（计算机应用技术专业论文）基金会现场总线在循环流化床锅炉控制中的应用.pdf

中文摘要 现场总线控制系统( f c s ) 是二十世纪末发展起来的，继分散控制系统( d c s ) 之后出现的新一代控制系统，虽然它的出现才短短十来年的时间，但它代表的 是一种数字化到现场、控制功能到现场和设备管理到现场的不可逆转的发展方 向。现场总线控制系统的出现是计算机技术、通信技术、自动化控制技术发展 到现阶段的必然结果。它的广泛应用将大幅度地降低了控制系统的投资，显著 提高控制质量，明显地改善系统的集成性、开放性、分散性和互操作性。因此， 现场总线控制系统已成为当今世界范围内自动控制技术的热点，研究并设计实 现基于现场总线技术的控制系统，让最新的自动化技术为国民经济服务，具有 很大的现实意义。 本文针对由一台7 5 t h 循环流化床锅炉及其辅助工艺设备组成的热力系统， 设计了一套完善的热工自动化系统，并利用基于f f 现场总线( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ，基金会现场总线) 技术的控制系统方案予以实现。f f 现场总线是符合 i e c 6 1 1 5 8 标准的总线，侧重于过程控制自动化领域。本文详细论述了控制系统 的软件、硬件体系结构，系统应用过程中软硬件设计及实现，完成了包括数据 采集、模拟量控制、顺序控制等全部热工自动化功能。 本课题设计的锅炉现场总线控制系统己经在邯钢化肥厂成功投运。运行一 年多来，系统稳定可靠，自动调节精度及顺序控制实时性均能满足工艺系统要 求。证明本文提出的锅炉现场总线控制方案设计合理，切实可行。目前，d c s 系统在大中型锅炉控制中占统治地位，而基于现场总线技术的控制系统则少见， 这为现场总线技术进一步在热电、化工等工业控制领域应用作了有益的尝试和 技术积累。 关键词：现场总线：锅炉控制；分散控制系统：现场总线控制系统 a b s t r a c t t h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) i san e wg e n e r a t i o no f c o n t r o is y s t e ma f t e r t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ，w h i c hd e v e l o p e da tt h ee n do f2 0 t hc e n t u r y a l t h o u g hi th a sa p p e a r e df o ro n l yt e ny e a r s ，i tr e p r e s e n t st h ei r r e v e r s i b l ed e v e l o p i n g d i r e c t i o nt h a td i g i t i z a t i o nt e n d st ot h es c e n e ，t h ec o n t r o lf u n c t i o na n dt h ed e v i c e m a n a g e m e n t st e n dt ot h es c e n e t h ea p p e a r a n c eo ff c si st h ei n e v i t a b l er e s u l t w h i c hc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i a o nt e c h n o l o g ya n dt h ea u t o m a t i o n t e c h n o l o g yd e v e l o pt ot h ep r e s e n ts t a g e i t sw i d ea p p l i c a t i o nw i l lg r e a t l yr e d u c et h e i n v e s t m e n to fc o n t r o ls y s t e ma n do b v i o u s l yi m p r o v et h ec o n t r o lq u a l i t y ，t h e i n t e g r a t e dn a t u r e ，o p e n i n gn a t u r ea n dm u t u r a lo p e r a t i o nn a t u r e t h e r e f o r e ，f c sh a s a l r e a d yb e c o m eah o tp o i n to fa u t o m a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya r o u n dt h ew o r l d i t h a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c h i n gt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e c o n t r o l s y s t e mb a s e do nf i e l d b u st e c h n o l o g yt o m a k et h el a t e s ta u t o m a t i o n t e c h n o l o g ys e r v et h en