（计算机应用技术专业论文）基于现场总线的升压站自动化系统研究.pdf

一一一一一一 ll * t*9t* 2-g 二 一 - - 一 一 一 - - 一 一 基干现场总线的发电厂升压站自动化研究 摘要 本文对分布式控制系统的发展现状和基于现场总线的发电厂升压站 自动化系统的应用前景进行了分析，提出了现场总线和 以太 网相结合的 升压站 自动化系统的设计方案，并对相关技术进行了探讨。 在 分析现场 总线技术优缺 点基础上 ，提出在升压 站 自动 化系统 的现 场监控层 中使用 p r o f i b us和 以太 网技术 ，可 以缩 短工程施 工的周期 ， 简化技术培训和安装调试的难度，使得系统的维护更容易，为以后类似 项 目的研发提供 了 良好的借鉴。 本文对 以太网的实时性进行了理论和试验研究分析 ，在对标准的通 讯协议进行分析、对比的基础上，设计了实时数据通讯协议，使得系统 的网络负荷率一般在 0 . 5 %左右，满足控制系统对实时性的要求。 课题 对冗余容错技术进行 了深入研究 ，实现 了数据通 讯 网的双 网并 行工作和通讯控制站的双机热备用以及双机 自动切换，同时系统采用 r a i d 5技术实现了数据安全，满足了控制系统高可靠性、高安全性的要 求 。 提 出了一种 新 的实 时数据 网闸实现方法 ，该方法 利用两块嵌入 主板 通过双 口 r a m 相连接，在保证内网和外网完全断开和协议中止的情况 下，以非网络方式通过双口 r a m 实现了数据交换。这种方式可以完全隔 离各监控系统与其他系统的连接 ，防止各种 己知和未知的攻击，在保证 监控系统安全运行的同时实现数据的交换。 论文对发电厂升压站自动化系统中的t c p i i p 协议的实时性分析及数 据通讯协议设计、冗余技术和实时数据网闸技术进行了深入论述。课题 的研究方法和研 究结果可以为其他类似系统 的研 究给予指导并提供参 考 。 关键词 :升压站 自动化系统 ;现场总线技术 ;通 讯协议 ;冗余技术 : 实时数据 网闸 一一一一-一月七口泛建结之么 res earch of pow er p lant vol t age- ri s i ng s ubs t at i on automati on s ys tem bas ed on f i eldbus abs tract t h e p a p e r a n a l y z e s t h e d e v e l o p me n t s t a t u s o f d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m a n d t h e f o r e g r o u n d o f p o w e r p l a n t v o l t a g e 一 r i s i n g s u b s t a t i o n a u t o ma t i o n s y s t e m b a s e d o n f i e l d b u s , b r i n g s f o r w a r d t h e d e s i g n s c h e me o f v o l t a g e - r i s i n g s u b s t a t i o n a u t o ma t i o n s y s t e m b a s e d o n f i e l d b u s a n d e t h e r n e t , d i s c u s s e s t h e k e y t e c h n i c a l p r o b l e m s t o b e r e s o l v e d t h e p a p e r a n a l y z e s t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f t h e f i e l d b u s t e c h n o l o g y , b r i n g s f o r w a r d t h a t w e c a n s p e n d l e s s t i m e , r e d u c e t h e d i f f i c u l t y o f t e c h n i c a l t r a i n i n g a n d i n s t a l l a t i o n o f d e v i c e s a n d ma i n t a i n t h e s y s t e m mo r e e a s i l y b y u s i n g t h e t e c h n o l o g y o f p r o f i b u s a n d e t h e r n e t . t h e p a p e r a n a l y z e s t h e r e a l - t i me o f e t h e r n e t i n t w o a s p e c t s , w h i c h a r e t h e o r y a n a l y s i s a n d t e s t i n g r e s e a r c h . i t a n a l y z e s a n d c o m p a r e s s e v e r a l r e a l - t i me c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l s , d e s i g n s r e a l - t i me d a t a c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l , a n d a n a l y z e s t h e p e r f o r ma n c e o f t h e p r o t o c o l . t h e r e s u l t i s t h a t t h e n e t w o r k l o a d i n g i s o n l y a b o u t 0 . 