（检测技术与自动化装置专业论文）工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制.pdf

东南大学硕士论文工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制摘要 摘要 以计算机、通信、控制、c r t 为特征的集散型控制系统的出现标志着工业现场系统从传统的集 中控制系统过渡到基于l a n 的集散控制系统。本文在综述目前工业网络构建方法的基础上，以南京 某研究所实际工程项目为背景，设计了基于r s 4 2 2 a 总线的网络温度控制系统。具体的分析了其硬 件系统构成以及通信协议的实现方法，并详细分析了采用v c + + 6 0 软件设计的监控软件的结构和具 体实现。r 业现场刚络系统的发展离不开智能仪表的发展，智能化和网络化将是今后智能仪表的发 展方向，故本文从软硬件设计上具体论述了智能温度控制仪表的研制：仪表的智能化即包括先进控 制算法的应用，所以在本文中还把传统的p i d 控制技术和目前广为应用的模糊控制各自的优点相结 合，设计了参数模糊自整定p i d 控制器，并通过m a t l a b 进行了仿真。最后，本文对今后研究的 发展方向提出了自己的个人建议。相信本文的研究结果对工业控制系统的发展起到一定积极啦推动 作用。 关键词：工业网络r s 4 2 2 a 总线智能温度程序控制仪模糊控制模糊p i d 控制器 东南人学硕 论文 工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f 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 ) i n t e g r a t e dc o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r o i 、 c r tm a n i f e s tc h a n g ef r o mt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lt od i s t r i b u t e dc o n t r o ls y a e mb a s e do nl a n i nt h i s p a p e r b a s e do ns u m m a r i z i n gp r e s e n tm e t h o do fs e t t i n gu pi n d u s t r yn e t w o r k ，d e s i g n e dt e m p e r a t u r ec o n t r o l n e t w o r ks y s t e mb a s e do nr s 4 2 2 af i e l db u sb a s e do nn a nj i n gs o m ei n s t i t u t e a n a l y z e dt h i s s y s t e m s t r u c t u r ea n di t sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s s p e c i f i c p a r t i c u l a r l y a c c o u n t e dp r o g r a m m i n go fr e a l - t i m e m o n i t o r i n g c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eu s i n gm u l t i - t h r e a do fv c + + 6 0 t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lf i e l d n e t w o r ki sc o n n e c t e dt i g h t l yw i t h d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t , i n t e l l i g e n c e a n dn e t w o r ki s d e v e l o p i n gd i r e c t i o no fi n s t r u m e n t s oi n t r o d u c e dt h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o li n s t r u m e n t f r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h i sp a p e rd e s i g n e dp a r a m e t e rf u z z ys e l f - a d j u s tp 1 dc o n n e c t i n gt r a d i t i o n a l p i dc o n t r o la n dn e w f u z z yl o g i cc o n t r o la n di n v e s t i g a t e di nm a t l a b i no r d e rt od e e p e rr e s e a r c ht h et a s k o i lt h i sp a p e rf o rt h ef u t u r e ，s o m ei n d