（计算机系统结构专业论文）基于can总线的热网首站监控系统设计与实现.pdf

摘要 本文主要叙述了基于c a n ( 控制器局域网) 总线热网监控系统的设计及其监 控主机软件的实现。该系统是一个工业现场的监控系统，适用于分布式供热网的 换热首站，实现对热网首站的实时监控。系统采用分布式设计，硬件主要由监控 主机、前端控制器和手持器组成。软件的开发基于w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 操作系统 和m i c r o s o f ts q ls e r v e r 数据库系统，开发语言采用b l a n dc + + b u i l d e r6 0 。 在软件设计中灵活应用软件分层思想，以提高系统的可移植性及灵活性。在 上位p c 机与前端控制器之间的通信中。使用现场总线c a n 网络技术，制定了用 户层通信协议。在通信中，提出了动态优先级调度方案，保证关键信息可以及时 上传；提出了三次握手规则，提高了通信的可靠性：采用软件滤波措施，提高了 系统的实时性。为提高系统应用软件的通用性，论文对热网首站的共性进行了抽 象，提出组态软件的整体结构，并且实现了简单的组态功能。由于本系统软件与 硬件的通用性，可以推广到其它中小型应用场合。 关键字：现场总线f c sc a n 组态软件 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g no fc e n t r a ls t a t i o no ft h eh e a t i n gs y s t e m a n dt h es o f t w a r ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ec e m r a ls t a t i o n sm o n i t o r i n gc o n t r o l s y s t e mo ft h eh e a t i n gs y s t e mb a s e do nc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k t h es y s t e mi s a l l i n d u s t r i a lm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sf i tf o rt h ec e n t r a ls t a t i o n sm o n i t o r i n g c o n t r o l s y s t e m o ft h e h e a t i n gs y s t e m a n d c o m p o s e do fs u p e r v i s o r yp c ，l o c a l e c o n t r o l e ra n dh a n d e dc o n t r o l e r t h i ss o r w a r ei sb a s e do nw i n d o w s2 0 0 0s e r v e r o p e r a t i n gs y s t e ma n ds q ls e r v e rd a t a b a s es y s t e m t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ei s c h o s e na sb o f l a n dc + + b u i l s e r6 0 l a y e r e d s o r w a r ea r c h i t e c t u r ei sa p p l i e dt og e tb e t t e rp e r f o r m a n c e o f f l e x i b i l i t ya n d e x t e n s i b i l i t y c a nf i e l d b u si sa d o p t e di nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n ds i n g l e c h i pc o m p u t e r t o i m p r o v e t h ec o m m u n i c a t i o n r e l i a h i l i t y a n d s p e e d i n e s s t h e d i s s e r t a t i o np r e s e n t sad y n a m i c s c h e d u l i n gs c h e m e t oe n s u r et h a tt h e k e y f i e l dm e s s a g e s c a l lb et r a n s f e r r e dt ot h es u p e r v i s o r yc o m p u t e ri nt i m e ar u l eo f t h r e e - h a n d s h a k i n gi s i n t r o d u c e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m f a m ef i l t e ri su s e dt od e c r e a s et h e i n t