5 %, a n d w e c a n c o n c l u d e t h a t t h e p r o t o c o l me e t s t h e r e q u i r e me n t o f r e a l - t i m e c o n t r o l s y s t e m t h e p a p e r r e s e a r c h e s r e d u n d a n c y t e c h n o l o g y , r e a l i z e s t h e r e d u n d a n c y o f b i 一 n e t w o r k a n d b i - c o mp u t e r . t h e d a t a s e c u r i t y i s r e a l i z e d b y u s i n g t h e t e c h n o l o g y r a i d5 . t h e s e t e c h n o l o g i e s me e t t h e n e e d s o f h i g h r e l i a b i l i t y a n d s e c u r i t y o f c o n t r o l s y s t e m. t h e p a p e r r e s e a r c h e s a n e w t e c h n o l o g y t o r e a l i z e r e a l - t i me d a t a g a p . i t ma k e s u s e o f t w o p i e c e s o f e mb e d d e d ma i n b o a r d s w h i c h a r e c o n n e c t t o e a c h o t h e r b y t h e d u a l p o r t r a m, r e a l i z i n g t h e d a t a e x c h a n g e b y t h e d u a l p o r t r a m o t h e r t h a n t h e n e t w o r k . t h e t e c h n o l o g y c a n i n s u l a t e t h e mo n i t o r f i e l d b u s t e c h n o l o g y ; p r o t o c o l ; r e d u n d a n c y t e c h n o l o g y ; re a l - t i me d a t a g a p _ 一一一一一一一生生土选卫土土玺里 原 创 性 声 明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得 的成果。 除文中己经注明引用的内 容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己 在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名日 期 : z p b 7 。 。 / . 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学 可以 将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、 缩印或 其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:导师签 期二 。 - 51/ 。 . r 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一章 绪 论 1 . ， 研究背景 随着国民经济的迅速发展，电力工业的装机容量和电网不断扩大， 用电 量大幅度增加，对用电质量和可靠性的要求也越来越高。目前，我国火电机 组升压站工况的监视及控制主要以人工就地操作或网控室集中控制为主，自 动化水平低。基于现场总线的发电厂升压站 自动化系统是基于计算机技术、 自动控制技术和网络通信技术，将升压站二次设备 ( 除保护外)经过功能重 新组合，采用分布式硬件、软件结构，并按照人们预定的程序和要求对升压 站执行 自动监视、测量、 协调和控制的一种综合 自动化系统。 基于上述情况， 为提高设备自动化水平，实现安全经济运行，实现减人增效、争创一流的目 标，实现网控设备的可控、在控，经过充分调研我们研制开发了基于现场总 线的发电厂升压站自动化系统。 