i v i d u a ls u g g e s t i o n sa r ei l l u s t r a t e da tt h ee n do f t h i sp a p e r w eb e l i e v e t h i sp a p e ri sh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a ic o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s - i n d u s t r y n e t w o r kr s 4 2 2 a - b u s i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rf u z z y c o n t r o l f u z z yp i dc o n t r o l 2 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垄! f 丢l 煎! 日期：趟弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：墨四缝导师签名： 苏z 妒 东南大学倾卜论文t 业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第一章绪论 第一章绪论 近2 0 多年来，工业控制系统从传统的集中控制系统过渡到基于l a n 的集散控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ，d c s 正逐渐取代常规仪表成为工业控制主流。随着计算机硬件软件技术以及集成 电路技术的迅速发展，组建新型网络控制系统提上日程。在新的形势下要求工业控制系统满足控制 面向多元化，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 统就是为了适应这种需求而发展起来的，这类系统是以微型计算机为核心，将4 c 技术一一 c o m p u t e r ( , t 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) 和c r t ( 显示技术) 紧密结 合的产物，这就是人们所说的现场总线技术( f i e l db u s ) 。按照国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准的定 义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内自动化装置之间的数字式、串行、多点通信的数 据总线称为现场总线( f i e l db u s ) 。从本质上讲，现场总线以全数字、开放的、独立双向多变量通 信替代4 2 0 m a 的传统现场仪表，以实现控制系统的数字化、网络化，控制系统正向开放性、网络 化和智能化方向发展。由此产生了控制对象形成的网络，即控制网络( i n f r a n e t ) ，从而可构建企业 的信息网络和控制网络，是今后发展的方向”1 。另一方面，模糊控制、遗传算法、神经网络等控制 理论的发展和完善也为探索更有效的控制算法奠定了良好的物质基础。在上述的研究背景下，本论 文课题的研究内容将围绕现场总线和d c s 集散系统展开讨论，研究基于r s 4 2 2 a 现场总线网络系 统的组建方法、智能温控仪的研制以及探索模糊控制算法的实际应用。 本章首先概述工业测控网络发展的回顾与展望，然后简述了现场总线的主要产品及现状；最后 展望了j 业现场总线技术的发展趋势，并介绍了本课题的主要研究内容。 1 1 工业控制网络系统的回顾与展望 在我国随着计算机在工业中的广泛应用，控制局域网络也逐步深入应用到各行各业之中。在工 业化大生产的今天，现行的诸多控制系统，如果采用单机控制方式已越来越难以满足设备的控制要 求，因为往往我们所控制的设备只是整个系统的一个基本单元，它既需要外部输入一些必要的信息， 同时，也需要向外部输出自身的运行参数和状态。所有这些都要求我们采用控制网络技术，将诸多 设备有机的连成一体构成一个复杂的控制系统，才能保证整个系统安全可靠高效的运行。同时，为 了便于工厂的各个部门对控制现场信息进行管理，组建控制局域网已成为现代化工业管理的迫切需 要pj 。工业现场网络的产生和发展有其客观的必然性，下面先回顾一下工业现场网络的发展历程， 然后介绍工业现场网络组建的现状、目前存在的问题以及未来发展的趋势。 1 1 1 工业控制网络系统的历史回顾”1 。 5 0 年代以前，由于当时的生产规模小、检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是 安装在生产设备现场、只具有简单测控功能的基地式气动仪表，其信号仅在本表内起作用，一般不 能传给别的仪表或系统即各测控点只能成为封闭状态无法与外界沟通信息，操作人员需要通过生 产现场的巡视了解过程的状态。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息 实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合仪表，出现了集中控制室。由于模拟信号的 传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销和难度都较大，信号传输 的抗干扰能力也较差人们开始寻求数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。