e r r u p t t i m e si nc o m m u n i c a t i o na n di m p r o v e st h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m c o n v e n t i o n a ls u p e r v i s o r yc o n t r o ls o r w a r e sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e si nt h a t t h e y a r el o n gi nd e v e l o p m e n tc y c l ea n d b a di nr e u s a b i l i t y t oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ， t h ea u t h o rd e s i g n st h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h ec a n - b a s e ds u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo ft h eg a t e w a ys t a t i o ni nh e a t i n gn e t w o r k t h es y s t e mi sf l e x i b l ei nt h e a r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i ns p i t eo fi ti sd e s i g n e df o rt h eg a t e w a ys t a t i o n i nh e a t i n gn e t w o r k , i ti se a s i l ye x t e n d e dt ot h eo t h e rs m a l la n dm e d i u ms c a l ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：f i e l d b u s f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m c o n t r o l e ra r e an e t w o r k c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电 子科技大学或其它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己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：型：翌塑日期呈! 塑：! ! ! 里 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果对署名单位仍然为西安电 子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期 2 口口；j i o 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍课题的背景、来源，分析国内外相关发展动态和在实际应用中 的意义。最后说明了作者工作概要及本文的章节安排。 1 1 课题的提出 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统己成 为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大的进步。由于对系 统的可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制的面向段 化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工 业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微机为核心，将5 c 技术c o m p u t e r ( 计算机技术) 、c o n t r o l ( 自动控制技术) 、c o m m u n i c a t i o n ( 通 信技术) 、c r t ( 显示技术) 和c h a n g e ( 转换技术) 紧密结合的产物。它在适应 范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面。较之分散型仪表控制系统和 集中型计算机控制系统都具有畴显的优越性。 传统的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 ) 控制系统由调度管理站和各种过程 测控站组成，调度管理站完成系统的组态、监视操作和运行管理，而现场过程测 控站完成生产过程信息的采集和控制。d c s 的核心思想是分散控制、集中管理， 但是与工业过程打交道的过程测控站功能较强，一般是一个完整的测控系统，采 用的仍是集中控制的，现场信号的检测，传输和控制还是采用4 - - 2 0 m a 的模拟信 号，信息量有限，难以实现设备与外界的信息交换。