系统以智能测控前端( e p c 2 0 0 0 ) 的交流采样为基础， 通过现场总线和与 智能测控前端通讯，实现对升压站电气参数的远方、就地监视，遥控操作， 实现升压站综合自动化。达到无人值守，大大提高劳动生产率的目的，实现 低投入高收效。 1 . 2国内外研究现状 分布式控制系统在各行各业得到了广泛应用。 分布式控制系统主要是由 一些实力雄厚的大公司开发， 提供一体化的解决方案， 系统的集成性比较好， 但各系统之间的兼容性差，备品备件的储备、升级存在问题;同时因没有采 用标准化的设备，价格比较昂贵。国内一些小公司开发的小型控制系统，往 往在可靠性、灵活性和功能性方面达不到技术要求。电力系统控制系统的应 用比较广泛，最近几年新上的机组全部具有功能完善的分布式控制系统，但 由于历史原因，大部分 1 2 5 兆瓦及以下机组都没有综合的控制系统，急需简 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一章 绪 论 1 . ， 研究背景 随着国民经济的迅速发展，电力工业的装机容量和电网不断扩大， 用电 量大幅度增加，对用电质量和可靠性的要求也越来越高。目前，我国火电机 组升压站工况的监视及控制主要以人工就地操作或网控室集中控制为主，自 动化水平低。基于现场总线的发电厂升压站 自动化系统是基于计算机技术、 自动控制技术和网络通信技术，将升压站二次设备 ( 除保护外)经过功能重 新组合，采用分布式硬件、软件结构，并按照人们预定的程序和要求对升压 站执行 自动监视、测量、 协调和控制的一种综合 自动化系统。 基于上述情况， 为提高设备自动化水平，实现安全经济运行，实现减人增效、争创一流的目 标，实现网控设备的可控、在控，经过充分调研我们研制开发了基于现场总 线的发电厂升压站自动化系统。 系统以智能测控前端( e p c 2 0 0 0 ) 的交流采样为基础， 通过现场总线和与 智能测控前端通讯，实现对升压站电气参数的远方、就地监视，遥控操作， 实现升压站综合自动化。达到无人值守，大大提高劳动生产率的目的，实现 低投入高收效。 1 . 2国内外研究现状 分布式控制系统在各行各业得到了广泛应用。 分布式控制系统主要是由 一些实力雄厚的大公司开发， 提供一体化的解决方案， 系统的集成性比较好， 但各系统之间的兼容性差，备品备件的储备、升级存在问题;同时因没有采 用标准化的设备，价格比较昂贵。国内一些小公司开发的小型控制系统，往 往在可靠性、灵活性和功能性方面达不到技术要求。电力系统控制系统的应 用比较广泛，最近几年新上的机组全部具有功能完善的分布式控制系统，但 由于历史原因，大部分 1 2 5 兆瓦及以下机组都没有综合的控制系统，急需简 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 单实用的小型分布式控制系统。一般发电厂升压站都没有自动化系统，随着 全厂自动化水平的提高，对升压站综合自动化系统的需求也越来越迫切。正 是基于上述状况，我们研究开发了一套基于现场总线的分布式控制系统，该 系统通用性强，可以用于升压站综合自动化系统和发电机组分布式控制系统 等。项目从 9 9年底开始启动， 2 0 0 0 年完成了系统总体的设计和主要功能的 开发，并开始应用。2 0 0 1 根据用户的应用情况，对系统进行了完善，增强了 功能，完成了产品化工作，并开始进行产品的推广。 1 . 3系统的研究开发目的 传统的集散控制系统 ( d c s系统)具有集中监控、分散控制、操作方便 的特点。但是。在实际应用中也发现 d c s的结构存在一些不足之处，如控制 不能做到彻底分散，危险仍然相对集中;由于系统的不开放性，不同厂家的 产品不能互换、互联， 限制了用户的选择范围 ， 、 5 。 利用现场总线技术， 开发 升压站自 动化系统的目标是结合电厂升压站改造的实际情况，将 d c s 和 f c s 结合起来，改进控制系统的结构，提高其性能和通用性6 . 1 , 1 。系统的总体目 标是在符合新一代控制系统开放性、标准化、网络化、灵活性发展趋势的基 础上，结合升压站自动化系统的特殊需要，开发出技术先进、运行可靠、维 护方便的实用化产品。具体目标如下: 1 . 3 . 1 实现基于现场总线的监控系统 实现基于现场总线的监控系统，系统组建方式灵活，便于升级和扩充在 控制监测设备的结构设计上采用全封闭的模块化结构，自带电源和智能处理 单元， 提供网络通讯接口和信号输入/ 输出接口， 具有防尘、 防潮、 防震能力。 可以在设备现场就地安装，所有的测控前端通过屏蔽双绞线电缆或屏蔽网络 线与主机通讯。 这种方式一是极大的减少了现场的工作量和电缆及施工费用; 二是使得模拟信号的传输距离大大缩短，有利于防止各种干扰【 艺 r 。 系统 由操作员站/ 工程师站 、通讯控制站和测控前端通过网络连接为一 个整体， 可以根据实际情况配置系统: 操作员站/ 工程师站最少 1 台， 最多可 2 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 单实用的小型分布式控制系统。一般发电厂升压站都没有自动化系统，随着 全厂自动化水平的提高，对升压站综合自动化系统的需求也越来越迫切。正 是基于上述状况，我们研究开发了一套基于现场总线的分布式控制系统，该 系统通用性强，可以用于升压站综合自动化系统和发电机组分布式控制系统 等。项目从 9 9年底开始启动， 2 0 0 0 年完成了系统总体的设计和主要功能的 开发，并开始应用。