由丁当时的数 字计算机技术尚不发达且价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的仪表盘，出现了集中式数 字控制系统。但由于当时的数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现故障，会造成所有控制回 东南大学硕士论文工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第一章绪论 路瘫痪或生产停产的严重局面，这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。 在7 0 年代中期，咀采用4 c 技术( 计算机、通信、控制、c r t ) 为特征的集散型控制系统的出 现标志着工业现场网络的开端。随着计算机可靠性的提高和价格的大幅度下降，出现了数字调节器、 可编程控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相组合的集散控制系统。它适应了 现代】。业的控制分散眭和管理集中性的时代要求，采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制 级、控制管理级和生产管理级共同组成一个以通信网络为纽带的集中显示、操作和管理，控制相对 分散，配置灵活、组态方便的多级计算机网络系统结构。它是由计算机技术、信号处理技术、测量 控制技术、通信网络技术和人机接口技术等多学科相互发展和相互渗透的结晶，它不同于分散的仪 表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，它吸收了以往控制方法的优点，在它们的基础上发 展起米的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性， 在2 0 世纪8 0 年代中期，国际上开始发展起来一种新技术，即现场总线。所谓现场总线是应用 丁生产现场、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、多节点通信的底层控制网络。现场总线导致了传统的控制系统结构的变革，形成了新型的 网络集成式全分布控制系统，即现场总线控制系统f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 。这是继基地 式气动仪表控制系统、电动单元组合式、模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系 统d c s 后的新一代控制系统。它已成为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的 计算机局域网。它的出现标志着工业控制技术领域叉一个新时代的开始，它将对该领域的发展产生 重要的影响，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p 】， 在接r 来的部分会介绍现场总线的主要产品及现状。 综上所述工业测控系统的发展经历了以下几个阶段： ( 1 ) 4 0 年代，第一代过程控制体系结构( 直动控制式p c s ) 主要基于3 1 5 p s i 的气动信号标准。 ( 2 ) 5 0 7 0 年代，第二代过程控制体系结构( 模拟控制式a c s ) 主要使用4 2 0 m a 模拟信号标准， 此阶段，自动测量与数据处理装置主要使用在较大规模的化工工业生产中，6 0 年代初s c c 、d d c 系 统得以应崩。 ( 3 ) 7 0 年代初，随着小型、微型计算机的出现，自动测控系统进入集中控制阶段，即进入第三 代过程控制体系结构( 集中控制式c c s ) 。 ( 4 ) 7 0 年代中期以后，微处理器工业的迅速发展使得过程控制很快进入第四代过程控制体系结 构( 集散控制式d c s ) 。d c s 技术是“大系统”理论的具体应用，系统控制任务被分解到每个控制单元， 系统内的各单元通过计算机网络进行组合从而可以灵活地组建集散控制系统d c s 。2 0 余年间，d c s 得到广泛应用与发展，计算机与计算机网络技术在其中起了关键的推动作用。 ( 5 ) 进入8 0 年代特别是8 0 年代中期以后，工业生产的目标是实现全局优化，工业测控系统已 经向c i m s c i p s ( 计算机集成制造系统计算机集成过程控制系统) 方向发展，测控仪表开始从模拟 化向数字化、智能化发展，随着计算机与计算机网络技术的飞速发展，现代计算机控制系统中的计 算机、微处理器越来越接近现场，现代过程控制体系结构开始从集散控制向现场控制转化，8 0 年代 末至9 0 年代初，第五代过程控制体系结构( 现场控制式f c s ) 逐步形成。 由丁- d c s 系统是基于封闭、专用的解决方案，它的自身固有的这一缺点阻止了它的进一步发展 和推l 。近二十年来，现场总线的发展势头非常迅猛有逐步取代d c s 系统的趋势。 现场总线的主要产品及现状“ 到目前为止，世界上约有4 0 多种现场总线。2 0 世纪8 0 年代初，德国b o s c h 公司推出控制网络 c k n b u s 扔议。1 9 8 4 年，美国i n t e l 公司提出b i t b u s 标准。1 9 8 5 年，美国r o s e r a o u n l 公司推出h a r t 协议，在4 2 0 m a 模拟信号的基础上叠加数字信号。