（电路与系统专业论文）现场总线与转换网桥研究.pdf

托_ 寿交遵天学皎t 学位论文 北方交通大学9 6 级硕士学位论文摘要y 3 1 3 5 3 3 现场总线与转换网桥研究 l电子与信息工程学院硕士研究生王兰芳 ， 7 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。基于信息技术的觋场总线控制 系统的出现，对工业控制系统具有历史性的意义八 现场总线结构不仅表现在系统结构的简化、e e r 点对点通信连接 方式改为丌放式串行总线方式、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 现了技术观念上的一次大飞跃，这就是工业控制系统真正开始了从 信号处理转向信息处理、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。 与传统的控制系统相比，现场总线技术的突出特点表现在： 1 ，提供了完整的_ t 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。 本论文首先讨论了现场总线和工业控制系统结构的基本概念、 工程理论和比较重要的现场总线系统，并着重讨论了现场总线和工 业控制系统中的通信技术。此外，通过对工业控制系统和现场总线 系统中常用的串行通信接口、并行通信接口、信号传输模式及有关 的通信协议的研究讨论，提出了工业控制系统和现场总线中通信系 统的基本技术特征和应用要求提出了有关信号频率、没备控制要 求以及传输距离之间的关系模型，以及参考计算方法：，一 根据现场总线的基本特点和工业控制系统工程应用的实际情 况，本论文还着重讨论了不同类型现场总线系统之间以及不同通信 接口工业设备之间相互连接的问题，定义了三种不同的连接类型， 并据此提出了相应的网桥模块和转换网络基本结构。 根据对网桥和转换网络的研究结果，本文设计了一个能实现不 同通信接口设备连接的通信接口转换网桥，重点研究了网桥中通讯 协议和物理接口转换部分的实现方法和基本技术。 为实现转换网桥，本文设计了三种用m c 6 8 h c 0 5 c 8 单片机实 现简单接口转换网桥功能的方案。 靶杰交通太学颀t 学位论文 f 第一方案叫做整体实现方案，采用在一个电路板上实现不同通 信防议和物理接口之间的转换。整体方案的特点是电路结构紧凑， 比较适合于较小的网络使用。这个网桥可连接两个r s 2 3 2 设备、 两个r s 一4 8 5 设备、一个i e e e 一4 8 8 设备和一个h a r t 设备，使任 意两台具有不同通信协议和物理接口标准的现场设备实现相互通 信，并使其具有一定程度的网络化和智能化。 第二方案叫做模块组合方案，采用模块化设计方法，使整个网 桥可以根据工程实际需要，由不同的物理接口模块电路组合而成。 这种结构比较适合于通信协议类型较多的场合具有相当大的灵活 性。它可连接四种设备，有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、4 - 2 0 m a 电流环及h a r t 设备，每种设备都形成一个模块，整个系统最多可连接8 台设备， 可使任意两台非智能化的、具有不同接口标准的现场设备实现相互 通信，并使其具有一定程度的智能化。 第三方案叫做智能模块电路组合方案，采用智能模块实现各种 不间类型通信协议的物理接口，使网桥具备了智能通信协议接口的 特点。这种智能模块方案提高了网桥的智能化程度，因而使整个网 桥的技术性能得到了极大的提高。在这一方案中，每个小模块上都 采用了单片机使现场设备的智能化程度提高，而且使主控制板的任 务减轻、程序简化。 对于上述三个方案，如果加入相应的现场总线通信协议，则可 以实现非现场总线设备的现场总线化。 从网桥实现技术上，本文提供了单片机设计方案，并提供了可 编程逻辑器件在网桥设计中的应用技术。 在上述三个方案中，都有主控板与各个小模块的通讯。在第一 和第二方案中，主控板直接控制可编程接口器件。在第三方案中， 主控板通过与小模块上单片机的通讯实现网桥和转换工作的管理。 各小模块上的单片机也可用于控制现场设备。 本论文基本完成了第一方案的设计和实现，同时提供了第二和 第三方案的基本硬件和部分软件程序。每条通道的程序都己调试通 过。当外接任意条通道时( 小于等于八条) ，主控板的单片机可以 进行内存的智能分配，并根据没置值来判断所接通道的双工，半双 工特性以进行相应的通信控制。实现了多机的握手通讯和单片机内 部的中断调用及中断的安全返回。火 u 北方交通大学硬士学位论文 a s t u d y o nf i e l d b u sa n d c o n v e r t i n gn e t s w i t c h m i s s w a n gl a n f a n g 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 g c 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 ) 1 9 9 81 2 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo f i 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 na n de l e c t r o n i c s ，t h et e c h n o l o g yo f i n d u s t r yc o n t r o lh a v e b e e nc h a n g e dg r e a t l y i tw i l lt a k ean e wl o o ka f t e ri t c o m b i n i n gt h e t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t h ec o m b i n a t i o nm a k e s t h ec o n t r o ls y s t e mc h a n g ef r o md c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) t o f c s ( f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) t oi n d u s t r y c o n t r o l s y s t e m ，t h e a p p e a r i n go f f c st e c h n o l