2 0 0 1 根据用户的应用情况，对系统进行了完善，增强了 功能，完成了产品化工作，并开始进行产品的推广。 1 . 3系统的研究开发目的 传统的集散控制系统 ( d c s系统)具有集中监控、分散控制、操作方便 的特点。但是。在实际应用中也发现 d c s的结构存在一些不足之处，如控制 不能做到彻底分散，危险仍然相对集中;由于系统的不开放性，不同厂家的 产品不能互换、互联， 限制了用户的选择范围 ， 、 5 。 利用现场总线技术， 开发 升压站自 动化系统的目标是结合电厂升压站改造的实际情况，将 d c s 和 f c s 结合起来，改进控制系统的结构，提高其性能和通用性6 . 1 , 1 。系统的总体目 标是在符合新一代控制系统开放性、标准化、网络化、灵活性发展趋势的基 础上，结合升压站自动化系统的特殊需要，开发出技术先进、运行可靠、维 护方便的实用化产品。具体目标如下: 1 . 3 . 1 实现基于现场总线的监控系统 实现基于现场总线的监控系统，系统组建方式灵活，便于升级和扩充在 控制监测设备的结构设计上采用全封闭的模块化结构，自带电源和智能处理 单元， 提供网络通讯接口和信号输入/ 输出接口， 具有防尘、 防潮、 防震能力。 可以在设备现场就地安装，所有的测控前端通过屏蔽双绞线电缆或屏蔽网络 线与主机通讯。 这种方式一是极大的减少了现场的工作量和电缆及施工费用; 二是使得模拟信号的传输距离大大缩短，有利于防止各种干扰【 艺 r 。 系统 由操作员站/ 工程师站 、通讯控制站和测控前端通过网络连接为一 个整体， 可以根据实际情况配置系统: 操作员站/ 工程师站最少 1 台， 最多可 2 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 以 1 2 8台:通讯控制站可以单机， 多少随意增减 方式非常灵活 ;通讯 电缆可以单网 便于升级和扩充， 也可以双机冗余;测控前端可以根据信号 ，也可以双网等等;使得整个系统的组建 适合各种应用场合。 1 . 3 . 2抗干扰能力强，安全可靠性高 系统的抗干扰能力从三个方面予以考虑。 一是测控前端就地安装缩短模 拟信号的传输距离，减少干扰信号的串入:二是测控前端为模块化结构，相 互独立， 避免因某一测控前端出现异常情况 ( 如串入高压)时影响其他模块; 三是测控前端本身的抗干扰设计，如光电隔离、过压保护、电流电压不平衡 保护、缺相保护等。 安全可靠性方面从硬件和软件两方面加以考虑。硬件方面，关键设备采 用冗余结构。其中通讯控制站为双机热备用，连接通讯控制站和操作员站/ 工程师站的网络为双网并行。连接测控前端的通讯电缆提供双网功能，可以 根据需要走不同的地理路线，从而极大的提高安全和可靠性。软件方面，主 要考虑采用运行稳定、 安全可靠的 u n i x 操作系统( 采集控制站) ， 并从通讯协 议设计、应用软件开发方面综合考虑系统的可靠性。 1 . 3 . 3软件开发基于多层架构 软件开发基于多层架构，操作简单，维护方便。b / s结构数据服务和应 用服务分离，系统总体上分为表示层、应用逻辑层和数据层三层架构，结构 清晰，系统部署、维护方便。本系统采用 c / s与b / s 相结合的方式。操作员 站和工程师站站点较少，对操作的灵活性、速度等有较高的要求，采用 c / s 结构。系统采用 b / s 结构提供 w e b 服务，在管理网上根据不同的权限可以查 询系统所有实时和历史数据，进行报表打印等。 1 . 3 . 4保证实时监控系统的安全运行 自动化系统提高了设备运行的自动化水平，减人增效，产生了巨大的经 济和社会效益。 随着电力体制改革的深入、 技术的发展以及用户认识的提高， 一-曰 一一-一一- 一一- 3 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 对自动化系统也提出了新的要求。在电力系统，为了保证实时监控系统的安 全运行， 实时监控系统基本上都是独立运行。 但随着电力企业信息化的建设， 各种管理信息系统和辅助决策系统的应用越来越广泛，因此这些系统对生产 过程数据的需求越来越迫切，而各种过程 自动化系统，以及 自动化系统与管 理信息系统( m i s , e r p , e a m ) 之间存在协议接口不统一，无法顺利实现数 据的交换和共享，存在数据不一致，不能及时获取等问题，使得大量的辅助 决策系统和管理信息系统不能发挥其设计的功能。在电力供电企业等流程工 业中， 各种自动化系统之间也存在着大量对生产过程数据实时交换的需求( 如 变电站控制系统与保护系统之间，综合自动化系统与能量管理系统之间)。 因此，如何实现数据安全可靠的交换，变得越来越迫切。 从二十世纪九十年代开始， 国内外一些公司和院校开始研制数据网关工 作站实现实时数据的共享。这些网关工作站均采用工业控制计算机或较低档 的服务器，配置通用的操作系统，安装专用的网关软件组成。这些网关软件 一般针对一些专用的协议开发，不能满足目前电力企业的生产过程控制和管 理优化决策一体化的需求，并且存在有可靠性低，维护工作量大，价格高等 不足。并且这种实现方案存在着一种严重的危险，信息系统和实时系统之间 不能实现完全的隔离，就意味着实时系统会受到其它系统的影响，可能会产 生一些意料不到的严重后果，比如由于病毒的侵入导致实时系统的崩溃。 研制开发一套高性价比、高可靠性、易维护的嵌入式数据通讯网闸，实 现系统间的完全隔离，保证实时系统的安全正常运新，并且能够广泛适用于 各种工业企业的信息系统，具有重要的推广应用价值和经济意义。 