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浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 摘要 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o m r o ls v s t e m ) 已经以其无可比拟的优势 迅速成为工业控制系统的一种重要技术。与此同时，人们对现场测量和控制设备 的要求也越来越高，因此引出了一个全新的概念设备管理系统。它就像在现 场的生产过程上开设的一扇窗，用户通过这扇窗可以运用现场总线仪表所赋予的 丰富的管理信息将现场设备的状态赢观全面地反映出来。一个优秀的现场总线设 备管理系统必须首先满足系统前瞻性管理的要求；同时还需要可以兼容于多个总 线系统。目前艾默生、a b b 、西门子等多家自动化公司都根据市场的需要开发出 了各自的设备管理系统，但是它们在应用上都有一定的局限性。 本研究与开发项目关注各现场总线协议的互可操作方案，期望搭建一个可同 时支持多总线操作的设备管理系统的整体框架。本论文首先对现在得到广泛应用 的三类设备管理系统进行了分析和研究，指出了各自的优势以及劣势，并从中总 结出设备管理系统所需要实现的管理维护功能，对这些功能进行分类；接着用户 对设备管理的需求，重新对设备管理的功能进行分类，搭建了一个全新的设备管 理系统的整体框架；随后，着重研究了现场总线协议的互可操作方案，深入分析 了应用f d l 叽) t m 技术与设备描述技术相结合的互可操作方案；重点在于，以设 备描述文件为切入点，以基于f f 的1 1 5 1 压力变送器为实现对象开发了基于d d l 语言的设备描述文件，并详细介绍了d d l 语言的语法结构以及基于d d l 语言平 台的设备描述文件的开发细节。 在上述研究的基础上，作者深入地研究了设备描述文件，希望可以减少设备 描述文件的开发周期并降低再开发成本。在整个研究过程之初，作者首先分析了 设备管理系统，尤其是互可操作的概念。通过这些工作和研究，作者对于整个开 发工作的目的和难题有了一个更明确的了解，从而形成了一个可行性方案。根据 降低设备描述文件再开发成本高、周期长的需要，作者对主流的设备描述技术进 行了详细的研究分析，并提出了可拆分组合式设备描述库。目前，以可拆分组合 式设备描述库方式描述的1 1 5 1 压力变送器的设备描述文件已经通过了f f h s e 组态软件和n i 组态软件的验证。 目前，设备管理系统框架中所要求的系统性能维护、故障诊断、校验管理等 几项关键技术都已经成熟，这些都为设备管理系统的实例化奠定了基础。同时 f i ) t 】m 技术的发展以及设备描述技术的完善，为实现设备管理系统良好的互 可兼容性提供了更大的发展空间。 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 【关键字】现场总线，设备管理系统，互可操作，f d t ，d r m 技术，设备描述技 术，故障诊断 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 a b s t r a c t n o w a d a y s ， f i d d b u sc o n 咖ls y s t e m ( f c s ) h a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a i l t t e c h n o l o g yi nt h ef i e l d0 fi n d u s t r i a lc o n 仃o ls y s t e m h o w e v e r a st l l ef i e l di i l t e l l i g e n t i n s t n l m e n t sh a sa nu n b e l i e va _ b l ei m p r o v e m e m ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o le f ! f - e c ti s r e q u i r e dm o r ea n dm o r cp e d e c t t h en e wc o n c e p to fa s s e tm a n a g e m e n ts y s t e m ( a m s ) i sp m p o s e d b yt l l i st e c h n o l o g yt h ea l l s i d e ds t a t ea n dd e t a i l e di n f o m l a t i o no f t h ef i e l dd c v i c ec o u l db eo b t a i n e dd i r e c t ly - t h ea m ss y s t e mi sa l la s s i s t a mt o o l t ot i l e f i e l 曲u ss y s t e m ，s 0i tm u s t m e e tt h er c q u i r e m e n to ff o 州a r d l o o k i l l gm a n a g e m e n