o g yb a s e do ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a sa n i m p o r t a n th i s t o r i c a lm e a n i n g t h ef i e l d b u sa r c h i t e c t u r em a n i f e s tn o to n l yt h es i m p l i f y i n gt h e s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，c h a n g i n gc o m m u n i c a t i o nl i n k a g ef r o mp o i n t - t o p o i n tt os e r i a lb u sm o d e l ，u s i n gd i g i t a ls i g n a l ，p u t t i n gs y s t e ms e tu p a n d m a i n t e n a n c ei n t oi n t e l l i g e n ta n di n t e r o p e r a t i o n ，a n ds oo n ，b u ta l s ot h e b i gl e a po nt e c h n o l o g yc o n c e p t s t h i sl e a pm e a n st h a tc o n t r o ls y s t e m f r o ms i g n a l p r o c e s s i n gt u r n t oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，f r o mc o n t r o l n e t w o r kt u r nt on e t w o r k c o n t r o l ，f r o m i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r t u r nt o i n t e l l i g e n ts y s t e m t h e f i e l d b u si st h em a r ko ft h e b e g i n n i n g o f i n f o r m a t i o n a l ，n e t w o r ka n di n t e l l i g e n ta g eo fi n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m c o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a lc o n t r o l s y s t e m ，t h e a d v i s e d t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff i e l d b u ss y s t e m sw e r es h o w na sf o l l o w i n g ： l ，s u p p l i e da t o t a lf r a m eo fi n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ， 2 ，a c h i e v e dt h er e a lo p e ns y s t e mi np r a c t i c e 3 ，f o r m e dt h e n e t w o r kc 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 s o m eb a s i c c o n c e p t i o n s ，e n g i n e e r i n g t h e o r i e sa n d i m p o r t a n t f i e l d b u st e c h n o l o g ya b o u tt h ef i e l d b u sa n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m a r c h i t e c t u r e ，e s p e c i a l l yt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y u s e df o rf i e l d b u s a n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ，w e r ed i s c u s s e da tf i r s ti nt h i sp a p e r t o a c c o r d i n g w i t hd i s c u s s i o n f o rs e r i a la n d p a r a l l e l c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，t r a n s m i tm o d e l so fs i g n a l sa n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h e u i 北方交通夫学硕士学垃论文 b a s i cp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m o ff i e l d b u sa n di n d u s t r yc e n t r e l s y s t e mw a sa d d r e s s e d a l s oi n t h i s p a p e r , s o m em o d e l sa n dr e f e r e n c ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa b o u ts i g n a l f r e q u e n c y , d e v i c e sc o n t r o lr e q u i r e m e n ta n d t h ed i s t a n c eo f s i g n a l t r a n s m i s s i o np r o p o s e di nt h i sp a p e r o nt