系统是在消化、吸收国内外各种变电站综合自动化系统的基础上， 结合 发电厂升压站的具体情况开发而成。符合新一代控制系统开放性、标准化、 网络化、灵活性的发展趋势，与国内外其它系统相比，具有以下优势:1 ) 安 全可靠性高。系统虽然是小型的控制系统，但具有大型控制系统才具有的性 能稳定的 应 用 灵 活 ， u n i x系统和网络冗余、 双机冗余技术。 2 ) 采用网络化分布式结构， 安装维护方便。3 )采用t c p 八p 通讯协议和通用网络硬件，开放 性好，标准化程度高。 4 ) 具有电气设备状态诊断专家系统，可以显著提高设 备的安全经济运行水平。5 )技术先进，功能全面，具有较高的性能价格比。 . . . . . . . 州 . . . . . . . . . . . . . . . 4 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 系统在多家单位得到应用，并获得了山东省科技进步三等奖。 1 . 4论文的组织结构 本文分引言、现场总线技术研究、系统设计方案、关键技术研究和结语 五部分对项目研究的内容进行了阐述。引言部分对系统开发背景、研究目标 和要具有的功能进行了描述，确定了系统的总体目标和需求。现场总线技术 研究对现场总线的现状、有关的标准、现有的现场总线技术等进行了讨论， 分析了各自的优缺点，研究了最新的现场总线技术在控制系统中的应用。系 统设计方案部分研究了系统的体系结构， 描述了系统软硬件配置及性能指标， 提出了需要解决的关键问题，介绍了采用的系统平台和开发工具。系统功能 实现部分研究了软件系统的框架结构，对硬件部分的现场总线、测控前端和 软件部分的程序模块及其实现进行了重点加绍。探讨了现有的现场总线技术 以及未来的趋势。关键技术研究部分探讨了系统实现的几个关键技术。一是 以太网实时性分析，内容包括以太网实时性分析、实时通讯协议、数据结构 设计、数据通讯队列设计、数据通讯协议设计等。二是冗余技术研究，包括 网络冗余技术研究和双机冗余技术研究两项内容。三是实时系统安全性技术 研究，包括嵌入式数据通讯网闸的基本概念、接口板卡的实现、防火墙的实 现和数据交换隔离的实现等内容。结语部分对项目进行了总结，介绍了系统 的优势、特点和应用情况。 在系统的开发过程中进行了深入的研究，参考了大量的文献。 其中本文 共引用参考文献4 8 篇，包括著作 ( 译作) 、杂志和标准三种文献，其中英文 文献 1 4篇，中文文献 3 4篇。 一 -一- 匀 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 系统在多家单位得到应用，并获得了山东省科技进步三等奖。 1 . 4论文的组织结构 本文分引言、现场总线技术研究、系统设计方案、关键技术研究和结语 五部分对项目研究的内容进行了阐述。引言部分对系统开发背景、研究目标 和要具有的功能进行了描述，确定了系统的总体目标和需求。现场总线技术 研究对现场总线的现状、有关的标准、现有的现场总线技术等进行了讨论， 分析了各自的优缺点，研究了最新的现场总线技术在控制系统中的应用。系 统设计方案部分研究了系统的体系结构， 描述了系统软硬件配置及性能指标， 提出了需要解决的关键问题，介绍了采用的系统平台和开发工具。系统功能 实现部分研究了软件系统的框架结构，对硬件部分的现场总线、测控前端和 软件部分的程序模块及其实现进行了重点加绍。探讨了现有的现场总线技术 以及未来的趋势。关键技术研究部分探讨了系统实现的几个关键技术。一是 以太网实时性分析，内容包括以太网实时性分析、实时通讯协议、数据结构 设计、数据通讯队列设计、数据通讯协议设计等。二是冗余技术研究，包括 网络冗余技术研究和双机冗余技术研究两项内容。三是实时系统安全性技术 研究，包括嵌入式数据通讯网闸的基本概念、接口板卡的实现、防火墙的实 现和数据交换隔离的实现等内容。结语部分对项目进行了总结，介绍了系统 的优势、特点和应用情况。 在系统的开发过程中进行了深入的研究，参考了大量的文献。 其中本文 共引用参考文献4 8 篇，包括著作 ( 译作) 、杂志和标准三种文献，其中英文 文献 1 4篇，中文文献 3 4篇。 一 -一- 匀 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 第二章 现场总线技术研究 2 . ，现场总线及其发展现状 有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实 现双 向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技 术， 可被广泛应用于制造业、 流程工业、楼宇、交通等处的自动化系统中 8 从计算机网络体系结构角度来看，按国际标准化组织 i s o的推荐，最低 一级的网络就是现场总线。它可以把最基础的现场装置 ( 如仪表等)连接起 来，与控制系统实现全数字化通信。 现场总线技术的开发始于 8 0年代。随着微处理器与计算机功能的不断 增强、价格急剧 降低 、计算机与计算机网络系统得到迅速发展 ，信息沟通联 络的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的钡 控自动化系统，由于仍在 通过开关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电流的模拟信号 进行测量控制，或者只能采用某种 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” ，严重制约 了其本身的发展。