ta s w e l la st t l e p a t i b i l i t yo fv a r i 叫sf i c l d b u ss y s t e m s t i un o w m a n ya u t o m a t i o n c o m p a n i c s s u c ha sa b b ，e m e i s 0 n ，s i e m e i l s ，h a v ed e v e l o p e dt 1 1 e i ro w a m ss y s t c m s ， b u tt t l e s es y s t e m sa r ea l ll i m i t e db e c a u s et l l a tt h ef i c l d b u sp m t o c o l st t l e ys u p p o na r c n a m w n i sp r o j e c t 妣u s e so nt h ei n t e r o p e m b 主l i t yo fv a r i o u sf i e l d b u sp r o t o c o l s n ea i mi sa t b u i l d i n gas t m c t u r eo faf i e l 曲u s _ b a s e dd e v i c em a a g c m e n ts o l u t i o ns y s t e mw l l i c h c 髓s u p p o nm u l t i - p r o t o l s nm i sd i s s e r t a t i o n ，t h r e e 虹n d so fd e v i c cm a n a g e m e n t s y s t e m ( d m s ) w h i c hh a v eg o tap o p u l a r 印p l i c a t i o na r c 蛆a l y z e df i r s t ly t h e i r a d v a n t a g c sa 1 1 dd i s a d v a n t a g e sa r ep o i m e do u ta i l dm ef u n c t i o n st l l a tad m ss y s t e m s h o u l dp r o v i d ea r cs m 姗a r i z e d 砧c n ，t h es o l u t i o n sf o rt h ei m e m p e r a b i k t yo fv a r i o u s 6 e l 曲u sp r o t o l sa r eg o tad e t a i l e da n a l y s i s ap 1 锄o fc o m b i n i n gt h ef r 嘎，d t m t e c h n o l o g yw i t ht h ed e v i c ed e s c r i p t i o nt e c l h l o l o g yi sp u tf b 刑a r d m o r e o v e r ，t h e d 喇c cd e s c r i p t i o nt e c h n o l o g yi sa n a l y z e de x p r e s s l y ad dt c x ti sa d v a n c c dw h i c hi s b a s e do nt h ed d l 1 趾g u a g c t h e nt l l e 掣a m m a r0 fd d ll 姐g i l a g ea n dt 1 1 ed e t a i l so f d d d e v e l o p m e ma r cd e s c r i b e d o nt 1 eb a s i so ft h c s er c s e a r c h e s ，a ni n d 印t hi n v e s t i g a t i o no fd e v i c cd e s c r i p t i o n l a n g i l a g e si st a k c nt og e tar c s o l v i n gm e t l l o dt or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc y d e sa 芏l dt l l e r e d e v e l o p m e mc o s t f i r s t l y t h ee x i s t i n ga m ss y s t e m sa r ca i l a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h e c o n c c p to fi n t e r o p e r a b j l i t y af c a s i b l ep r 0 酽a mw a sp m p o s e d w h e nab e t t e r u n d e r s t a i l d i n go ft h ed e v e l o p m e n tt a s kw a s9 0 t i n0 