h eo t h e rh a n d ，a c c o r d i n gt ob a s i cp r o p e r t i e sa n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o fc o n t r o l s y s t e m s i n p r a c t i c e t h ep r o b l e m o ft h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec o n v e r s i o n a m o n gd i f i e r e n t f i e l d b u sw a s d i s c u s s e d f r o mt h e d i s c u s s i o n ，t h r e ek i n d so fl i n k a g e t y p e w e r e d e f i n e da n dt h eb a s i cn e t w o r ks w i t c hm o d e la n da r c h i t e c t u r e w a s a d d r e s s e d a f t e rt h ed i s c u s s i o no ft h i s p a p e r , t h r e ep r o j e c t s w i t hm c u ( m c 6 8 h c 0 5 c 8 ) t oa c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t i n t e r f a c ew e r e d e s i g n e di nt h i sp a p e r i nt h ef i r s tp r o j e c t ，aw h o l ec i r c u i tb o a r do fc o n v e r t e rw a s d e s i g n e d t h ec i r c u i tb o a r dc a nc o n n e c t e i g h t c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s t h e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e lc a nb ea n yo fr s 一2 3 2 ，r s 4 8 5 ，i e e e 4 8 8a n d h a r t t h ec i r c u i tb o a r dc a n a c c o m p l i s h r a n d o mt w oc h a n n e l s c o m m u n i c a t i o n i ft h ec h a n n e l sa r e1 e s st h a ne i g h t ，t h em c u ( m i c r o c o n t r o lu n i t ) c a nf u l f i l lt h em e m o r y si n t e l l i g e n ta s s i g n m e n t i nt h es e c o n dp r o j e c t ，t h ec i r c u i tm o d u l eh a sb e e na c h i e v e d s ow e c a l lo p t i o n a la d do rr e d u c ec i r c u i tm o d u l ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d i nt h i sp r o j e c t 。w ea d dt h e4 - 2 0 m ac u r r e n t l o o p i nt h et h i r d p r o j e c t ，m c u w a su s e di ot h em o d u l ec i r c u i tt o d e c r e a s et h em a i nm c u st a s k s i nt h i sp r o j e c t ，i ts o l v e st h ep r o b l e mo f l o s i n gd a t ai nt h ed e v i c e a l lp r o j e c t si n v o l v et h ec o m m u n i c a t i o no fm c ua n d p r o g r a m m a b l e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e v i c e s t h et i m i n ga n dd a t af o r mb e t w e e n t h e ma r e i m p o r t a n t i n t h et h i r d p r o j e c t ，m a i n m c un e e dt o c o m m u n i c a t ew i t ht h em o d u l em c u t h i sp a p e rb a s i c a l l ya c h i e v e st h ep r o t o c o lt r a n s i t i o ni nt h ep h y s i c a l l e v e l 托方交通太学硕士学d - 论文 序言 随着电子技术和计算机技术的不断发展，工业生产过程控制系 统正在向智能化、数字化和网络化的方向发展。传统的集散控制方 式( d c s ) 和计算机分层控制方式已经开始让位于智能终端与网络结 合的总线网络控制方式。 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【1 】。 o 一1 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，设计一个工业控斜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 北_ 方交通大学硕士学位论文 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 个十分复杂的技术。 