（系统工程专业论文）OPC技术在PROFIBUS现场总线中的研究与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机、通信、自动控制的快速发展，现场总线技术以其结构简单、 费用低、易于维护、可靠性高、开放性等多种优势在工业过程数据采集与系 统监控中得到了广泛的应用。现场总线控制系统是继分散控制系统之后出 现的新一代控制系统，它所代表的是一种数字化到现场、网络化到现场、控 制功能到现场和设各管理到现场的不可逆转的发展方向。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是基于m i c r o s o f t 的o l e ( 对象的链 接和嵌入) c o m 技术，为解决工业客户机与各种设备驱动程序间通讯而产 生的一项工业技术规范和标准。o p c 技术规范是o p c 基金会制定的，它提供 了统一的数据访问软硬件接口，目前己得到越来越多的工控领域硬件和软件 制造商的承认和支持，实际上巳成为工业控制软件公认的标准。本文以基于 p r o f i b u s 协议的工业现场总线为研究对象，提出了采用o p c 技术解决系统监 控方案。 本文首先对p r o f i b u s 技术进行了比较详细的论述，对o p c 技术规范的 产生背景，为工业领域带来的利益，c 叫的基本原理，o p c 技术的应用，进 行了较为详细的阐述。重点说明了o p c 客户应用程序的设计与开发由于数 据传输的重要性，本文对数据传输的三种方法：同步、异步和订阅式机制进 行了比较详细的论述。 本文最后介绍了基于o p c 技术的上位机监控软件的开发过程，上位机监 控软件采用模块化的设计思想，主要介绍了功能模块的软件设计过程。上位 机和下位机通过通信卡c p 5 6 1 3 通讯，上位机可以得到来自生产过程的数据。 本设计系统的特点如下：下位机采用西门子公司s 7 3 0 0p l c 设备，上位机 操作系统采用w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 。软件开发语言分别采西门子的s i m a n t i c s t e p 7 和b o r l a n d 公司的d e l p h l 6 0 开发下位机控制程序与上位机监控程 序。 完成硬件组态和软件调试后，成功地实现了本系统的基本功能，例如对 项的添加、读、写操作。在本论文的最后，通过联调试验给出了系统的运行 情坝。 关键词现场总线；c o m ；p r o f i b u s ；o p c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e s o f c o m p u t e r ，d a t a c o 册u n i c a t i o na n dc o n t r o l a u t o m a t i o n ，f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) t e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ea p p l i e di ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mb e c a u s e o fi t s s i m p l e n e s s i ns t r u c t u r ea n de a s i n e s si nm a i n t a i na n d h i g h r e l i a b i l i t ya n do p e n n e s s f c si san e wg e n e r a t i o no fc o n t r o ls y s t e m a f t e r d c s ，i tr e p r e s e n t sa n u n r e v e r s e d d e v e l o p i n g d i r e c t i o nt h a t d i g i t a ld e v i c e s ，n e t w o r kd e v i c e s ，c o n t r o lf u n c t i o n s ，d e v i c e sm a n a g e m e n ta r eu s e di ni o c a lm a c h i n e s o p t ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，w i c hi sb a s e do nm i e r o s o f t so l e ( o b j e c t1 i n k i n ga n de m b e d d i n g ) c 0 mt e c h n o l o g i e s i s a ni n d u s t r y s p e c i f i c a t i o na n ds t a n d a r dg e n e r a t e d t os e t t l et h ec o m m u n i c a t i o n p r o b l e m b e t w e e n i n d u s t r y c li e n t c o m p u t e r a n dv i r o u s e q u i p m e n t d r i v e r s o p c t e c h n 0 1 0 9 ys p e c i f i c a t i o n i se s t a b l i s h e d b y o p c f o u n d a t i o n ，i tp r o v i d e s a nu n i t i v ed a t a a c c e s s i n g s o f t w a r ea n d h a r d w a r ei n t e r f a c es t a n d a r dw h i c hh a sb e e na c c e p t e da n ds u p p o r t e db y m o r ea n dm o r es o f t w a r ea n dh a r d w a r em a n u f a c t u r e r sa n dh a sb e c o m ea n a c k n o w l e d g e ds t a n d a r di ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d b u s b yu s i n gi n d u s t r y f i e l d b u sb a s e do np r o f i b u sp r o t o c o la st h er e s e a c ho b j e c t ，t h ea u t h o r p r e s e n tt h es y s t e nc o n t r o ls o l u t i o n ，w h i c ha d o p t so p ct e c h n o l o g y t h i sp a p e rf i r s te x p l a i n st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o f i b u s t e c h n o l o g y ，t h e n i n t r o d u c e st h eb a s i c c o n c e p t i o n ， c o n t e n ta n d a d v a n t a g eo fo p c ， w h i c hc a m ef r o mc o m ，a n da l s oe x p l a i n st h eb a s i c p r i n c i p l eo fc o m t h e d e t a i l sa b o u th o wt