r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f t h ca m ss y s t e m ，v a r i o u sd c v i c ed e s c r i p t i o nt e x t sh a v eb c e nr e s e a r c h e d 锄d 卸a l y z e d s 研c t ly a tt l l ee n d ，ac o n c 印to fd e t a c h a b l ea n dc o m b i n a b l ed e v i c ed e s c r i p t i o n u b r a r i e si sa d v a n c e d ；f i l n h e r r n o r e ，ad c v i c ed e s c r i p t i o nt e x tf 啊t h e1 1 5 1p r e s s u r e t m s d u c e ri sr e a z e d n o w a d a y s ，t h cd dt e x t sh a v eb e e nv e r i f i e db yt h ef f _ h s ea n d n ic o n f i g u r a t i o ns o 脚a r e m o r e a v e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft l l er e l a t e dt e c h n o l o g yf o rt l l em a i n t a i n a b i l i t yo f t h es y s t e m ，f a u l td i a g n o s i sa n dc h e c ko p e r a t i o n ，t h ea m ss y s t e mc o u l db er e a l i z e d 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 u n d o u b t e d ly a l s o ，t h ef d t d t mt e c h n o l o g ya n dd e v i c ed e s c r i p t i o nt e d m o l o g y h a v eg o ta nu n b e l i e v a b l ei m p r a v e m e n tw h j c hm a k e si ta c h i e v a b l et oe x p a n dt h e d e v e l o p m e n t o ft l l ei n t e r 叩e r a b i l i t yb e t w e e nd i f f e r e n tf i e l 曲u sp r o t o c o l s 【k e y w o r d s 】f i e l d b u s ，a s s e tm a n a g e m e n ts y s t e m ，k t e r o p e r a b i l i t y ，f i i t m t e c h n o l o g y ，d e v i c ed e s c n p t i o nt e c h n o l o g y f a u l td i a 印o s i s i v 浙江大学硕士学位论文 现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 第一章绪论 1 1 现场总线技术的发展 什么是现场总线? 简单地说，现场总线是一种系统，是一种彻底开放的现场 设备网络。它被安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之 间，从而实现现场设备间的双向串行多节点数字通信“1 【1 】；也可以这样说，现场 总线以单个分散的数字化、智能化设备为网络节点，用总线将这些设备相连接进 而实现信息交换，让它们共同完成自动控制功能的网络控制系统【”。因此它也被 称为开放式、数字化、多点通信的“通用现场通信系统”【1 l p 】【3 l 。 上个世纪八十年代是计算机功能不断强大，网络技术迅猛发展的时期：而与 此同时，由于标准制定严重滞后，工业控制系统中广泛采用的集散式控制系统 d c s 互不兼容、互可操作性差以及可扩充性差的“信息孤岛”的薄弱点也日渐 明显【3 】【4 j 1 9 1 ，因此一种具有完全的数字通信能力的采用网络集成的全分布式方案 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n 仃o ls v s t 锄) 应运而生1 5 j 。f c s 的技术 设想就是让具有通信功能的现场设备构成工厂底层的控制网络并且通信的标准 具有公开性，从而使得设备问实现互可操作【6 j 。这种融合了计算机( c o m 口u t e r ) 、 通信( c o m m u n i c a t i o n ) 和控制( c o n t r 0 1 ) 以及c i 盯显示技术等4 c 技术1 6 酮的系 统满足了工业控制系统向网络化、分散化以及智能化发展的需求，它已经逐渐的 替代传统的d c s 系统，成为继基地式气动控制仪表系统、电动单元组合式模拟 仪表控制系统、集中式数字控制系统以及d c s 系统之后的第五代控制系统【3 l 【8 l | 9 】口 1 1 1 现场总线技术的特点及优势 f ( 笃之所以可以在短短的三十年间就迅速的成长发展起来，与其自身独有的 特点有着很大的关系。