一、工程控制系统的基本类型 工程应用的角度看，任何一个系统的运行应实现如下目的f 2 1 ： 1 ，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【3 】： 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 c 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 a 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一般均采 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 2 托方交通大学硕士学位论文 定，整个系统为封闭式结构。 d c 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 f 1 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0 一l l 所示。 直接控制系统 d d c 控制系统 系统控制计算机后目i 葡后i i i 裔系统监视计算机 。蟮聿鼻髦上位计算机 上位算机蟮章量掣 茹薹溢洒啬善溢谪 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，又要根据工程需要考虑系统现场设备的控制组态。 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： l ，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。 北方交通大学碗士学位_ i 宅空 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。决定设备彳亍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 h 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，在各种控制系统工程结构设计中，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。 o 一2 工业现场通信接口技术现状概述 在传统工业控制系统中，把信号传输通道看成是系统信号连接 的手段。为了方便厂家制造和用户使用，针对控制系统的信号传输 接口提出了多种工业标准。以下是几种传统工业控制系统中常用的 信号传输和接口技术。 一、模拟电压信号传输 模拟电压信号传输分为直接模拟电压信号传输和调制模拟电压 信号传输两种。 直接模拟电压信号传输是指系统的各种控制信号、传感器输出 信号以及系统反馈信号等使用模拟电压信号的传输方式。这种信号 传输方式的特点是信号传输设备简单，传输速度快，缺点是易受干 扰、传输距离短、难以保证信号精度。从通信的角度看，只能实现 点对点通信或一点对多点的单向广播通信方式。 调制模拟信号传输是指把要传输的模拟信号先经过适当的调 4 * g y y 蝴, a - 学硬主学位论文 制，然后再进行传输。这种信号传输方式的特点是设备比较复杂( 需 要调制和解调电路) ，具有一定的抗干扰能力、传输距离远，但信 号精度较差。这也是一种点对点通信方式。 特别值得注意的是，直接模拟信号传输方式不可能实现串行总 线连接多台设备的工程结构。使用调制模拟信号传输实现串行总线 连接多台设备将会使系统变得十分复杂。无论上述两种信号传输方 法中当使用模拟电流信号作为现场信号载体时，都不可能简单地 实现串行总线连接结构。 二、4 - 2 0 m a 电流传输技术 4 2 0 m a 电流传输技术是7 0 年代开始在工业仪器仪表中普遍 采用的信号传输技术。这种信号传输方法实际上也属于模拟信号传 输的范围。4 - 2 0 m a 电流传输是把各种工业仪器仪表的输出屯压信 号转变为4 - 2 0 m a 范围内的电流，由接收端供电，仪表输出端与接 收端共同组成个电流环。接收端通过相应的电流电压变换电路 把电流信号转换为电压信号。这种方法的特点是信号传输信道具有 较强的抗干扰能力，同时可以实现较长距离的信号传输。 三、数字传输技术 数字传输是计算机引入控制系统后出现的信号传输方式。数字 信号具有模拟信号所不可比拟的抗干扰特性，所以有很高的准确 性。工业中为解决数字传输问题提出了各种接口标准。 1 、r s - 2 3 2 - c 标准。r s 一2 3 2 一c 是为异步串行数字通信设计的 接1 3 标准，是一种基带电压信号传输方式( 直接传输方式) 【4 】。 2 、r s 一4 8 5 标准。与r s - 2 3 2 - c 相似，也是异步串行通信接口 标准，它采用了半双工平衡差分接收的方式，具有抑制共模干扰的 能力，所以它的传输距离比r s 2 3 2 长。它的接口信号电平与r s 2 3 2 一c 的有所不同f 4 1 。 3 、h a r t 协议接口。h a r t 协议接口是一种用电流传输数字 信号的方式，1 9 8 5 年提出后得到工业界的普遍采用。h a r t 协议 接口的特点是，采用幅度为o 5 m a 的正弦电流信号作为信号波形， 采用b e l l 2 0 2 通信标准，只利用两个信号频率表示0 和l 。h a r t 协议接口可以通过除光线外的任何一种传输线路传输信号，可以与 4 - 2 0 m a 电流环技术同时使用【5 】。 o 3 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 5 北寿交通太学坝上学位论史 执行。 一般工业控制系统可以用图o 3 1 所示的结构来描述 信息悻犏信息处h 信息传辅信息传输 捌0 3 - l 工业控制系统基率组成与结鞫 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，面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 ( i n t r a n e t ) j f t l 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。 倒铁路道岔转辙机的控制。 采用如图0 - 3 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。 6 北方交通大学蟪士学位论文 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。 基于信号传辅的转辙帆控制 基于悟息技术的转辙射l i 空制 图0 - 3 2 阿种不同的转辙讥控制方式 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。 