使自动控制系统成为工厂中 的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 信息技术的飞速发展，逐渐形成了自动化领域的开放系统互连通信网络，形 成了全分布式网络集成化自动控制技术，这就是现场总线技术。随着现场总线的 国际标准的制定与完善，采用现场总线将现场仪表与控制室内仪表连接起来，用 数字信号取代模拟信号，组成全数字化、双向、多站的通信网络。而现场总线网 络的每一个节点都有一台智能化仪表，包括变送器、检测仪表、执行器等现场仪 表和控制室内仪表装置，这些仪表都遵循统一的标准化和规范，按照系统化和开 放型的要求，实现数字化、智能化、标准化，并且增加远距离操作、故障自诊断 和就地控制功能，这样就实现了真正意义上的分散控制，集中管理。这种系统称 为f c s 基于现场总线的控制系统。 中国是一个能源结构以煤为主的国家。在城市能源结构以煤为主的条件下， 为节约能源、改善环境、改变落后分散的锅炉房和小煤炉供热方式，国家鼓励发 基于c a n 总线的热网监控系统 展热电联产集中供热。中华人民共和国节约能源法第三十九条明确提出“推广 热电联产集中供热，提商热电机组的利用率，发展热能梯级利用技术，热电冷联 产技术和热、电、煤气三联供技术。”在这个方针的指导下，我国北方许多城市已 经或即将进行热网改造工程，将传统的分散供热改造为集中供热。 集中供热系统是一个大型的综合性系统，为了保证其运行安全可靠，需要有 一套自动化程度较高的监控系统来进行实时监控。热网微机监控系统是一个集计 算机、网络、多媒体、自动检测与自动控制、传感器与执行机构技术为一体的多 学科综合性自动化系统，主要用于集中供热管网的监测、控制、计量、热网平衡 分析、综合决策及调度等。热网微机监控系统由五种站点组成：首站、热力站、 增压站、调度站以及首长站。其中，首站是整个热网微机监控系统中最复杂的站 点，它的设计好坏直接关系到整个热网能否正常运行。传统的系统方案中，首站 采用集中控制方式。在实际施工以及系统运行过程中，集中式首站监控系统存在 接线复杂、维修困难、危险集中等缺点。为了克服上述缺点，作者采用现场总线 技术来设计新型的热网首站监控系统 传统的监控软件一般是针对具体工程而开发，这种软件存在开发周期长、不 易扩展、可复用性差等问题。监控组态软件的出现，在一定程度上缓解了这些问 题。组态( c o n f i g u r a t i o n ) 是指使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置， 达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特殊任务，满足使用者要求的目的捧】。 采用组态软件，用户不器要缩写程序，便可生成适合自己需要的应用系统。从而， 监控软件的开发周期得以缩短，避免了不必要的资源浪费本文第五章论述了热 网首站监控系统上位机组态软件的设计与实现。 由西安电子科技大学多媒体研究所研制的热网微机j i 蠡控系统有机结合计算 机、网络、多媒体、i 刍动检测与自动控制、通讯、测量及传黪器的多种技术，利 用了各领域内的先进成果，使系统成为一个具有多学科综合、高效稳定、易于操 作的自动化系统。它以调度站为中心，实时监控整个热网的运行状态，使热网长 期安全、高效、经济的运行。以往采用的集中式热网首站监控系统存在危险集中、 可扩展性差等问题，本文将现场总线技术引入热网首站，论述了基于c a n 的热网 首站监控系统的设计与实现。 1 2 国内外进展状况 一、现场总线技术 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。最早的现场总线标准 是美国i n t e l 公司于1 9 8 4 年推出的b i t b u s 标准；”。随后，国际上有多家公司与组 织推出了各自的现场总线标准。截至目前，由于行业与地域发展历史等原因，加 第一章绪论 之各公司和企业集团受自身商业利益驱使，现场总线尚无一个统一的国际标准。 当前比较有影响的现场总线技术有以下几种o ：基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、 h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r ) 、c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ， 控制器局域网) 。 f f 由现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 组织开发，现场总线基金会的目 标是致力于开发出一种统一标准的现场总线l 。但是，其标准化进程比较缓慢p ：。 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导， 于1 9 9 0 年正式公布而形成的。 p r o f m u s 是由德国政府协同一些自动化企业于1 9 8 9 年推出的。 h a r t 由g o s e m o u n t 公司开发，目前采用的版本为h a r t v 5 ，h a r tv 6 即将 推出拇1 。 c a n 由德国b o s c h 公司于2 0 世纪8 0 年代初推出，目前有两种版本的技术规 范：c a n 2 0 0 n 1 与c a n 2 0 b 1 4 1 。