a t i o n a le c o n o m y i nt h i sa r t i c l eo n es e to fp e r f e c tt h e r m oc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e df o r t h et h e r m o d y n a m i cs y s t e mw h i c hi sc o m p o s e db yo n e7 5 t hc i r c u l a t i o nf l u i db e d b o i l e ra n di t sa u x i l i a r y e q u i p m e n t ，t h e c o n t r o l s y s t e m i sb a s e do nt h e f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) t e c h n o l o g y , i t i saf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m f fi s a c c o r d e dw i t ht h e1 e c 6 11 5 8s t a n d a r d ，i tl a y so nt h ea u t o m a t i o nf i e l do fp r o c e s s c o n t r 0 1 i nt h ea r t i c l et h es o f t w a r e ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n d h o wt od e s i g na n dp e r f o r mt h e mi ss t u d i e di nd e t a i l t h ec o n t r o ls y s t e mc a np e r f o r m a l la u t o m a t i o nf u n c t i o ni n c l u d i n gd a t ag a t h e r i n g ，a n a l o gl o o pc o n t r o la n ds e q u e n t i a l c o n t r o l ，e t e t h eb o i l e rf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e md e s i g n e df o rt h i ss u b j e c th a sa l r e a d yb e e np u t i n t oo p e r a t i o ni nh a n g a n gc h e m i c a lf e r t i l i z e rf a c t o r ys u c c e s s f u l l y f o rm o r et h a n o n ey e a rt h es y s t e mp r o v e sb o t hs t e a d ya n dr e l i a b l e t h ep r e c i s i o no fa u t o m a t i c a d j u s t m e n ta n ds e q u e n t i a lc o n t r o lt i m e l i n e s sc a nb o t hs a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f t e c h n o l o g i c a ls y s t e m a l lt h i sc o n f i r m st h a tt h ep l a no ft h eb o i l e rf i e l d b u sc o n t r o l s y s t e ms t a t e db yt h ea u t h o ri sr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a l a tp r e s e n t ，d c sh a sa d o m i n a n tp o s i t i o ni nt h el a r g ea n dm i d i u mb o i l e rc o n t r o ls y s t e m ，b u tt h ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nf i e l d b u st e c h n o l o g yi sr a r e t h i sh a sp r o v i d e ds o m eb e n e f i c i a lt e s t s a n dt e c h n i c a la c c u m u l a t i o n sf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o no ff i e l d b u st e c h n o l o g yi n i n d u s t r i a lc o n t r o ld o m a i ns u c h 舔t h et h e r m o e l e c t r i c i t y , c h e m i c a li n d u