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 托壳交通太学硕士学位论文 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_ ：_ 枣= 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。 蒯0 - 3 - 3 i s o 的o s i 参考模型 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0 3 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。 托方交通太学璐士学位沦文 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。 0 4 设备与系统的兼容性问题 在生产实际中，设备和系统的更新取决与生产需要，同时还与 工业生产设备投资的回收速度有关。在工业控制系统中经常会出现 几代设备同时并存的局面，这就必然会提出设备与系统的兼容性问 题，也就是通常所说的设备或系统更新问题。 在考虑设备和系统的更新时，企业希望以最小的代价和最短的 时间实现设备和系统的升级或更新。但由于设备和系统结构体系的 差异，便新旧设备和系统之间的兼容性问题变得十分突出，往往难 以实现最小代价和最短时问的目标。特别对计算机控制系统( 如 d c s 系统) ，设备和系统更新时的兼容性问题尤其突出。 工业系统中的兼容性问题可以归结为如下几个问题。 l ，新设备和旧设备兼容问题。 2 ，新系统旧设备兼容问题。 3 ，新设备旧系统兼容问题。 o 一5 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新旧 设备兼容问题，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 业现场中常使用的一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之上，针对有关不同设备采 用不同总线协议和接口问题，本文定义了三种不同的连接类型，并 据此提出了相应的网桥模块和转换网络基本结构。根据对网桥和转 换网络的研究结果，本文设计了三种方案，以实现设备连接的简单 的通信接口转换网桥，重点研究了网桥中通讯协议和物理接口转换 部分的实现方法和基本技术。在本论文详细地介绍了所设计的三种 网桥方案，讨论了转换网桥基本功能和设计要求，进行了具体实现 9 托方交透天学碗士学垃论文 电路及系统的分析和设计，完成了三种不同实现方案的硬件设计， 并编制了相应的软件。 在本论文中，第一方案设计实现的是一个整体电路板，它可连 接两个r s 一2 3 2 设备、两个r s 4 8 5 设备、一个i e e e 4 8 8 设备和一 个h a r t 设备，使任意两台非智能化的、具有不同接口标准的现 场设备实现相互通信，并使其具有一定程度的智能化。第二方案设 计实现的是一个模块化电路，它可连接四种设备，有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、4 2 0 m a 电流环及h a r t 设备，每种设备部形成一个模块， 整个系统最多可连接8 台设备，可使任意两台非智能化的、具有不 同接口标准的现场设备实现相互通信，并使其具有一定程度的智能 化。第三方案的设计是为了解决第二方案中主控板任务繁重，从模 块有数据丢失的问题丽提出。在这一方案中，每个小模块上都采用 了单片机使现场设备的智能化程度提高，而且使主控制板的任务减 轻、程序简化，当然主控板与小模块上单片机的通讯将是不可避免 的。 在每一方案中都有主控板与各个小模块的通讯。在第一和第二 方案中，主控板直接控制可编程逻辑器件：在第三方案中，主控板 通过与小模块上单片机的通讯来得到现场设备的情况，小模块上的 单片机也要去控制现场设备。 在初次使用本电路时存在初始化的问题，第三方案中有主控板 单片机与小模块单片机通讯的问题，这两个问题都是多机通讯的问 题。在多机通讯中，握手信号的传递与控制是很复杂的。本论文针 对上述几个问题提出了具体的技术解决方案和实现技术。 本论文完成了简单通信接口转换网桥的设计和原理调试工作。 当本文设计的简单通信接口网桥外接任意条通道时( 小于等于八 条) ，主控板的单片机可以进行内存的智能分配，并根据设置值来 判断所接通道的双i 半双工特性以进行相应的通信控制。实现了 多机的握手通讯和单片机内部的中断调用及中断的安全返回。 0 j t 杰交通大学秧圭论文 第一章现场总线技术简介 总线化网络控制方式是指通过一个适当的现场总线把系统中 的各种设备连接在一起，从而形成一个完整的封闭系统【7 、8 】。连 接在总线上的设备可以是各种具备智能和通信特点的传感器、控制 器，也可以是通信设备和计算机。连接在总线上的设备之间都能直 接进行信息交换，由此形成了以总线为核心控制网络。这样的系统 具有设备之间信息交换的能力，具有设备自调整的能力，同时还具 有与i n t r a n e t 和i n t e m e t 直接连接的能力。因此，现场总线网络可 以被看做是信息系统的直接终端，是一种以信息网络技术为基础的 网络控制系统。 8 0 年代以来，随着信息、电子和人工智能等技术的发展，国 际上的知名大公司先后推出了几种工业控制现场总线和现场通信协 议，如h a r t 2 、c a n b u s 、l o n w o r k 、p r o f i b u s 、w o r l d f i p 等等。但由于各公司技术政策和所采用的技术标准不尽相同，现场 总线没有形成一个统一的国际标准。为了适应信息技术和工业生产 技术的发展，1 9 9 2 年，世界各主要：业控制系统制造厂商发起成 立了现场总线基金会，并由基金会提出了基金会现场总线标准f f ， 目的在于统一国际标准，实现开放式、互操作的工业控制系统。这 就为以信息技术和信息网络为基础的工业控制系统提供了统一的标 准，使工业控制系统得以在信息技术发展的促进下得到迅速发展。 可以断言，作为一种集信息、智能、通信和控制于一体的现 场总线技术，不仅能为工业控制提供标准的系统框架同时也必将 成为2 l 世纪信息化系统的基本组成部分。 1 1 现场总线的基本概念 传统的计算机集散控制系统( d c s ) 6 0 是没有总线概念的。在传 统的d c s 系统中，也需要对各种信号进行传输。但由于传输的目 的是为集中