以c a n 为基础，a l l e n - b r a d l e y 公司于1 9 9 4 年推 出了d e v i c e n c t 现场总线，c i a ( c a ni n a u t o m a t i o n ) 组织于1 9 9 3 年推出了c a n o p e n 现场总线【5 1 。m d a n i 等提出了一种无线介质访问控制协议l ，可以用于无线c a n 网络中。 现场总线的多样化，一方面促进了控制技术以及通信技术的发展，另一方面， 使得用户在设计方案时有多种选择。但是，由于缺乏统一的现场总线标准，在一 套系统中，必须选用遵循同一协议的仪表以及传感器。这样，影响了现场总线控 制系统的开放性。因此，发展共同遵从的、统一的现场总线标准规范，真正形成 开放互连系统，将是大势所趋。 在对各种现场总线技术进行对比后，作者选择c a n 现场总线进行研究，并且 将其应用到本文所论述的热网酋站监控系统中。 二、集中供热监控系统 城市实施集中供热是我国城市建设的基本国策之一。我国人口众多，城市建 筑密集，热源建设能够实行统一管理，因此，集中供热是一项适合国情的城市基 础设施。在我国，集中供热得到了迅速的发展，至1 9 9 7 年，全国城市实现集中供 热的建筑面积已超过8 亿平方米，约占城市建筑总面积的1 2 。 城市实施集中供热，可在很大程度上改善供热质量、节约能源、减轻对大气 的污染。城市热源布局由分散变为集中，可减少大量的小锅炉房，减少高层建筑 与烟囱的交错排列，也减少市内煤、灰的交叉运输，对城市环境的改善起到不可 替代的作用。 在我国，唐山市于1 9 8 6 年首先使用计算机监测热网的运行f “ ，随后北京、赤 峰等地开始在热网中采用计算机进行监测。但是，整体来看，我国城市热网的管 4 基于c a n 总线的热网监控系统 理水平比较低。据中国城市集中供热协会第四届年会及有关资料的统计情况显示， 国内集中供热监控系统还没有一套完整的测、控、管一体化的系统，目前，鸡西、 虎林等地的热网监控系统在国内处于领先水平i ”l 峭；。在集中供热监控系统中， 热网首站一般采用集中式控制。根据掌握的资料，目前国内还没有采用现场总线 技术的热网首站监控系统。 由于集中供热显著地改善了环境，节约了能源，在国外得到政府的大力支持。 国外集中供热比较先进的国家有丹麦、瑞典等。 三、监控组态软件技术 组态软件最早出现于d c s 中。一般来说。每一套d c s 都配有相应的组态软件。 但是，直至0 现在，每个d c s 厂家的组态软件仍然是专用的( 郎与硬件相关) ，不 可相互替代。 随着组态软件技术的完善，国内外已经推出了不少相应的产品，有的是随着 集教系统一起推出作为专用配套软件的，有的是通用软件。如荚国i n t e l l u t i o n 的 f i x ，西雷公司的o n s p e c ，a b 公司的c o n t r o l v i e w ，w o n d e r w a r e 公司的l n 钔狮7 c h 等，这些产品在国内外都得到了不同程瘦韵应用。同国外相比，国内组态软件的 研制起步较晚，僵近年来也得到了较快钓发展，许多公司都推出自己钓产品，如 清华紫光公司的组态王k i n g v i e w ，北京微艾系统工程有限公司的微艾可视人机界 面开发系统，上海c o m e t 公司的c o n d a c 监控组态软件包等。 从整体上看，国外组态软件发展的较为成熟，软件的功能强大，性能可靠， 尽管这些组态软件有着极大的生命力农众多的优越性，但从我国的国情来看。还 存在着一些不足之处。主要有： ( 1 ) 价格昂贵，许多中小型用户无法承担； ( 2 ) 系统复杂，大多数企业缺乏设计、安装、调试、运行和管理能力； ( 3 ) 国外有些产品不支持汉字功能。绘系统的组态、整定、修改和维护带来不 便。 鉴于通甩监控组态软件存在上述阿题，在热网首站监控系统中。需要针对实 际系统研制相应的监控组态软件。 1 3 本人的工作安排 本文研究的重点有两个： 1c a n 现场总线在热网首站监控系统中的应用。 2热网首站监控系统上位机监控软件的实现。 作者所做工作主要有： 1对集中供热系统进行了研究，明确热网首站与系统中各个站点的相互关系。通 第一章绪论 过对以往集中式首站监控系统进行分析，将现场总线技术引入热网首站，设计 了新型的热网首站监控系统。 2 作者对目前比较有影响的几种现场总线技术进行了研究，在分析对比的基础 上，选择c a n 作为首站监控系统的设备层通信总线。c a n 现场总线在国内的 应用尚不成熟，作者对c a n 协议及其原理进行了比较深入的研究，并且将c a n 现场总线应用到热网首站监控系统中。 3 c a n 的规范中没有对应用层进行定义。系统中采用的c a n 网卡实现了相应的 应用层协议，但是存在一些缺陷。作者对c a n 网卡规定的应用层协议进行了 改进。提出了动态优先级调度方案。针对热网首站监控系统的实际需求，制定 了用户层通信协议。 4 为了使本系统具有较强的适用性，作者对热网首站的共性进行了抽象，提出了 通用的热网首站软件模型，提出了通用的动画界面模型以及数据库组态模型。 在建立模型的基础上，设计了有组态功能的上位机监控软件。 5 在系统的通信程序中，提出了三次握手通信协议，弓i 入帧滤波措施，从而提高 了系统的可靠性以及实时性。 6 目前，该系统已经在实验室测试成功。运行结果表明，该系统达到了预期的设 计目标。采用c a n 现场总线技术之后，热网首站监控系统结构简单明了，接 线明显减少，施工方便，系统的可靠性得以提高。