s t r y e t c k e yw o r d s ：f i e l db u s ，b o i l e rc o n t r o l ，d c s ，f c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：枷袍移 签字日期：口g 年么月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；瓣 导师签名： 彳芬杆孝 签字日期：彤年，月日 签字日期： 口占年9 月矿日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 现场总线技术是计算机、自动控制与通讯技术发展到现阶段的产物，是当 今工业自动化领域的最新技术，已成为世界范围内控制技术的一大热点。积极 采用先进技术，把世界最新技术成果应用到工业生产中，为我国经济建设服务， 具有重大的现实意义。目前，现场总线技术在我国已成功应用到化工、冶金、 烟草、污水处理等领域，但仍处于推广和应用的初级阶段，应用系统规模一般 较小，有些应用技术还不太完善，还有不少行业或领域待进一步进行应用研究。 基于现场总线技术的锅炉控制系统在我国正处于开发应用研究之中，小型链条 锅炉控制已有成功范例，在大中型锅炉控制中，尤其在采用循环燃烧技术的炉 型中未见应用先例。本论文中f f 现场总线技术控制系统的设计与实现是现场总 线技术在大中型循环流化床锅炉控制领域的成功应用和探索研究。 本课题是邯钢化肥厂技改工程中热力系统改造工程的子课题，其主要工艺 系统设备包括： a )新建一台中温中压7 5 t h 循环流化床锅炉，配套输煤、除灰渣及水、汽 系统； b ) 采用一台9 0 t h 旋膜除氧器( p = o 0 2 m p a ，t = 1 0 4 0 c ) 加三台电动给水泵 组成母管制给水系统； c )设置两台减温减压器并配套分汽缸及蒸汽管路为生产工艺系统供汽。 本课题的任务是针对上述工艺系统和工艺设备，按照国家现行规程规范设 计并实现一套完善的基于现场总线技术的锅炉控制系统，来满足整个热力系统 安全经济运行，提高自动化水平，降低工人劳动强度的需要。 1 2 锅炉控制特点及其控制系统发展、现状 1 2 1 锅炉控制特点 锅炉作为一次能源转化装置广泛应用于冶金、电力、化工、纺织等工农业 生产的各个方面。作为一个极其重要的动力源，它能否高效率地安全经济运行 第一章绪论 关系到国民经济的方方面面，因此各发达国家都十分重视锅炉技术的研发，包 括设计、制造、控制等诸方面。从某种程度上来说，锅炉技术的高低反映了一 个国家的工业化水平我国是一个能耗大国，但锅炉制造技术、运行水平同发 达国家相比还有一定的差距，因此，对锅炉技术包括锅炉控制技术的研究，具 有重要的现实意义。 1 ) 控制系统复杂 在以工业锅炉为核心组成的热力系统中，各项技术指标都要求限定在一定 范围内，系统规模很大，需要检测控制的参数繁多，如：温度、压力、流量、 水位、烟气分析及汽水品质分析、各附机运行状态等。控制策略比较复杂，锅 炉是典型的复杂热工设备，就其控制策略而言，主要包括主蒸汽温度控制、燃 烧过程控制( 包括：主蒸汽压力、流化床温度、床料高度、返料量、炉膛压力 等子系统) 、汽包水位控制等模拟量控制系统。同时针对众多的工艺系统设备 还应设置复杂的顺序控制( s c s ) 回路及热工保护措施，主要包括：锅炉燃烧系统 各辅机的顺序、联锁控制，给水系统联锁控制以及锅炉蒸汽超压保护、汽包水 位保护等。 2 ) 控制系统要求高度安全性、可靠性、经济性 对于锅炉及其辅助设备组成的复杂的工艺系统，高温高压的蒸汽参数，任 何关键过程的失控都会造成重大的人员伤亡，重大设备的报废，因此控制系统 应具有高度安全性、可靠性。在控制系统结构设计、设备选型以及控制策略组 态等方面应具有完善的安全措施，同时在关键环节采用冗余设备，确保在一个 设备或回路故障时，其他设备能正常工作。在控制策略方面，调节回路、联锁 控制的设计应完善合理，在必要时应设置后备手操回路，确保在自动回路故障 无法满足要求时，通过紧急手动干预，使系统安全停机，避免事故的发生。另 外控制系统科学合理的控制策略组态及控制回路设计，不仅是安全性、可靠性 的要求，也是控制精度、控制水平的保证。把整个工艺系统控制在最佳状态运 行，对锅炉组成的高能耗系统而言，是其经济运行的要求，也是评价控制系统 优劣的主要指标。 3 ) 控制系统运行环境恶劣 控制系统的现场环境非常复杂恶劣，主要是因为工艺系统的特点造成的。 现场不仅有大量的煤、灰等粉尘，而且高温高压蒸汽管路，各种水、风、烟气 管道纵横交错。因此控制系统应能承受高温、粉尘、潮湿、机械干扰以及各种 各样的机械损伤等环境条件。另外，控制系统还应具有强抗干扰能力，以抵御 现场高压电机、变频器、高频设备等造成的高压、高频干扰，确保信号传输、 处理、控制等正常进行，满足可靠运行的要求。 第一章绪论 1 2 2 锅炉控制系统发展、现状 锅炉作为重要的过程控制对象，其控制系统随着计算机、电子技术、通讯 技术、控制技术等的技术进步而发展。从早期的机械式仪表、大型气动式仪表 到电动单元组合仪表，再到现在的d c s 控制系统、现场总线控制系统，系统在控 制水平、自动化程度等方面已不可同日而语。 早在5 0 年代以前，监测仪表处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在 生产现场的基地式气动仪表，操作人员只能通过生产现场的巡视，进行生产过 程操作。 