精度低，设备简单，不易受干扰。2 ，电压信号直接传输。这是单方向信号传输，属于单工通信方式。信号传输距离受限制，信号精度低，设备简单，易受干扰。3 ，4 2 0m a 电流环传输信号，也是种单方向信号传输方式，传输距离长，信号传输精度较好，不易受干扰。模拟方式传输信号只适合于点对点的控制通信方式，对于复杂的控制系统，例如工业过程控制系统，点对点通信方式使系统结构繁锁复杂，而且不能充分利用计算机控制技术和网络控制技术。在计算机技术、智能控制、大系统控制技术和网络技术的影响之下，数字通信技术将大面积取代模拟通信技术。二、数字通信在工业控制系统中，数字通信技术是指信息源发出的模拟信号经取样、量化、编码等数字化处理后，以数字信号的形式传送和接收的技术。与模拟通信技术相比，数字通信有以下优点：抗干扰能力强。信号以数码方式传送，被噪声干扰后，只要数码尚未恶化到一定程度，接收端就不会形成错判。即使出现错误，也可以用差错控制技术加以消除。北方交通大学硕士学位论文能适应各种通信业务。各种消息都可以交换成统一的二进制数字信号传输，所以，数字通信能灵活的适应各种通信业务。保密性强。在数字通信中易于采用复杂的加密技术对信号进行加密处理，使通信具有高度的保密性。设备可集成化，微型化。利用了数字电路的大规模集成技术。与模拟通信技术相比，数字通信的缺点是占用信道频带较宽，使信道的利用率低。1 4 工业控制通信技术中的传输线分析根据前面( 1 ，2 节) 的分析讨论可知，传输介质的技术性能对工业控制系统的通信技术十分重要。就目前而言，现有工业控制系统中，大多数采用的是导线介质，例如同轴电缆或双绞线。因此，分析讨论工业控制系统通信技术中的介质传输特性，是正确设计工业控制通信系统的理论基础，也是系统维护的重要基础。传输线的分析还是工业控制系统通信安全技术( 第五章5 2 节) 的一个理论基础。、有关传输线的基本概念在传输线中，电信号以电磁波方式传播。一般采用电路理论分析方法将传输线作为分布参数电路来分析电信号在传输线中的传播特性。所谓分布参数电路是相对于集总参数电路而言的。在低频电路中，常忽略元件的分布参数效应，认为电场、磁场能量的储存和损耗分别集中在电容、电感和电阻三个元件中。这种集总参数元件组成的电路传输信号所需的时间远小于信号本身变化所需的时间。因此在分析集总参数电路时可以不考虑传输信号所需的时间，认为电压和电流是不随空间坐标而变，而是仅随时间变化的函数。当频率升高，传输信号所需时问与信号本身变化所需的时间可比拟时，电路中的电压和电流不但随时间而且随空间坐标而变，这种电路属于分布参数电路。其电路中的电阻、电容和电感是沿着电路分布，且相互不能分开。把一个电路定义为集总参数电路或分布参数电路的依据是电路的纵向尺寸和在其中传输信号的最短波长之比三“，既所谓电长度来判断。如果电路的纵向尺