与集中式首站监控系统相比， 基于c a n 的热网首站监控系统工程费用下降，更易被用户接受。在上位机监 控软件的实现过程中，采用组态思想，提高了软件的复用程度。本系统的硬件、 软件适应性较强，可以推广到其它中小型应用场合。 第二章现场总线技术 2 1 现场总线的基本概念 现场总线是9 0 年代兴起的一种新事物，它将当今网络通讯与管理的观念带入 控制领域，目前还没有统一的国际标准。但般认为现场总线就是集控制、计算 机、通信技术为一体的互连通网络，可用于各种生产自动化现场智能仪表仪器、 控制器、执行机构间数字化、串行、双向、多点的相互连接，被看作是一个由数 字通讯设备和监控设备组成的用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放 的、全数字化、双向、多站的通信系统。 现场总线技术是在市场对现场仪表智能化以及全数字控制系统的需求驱动下 产生的。广义上说，“现场总线”一词是与现场检测仪表、执行装置进行双向数 字通信的串行总线系统。也可以说现场总线的本质是信息处理现场化。现场是指 其工作环境处于生产设备一侧，而总线则是指传送信息的公共路径指遵循同一 技术规范的连接与互操作方式。这些遵循同技术规范与操作方式的设备可通过 总线互联为系统，并实现相互操作 2 2 现场总线技术产生的必然性 现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果。现场总线的产生首先反映了 仪器仪表本身发展的需要。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具 有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传 感器信号进行调理放大后，经过v i 电路转换，输出4 2 0 m a 或o 5 v 的模拟信 号，其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程 变量经调理放大、a d 采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处 理后，再通过d a 、v i 等电路，仍然以4 2 0 l n a 或o 5 v 的模拟信号输出，这种 智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然 容易受到外界电磁干拢，传输精度和可靠性都不高。于是，人们在仪器仪表中增 加了通信接口( 如r s 2 3 2 4 8 5 等) ，以数字通信的方式代替模拟信号传输。但由于 这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层 协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家生产的仪器仪表由于通信协议的 专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。为解决这个问题，必须使这些网 络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。其次，现 第二章现场总线技术 场总线的产生也反映了企业管控一体化信息集成的要求。 2 3 现场总线产生的意义 现场总线技术是本世纪末工业自动化控制发展的最新阶段。它的诞生，将对 传统的工业自动化仪表与控制系统带来革命，开创过程控制新纪元，给自动化仪 表产业带来一次重大的质变。尽管4 2 0 m a 的模拟式仪表还将继续存在相当长的 一段时间，但现场仪表的主流将是符合现场总线标准的全数字智能仪表。这场自 动化技术的革命，就其深度和广度来说，将超过以往的任何一次革命。从现在起， 传统的d c s 系统的输入输出结构将被现场总线取代，新的现场总线控制系统 ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 简称f c s ) 将逐步取代己处于顶峰的d c s 。传统意义上的 d c s 现在仅仅指生产过程控制这部分的自动化，而现场总线技术出现以后，d c s 也将向更加分散的方向发展。向下深入到现场的每台测量设备、执行机构，向上 发展到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全瑟解决方案。 2 4 现场总线技术的主要特点 现场总线通信协议是根据国际标准化组织i s o 的开放互联系统模型o s i 来制 订的，它结合工业控制的标准，对o s i 的体系结构进行了优化组合，一般省略了 一些中间层，它主要包括三个部分；物理层( t h e 哪s i c a ll a y e r ) ，通信栈 ( t h ec o m m l 7 n i c a t i o n “s 1 a c k ”) ，用户应用层( mu s e r a p p l i c a t i o n l a y e r ) ，这种简化保证了通信的速度。 现场总线包括如下的一些技术特点： ( 1 ) 、现场通信网络：现场总线一直把通讯线延伸到生产设备，构成用于过程自 动化和制造自动化的现场设备和现场仪表互联的现场通信网络。它的信号传输实 现了全数字化，这种方法极大地提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信 号传输过程中存在的信号衰减，精度下降、干扰信号的引入等长期难以解决的问 题。 ( 2 ) 、现场设备互联；现场设备在现场总线系统中已成为由微处理为核心的智能 设备，彼此通过一对信号线互联，所支持的通信媒体可以是双绞线、同轴电缆、 光纤和电源线。 ( 3 ) 、互操作性：现场设备种类繁多，没有任何一家制造商能提供一个工厂所需 的全部现场设备，所以互相连接不同制造商生产的设备是不可避免的，由于遵守 统一的生产协议和生产规范，因此可以将不同厂家的产品性能价格比最优的产品 连接起来，实现“即插即用”，对不同品牌的产品统一组态构成所需的控制网络。 基于c a n 总线的热网监控系统 ( 4 ) 、分散的功能块：e c s ( 现场总线系统) 废弃了d c s ( 分布式控制系统) 的 i o 控制站t 将这一级的功能分散地分配给现场仪表，因此用户可灵活地选用各种 功能块，经过统一组态构成控制电路，实行彻底的分散控制。 ( 5 ) 、开放式互联系统：现场总线是开放式的互联系统，既可以与同层网络互联， 也可以与不同层网络层互联，不同制造商生产的产品也可以互联。开放式互联系 统也体现在数据的共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，将不同制造商 的网络和设备连结在一起，构成统一的f c s 。现场总线设备一般具有良好的通讯 接口，可以方便地实现与计算机的通信。 现场总线的这些特点不仅保证了它完全可以适应目前工业数字通信和自动控 制的需求，而且使与i n t r a n e t 互联构成不同层次的复杂网络成为可能。 2 5 现场总线对国民经济的作用 现场总线技术将引起控制系统体系结构的一次革命，将在今后几十年内影响 自动化仪表和自动化技术的发展。 新型的全数字控制系统的出现，将充分发挥上层系统调度、优化、决策的功 能，更容易构成c i m s 系统并更好地发挥其作用。有利于企业实施综合自动化策 略，使企业从粗放型向集约型转化，将给国民经济带来巨大的经济效益。 现场总线和开放系统的应用将大大降低自动化系统的投资，仅系统布线、安 装、维修费用，可比现有系统减少6 6 。另外，还带来节约厂房面积，减少电缆 桥架铺设等其它方面投资的减少。 现场总线技术的出现，对我国的仪表行业也是一次机遇。可以利用新的技术， 大大缩短我国自动化仪表技术与国外的差距，振兴我国的仪表产业。 2 6 国外现场总线的发展趋势 仪表制造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。自八 十年代初，采用数字模拟混合信号的智能现场仪表开始投入市场。例如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 1 压力差 压变送器均属于这类产品。它们的特点是既有4 - 2 0 m a 模拟信号，又有数字信号， 易于被现有的用户所接受，同时，还具有智能化的功能。这类产品发展很快。根 据p o s e m o u n t 公司声称，其9 5 年生产的变送器中智能化的产品已经占8 0 。 在产品投入市场的同时，现场总线的标准制定工作也加紧开展。不同国家， 不同厂商也纷纷组成集团，发表各自的现场总线标准，以图率先占领市场。比较 主要的有h a r t 、p r o f i b u s 、c a n 等。在工业自动化领域，逐渐形成两大派别。一 第二章现场总线技术 派是以f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，另一派是以h o n e y w e l l 公司为首。两大派别利 益驱动，长期不能统一。后迫于用户的压力，于1 9 9 4 年9 月两大派别终于合并， 成立f i e l d b u s f u n d a t i o n 。简称f f 。国际商著名的仪表公司参加了该组织，并与 e c 在现场总线标准的技术问题上取得一致意见，大大加快了现场总线标准制订的速 度。 2 7 现场总线的种类 由于目前缺乏统的国际标准，在未来一段时期内，将会出现几种现场总线 标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。下面对几种有影响的 现场总线技术进行比较，并从中选择在热网首站滥控系统中采用的总线。 一、基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，f f ) 基金会现场总线能适应本质安全防爆的要求，可以通过传输数据的总线为现 场设备提供工作电源。f f 定义了o s i 模型中的物理层、数据链路层、应用层、用 户层。f f 的优点是配置灵活、协议的功能齐全；其缺点是实现复杂，兼容设备有 限，另外其标准化的进程以及被工业应用接受的进程比较缓慢。 基金会现场总线的主要技术； 因为基金会现场总线是工厂底层网络和全分布式自动化系统，围绕这两个方 面形成了技术特色，其主要技术内容包括： 1 ) 基金会现场总线的通信技术：包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、 通信器芯片、通讯网络与系统管理等主要内容。它涉及一系列与网络相关 的软硬件，如通信栈软件，被称为园卡的仪表内置通讯接口卡、f f 总线与 计算机的接口卡、各种网关、网桥、中继器等，是现存总线的核心技术之 一a 2 ) 标准化功能块( f b 羽烈c o nb l o c k ) ：它提供一个通用结构，把实现 控制系统所需要的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化，规定 它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块功能图，并把它们组成为 可在某个现场设备中执行的应用进程。