要实现企业的信息集成，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、可靠性高、实时性强、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 自动化与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际 需求的驱动下应运而生的。国际标准化组织、北美、欧洲等许多国家的仪表 控制界，陆续开始着手现场总线标准制定与技术开发。由于行业、地域、经 济利益等多种原因，本应是统一标准、开放互连的控制通信网络 目前己经在 不同领域形成了颇具影响的几大总线系列 一 ” 。 以欧洲为主要市场的有 i n t e r b u s - s，p r o f i b u s，c a n b u s等， 以美国 为主要市场的有 l o n w o r k , b i t b u s , d e v i c e n e t ，以及分散全球各地采用 r s - 4 8 5 接口的杂牌军，这些 f i e l d b u s各有特色，各有其发展背景。 2 . 2现场总线国际标准的制订 i s a 美国仪表学会)和 i e c提出的现场总线模型采用了其中的第 1 , 2 , 7 层，又增加了一个用户层，作为第 8 层。所以，该模型的 4个功能层分别是: 6 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 第二章 现场总线技术研究 2 . ，现场总线及其发展现状 有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实 现双 向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技 术， 可被广泛应用于制造业、 流程工业、楼宇、交通等处的自动化系统中 8 从计算机网络体系结构角度来看，按国际标准化组织 i s o的推荐，最低 一级的网络就是现场总线。它可以把最基础的现场装置 ( 如仪表等)连接起 来，与控制系统实现全数字化通信。 现场总线技术的开发始于 8 0年代。随着微处理器与计算机功能的不断 增强、价格急剧 降低 、计算机与计算机网络系统得到迅速发展 ，信息沟通联 络的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的钡 控自动化系统，由于仍在 通过开关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电流的模拟信号 进行测量控制，或者只能采用某种 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” ，严重制约 了其本身的发展。要实现企业的信息集成，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、可靠性高、实时性强、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 自动化与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际 需求的驱动下应运而生的。国际标准化组织、北美、欧洲等许多国家的仪表 控制界，陆续开始着手现场总线标准制定与技术开发。由于行业、地域、经 济利益等多种原因，本应是统一标准、开放互连的控制通信网络 目前己经在 不同领域形成了颇具影响的几大总线系列 一 ” 。 以欧洲为主要市场的有 i n t e r b u s - s，p r o f i b u s，c a n b u s等， 以美国 为主要市场的有 l o n w o r k , b i t b u s , d e v i c e n e t ，以及分散全球各地采用 r s - 4 8 5 接口的杂牌军，这些 f i e l d b u s各有特色，各有其发展背景。 2 . 2现场总线国际标准的制订 i s a 美国仪表学会)和 i e c提出的现场总线模型采用了其中的第 1 , 2 , 7 层，又增加了一个用户层，作为第 8 层。所以，该模型的 4个功能层分别是: 6 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 物理层、数据链路层、应用层和用户层。 第 1 层物理层;该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可 接仪表数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。 第 2 层数据链路层:该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括:数 据结构、传输差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保 证信息传输的正确性及完整性。 