相对于分布式控制系统而言，f c s 是一种扁平化的系统【1 0 1 ， 它将现场、车间、工厂到公司的四级结构简化为现场控制和协调控制两级。在实 际的应用中，f c s 逐步实现了以下三大特性： i 分散控制特性： 在f c s 系统中使用的均是智能现场设备，生产商将整个系统的输入输出单 元和控制器的功能模块以及巩i 模块分别的集成在不同的智能设备中，因此现场 设备自身就可以实现自动控制的基本功能；同时这些现场设备本身具有通信能 力，设备与设备之间可以直接传送信号，从而实现了真正意义上的彻底地分散控 浙江大学硕士学位论文 现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 制【1 1 】【1 2 1 1 1 3 】。因此有人称之为“鸡脑神经网络”，意思就是现场总线与上一级网络 断开后底层设备仍然可以正常运行i l4 1 。这种高自律性的控制方案有效地简化了系 统的结构，使得控制风险彻底的分散，从而缩短了控制周期，同时也提高了系统 的实时性和可靠性1 1 1 】i 。 i i 数字通信特性 在f c s 系统均使用数字信号进行通信。首先，数字通信具有双向性，从而 f c s 通过总线既可向上传递设备信息也可向下传递控制组态信息等；第二， 数字通信本身具有强大的纠错功能，可以减少信号传输的误差，从而大大提高传 送的精确度，进而改善调节性能【1 3 1 1 1 8 】；第三，数字通信使得使用两线制传送多 个信号成为现实，从而缩短控制周期【1 3 】：第四，直接使用数字通信可以减少纠d 、 d ，a 转换部件，进一步提高控制精度【1 3 】。 i 统一的开放标准 f c s 采用基于公开化、标准化的解决方案【6 l 【”l ，通过以统一的标准来规范设 备的接口、通信和连接【”】，可以实现遵从同一标准的不同制造商生产的设备之间 完全的信息交换【6 】【1 4 】【1 8 】【，从而将集成系统的权力交给用户【驯【2 1 1 ，使得他们可 以随意集成不同厂商的通信网络并且可以共享网络的资源【2 1 7 f 2 2 j 瞄j ，进一步做到 整个控制系统从上到下全开放【“l 。f c s 的这个特点扩大了用户的选择余地，有 效地增强了设备的互可操作性【1 l 】。 然而由于现场总线设备内部各种集成电路技术、现场总线其他软硬件技术的 发展，f c s 用户希望在以上三大特点的基础上更进一步：通过f i 墨数字通信的 特性，获取到现场设备更为全面的信息，并能够在同一界面下同时对现场多种总 线协议产品进行组态、监控等等操作管理。 f c s 的用户希望其使用的系统可以获得以下两大特性： i 良好的互可操作性 由于现场总线是一类开放式的互联网络，它采用标准的通信协议【2 4 】，现场总 线的设备不仅在硬件接口上是标准的，在软件接口部分也是标准的 1 3 】。从而使得 同一系统内不同厂家的现场设备可以相互通信，并且正确地理解其交换的数据的 含义f 2 i l ，实现了互连设备间、系统间的点对点、一点对多点的数字通信f 1 9 j ；同 时不需要有专门的驱动程序用户就可根据需要统一地对现场设备进行组态来构 成性能价格比最优的系统1 1 4 】【矧瞄】。这种“即接即用”的互操作特性1 1 4 l 【2 3 】促进了 工控产品的竞争，有效地降低了控制系统的总体成本f 1 7 】1 2 5 】【2 6 1 。 i i 良好的远程监控管理能力 现代化的现场总线以计算机数字通信技术连接现场设备【矧，同时现场设备又 以微处理器为基础【1 8 1 ，从而用户可以在控制室中对现场设备进行远程控制并且能 2 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 够远程的监视系统和现场设备的各种参数以及运行状态【1 2 】。用户利用现场总线的 远程监控能力能够实现自动诊断并显示故障的位置、原因，如现场装置的断、短 路等【嚣】，使得工作人员迅速对当前状况做出最佳的判断；另外，利用现场总线的 远程管理功能还可以对尚未发生的危险情况如设备老化，阀门磨损等发出警告， 达到前瞻性检测的目的i 堪l 。现场总线的远程监控管理能力有效地节省了整个控制 系统的维护成本。 1 1 2 现场总线的现状 f c s 系统对现场控制性能进行了有效地改进，其广泛的应用前景促使各大组 织以及自动化公司投入了大量的精力进行技术和应用的研究。在现场总线技术的 发展过程中，各大企业为了尽快占领现场总线的产品市场，相继开发了自己的通 讯协议，因此国际上出现了多种现场总线协议标准，这是与现场总线开放、互可 操作的特点相悖的【2 9 1 。