随后德国的s i e m e n s 、a e 6 、a b b 等公司推出了 p r o f i b u s 标准。1 9 9 0 年，美国e c h e l o n 公司推出并由m o t o r o l a 公司和东芝公司共同倡导的l o nw o r k s 总线技术。1 9 9 2 年，美国的f is h e rr o s e m o u n t 、f o x b o r o 公司、德国的s i e m e n s 、h b 公司、日本 的横河、n e c 等公司成立了i s p 集团，以德国p r o f i b u s 标准为基础提出了i s p 协议，先后有9 0 多家 2 东南大学硕上论文工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第一章绪论 公i ：_ ； 加盟。1 9 9 3 年，美国的h o n e y w e l 、s q u a r e 、a 1 i e nb r a d y 、e l s a qb a i l e y 、h p 、日本的山武、 日立、富十电机等公司成立了w o r l d f i p 组织，共有1 5 0 多家成员以法国的f i p 标准为基础提出了 w o r l d f l p 总线标准。在众多的现场总线产品中，下列产品是比较有影响的。 1c a n b u s 总线( c o n t r o ll e ra r e an e t w o r k ) 8 0 年代初由德国b o s c h 公司开发，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，是一种对等式 的现场总线网络，其总线规范己被i s o 认定为国际标准产品。c a n 包括一系列规范：通信、设备、 接口、应用行规等。它的应用节点数量巨大，仅1 9 9 7 年就达到3 0 0 0 万。它不仅用于工业生产线、 机器人等 二业控制，而且还用于医疗器械、铁路、航海、航空、建筑自动化等领域。由于其性能优 异，价格低廉，因此很快被推广到工业测控现场，被h o n e y w e l l 等自动化厂家广泛选用。特别是在 离散制造加下领域，c a n b u s 具有较强的竞争力。 2p r o f i b u s 总线( p r o c e s sf i e l db u s ) 由德嘲1 3 家工业企业和5 家秘研机构在联合开发项目中制定的标准化规范，是德国标准和欧洲 标准。它提供一个从传感器执行器直至管理层的透明网络，供应完整的产品系列，从底层测控网络、 r 厂管理网络直至i n t e r n e t 系统集成方案，被称为风靡全球的现场总线。p r o f i b u s 在欧洲享有不 容置疑的特殊优势，仅从制造业自动化方面看，约占4 0 的市场份额，居欧洲之冠。在德国市场份 额达到4 4 ，在英国为4 3 。 3基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l db u s 简称f f ) 以f is h e rr o s e m o u n t 公司和h o n e y w e l l 公司为首的两大集团于1 9 9 4 年9 月联合成立了现场总 线基金会，专门致力于开发国际上统一的现场总线协议。它几乎集中了世界上所有的主要自动化设 备制造商，己成为北美和亚太地区实际上的国际标准。 4l o nw o r k s 总线( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) 是一种实现测控网络系统的完整平台。它包含了开发、规划和维护测控网络所需要的所有器件 和上具，能使企业的测控管理系统逐步走向一体化，并且有全分散、连线简单、拓扑灵活的优点， 是一种具有强劲实力的现场总线，被誉为通用控制网络。它在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信 产品等方面，具有独特的优势。 1 i 2 工业控制网络系统的发展趋势 由于d c s 系统是基于封闭、专用的解决方案，它的自身固有的这一缺点阻止了它的进一步发展 和推广。近二十年来，现场总线的发展势头非常迅猛有逐步取代d c s 系统的趋势。工业现场网络在 我国起步较晚，发展较慢，目前正在被许多企业采用工业现场网络主要有d c s 系统和现场总线两种 形式： ( 1 ) d c s 系统中，测量变送器仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混台系统。这种系统 在性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可以在此基础上实现装置级、车间级的 优化控制。但是，在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影 响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范 围信息共享的网络系统存在很多困难。 ( 2 ) 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成系统，实现综合自动化的各种功能：同 时把d c s 集中与分散相结台的集散系统结构变成新型的全分布式结构，把测控功能彻底下放到现 场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 然而，多年来多种现场总线技术并存、现场总线技术标准不统一的局面在某种程度上削弱了现 东南大学硕士论文工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第一章绪论 场总线技术的特点，给用户带来了不便。