第 7 层应用层:它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解 释或执行一个信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此 外，应用层还定义了信息传输的方式，如:周期式、立即响应式、一次性方 式及使用者请求方式等。 第8 层用户层:该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内 部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方 法。 现场总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据采集、 控制或输出。 每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该 功能块的唯一标识符。算法功能是预定义的，而数据库的内容可以通过通信 或其它方法来获得。在用户层中，定义了功能块集，并实现了功能块的兼容 性和互换性等方面的转换工作。控制系统结构设计，通常正是通过连接不同 的 功 能 块 来 实 现的 【 17 ib 2 . 3几种主要的现场总线技术 2 . 3 . 1 p r o f i b u s 1 9 9 6年，p r o f i b u s现场总线批准为欧洲标准，到目前为止，p r o f i b u s 现场总线的用户群和制造商一直保持着高的增长率， p r o f i b u s 技术相关的产 品和开发工具也在不断的推陈出新， 使得p r o f i b u s 技术的应用越来越简单容 易。 p r o f i b u 。 是一种国际化、 开放式、 不依赖于设备生产商的现场总线标准。 广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域 的自动化。p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，p r o f i b u s - d p , p r o f i b u s - p a . p r o f i b u s - f m s . p r o f i b u s - d p 是一种高速低成本通信， 用于设备级控制系统与分散式1 / 0 的通信。 使用 p r o f i b u s - d p 可取代 2 4 v d c 或 4 一 z d m a 信号传输. p r o f l b u s - p a 是专为过程自动化设计的，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并且有 本征安全规范。p r o f i b u s . f m s 用于车间级网络监控，是一个令牌结构、实时 一-一一一-一- 曰 i 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 物理层、数据链路层、应用层和用户层。 第 1 层物理层;该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可 接仪表数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。 第 2 层数据链路层:该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括:数 据结构、传输差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保 证信息传输的正确性及完整性。 第 7 层应用层:它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解 释或执行一个信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此 外，应用层还定义了信息传输的方式，如:周期式、立即响应式、一次性方 式及使用者请求方式等。 第8 层用户层:该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内 部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方 法。 现场总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据采集、 控制或输出。 每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该 功能块的唯一标识符。算法功能是预定义的，而数据库的内容可以通过通信 或其它方法来获得。在用户层中，定义了功能块集，并实现了功能块的兼容 性和互换性等方面的转换工作。控制系统结构设计，通常正是通过连接不同 的 功 能 块 来 实 现的 【 17 ib 2 . 3几种主要的现场总线技术 2 . 3 . 1 p r o f i b u s 1 9 9 6年，p r o f i b u s现场总线批准为欧洲标准，到目前为止，p r o f i b u s 现场总线的用户群和制造商一直保持着高的增长率， p r o f i b u s 技术相关的产 品和开发工具也在不断的推陈出新， 使得p r o f i b u s 技术的应用越来越简单容 易。 p r o f i b u 。 是一种国际化、 开放式、 不依赖于设备生产商的现场总线标准。 