历经1 4 年的纷争，经过9 轮投票表决，国际电工委员会 ( i e c ) 于2 0 0 0 年初公布了c 6 1 1 5 8 国际标准，其中包括了f f 、p r o 助u s 、 w o r l d f 口等8 种标准，正式地承认了多种协议并存的局面【别【3 1 】；2 0 0 3 年4 月， 由i e c 搐c 6 5 c m t 9 小组修订的琚c 6 1 1 5 8e d 3 现场总线标准第三版正式成为国 际标准，其中规定了1 0 种类型的现场总线，分别是：耐p e l ，t s 6 1 1 5 8 现场总线、 聊e 2 ，c o n t m l n e t 和e t h e m e 旧现场总线、聊e 3 ，p r o f i b u s 现场总线、t y p e 4 ， p _ n e t 现场总线、耐p e 5 ，f f - h s e 现场总线、t y p e 6 ，s w i f t n e t 现场总线、t y p e 7 ， w b r l d f p 现场总线、聊e 8 ，玎盯卫r b u s 现场总线、d p e 9 ，f f h 1 现场总线以 及t y p e l 0 ，p r o f i n e t 现场总线【3 2 】。除去上述的这十种类型外，国际上还有很多未 列入国际标准但得到广泛应用的总线协议。每种总线的产生都得到了个或多个 公司的支持，具有一定的应用背景o ，如p r o f i b u s d p 、d e v i c e n e t 、a s i 、i n t e r b u s s 等主要应用于制造工业自动化；而p r o 丘b u s p a 、f f 等应用于过程自动化； s e 船0 p l e xm c 等则应用于防爆场合的本质安全；c a n 总线广泛应用于离散控制 领域；l d n w o r k s 总线在工业控制、楼宇自动化等领域得到了广泛的使用；在工 业仪表系统的过渡时期，地气r t 总线协议是最佳的选择【2 8 】【2 9 1 。 1 1 - 3 现场总线的发展趋势 想要在一个标准内容中容纳所有连续、离散工业控制领域的众多技术需求是 一个十分困难的事情而不同的现场总线以其独特的技术特点占领了各自的市场 领域【矧，因此相互补偿，相容并蓄，在一个系统中集成多种现场总线将成为现场 总线发展的一个趋势【吲。目前各现场总线协议都在m c 6 1 7 8 4 规范指导下修改各 自的应用层协议，力图通过高层协议达到相互兼容的目的，以解决在一个系统中 3 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 集成多个现场总线的相互兼容，互可操作的问题【3 1 l 。另外，随着工一的质量标准 以及法规要求的严格化，用户要求能够从现场设备获得更多的设备自身以及过程 的状态、诊断和管理信息等【3 】。因此今后现场总线应用研究的一个重要部分将是 根据系统的各个部分的需求选用最佳的现场总线，同时针对多种总线并存的情况 开发出基于多种总线的工作平台对整个系统进行实时的监测管理f 3 5 l 。 1 2 现场总线设备管理系统的发展 1 2 1 现场总线设备管理系统的概念 设备管理系统是随着现场总线智能化仪表发展而引发出的一个新的概念1 3 】。 由于现场总线设备内部各种集成电路技术、现场总线其他软硬件技术的发展，使 得设备除了可以提供过程变量的测量值，还可以提供设各运行的状态信息、设备 的制造信息等等【3 】p “，设备管理系统的设计目的就是为了充分发挥现场智能设备 的这些功能和信息的作用p j 。它就像在现场的生产过程上开设了一扇窗，从而可 以运用现场总线仪表所赋予的丰富的管理信息将现场设备的状态直观全面地反 映出来【矧。因此根据现场总线发展的趋势，一个优秀的现场总线设备管理系统必 须具备：一、满足系统前瞻性管理的要求；二、支持多个现场总线协议，即是一 个基于多种总线的信息平台。 1 2 1 1 现场总线设备前瞻性管理的要求 现场总线设备管理软件应当充分的利用智能化现场设备所提供的设备整定、 组态、诊断等信息，从而实现对整个系统的前瞻性管理p 卅，其中主要包括现场总 线的组态和现场总线的维护两个部分。 现场总线的组态包含三方面的要求：网络组态：为现场总线中的链路设备和 通信端口分配网络地址，以及设置通信参数【_ ；设备组态：用户对现场总线上的 设备进行选择，设置执行机构类型、传感器类型等等阳；控制策略组态：链接和 配置功能块，从而实现系统的控制功能旧。 现场总线的设备维护大体上有四种方案：反应式维护：设备被发现已经损坏 后再维修；预防性维护：在选定的时间对设备进行维护；预测性维护：按周期对 设备进行维护；前瞻性维护：以设备的状况为基础，对需要维护的设备进行维护 【3 ”。为了达到降低成本、优化资产的目的，用户要求设备管理系统可以对现场设 备进行前瞻性维护。因此设备管理系统中将可以实现：加快故障定位、诊断；设 备状态监测，预测故障；校验现场设备；自动生成管理过程记录报表等四项功能 4 浙江大学硕士学位论文现场总线设各管理系统与设备描述技术的研究与开发 1 2 1 - 2 现场总线互可操作的要求 现场总线发展到现在，随着网络技术的完善，其控制结构已经被简化为现场 控制和协调控制两级【4 叭。在现场总线的应用过程中，获得现场设备之间的信息交 互关系已经变得和获得现场设备的基本信息同样的重要【删。然而，虽然统一的现 场总线协议可以保证不同的设备之间实现互可操作【4 2 1 ，但是由于现场总线系统中 各种总线的网络协议以及使用的介质各不相同，使得一体化解决方案中现场设备 的横向、纵向的信息集成存在很大的互可操作的问题【4 3 l 。因此用户要求可以通过 一个统一的人机接口程序实现对基于多种现场总线协议的不同的现场设备的互 可操作 韧。 1 2 2 设备管理系统的发展现状 随着现场总线的发展，目前已经有多家公司根据市场的要求开发出了各自的 设备管理系统，并得到了大量的应用，反映良好。