大多数现场总线使用者都希望有个统一的国际标准。从2 0 世纪8 0 年代后期开始国际电工委员会( i e c ) 便着手现场总线体系结构和总线标准的制定工作，但进 程缓慢。经该组织历时1 0 多年的努力，低速现场总线t 业控制系统现场总线的物理层规范i e c 6 1 1 5 8 2 已获得通过，并成为国际标准，数据链路层和应用层标准已作为技术报告公布。i e c 6 1 1 5 8 是一 个妥协的结果它包括8 个子集：f f h s e ，f f h l ，p r o f i b u s ，i n t e r b u s ，p n e t ，c o n t r o l n e t ， w o r ld f i p ，s w i f t n e t ，然而其实质是没有统一的通信标准。但不同的厂商所提供的设备之间的通信 标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。因此，要将不同的厂商所提供的设备遵从相同的标 准互连成致的通信系统，酋先必须制订相应的统一标准。现场总线将朝着开放系统、统一标准的 方向发展。世界各大厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题，于是目前在信息网络 中广泛应用的以太刚成为首选的目标。因为基于t c p i p 协议的以太网具有传输速度高，低耗，易于 安装和兼容性好等方面的优势，它支持几乎所有流行的网络协议。它能克服现场总线通信协议比较 简单，通信速率比较底的缺点。下一小节对以太网的优缺点及其前景做一展望。 1 1 3 以太网的优缺点及其前景1 1 1 | 以太网在其发展的2 0 年中得到了极为广泛的应用，已经成为一种主流技术。目前在构筑信息 高速公路在企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用了高速以太网。这主要是由于应用以太网 有些以下的优势： ( 1 ) 基于t c p i p 的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备容易互联。这种特性非常适 台于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题； ( 2 ) 以太网能便捷地访问远程系统，共享访问多数据库； ( 3 ) 易丁，i n t e r n e t 连接，能够在任何城市地方利用电话线通过i n t e m e t 对企业进行监控，是提高 生产效率的有效手段： ( 4 ) 能降低成本，包括技术人员的培训费用维护费用及初期投资； ( 5 ) 以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。 以上这些优势使得以太网非常适合应用到工业控制系统中去。然而，原先以太网的发展是以 办公自动化为目标的。为商业实际的。这使得以太网必然有不适台工业控制系统的缺陷。这种缺陷 有时是致命的。主要包括以卜几点： ( 1 )以太网存在实时性差和不确定性的问题 以太网虽然在商业领域获得了广泛的应用，但用标准的u d p 或t c p i p 协议与e t h e m e t 一起 来构建实时控制网络是很难的。这主要是因为以太网的媒介访问控制协议- - - - - c s m a c d 有无法预 见的延迟特性。网络每个节点要通过竞争来取得信息包的发送权：节点监听信道，只有当发现信道 空闲时。才能发送信息；如果信道忙碌则需要等待。信息发送后还还需要检查是否发生碰撞。信息 如发生碰撞，需退出重发。当实时数据与非实时数据在源节点的竞争以及与来自其它节点的实时与 非实时数据的碰撞，实时数据将有可能经历不可预见的大延时，甚至长时间发不出去的情况。以太 网的整个传输体系并没有有效的措施及时发现某一节点故障而加以隔离，从而有可能使故障节点独 占总线而导致其他节点传输失效，工业控制响应的实时性问题就不能得到解决。因此，普通的以太 网要应用于工业控制系统必须解决实时性和确定性的问题。 ( 2 ) 以太网的工业可靠性问题 以太网是以办公室自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要，如超高或 超低的 作温度大马达或大导体产生的影响信道传输- 眭的强磁噪声等。工业以太网如要在车间底 层应_ l j 必须解决可靠性的问题。 ( 3 ) 以太网不提供电源，必须有额外的供电电缆。 ( 4 ) 以太网不是本质安全系统。 ( 5 ) 安全性问题。没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层，造成安全漏洞。 4 东南大学硕士论文工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第一章绪论 ( 6 ) 现存的控制网络与新建以太网络的集成问题。 上述这些问题中，实时性确定性以及可靠性问题是阻碍以太网长期进入一 业控制领域的主要 障碍。为丁解决这一问题，人们从不同角度提出了许多解决方法。比如： ( 1 ) 交换技术的发展与应用，提高了阻太网的确定性，使以太网应用于控制系统成为可能； ( 2 )l _ 业以太刚硬件产品的研究开发将极大地促进其应用于工业控制； ( 3 ) 出现了受大公司支持的工业以太网应用标准以及相关协议标准的改进 以太网的传输速度近几年有了很大的飞越。