广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域 的自动化。p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，p r o f i b u s - d p , p r o f i b u s - p a . p r o f i b u s - f m s . p r o f i b u s - d p 是一种高速低成本通信， 用于设备级控制系统与分散式1 / 0 的通信。 使用 p r o f i b u s - d p 可取代 2 4 v d c 或 4 一 z d m a 信号传输. p r o f l b u s - p a 是专为过程自动化设计的，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并且有 本征安全规范。p r o f i b u s . f m s 用于车间级网络监控，是一个令牌结构、实时 一-一一一-一- 曰 i 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 多主网络。 工 s o / o s i 模型将通讯过程分为七层，p r o f i b u s 应用了其中的第一层，第 二层， 第七层。为了满足大多数工业通讯系统的要求， 覆盖大多数工业领域， p r o f i b u s 有三种方案: p r o f i b u s 一 f m s: 第一 m e s s a g e 、二、七层均加以定义。应用层包括现场总线报文规范( p i e l d b u s s p e c i f i c a t i o n - f m s ) 和低层接 口 ( l o w e r l a y e r i n t e r f a c e - l l i ) f m s包括 了应用协议并向用户提供 了可广泛选用的功能强大的通信服 务e l l 工协调不同的通信关系并向 f m s提供与设备无关的访问第二层。第二 层俘i e l d b u s d a t a l i n k - f d 助可完成总线存取控制和数据的可靠性，它还为 p r o f i b u s - f m s 提供r s 4 8 5 或光纤传输技术。 p r o f i b u s - d p: 使用第一层、第二层和用户接口，第三层到第七层未定义，这种流体 型结构确保了数据传输的快速和有效进行，直接数据链路映象( d i r e c t d a t a l i n k m a p p i n g - d d l m ) 使得用户接口易于进入第二层。用户接口规定了用 户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同的 p r o f i b u s - d p 设备的设备行为， 还提供了传输可选用的r s - 4 8 5 传输技术或光 纤传输技术。p r o f i b u s - d p 表示分散化的外围设备。 p r o f i b u s - p a: 其数据传输采用扩展的p r o f i b u s - d p 协议。另外还使用了描述现场设备行为 的p a 行规。 根据 i e c 1 1 5 8 - 2 标准， 这种传输技术可保证其本质的安全性并通 过总线给现场设备供电。使用段藕合器，p r o f i b u s - p a设备能很方便的集成 到p r o f i b u s - d p网络中。p a 代表过程自动化【 ， 。 2 . 3 . 2 基金会现场总线 f f 基金会现场总线 f f是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展 前景的一种技术。其前身是以美国 f i s h e r - r o s e m o u n t公司为首，联合 f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等 8 0家公司制定的 i s p协议和以 h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地 1 5 0家公司制定的w o r l d f i p协议。这两大集团于 1 9 9 4 年9 月合并， 成立了现场总线基金会， 致力于开发出国际上统一的现场 总线协议。 基金会现场总线分为 h l和高速 h 2两种通信速率。h i的传输速率为 3 1 . 2 5 k b p s , 通信距离可达 l . g k 。 ， 可支持总线供电和本质安全防暴环境。 h 2 的传输速率可为 1 m b p s和 2 . 5 m b p s 两种，通信距离为 7 5 0 m和 5 0 0 m 。物理传 输介质可为双纹线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现 场总线以i s o / o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应 8 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 用层为f f通信模型的相应层次， 井在应用层上增加了用户层。 用户层主要针 对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的