其中比较知名的有：艾默生公 司的a m s 智能设备管理系统、西门子公司的过程设备管理器s i m a = r i cp d m 和 a b b 公司的8 0 0 x a 设备管理系统。 这三个设备管理系统分别代表了三种设备管理系统的实现方式，包括其中的 模块组成以及现场设备与设备管理系统的信息交互，这三者都是互不相同的。正 是由于其机理的不同，使得这三类设备管理系统的应用对象也大不相同。 1 2 2 1s i m a t i cp d m 系统 s i m a t i cp d m 是一套针对p m f i b u s 现场总线系统而开发出来的设备管理系 统。这套系统是一个用于对现场设备和自动化组件进行显示、试车、诊断和维护 的通用工具1 4 3 1 。它的一个显著特点就是：集成性，其设计目的就是力图将现场设 备集成起来。在这套系统中，允许通过多重方法实现集成：通过设备生产商提供 的d d ；通过协议p r o f i b u sp a - p r 0 6 l ev 3 o ；通过h c f ( h 觚盯通信基金会) 的 目录册均可实现设备的集成1 4 川。 西门子开发的这套管理系统的管理工作主要是通过设备本身实现的。设备的 参数化、诊断、实时优化等功能都是在设备中以功能块形式实现的，同时设备的 通信参数、设备参数、参数结构以及设备的动作等信息都通过e d d 文件提供给 设备的系统集成用户【4 3 】。它的设计框架如图1 1 所示： 5 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 图1 1 ：s i m a t i cp d m 系统设计框架 从上图可以看出，s i m a t j cp d m 有一个头轻脚重的系统结构。它对设备制造 商的要求很高，需要设备制造商在生产设备的时候就考虑到对设备的维护、优化 等管理工作并以功能块的形式在设备中实现。 这种通过使用e d d 文件在用户层实现设备集成的方法理论上对设备是基于 何种现场总线协议没有要求，因此使用这种系统的适用性非常的广泛。但是有一 个前提的要求就是现场设备必须提供e d d 文件，对于不支持e d d 的现场设备， 这套设备管理系统是不适用的；同时由于在这个系统中设备管理的主要工作都是 通过功能块的形式在设备中实现的，对设备生产商的开发要求很高，因此可以实 现的功能是比较简单、有限的，并且作为设备的使用者基本不能额外的增加对现 场设备的管理功能。所以从设备管理的角度来说，它的设备管理的实现功能是非 常有限的。 1 2 2 2 蝴s 设备管理系统 事实上，艾默生的设备管理系统是一个系统的组合，包括了a m s 设备信息 平台、蛳s 智能设备管理系统、a m s 机械设备状态管理系统、朋讧s 性能检测 系统和a m s 实时优化系统i 删。通过上述五个系统的综合应用可以实现智能仪表 阀门设备管理、机械设备性能监测、过程设备性能检测以及系统保护等功能【矧。 这五个系统在设备管理实现过程中的作用分别是： a m s 设备管理信息平台：将a m s 设备管理组合实时获得的设备的所有信息 通过浏览器方式集成到统一的管理界面上1 4 4 j ； a m s 智能设备管理系统：保存并且自动更新每个设备的所有信息【删； 6 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 a m s 机械设备状态管理系统：全面持续的监测现场设备的状态，并提交评 估信息，可应用于机械设备、电子系统、过程设备、仪表和阀门1 4 4 1 ； a m s 设备性能监测系统：产生有关过程和机械设备运行性能的确切信息， 使用户可以根据目标跟踪运行性能，计划维护活动以及确定设备低效率的根本原 因f 4 4 j ： a m s 实时优化系统：优化系统，从而提高包括机械设备、电子系统、过程 设备、仪表和阀门在内的生产资料的适用性和性能【删； a m s 设备管理系统设计的框架思想如图1 2 所示 a m s ha m s 智能设各管理系统 卜_ 设 备 一埘s 机械设备状态管理系统卜 褂 管 理 信 一 a m s 设备性能检测系统 卜_ 息 平 叫a m s 实时优化系统卜 厶 图1 七：a m s 设备管理系统设计框架 从图2 2 可以看出，艾默生公司的a m s 设备管理系统组合的设计思想是： 根据用户对现场设备的管理要求对管理设备的方式进行分类，分为智能设备管 理、机械设备状态管理、设备性能监测管理和实时优化管理四个管理方面，并且 将这四个方面的信息集成在一个统一的界面a m s 设备管理信息平台中。简 单的说，就是在一个现场服务器的平台上支撑模块化、功能丰富的应用软件，为 用户提供一个图形化的界面【删。在具体的用户使用过程中，用户首先根据需要从 设备管理的信息平台进入具体的管理系统中，然后在具体的管理系统中对从现场 设备中采集到的数据进行分析。举例来说，如果用户需要对现场的智能设备进行 组态，那么用户首先需要从统一的设备信息平台的界面进入到智能设备管理系统 中，点击使用组态功能，从而系统就会去自动扫描与a m s 智能设备管理系统相 连的智能设备，扫描结束后用户就可以在a m s 智能设备管理系统操作站中直接 对扫描显示出来的现场智能设备进行组态了。 a m s 设备管理的基础是工厂的数据库。