便于实现不同的制造商产品的混合 组态与调用。功能块的通用机构是实现开放系统构架的基础，也是实现各 种网络功能与自动化功能的基础。 3 ) 设备描述( d d d e v i c ed e s c r 口1 r 1 0 n ) 与设备描述语言( d d l - d e c e d e s c r 口t i o nl a n g u a g e ) ：设备描述为控制系统理解来自现场设备的 数据意义提供必须的信息，因而也可以看作控制系统或主机对某个设备的 驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种用于进行 设备描述的标准编程语言。采用设备描述编译器，把d d l 编写的设备描述 基于c a n 总线的热网监控系统 的源程序转化为机器可读的输出文件。控制系统正是凭借这些机器可读的 源文件，来理解各制造商附加的d d l ，写成c d r o m ，提供给用户。 4 ) 现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术。在现 场总线的产品开发中，常采用o e m 集成方法来构成新产品。已有多家供 货商向市场提供f f 集成通讯控制芯片，通信栈软件，园卡等。把这些部件 与其他供货商开发的或自行开发的完成测量控制功能的部件集成起来，组 成现存智能设备的新产品。 5 ) 系统集成技术：包括系统通信与控制系统的集成。如网络通信系统组态、 网络拓扑、配线、网络系统管理；控制系统组态、人机接口、系统管理维 护等。这是一项集控制、通信计算机、网络等多方面的知识，集软硬件于 一体的综合性技术。 6 ) 系统测试技术：包括通信系统的一致性与互操作性测试技术；总线监听分 析技术；系统的功能、性能测试技术。一致性和可互操作性测试是为了保 证系统的开放性而采取的只要措施。一般要经过授权过的第三方认证机构 作专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果交基金会注册，授 予f f 标志。 二、p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国于9 0 年代初制订的国家工业现场总线协议标准，代号 d i n l 9 2 4 5 。它采用了o s i 模型的物理层、数据链路层。根据应用特点，p r o f i b u s 有三个兼容版本：p r o f i b u s - d p 、p i 啪u s - f m s 、p r o f i b lr s - p a 。它是由1 3 家科研机构在联合开发的项目中制订的标准化规范。 p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 主要应用范围在生产车间级， 即中、下层，要求面向对象服务，进行较大的数据交换。 p r o f i b u s - d p ( d e z e t r a l ep e r i p h e r i e ) 应用于现场级，在这一要求响应时间短， d p 由于它的高速度适用于自控设备和外围设备之间通讯。 p r o f u b u s - p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 应用范围是过程自动化。为它定义了 i e c l l 5 8 2 中确立的传输技术，可以在有爆炸危险的环境中使用，即本安型。 p r o f i b u s 的优点是能够高速处理大量的数据，对于每个节点来说，每个报 文最多可包含2 4 4 字节的数据。其缺点是传送的数据少时，额外开销大，因为每 个报文均有1 2 个字节的额外开销；另外，p r o f i b u s 在总线上没有电源p i 。 三、l o n w o r k s l o n 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的局部操作网络，为分散式监控系 统提供了很强的实现手段。为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线设计、产品提供了一套完整的开发平台。l o n w o r k s 对其 使用的技术，从神经元芯片到七层协议、以及神经元芯片的c 语言都详尽地提供 第二章现场总线技术 给用户。1 9 9 7 年6 月，e c h e l o n 公开l o n t a l k 协议，允许其他c p u 制造商将其嵌 入，这样一来使l o n w o r k s 的技术更开放。 它具有完全符合o s i 标准的完整七层网络通信协议l o n t a l k ，网络节点采用对 等通信方式，最大通信速率为1 2 5 1 v l b p s ，l o n n v o r k s 技术的核心是神经元芯片 n e u r o n c h i p ，由美国m o t o r o l a 公司和日本东芝公司合作生产，它的内部有三 个微处理器，分别处理网络通信及数据处理等功能。l o n w o r k s 采用网络变量的设 计方式包括接口i 0 在内所有的信息交换均通过网络变量进行，这样给网络的设 计带来极大方便。