从最初的1 0 m b s 发展到现在的千兆以太网，万兆 以太网也在研究开发之中。在通信量不变的前提下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，实际 上也就意味着确定性的提高。实验表明，在网络负荷不超过3 6 的情况下，以太网发生碰撞的可能 性极小。因此，随着以太网传输速度的不断提高，以太网的实时性，确定性会有进一步的提高。 综l 所述，随着以太网速度的不断加快以及在不确定性，实时性可靠性方面性能的不断改善， l 业以太网豪无疑问将在控制网络中扮演越来越重要的角色。 1 2 本文研究的主要内容 工业现场的仪器仪表由于采用了单片机技术的设计使得智能化的程度越来越高，同时也使得工 业现场构建网络成为可能。但是单片机技术的应用除了硬件方面的支持外，还必须有相应的软件配 套。例如，单片机设计而成的温度控制仪，仪表的控制精度、控制速度等往往依赖于一套优越的控 制算法，而对于控制算法名目繁多，但真正在小型控制仪中的成功应用还不是很多，特别是对于高 精度、高速度的控制算法在国内小型仪表中的成功应用更是风毛麟角。究其原因，矛盾主要由于小 型单片机内部的资源短缺，无法执行优越的控制算法所致。因此，工业现场网络，智能仪表的设计和 控制算法的研究将是论文研究的主要内容。 1 2 1 工业现场网络的研究内容 随着计算机技术的发展，工业计算机控制系统的应用己非常普及。而智能仪表和现场总线等技 术的引入则代表着一个网络时代的到来，成为工业控制的主流。目前，我国许多生产企业采用的主 要是d c s 系统和现场总线两种形式工业现场网络。其中d c s 系统由于出现较早，技术比较成熟， 因而它的应用比较r 1 泛。r s 4 2 2 a 是双向、平衡传输线标准接口，它以全双工方式通信，支持多点 连接，允许创建多达3 2 个节点的网络( 某些驱动器模块可增加至1 2 8 个) 具有传输距离远( 最大传输 距离为1 2 0 0 m ) ，传输速率快( 1 2 0 0 m 时为1 0 0 k b p s ) 等优点，用于多站互连时，便于组建成本低廉、 可靠性高及分布范围较大的总线网络。因此，r s 4 2 2 a 总线技术在我国以其构造简单、维护容易、 造价低廉和硬件资源丰富、配置灵活等特点仍在低成本的中小型计算机控制系统中占据重要一席。 目前采用p c 与多台单片机构成的分布式系统、工业控制系统、数据传输系统等越来越受到广 泛应用。它既利用了单片机价格低、功能强、抗干扰能力好以及面向控制等优点构建适宜分布于工 业现场、使用方便灵活的监控站或下位机，又结合p c 丰富的软硬件资源，提供管理功能强大、人 机界面友好的操控平台。在这类应用系统中，稳定可靠、方便快捷的数据通信是实现应用系统功能 的基础和保障。因此，根据系统的实际工作环境条件，选择恰当的通信接口和协议，合理设计通信 软件和硬件控制电路就显得十分重要了。本课题将结合某研究所实际项目的特点，我们采用了 r s 4 2 2 a 通信接口组建现场总线网络控制系统。通过总线现场网络的概念把对象的监视控制由上位 机( 计算机) 来完成，充分利用计算机计算速度快、容量大的优点，把一些参数的设定由计算机通 过网络f 传给下位机( 温度控制仪) 并使之独立工作，达到p c 机、小型机优势互补的目的。主机 与从机之间采j ； j 分布式网络结构，总线采用r s 4 2 2 a 串行接1 2 1 标准，传送数据采用主从方式。 东南大学硕士论文工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第一章绪论 1 2 2 智能仪表的研究内容例 现场总线的发胜离不开白动化仪表的进一步智能化。自动化仪表是工业生产过程自动化的重要 上具，两者是相辅相成的，同时发展的。自动化仪表的发展过程，按时间大致可以划分为以下三个 不同阶段： 第一代仪表：是以指针显示为主的自动化仪表，它的特点是以模拟电路为基础，核心器件由分 立元件过度到集成运放，基本结构由基地式过度到单元组合式。 第二代仪表：是以数字显示式仪表，此类仪表的基本原理是将模拟量转化为数字量进行测量， 并以数字彤式显示和打印。因此，第二代仪表与第二代仪表相比，特点是仪表的显示功能由数字电 路实现，两者统称为传统仪表。 第三代仪表：是指智能仪表，这类仪表的特点是以微处理器为核心，能实现信号的检测、采集、 处理和分析。它的优点是测量精度高，能够进行间接测量，能够自动校正，具有自动修正误差的能 力和自诊断能力，能够实现复杂的控制功能。 本文所要讨论的即是第三代仪表即智能仪表的设计。 1 2 3 模糊控制算法的研究内容 近、r 个世纪以来自动控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两个重要的发展阶段。传 统控制理论的一个显著特点是单纯依靠纯数学解析的方法，然而，现代系统的复杂性、测量的不确 定性及系统动力学的不确定性常常使得传统的控制理论显得无能为力【2 l 。 1 9 6 5 年，美国控制论专家扎德( l a z a d e h ) 创立了模糊集合论。为描述、研究和处理模糊性现 象提供了数学工具。1 9 7 4 年，英国的马丹尼( e h m a m d a n i ) 把模糊控制语言用于控制并获得了成功， 标志着模糊控制的诞生。近十年来，模糊控制领域一系列出乎预料的成功，使人们坚信用语言描述 方法综台系统的巨大潜力【| “。 对复杂的控制对象，采用传统的p i d 控制策略实现自动控制相当困难，必须采用人工智能控制 的一些控制思想，才能取得较好的控制效果。