自6 0 年代开始，随着电子技术的发展应用，电动单元仪表逐渐得到应用， 并进一步随着电子技术的发展，电动单元仪表从i 型、i i 型发展到现在仍在使用 的i i i 型。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把多个单元 仪表信号按需要组合成复杂控制系统。直至, 1 8 0 年代中期锅炉控制系统仍以电动 单元组合仪表组成的控制系统为主流。 6 0 年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统 和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。 从2 0 世纪7 0 年代开始，出现了微处理器和以微处理器为主要构成单元的控 制装置。集散控制系统( d c s ) 、可编程逻辑控制器( p l c ) 、工业p c 机和数字控制 器等。集散控制系统的应用，实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集 中，克服了常规仪表系统控制功能单一和计算机控制系统危险集中的局限性， 能够实现数据采集处理、连续控制、间歇控制、顺序控制，将操作、管理与生 产过程紧密地结合起来，使生产过程控制进入管控一体化的新模式。i ) c s 系统从 1 9 7 5 年研制开发成功，经过近3 0 年的发展，其结构和性能日臻完善。从8 0 年代 中期起d c s 系统已成为控制装置的主流。 2 0 世纪末，信息技术飞速发展。现场总线控制系统的出现，引起过程控制 系统体系结构和功能结构上的重大变革。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 守同一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 化的各种控制功能；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。现场总线技术及其构成的控制系统的应用研究，已成为当今自 动化领域的一个热点。 第一章绪论 1 3 锅炉控制系统的比较和确定 对于本课题而言，工艺系统是以中温中压7 5 t h 循环流化床锅炉为核心，配 备相应的给水、供汽等辅助设备构成的。系统规模较大，而且循环流化床锅炉 燃烧控制较为复杂，因此选择合适的控制系统非常关键。目前在工控领域内流 行很多种控制系统，它们各自有着自己的优点和不足，适用场合也不同，现从 技术、经济两方面加以论述。 1 ) 基于可编程逻辑控制器( p l c ) 控制方案。p l c 是一种专门为了在工业环境 下运用而设计的数字运算操作的控制装置。适用于恶劣的环境，但由于其原设 计定位就是以处理开关量为主的顺序控制的自动化产品，在其工作过程中只有 顺序执行而没有工作周期的概念，因此，对于有大量复杂调节回路和人机联系 较高的生产过程，用p l c 来控制是不合适的。而锅炉控制恰恰是一个多回路调节 系统，如果说在p l c 控制的基础上扩展一些智能板卡，简单回路控制功能可以实 现，但对于循环流化床锅炉燃烧控制这样的复杂回路却不易实现。另外，若为 了提高控制系统可靠性，采用双机热备方式( 双c p u 模块) ，系统造价大大提高。 因此，此方案技术上不可行，也不经济。 2 ) 基于分散控制系统( d c s ) 的实施方案。d c s 具有很高的可靠性，有较完善 的软、硬件资源，并在当今的工控领域中占有较大的市场份额。组建本项目规 模大小的控制系统，同期多方比价约为5 5 万元左右。另外考虑项目二期的陆续 扩建及d c s 系统的不开放性，若采用同一家d c s 产品，则无法保证价格优惠；采 用多家产品则需要较多种的备品备件极不经济，而且系统维护也较为困难。 3 ) 基于现场总线控制系统( f c s ) 的控制方案。f c s 的系统结构是全分散式的， 传输的信号也实现了全数字化，其现场设备也具有可操作性，通信网络为开放 式互联网络，这种以全数字化、全分散式、全开放式为主要特点的现场总线控 制系统( f c s ) 继承了p l c ，d c s 控制模式的优点，比其更可靠，更先进。f c s 自出 现以来发展很快，已成功应用于多种领域，并逐步走向成熟大有取代d c s 之势。 其中f f 现场总线是符合i e c 6 1 1 5 8 标准的总线，它得到世界上一百多家最主要的 自动化设备厂商的支持，侧重于过程控制自动化领域，有较完备的总线产品。 综合考虑本项目规模大小和技术特点，非常适合采用基于f f 现场总线技术的控 制系统。从投资角度来看，组建整个控制系统约需5 3 万元，考虑采用现场总线 系统节约电缆、安装费用等因素，控制系统综合造价约为5 0 万元。此方案性价 比最高。 通过技术经济比选，考虑项目第二期扩建以及今后组建管控一体化计算机 网络等诸多因素，最终确定本工程采用基于f f 现场总线技术的控制系统显然是 第一章绪论 合适的。 1 4 本论文主要内容和研究方向 针对工艺系统及设备的特点，科学合理的设计出采用基于f f 现场总线技术 的控制系统，完成热工监测( d a s ) 、模拟控制( m c s ) 、连锁控制( s c s ) 以及热 工保护等自动化功能是工艺系统的控制要求，也是本论文的主要内容和研究方 向，主要工作包括： 1 ) 根据具体工艺系统特点进行总体设计，包括控制方式和控制系统功能； 2 ) 设计锅炉控制系统硬件体系结构； 3 ) 完成控制系统软件体系及控制策略组态。 现场总线技术作为一项新技术具有强大的生命力，它的发展依靠多领域的 推广和应用，需要做大量的技术工作，这是一个长期积累的实践过程。