l o n w o r k s 技术拥有现场级控制系统所要求的全部特性外，还具 有其它现场总线所不具有的优点：( 1 ) 多介质传送，双绞线、射频、电力线、红 外、电话、光纤等等都可以作为网络通信的介质。( 2 ) 唯一符合i s 0 0 s i 七层网 络协议模型的现场总线系统，在充分考虑控制系统特殊要求的基础上，建立每一 层网络协议。( 3 ) 自由的网络拓扑结构，灵活而低成本的布线。( 4 ) 无明显的行 业限制。可很好地应用于各种智能化管理系统，如楼宇自动化系统等。 l o n w o r k s 的技术特点： 1 ) 、开放性；网络协议开放，对任何用户平等。 2 ) 、通讯介质开放：可在任何通信介质下通信，包括双绞线、电力线、光纤、同 轴电缆、射频电缆、红外线等，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。 3 ) 、互操作性：l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 是符合国际标准化组织( i s 0 ) 定义的 开放系统互联( 0 s i ) 模型。任何制造商的产品都可以实现互操作性。 4 ) 、l o n w o r k s 网络通讯采用了“网络变量”，使网络通讯的设计简化成为参数设计， 增加了通信的可靠性。 5 ) 、通信的每帧有效字节数，可以从0 到2 2 8 个字节。 6 ) 、通信速度可达1 2 5 m b i t s ，此时有效距离为1 3 0 m 。 7 ) 、i ，o 啊旧r k s 直接通信距离长达2 7 0 0 m ( 双绞线，7 8 k b 甜s ) 。 l o n w o r k s 技术基本元件n e u r o n 芯片中有3 个8 位c p u 。第一个c p u 为 介质访问控制器，处理l o n t a l k 协议第1 和第2 层。第二个c p u 为网络处理器， 它实现l o n t a l k 协议第3 层劐第6 层。第三个c p u 为应用处理器，它执行由用户 编的代码和用户编的代码新调用的操作系统。神经元n e u r o n 芯片的编程语言为 n e u r o nc ，它是从a n s i c 中派生出来的，并对a n s i c 进行了删、补。 也正是因为l 伪娟d 腿s 具有以上的诸多特点，并且国内的发展趋势也以 l 0 m 0 r k s 为主，且已经形成一定的规模和力量，技术相对成熟，( 国内正趋向 于制订l o n w o r k s 的统一规范) ，以及l o n w o r k s 的开发成本、费用相对而言 要少一些，所以很多企业仍以l o n w o r k s 为开发工具。 基于c a n 总线的热网监控系统 第三章c a n 总线技术研究 3 1 现场总线标准 在现场总线系统中，总线标准的制定是非常关键的。由于现场总线网络有它 自己的特点，如实时性强、可靠性高、造价低廉等，不能照搬已有的o s i 标准和 现有的网络硬件，因此世界上很多厂家纷纷推出自己的标准。 最早提出现场总线标准的是美国i n t e l 公司，其于1 9 8 4 年推出b i t b u s 标准。 1 9 8 5 年美国r o s e m o u n t 公司推出a r t 协议，在4 2 0 m a 模拟信号的基础上迭加数 字信号。同期，德国的s i e m e n s 、a e g 、a b b 等公司也推出了p r o f i b u s 标准。在此 基础上，1 9 9 2 年组成了i s p 组织，有9 0 多个公司加盟，着手在p r o f i b u s 上开发 标准。随后在1 9 9 3 年，美国h o n e y w e l l 等公司以法国f i p 标准为基础，提出了 w o r l d f i p 总线标准，有1 2 0 多个公司加盟。1 9 9 4 年，i s p 和w o r l d f i p 两大集团在 用户的压力下联合成立非盈利性的现场总线基金会( f f ) ，推动了现场总线标准的 制定与产品开发，1 9 9 6 年颁布了低速总线眦的标准。 与此同时，在不同行业还派生出一些有影响的总线标准，它们大都得到其他公 司、用户以至国际标准的支持如德墨b o s c h 公司的c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 美国e c h e l o n 公司的l o nw o r k s 等。由于多种行业，需求各异，在今后一段时期 内，会出现几种现场总线标准共存，同一生产现场有几种异构网络互连的局面。 基于c a n 的总线网络，其突出特点是配置灵活、帧结构简单、传输速度快而 且可靠性很高。特别适合工业过程监控设备的互联，并己被公认为是最有前途的 现场总线之一。经过比较，c a n 网络可以较好地满足热网微机监控系统控制通信 的要求，且实现的复杂性也不大。 3 2c a n 网络基本概念 控制器局域网( c a n - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，是由德国b o s c h 公司( 博 世公司) 在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制器与设备之闻的数据交换而开 发的一种串行数据通信协议。由于其小巧、灵活、可靠、实时性强等特性，c a n 越 来越受到人们的重视。