与传统p i d 控制方法相比，模糊控制具有许多优点， 它特别适合丁那些难以建立精确的数学模型、非线性和大滞后的过程，因而模糊控制在当今得到人 们的极大重视并有了迅速的发展。模糊控制在国外的蓬勃发展和成功应用极大的推动了我国对模糊 控制的研究与应用。近年来我国的许多学者也开始投入到模糊控制的研究中来，但研究取得的成果 与日本筲发达国家相比是极为有限的。因此，我国积极加快对模糊控制的研究是当务之急的一项重 要任务。 作为智能控制技术之一，模糊控制不需要建立对象的精确的数学模型，只需根据人工的经验或 统计形成其控制规则，避免了对象的不确定性、噪声及非线形、时变性等因素的影响，具有很强的 鲁棒性，在自动控制中得到广泛的应用。模糊控制的研究具有重要的理论和实践价值。首先，模糊 工程在理论和实践中都是- - f q 年轻的科学，正处于不断发展和完善的阶段，去挖掘其潜力具有很高 的研究价值。其次，模糊控制虽然有其独特的优点，但它不是万能的控制算法也有自身的缺点，不 能运用于所有的控制领域，在实践中并不能完全取代所有的传统控制方法，因此，如何把模糊控制 和传统的控制方法相结合形成一种新型的更有效的控制算法是非常值得探索和研究的。论文对模 糊算法的理论研究主要是p i d 算法参数的模糊整定的设计。 6 东南大学硕士葩文t 业现场网络构建与智能温度控制仪的研制 第二章工业控制网络的基本理论 第二章工业控制网络的基本理论 人类社会止在向着高度信息化的社会发展，在信息社会中信息的收集、存储、处理和传播常要 借助于计算机与通信密切结合的产物计算机网络。现代的任何计算机都要具有和其它计算机联 网通信的能力。微机虽然具有体积小、价格便宜等特点，但其存储与处理能力与大中型计算机相比 毕竟较弱为了适应各种应用系统的要求，更需要互连成网络。计算机网络是当前电子计算机四个 主要的发展趋势之一，也是计算机应用尤其是微机应用的一个重要方面。过去2 0 年中，计算机网络 技术和通信技术的迅速发展，不断渗透入自动化领域，工业控制系统从人工控制、集中控制已发展 到集散控制系统( d c s ) 。正当d c s 系统走向成熟与完善，在工业控制领域得到广泛承认和应用时，9 0 年代出现了现场总线技术及基于现场总线的新一代控制系统( f c s ) ，所有这些都不得不提及计算机网 络和通信技术。 2 1 计算机网络的基本概念【4 i 计算机网络是把地理上分散的计算机系统终端和形形式式的数字设备通过通信信道互连在一起 而形成的彼此可以互相协作的综合信息处理系统。通过计算机网络可以实现高速的信息传送收集 存储检索控制和处理。它的出现消除了空间和时间上的差异，使人们可以在远离计算机的地方及 时共享各种硬件软件和信息等资源，从而给生产科研和社会生活的各个方面带来深刻的影响，有着 广泛的应用。计算机网络本身也经历了一个从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。 2 1 1 计算机网络定义 自1 9 7 0 年以来，对于计算机网络和计算机网( c o m p u t e rn e t w o r k ) 已有多种定义。有的把计算机 网络定义为“以相互共享资源( 硬件、软件和数据等) 方式而连接起来，且各自具备独立功能的计算 机系统之集合”。这个定义着重于应用目的，而没有指出物理结构。另外，还有一种“计算机通信 网”的定义。计算机通信网是指以计算机间传输信息为目的而连接起来的计算机系统之集合。显然， 计算机通信网所指出的类型范围要比前一种以共享资源为目的的类型范围要大。 一般从物理结构看，可对计算机网以广义的定义。“广义的”计算机网络是在协议的控制下由 一台或多台计算机、若干台终端设备、数据传输设备以及便于终端和计算机之间或者若干台计算机 之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统之集合。这个定义，表明计算机网是在协议控制下 通过通信系统来实现计算机之间的连接。计算机网和一般计算机互连系统的区别，就是有无协议的 作用。 2 i 2 计算机网络体系结构 通常人们把美国国防部高级研究计划局( a 砌) a a d v a i l c e d r e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ) 在六十 年代后期研究开发的a 附h 网作为第二代计算机网络诞生的标志。第二代计算机网络是多处理中心 的网络，它有多台计算机和各种数字设备，通过通信线路互连在一起，又称为“计算机计算机 网络”。在这一时期各个主要的计算机厂商都在研制和开发各自的计算机网络体系结构以及相应的 硬件和软件产品。例如，i b m 公司的s n a ，d e c 公司的d n a ，b u r r o u g h s 公司的b n a 和日本富士 通公司的f n a 等。用户只要购买计算机厂商提供的网络产品，具有或租用通信线路，就可以组建 网络。但这样建成的计算机网络只能是同种计算机网络。 7 0 年代以来，由于计算机工业迅速发展世界各主要计算机生产厂家都分别开发出各自的计算 机系列产品，它们各自拥有自己的操作系统和其他系统软件，以保证同一系列内各种计算机的兼容 7 东南大学碳上论义 丁业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第二章工业控制网络的基本理论 性。随着互连通信要求的提出，这些主要的计算机厂商又开始研究开发各自的计算机通信设备、通 信协议和通信系统体系结构。这种自成体系的计算机通信系统被称为“封闭的”系统。