因此如何获得现场设备中的有效的 参数数据，是设备管理必须解决的问题。艾默生公司的a m s 智能设备管理系统 是一个基于地堰t 协议和基金会现场总线协议而开发的标准的、规模可变的平 台。当总线系统中接入h a r t 仪表或者f f 设备时，用户可以通过a m s 智能设 备管理系统读取该现场设备的d d 文件，并可以在一个统一的界面中读取到设备 7 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 的参数信息，从而进一步进行对现场设备的组态、监测等工作。 p 心订s 设备管理系统从系统集成商的角度出发，将用户的需求模块化进一步 构成了独立的管理系统并将其统一集成在一个信息平台之上。这种系统的优势在 于：所有现场设备的参数信息全部体现在一个统一的界面中；在执行某一功能时， 用户可以遍历所有的现场设备。而它的一个最大的缺点就是：支持的总线设备是 有局限性的。正如前面所说的那样，用户需要通过设各描述文件得到现场设备的 各种参数信息，因此需要将解析设备描述文件的程序集成到设备管理系统中。而 不同的现场总线支持不同的设备描述语言，也就需要有不同的设备描述文件解析 程序，如果将所有的设备描述文件解析程序全部集成到设备管理系统中，这个工 作的工作量将是巨大的。艾默生的a m s 管理系统集成了h a r t 总线和基金会现 场总线的设备描述文件解析器，从而这套系统只能对h a r t 总线仪表和基金会 现场总线设备进行设备管理的各项操作。 1 2 2 3l n d u s t r i a li t8 】a 设备管理系统 a b b 公司的i n d u s t r i a l 盯8 0 0 x a 设备管理系统是一种集成化的系统环境。在 这套系统中，现场总线的拓扑结构设计和现场设备的配置、诊断、性能监视、文 档管理和维护等的执行过程均属于控制系统环境的有机组成部分【4 5 1 。这也就是 说，应用这套管理系统的系统集成商需要从现场设备获取所需的参数信息，然后 在用户的主机中对这些数据进行归纳分析。因此，在这套系统中，如何解析现场 设备的参数信息是一个关键的问题。 由于不同的现场总线在提供设备信息时采用的是不同的技术，因此8 0 0 x a 系统的设计思想就是针对不同的现场总线协议开发出不同的信息集成平台，其框 架思想如图1 3 所示： 8 渐江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 8 0 0 x a 信息平台l 基现场设备基现场设备基现场设各 于0 p c 服务于o p c 服务于0 p c 服务 i 器 f f 器p r器 r t 的o f 的信 i b 信 现场设备 息 现场设各现场设各 息 管理工具管理工具 u s 管理工具 甲的 平 厶 信 厶 口 口 现场设备现场设备 息 现场设备 集成库集成库 平 集成库 台 lil ii h a r t 设备if f 设备lp r o f i b u s 设备l 图1 - 3 ：8 0 0 x a 系统的设备管理思想 8 0 0 x a 系统针对当前主流的现场总线协议开发了不同的集成包，包括针对 嘲协议的设备集成包、针对f o u n d a t i o n 现场总线的设备集成包和针对p r o 助u s 的设备集成包【4 5 】。其中每个集成包中都包含有三种组件：现场设备集成库，包括 a b b 和第三方的设备类型对象：现场总线管理工具，用于配置、参数化、调试 和详细诊断；现场总线o p c 服务器，向资产优化应用和操作员工作场所提供现 场设备变量及状态信息i 矧。因此这套设备管理系统的设计理念类似于艾默生公司 的蝴s 设备管理组合。不同点在于，a b b 的这套系统针对扎r t 、f f 和p m f i b u s 分别开发了三个设备管理系统提供给用户进行选择，其中针对f f 提供了设备描 述和能力文献的解析方法，针对姒盯和p r o 丘b u s 提供了f 【) 加1 m 技术进行解 析【蚓。 设备描述和能力文献是由设备的生产商提供给用户，这两份文件中包含了现 场设备的所有组态信息、通信信息和可视化信息等等。用户通过解析这两份文件 得到设备的信息，进而进行组态、管理等工作。而跏呻讧是一种用于对现场设备 进行配置和管理的软件组件，包含了用于设备配置、参数化、诊断和维护的图形 化用户对话框【4 5 1 。系统用户通过h ) t 框架应用程序的标准接口访问设备的d r m 从而获得设备管理的各种信息。 a b b 开发这套系统主要是考虑了用户在选择现场总线时的区域性偏好和客 户需求。在具体的使用过程中，8 0 0 x a 系统可以实现对设备操作、诊断、对设备 的配置及参数的变更进行跟踪、实时资产优化和校准管理等功能【4 5 1 。但是它没有 考虑到的是，现在越来越多的系统集成商希望在现场总线上可以挂接基于不同总 线协议的设备，对于这样的复杂系统，8 0 0 x a 设备管理系统就失去了作用。 9 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 1 2 2 4 总结 理论上，对设备的管理工作既可以在设备的功能块中实现，也可以在系统中 实现。但是在功能块中可以实现的设备管理工作是比较简单和有限的，其结构如 西门予的s i m a t i c p d m 系统。因此在系统中实现设备管理工作是设备管理系统的 一个发展趋势。 