本论文 中f f 现场总线技术控制系统的设计与实现是在大中型循环流化床锅炉控制领域 的成功探索和实践，具有很大的现实意义。 第二章基金会现场总线技术 第二章基金会现场总线( f f ) 技术 2 1 现场总线简介 2 1 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，也被称为开放式、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、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前 景 2 】 2 1 2 现场总线的特点 1 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统结构形式。传统模拟控制系统采用一对 一的设备连线，按测量、控制系统的应用需要进行分别连接。现场总线系统由 于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室的控制模块、各输 入输出模块置入现场设备，利用现场设备具备的通信能力，使控制系统功能不 再依赖于控制室的计算机或控制仪表，而直接在现场完成，实现了彻底的分散 控制。 由于现场总线系统采用数字信号通信，因而可实现一对总线上传输多个节 点的多种信号( 如运行参数值、设备状态、故障信息等) ，同时还可利用总线 为多个设备提供工作电源，现场设备以外不再需要模数、数模转换部件，这 样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装维护费用创造 了条件。 2 现场总线系统的技术特点 系统的开放性现场总线系统通信协议一致公开，世界上任何遵守相同标 准的各不同厂家的设备或系统之间可实现信息交换。用户可按自己的需要和考 虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。所以说，现场总线系统是 自动化领域的开放互连系统。 互可操作性与互用性互可操作性，是指实现互连设备间或系统问信息的 沟通与数据共享，而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互 替换。这正是现场总线技术的出发点，通信协议及相关规约、技术的一致公开 第二章基金会现场总线技术 使设备或系统间互可操作性与互用性得以实现。 现场设备的智能化与功能自治性现场总线技术使现场设备具备传感测 量、补偿计算、工程量处理、控制计算与数字通信等多种功能，实现了现场设 备的智能化。同时，仅靠位于现场的测控设备即可完成测控系统的多种功能， 并可随时诊断设备的运行状态，从多个角度实现了仪表的功能自治性。 系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的 体系结构。从根本上改变了现有d c s 与分散相结合的集散控制系统体系，简化 了体系结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而 设计的，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本 质安全防爆要求等。 由于现场总线以上特点，使现场总线系统在结构上得以简化，使控制系统 在设计、安装、投运、正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。采用现 场总线系统具有以下优点：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开 销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性，它的精髓 在于全部信息化和智能化。现场总线是并不昂贵的高新技术，性能提高但总体 的节省( 设计、设备、材料、施工、维护) 贯穿了系统全生命全周期，而且使 用系统的规模越大它的优越性将体现的越明显。 2 2 几种流行的现场总线技术 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的 应用领域显示了自己的优势。它们大都以开放系统互连模型作为基本框架，并 根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准，在较大范围内取得了用 户与制造商的认可。 2 2 1c a n 现场总线 c a n 是控制局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的缩写，最初是由德国b o s c h 公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。c a n 总线的协议是建立在i s o o s l 模型基础上的，它采用了o s i 底层的物理层、数据 链路层和高层应用层。