由于缺乏一 个通用的通信系统体系结构，使得异种计算机互连成为一个既费时又费钱的工作。因此，人们迫切 希望建立一系列的国际标准或国家标准，试图使计算机系统成为一个“开放的”系统，丁是出现了 升放系统茸连( o s i ) 基本参考模式。 1 9 7 7 年，国际标准化组织( i s o ) 成立了t c9 7 ( 计算机与信息处理标准化委员会) 开放系统互 连分技术委员会，它把一个准备与其它系统互连的系统都看成是“开放”而不是封闭的系统，并开 始为这些“开放”系统互连制定一系列的标准，旨在使得遵守这些标准的“开放”系统可以根方便 地互连成i i 【) ! | 络，以及网络与网络互连成更大的网络。经过专家们儿年的工作，1 9 8 1 年正式提出了“开 放系统互连( 0 5 1 ) 参考模型”的国际标准，成为新一代计算机网络的体系结构。这个o s i 模型已经 为国际上广泛接受和承认，各个主要的计算机厂商也都表示支持，向其靠拢，开始开发新一代网络 的软硬件产品。 所谓“开放”，是强调对i s o 标准的遵从。“开放”并不是指特定的系统实现具体的互连技术 或手段，而是对可使用的标准的共同认识和支持。一个系统是开放的是指它可与世界上任何地方 的遵守相同标准的任何系统通信。“开放系统互连参考模式”的目的是为协调系统互连标准的开发 提供一个共同基础。在制定新标准是将考虑现有的标准，并使之一体化，o s i 参考模式不是现有计 算机网络体系结构的一个集合，而是在博采众长的基础上，反映系统互连技术未来发展的产物。它 将引导而不是追随数据通信系统产品的发展，并对技术的发展起一定的指导作用。在该参考模式中， 提供的是概念性和功能性结构，而不是互连结构的设施和协议细节的精确定义。各层协议细节的研 究是各自独立的进行的。o s i 参考模式的另一作用是确定研究和改进标准的范围，并为维持所有有 关标准的一致性提供共同的参考。然而，它不能用作为具体的实现规范说明，也并不是评价实现的 一致性之基础，因此，o s i 参考模式及其各有关标准都只是技术规范，而不是工程规范。 国际标准化组织制定的o s l 参考模型实际为开放系统互连时要制定和遵守的各种标准确立了一 个框架，它规定了一种分层的体系结构。分层的概念在计算机体系结构，操作系统，数据库等计算 机科学中都得到了广泛的应用，在计算机互连成网络时人们也是这样做的。对于复杂的系统，若人 们把其功能分解为若干层次，使每个层次互相独立，只利用低一层次向其提供服务，而不必过问它 是如佃实现的，这样对系统的设计，实现，维护或者更新都带来了许多好处。实际上从a r p a 网开 始各种第二代计算机网络体系结构也都是分层的，只是具体的层次划分与功能各不相同，因而不利 于互连。o s i 则规定了一个统一的分层结构，它从逻辑上把复杂的计算机网络划分为七个相对独立 的功能层次，o s i 的体系结构具有如图2 - i 所示的七个层次，每个层次都在完成信息交换的任务中 担当一个相对独立的角色，具有特定的功能。其中第七层为最高层，第一层为最底层。中继开放系 统中只有下三层，而一般开放系统具有完整的七层。 中继开放系统 图2 1o s i 的七层体系结构 东南大学坝上论文 工业现场网络构建与智能温度控制仪的研制第二章工业控制嘲络的基本理论 其分层原则如下： ( 1 ) 不同层次的抽象分层： ( 2 ) 每层应当实现个定义明确的功能； ( 3 ) 每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准； ( 4 ) 每层边界的选择应尽量减少跨国接口的通信量： ( 5 ) 层数应足够多以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构过于庞大。 下面我们从最下层开始，依次讨论o s i 参考模型的各层。对每一层，i s o 都至少制定两个标准： 服务定义和协议规范；前者给出了该层应提供的服务准确定义，后者详细描述了该层协议的动作和 各有关规程，以保证服务的提供。对于不同的实系统，同- - n 务可由不同的协议提供，因此有些层 可能具有多个协议规范( 如数据链路层) ；有些层则由于服务比较丰富，不能用一个标准概括之，所 以有多个服务定义标准( 如应用层) 。另外，为了实现所规定的服务或协议，还需要一些辅助的标准 ( 如形式描述语言等) 。 物理层 物理层定义了传输线和接口硬件的机械、电气和电信号特征及功能，它主要是针对通信设备间 传输电气信号的物理特征。机械特征包括接口连接器尺寸、插针数目( 即传输线数目) 和每个插针 功能的分配、插头插座直径、连接器固定活动一段的分配方法等等。电气特征包括最大允许数据传 输速率、最大传输距离、每种信号电平可处状态所代表的意义和连接器可承受的晟大电流、电压等。 电信号功能包括每种信号的逻辑信号、各种信号的传输时序、数据采样方式等。物理层的交互有一 整套握手协议，主要是发送方告诉接收方何时传送数据、如何传送数据以及接收方对收到的发送数 据怎样认可。“握手”还包括双方状态通知等内容。 物理层的数据传输方式主要有同步异步两种。在同步方式中，有一方提供数据采样的同步时 钟；在异步方式中则用特定的比特流实现双方的同步。物理层接口标准最为通用的是r s 2 3 2 c 。其他 物理层标准接口还有r s 4 2 2 、r s 4 3 2 、r s 4 4 9 以及c c i t t x 2 1 、x 2 1 h i s 和与调制解调器接口的c c i t v 系列标准。由物理层提供的服务有：物理连接、物理服务数据单元、物理连接端点、数据电路标识、 排序、故障状态通知和服务参数的品质。