随之而来的问题就是：面对不同的现场设备，系统如何能够获得设备的完整 信息从而达到集成设备的目的。这个问题本身有两个方面：一、现场设备的信息 多种多样，必须将对设备管理有用的信息有条理的体现出来，这也就是设备管理 系统中的模块设计问题；二、信息交互问题，现场设各与系统用户之间的信息交 互方式是拓展设备管理系统的应用对象的关键技术。 1 3 本课题的研究意义与目标 从上面的分析可以发现国外的许多现场总线产品发展起步早，技术成熟，因 此目前的现场总线设各管理系统都主要针对当前流行的现场总线协议，如f f 、 p r o f i b u s 等。如何打破这种垄断，让用户可以通过设备管理系统对更多现场总线 产品进行操作管理，成为目前必须解决的首要任务。 本课题的研究目的就是实现可服务于多总线协议的设备管理系统，其具体的 研究目标包括以下几点： i 深入研究设备管理系统 设备管理的概念非常广泛，如何有效地、充分地利用现场设备的各种信息， 并将这些信息分门别类地、直观地显示给用户是设备管理系统实现过程中的关键 点。因此通过对现有设备管理系统大量的文献研究和分析比较，建立一套完整的 设备管理架构。 搭建设备管理系统的整体框架 通过对设备管理系统以及互可操作技术的分析，搭建一套可应用于多总线组 态操作以及现场管理的设备管理系统的整体框架，要求可以实现对现场设备的统 一组态以及前瞻性维护。 深入研究互可操作的技术 根据分析发现目前的设备管理系统往往只是针对个别的现场总线产品，对其 他现场总线的产品完全不适用，包括e p a 设备，因此建立一套完备的、可适用 于不同现场总线产品的设备管理系统是非常有意义的。因此作者以建立可应用于 多总线操作管理的设备管理系统为研究目的，深入地研究互可操作的技术，力图 实现使用一套系统可以同时对多种总线产品进行操作管理。 1 0 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 i v 现场总线设备描述语言的研究 以搭建设备管理系统的整体框架为契机，在研究互可操作技术的同时对设备 描述语言也进行了充分的研究。首先以d d l 语言为开发平台，以基于f f 的1 1 5 1 压力变送器为实现对象，开发一套完整的设备描述文件，并通过f f h s e 和n i 的组态软件对此设备描述文件进行验证。 1 4 本文的体系结构 本论文所完成的工作是现场总线设备管理系统的研究，围绕现场总线设备管 理系统所需包含的内容、实现设备管理系统的互可操作以及搭建基于e p a 协议 的设备管理系统的整体框架而展开，文中介绍分析了现有的设备管理系统、现有 的互可操作技术以及设备描述语言，随后结合目前的研究成果对未来的研究方向 进行了展望。 本章主要在浅析了现场总线技术的发展历程及趋势的基础上，引出了设备管 理系统的概念，并着重于对现有的几种设备管理系统进行分析比较，从中提炼出 设备管理系统的主要目标以及实现方法，为设备管理系统的框架设计做充分的理 论准备。从这些必要的分析中明确地引伸出了本课题的研究意义和目标。 第二章在第一章对现有设备管理系统地分析比较的基础上，提出了一套新 的、可应用于多总线操作管理的现场设备管理系统的整体框架结构，并对其中需 要实现的管理功能进行了介绍。 第三章在整篇论文中起到一个承前启后的作用。本章根据现场总线设备管理 系统对设备互可操作性的要求，进一步分析了实现互可操作的各种技术，重点在 于结合应用设备描述技术和f d t 技术的研究。作者通过大量的文献研究，进一 步了解了各种解决互可操作的方案的实现方法，从而使得设计设备管理系统的互 可操作方案有了一个明确的目标。 第四章是本论文的重点部分，在这一章中作者以基于f f 协议的1 1 5 1 压力变 送器为设备描述文件的实现载体，详细的分析了d d l 语言的语法结构以及基于 d d l 语言的设备描述文件的开发细节。 第五章体现了作者整个研究过程中最大的创新点。在第四章d d l 语言详细 的分析基础上，作者进一步对各类主流设备描述语言进行了分析和研究，针对设 备描述文件再次开发成本高、周期长的问题提出了可拆分组合式设备描述库的概 念，有效地解决了设备描述文件再开发的高成本问题。 第六章，作者对本次课题进行了一个总结，总结了工作中的成果以及不足之 处，并对设备管理系统的发展做出了前景展望，希望可以进一步为完善设备管理 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 系统提供可行的建议。 1 2 浙江大学硕士学位论文现场总线设备管理系统与设备描述技术的研究与开发 第二章设备管理系统的框架设计 通过上面的分析，可以得知虽然市场上已经有了成熟的设备管理系统，但是 由于e p a 系统是近几年才发展起来的现场总线协议，国际上的设备管理系统均 不支持e e a 系统以及基于e p a 协议的设备，通过上面的分析也发现现有的设备 管理系统本身就存在支持协议有限的局限性。 因此本研究的主要目的是开发出可以兼容多现场总线协议的设备管理系统。 研究中结合e p a 系统的自身特点对设备管理系统进行了全新的框架设计。 本章节对设备管理系统进行了一个总体的框架设计，提出了针对整个现场总 线维护的系统维护模块以及现场设备的维护、智能管理三个大模块，并在三个大 模块下分别设置了p 1 甲时钟同步监测、报文调度监测、故障诊断、资产优化、