c a n 信号的传输介质为双绞线，其通信速率最高可达l m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达l o k m 5 k b p s ，可挂接设备数量最多可达1 l o 个 c a n 的信号采用传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8 个，因而传输时 第二章基金会现场总线技术 间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节 点与总线的联系，使总线上其它节点及通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 由于c a n 总线具有可靠性高，传输速率快，通信距离较远，易于使用、维 护和网络扩展，目前已广泛应用于高档汽车( 事实上是汽车中各控制部件之间 通信的国际标准) 、火车、船舶、军工电子、医疗器械、农用器械、数控机床、 机器人技术等诸多领域。 2 2 2l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 是局部操作网络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 的缩写，适用于 分散控制和楼宇自动化中连接智能设备，它是由美国e c h e l o n 公司开发，1 9 9 0 年推出的种工业控制通用网络产品，它采用了i s o o s i 模型中完整的七层通 信协议，网络功能很强。l o n w o r k s 协议在物理层上支持双绞线、电力线、同轴 电缆、无线、红外、光纤等介质，通信速率与距离取决于介质。用双绞线时， 其最高通信速率为1 2 5 m b p s ( 通信距离不超过1 3 0 m ) ，最远通信距离为2 7 0 0 0 m ( 通信速率为7 8 k b p s ) ，节点总数可达3 2 0 0 0 个。 l o n w o r k s 的信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节数可为0 2 8 8 个。 l o n w o r k s 所采用的l o n t a l k 通信协议被封装在称之为n e u r o n 神经元芯片中。芯片 中有3 个8 位c p u ，一个用于实现i s o o s i 模型中的1 层和第2 层功能，称为媒体访 问控制处理器：第二个用于完成3 - 6 层的功能，称为网络处理器；第三个对应于 第7 层，称为应用处理器。芯片中还具有信息缓冲区，以实现c p u 之间信息传递， 并作为网络缓冲区和应用缓冲区”1 。 l o nw o r k s 被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、 运输设备、工业过程控制等领域，具有极大的潜力。低成本和高性能使该总线 的最大优势。 2 2 3p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是过程现场总线( p r o c e s sf e i l db u s ) 的缩写，是作为德国国家 标准和欧洲标准的现场总线技术。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国 公司、研究所共同推出的，p r o f i b u s 产品的市场份额占欧洲的首位，大约为4 0 。p r o f i b u s 根据应用特点分为分散化的外围设备p r o f i b u s _ d p ( d e c e n t r a - 1 i z e dp e r i p h e r y ) 、现场总线报文规范p r o f i b u s - f m s 和过程自动化p r o f i b u sp a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 三个兼容版本。它采用i s o o s i 参考模型的物理层和数 据链路层。其中p r o f i b u s _ d p 是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系 第二章基金会现场总线技术 统和设备级分散i o 之间的通信设计的，可用于分布式控制系统的高速数据传 输，其传输速率可达1 2 m b p s ，一般构成单主机系统；p r o f i b u s _ f m s 主要解决车 间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通 信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器、和执行器等一般的 自动化控制；p r o f i b u s _ p a 是专为过程自动化设计，提供标准的本质安全技术， 一般用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的特性。一般p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s _ d p 混合使用”。 p r o f i b u s 采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8 字节，可变长帧每帧 的有效字节数为1 2 4 4 个。 2 2 4w o r l d f i p 现场总线 w o r l d f i p 意为世界工厂仪表协议( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n tp r o t o c 0 1 ) 。 它是欧洲现场总线标准e n 5 0 1 7 0 - 3 。w o r l d f i p 组织成立于1 9 8 7 年，目前包括有 a l s t o m 、s c h n e i d e r 、h o n e y w e l l 等世界著名大公司在内的1 0 0 多个成员。w o r l d f i p 协议按照i s o o s i 参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。w j r l d f i p 采用有调度的总线访问控制。通信速率分别为3 1 3 5 k b p s 、1 m b p s 、2 5 m b - p s ，对应的最大通信距离分别为5 0 0 0 m 、1 0 0 0 m 、5 0 0 m ，其通信介质为双绞线。 如果采用光纤，其最大通信距离可达4 0 k m 。每段现场总线的最大节点数为3 2 个， 使用分线盒可连接2 5 6 个节点。整个网络最多可以使用3 个中继器，连接4 个网段。 w o r l d f l p 采用可变长帧结构，每帧最大字节数为2 5 6 个。适合于包括t c p i p 在内的各种类型的协议数据单元。w o r l d f i p 可以提供各种专用通信芯片，例如 具有总线仲裁器功能的f u l l f i p 2 、具有总线仲裁器并且支持双处理器结构的f i p i u 2 ，以及无总线仲裁器功能的m i c r o f i p 等“。 2 2 5f f 现场总线 f f 是基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 的简称，由两大现场总线阵 营i s p 和w o r l d f i p 合并而成的现场总线基金会和国际标准化委员会制订而成。 基金会现场总线系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统在功能、环 境与技术上的需要而专门设计的。f f 以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取 o s i 的物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上 增加了用户层。f f 总线分为低速( f f - h 1 ) 和高速( f f - h s e ) 两种通信速率，f f - h 1 传输速率为3 1 2 5 k b p s ，主要用于过程工业( 连续控制) 的自动化，支持总线供电 和本质安全防爆，f f - h s e 传输速率为1 0 0 m b p s ，主要用于制造业( 离散控制) 自 第二章基金会现场总线技术 动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。最大通信距离可达1 9 0 0 m ( 如果 加中继器可延长至9 5 0 0 m ) ，最多可直接连接3 2 个节点( 非总线供电) 、1 3 个节点 ( 总线供电) 、8 4 节点( 本质安全要求) ，如果加中继器最多可连接2 4 0 个节 点。通信介质为双绞线、光缆或无线电。其传输信号采用曼彻斯特编码。 f f 采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为0 2 5 1 个。目前已经有s m a r 、 f u j i 、n a t i o n a l 、s e m i c o n d u c t o r 、s i e m e n s 、y o k o g a w a 等1 2 家公司可以提供f f 的通用芯片。 目前，全世界已有1 2 0 多个用户和制造商称为现场总线基金会成员，基金会 董事会囊括了世界上最主要的自动化设备供应商，基金会成员所生产的自动化 设备占世界市场的9 0 以上。基金会强调中立与公正，所有的的成员均可以参加 规范的制定和评估，所有的技术成果有基金会拥有和控制，由中立的第三方负 责产品的注册和测试等。因此，基金会现场总线具有一定的权威性、广泛性和 公正性。基金会现场总线将在今后自动控制技术的发展中发挥重要作用，我国 正是推荐这种总线作为总线标准。 2 3f f 现场总线通信模型 数据通信技术是现场总线控制系统的和新技术，为了保证系统的开放性和 通用性，必须制定相应的协议标准。f f 现场总线系统模型是参照国际标准化组 织( i s o ) 的开放系统互连协议( o s i ) 而制定的。o s i 共有七层，f f 在应用层上增 加了一层用户层，各厂家的产品在用户层的基础上实现。 2 3 1 f f 通信模型和i s o o s i 参考模型 i s o o s i 参考模型定义了个七层的开放系统通信结构。工业控制对于网 络通信的效率、可靠性、速度有很高的要求，所以现场总线省略了一些必要性 不大的层次，典型的现场总线协议模型如中间的协议结构所示，它采用了i s o o s i 参考模型的三个层：物理层、链路层和应用层。它是i s o o s i 参考模型的简 化形式，考虑了开放系统的要求，又兼顾了测控系统的特点。 f f 现场总线增加了用户层，该层不由o s i 模型定义，现场总线基金会已规 定了用户应用模型。这样构成了f f 通信系统模型，如图2 - 1 所示。 物理层是o s i 的第一层，数据链路层( d l l ) 是o s i 的第二层，现场总线访 问子层和现场总线报文规范( f m s ) 是o s i 的第七层，通信栈由o s i 模型的第 二层和第七层构成。现场总线的访问子层( f a s ) 将f m s 映射到d l l 上。 基金会现场总线f f 的协议模型中物理层和链路层采用了i e c i s a 标准。应 第二章基金会现场总线技术 i s o o s i 模型 现场总线协议f f 模型 表示层 用，_ j 曩 功能块应用 设备描述 嘏文子d 通 访问子闰信 会话层 链路层l 栈 传输层 网络层 总线访问子层 链路层链路层 物理层物理层砌罐晕 图2 _ 1f f 通信模型与i s o o s i 模型的关系 用层分为两个子层：现场总线访问子层f a s 和现场总线报文规范子层f m s 。f m s 为系统的用户层提供通信服务，它提供不同类型的通信信道，称为虚拟通信关 系v c r ，p a s 把v c r 映射到底层网络，从而把用户的应用进程和具体的网络技术 隔离开来。链路层，访问子层和报文子层的全部功能集成在一起称为通信栈。 2 3 2f f 现场总线通信系统的组成部分 f f 现场总线通信的要求是开放和简单： ( 1 ) 开放：分散的控制系统可以使用不同的厂家提供的设备。 ( 2 ) 简单：系统设计简单，并且能够满足使用要求。 f f 通信系统结构如图2 2 所示。 i 型霉l 网络管理 凫户县 麓网俐i 对象字典l | 象l 进程 l 字典l 。牦藿一 应用层 系统管 w 白蜘带- zp - 1 f ；管理f 数据链路层 理内核 同络 协议 总线访问子层层管理 数据链路层层管倒 物理层层管捌 物理层 第二章基金会现场总线技术 应用层和用户层，按各部分在物理设备中要完成的功能，被分为三大部分：通 信实体、系统管理内核、功能块应用进程。各部分之间通过虚拟通信关系( v c r ， v i r t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p ) 来沟通信息。 通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层。由各层协议与网络管理代理 共同组成。通信实体的任务是生成报文与提供报文传送服务，是实现现场总线 信号数字通信的核心部分。层协议的的基本目标是要构成虚拟通信关系。网络 管理负责下载虚拟通信关系表v c r l 或表中的某一条目、通讯栈组态、下载链路 活动调度表l a s 、运行性能监视以及差错判断监视。各种组态、运行、故障信 息保持在网络管理信息库( n m i b 。n e t w o r km a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 中， 并由对象字典( o d ，o b j e c td i c t i o n a r y ) 来描述。 系统管理内核( s 慨，s y s t e mm a n a g e m e n tk e r n e l ) 在模型分层结构中只占 有用户层和应用层的位置，用以协调分散式现场总线系统中各设备的运行。其功 能主要有：完成现场设备的地址分配、寻找应用位号、实现应用时钟的同步、功 能块调度、设备标识以及对系统管理信息库( s m i b ，s y s t e mm a n a g e m e n ti n f o r m a r i o nb a s e ) 的访问。系统管理集成多层的协议与功能，可包含在一个设备中， 也可分布在多个设备中。 功能块应用进程( f b a p ，f u n c t i o nb l o c ka p p l i c a t i o np r o c e s s ) 在模型分 层结构中也为应用层和用户层。功能块应用进程主要用于实现用户所需要的各 种功能。 2 3 3f f 现场总线协议数据的构成与层次 各层上传输的用户数据的数咀八位字节( b y t e ) 表示，如图2 - 3 所示。 户应 文规范f m s 场总线访n d f 层f 据链路层d l l l 用户数据 二一用户应用b： l n 6 一p c i数据编码 通信栈 一4 一 0 2 5 1 f a s p c if m s p d u 聊删屡 ? 1，十二2 5 5 d l l - p c 日f a s p d u帧校验序列 s ：i i 3 一z a o ，二一 物理层前同步起始界符d d l p d u 防束界符 图2 3 基金会现场总线h l 通信数据格式 ( 图2 - 3 中缩写) ：p c i - 协议控制信息。p d u 一协议数据单元。 第二章基金会现场总线技术 2 4f f 现场总线物理层 物理层根据国际电工技术委员会( i e c ) 和国际测量与控制学会( i s a ) 批 准的标准定义。 木i s as 5 0 0 2 - 1 9 9 2i s a 物理层标准。 i e c1 1 5 8 2 ( 1 9 9 3 ) 国际物理层标准。 f f 一8 1 63 1 2 5 k b i t s 物理层行规规范嘲。 2 4 1 物理层的功能 f f 物理层由物理介质的有关规定和传输数据的信号协议组成。它使得数据 链路层在发送和接收数据时与物理介质的类型无关。用于实现现场物理设备与 总线之间的连接。物理层其主要功能是为现场设备与通信传输媒体的连接提供 机械和电气接口，为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理信号或 信令。它规定了以下四个特性： ( 1 ) 机械特性：连接器规格和安装。 ( 2 ) 电器特性：传输线上数字信号的电压高低，传输距离，速率等。 ( 3 ) 功能特性：定义连接器内容管脚的功能。 ( 4 ) 过程特性：信号的时序。 物理层从通信栈接收报文，并将其转换成在现场总线通信介质上传输的物 理信号，反之亦然。转换任务包括加上和除去前同步信号、起始定界符和结束 定界符。 2 4 2 物理层的结构 按照i e c 物理层规范的有关规定