h eo p tu s e ra p p l i c a t i o n p r o g r a md e s i g n e da n dd e v e l o p e d a r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r b e c a u s e o ft h ei m p o r t a n c eo fd a t at r a n s f e r ，t h i sp a p e ra n l y z e sa n de x p l a i n s t h em e c h a n is no ft h r e em e t h o d so fd a t at a n s f e rb yt u r n t h e ya r e s y n c h r o n i z a t i o n ，a s y n c h r o n i s ma n ds u b s c r i p t i o nm e e h a n i s m a tl a s t ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h em o n i t o rs o f t w a r eo ft h e s u p e r v i s o r yc o m p u t e rb a s e do no p tt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，a n dt h e m o d u l a r i z e di sa d o p t e d t h ef u n c t i o n a lm o d u l e si sa l s oi n t r d u c e d t h e s u p e r v i s o r y c o m p u t e r c o m m u n i c a t e s w it ht h e s u b j a c e n tc o m p u t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 t h r o u g hs i e m e n sc o m m u n i c a t i o nc a r dc p 5 6 1 3 t h es u p e r v i s o r yc o m p u t e r c a ng e tt h ed a t af r o mt h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h es y s t e mh a ss e v e r a lf e a t u r e s ：u s i n gs i e m e n ss 7 3 0 0s e r i e sp l c p r o d u c e sa st h es u b j a c e n tc o m p u t e r ，a d o p t i n gm i c r o s o f t sw i n d o w s2 0 0 0 s e r v e ra s s u p e r v l s o r yc o m p u t e ro p e r a t i n gs y s t e m a d o p t i n gs i e m e n s s i m a n t i cs t e p 7a n db o r l a n dd e l p h i6 0a st h ed e v e l o p i n g l a n g u a g e a f t e rt h eh a r d w a r ec o m p o n e n ta n dt h es o f t w a r e c o m p o n e n to ft h e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma f ed e s i g n e d ，t h eb a s i cf u n c t i o n s ，s u c h a sa d di t e m 、r e a di t e m 、w r i t ei t e m ，c a nb er e a l i z e d a tt h ee n d o ft h ep a p e r ，t h ed e m oo ft h iss u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ms h o wu st h e o p e r a t i n gr e s u l t s k e yw o r d sf i e l d b u s ；c o m ；p r o f i b u s ；o p c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 现场总线技术 第1 章绪论 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是当今自动化领域技 术发展的热点之一，基于现场总线技术的控制系统是继集散控制系统d c s 后的新一代控制系统。它符合工控系统向分散化、网络化、智能化发展的方 向，因而它的出现导致了自动化仪表和系统在体系结构、功能等方面的重大 变革和更新换代“埘。现场总线技术在过程控制、制造业、交通、楼字等方面 的自动化系统中具有广泛的应用前景。与传统的控制系统相比较，其具体表 现如一f ( 1 ) 开放性：现场总线系统克服了分布式控制系统( d c s ) 采用专用网络 通信所造成的系统封闭的缺陷；另一方面，又将d c s 系统集中与分散相结合 的集散系统结构变成了新型的分布式结构，使控制功能彻底地下放到现场， 促使过程控制走向了过程管理。现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操 作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的 产品集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促 进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。 ( 2 ) 全数字化：将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以 求的理想，但只有在f c s 出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。 在采用f c s 的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总 线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控 制系统的可靠性。 ( 3 ) 全分布式：在f c s 中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互 通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要个中央控 制计算机，实现真正的分布式控制。 ( 4 ) 双向传输：传统的4 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。 现场总线设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控 制信息。 ( 5 ) 自诊断：现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 送到中央控制室，以便于维护。 ( 6 ) 节省布线及控制室空间：在f c s 中多台现场设备可串行连接在一条总 线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低 了中央控制室的造价。 ( 7 ) 多功能仪表：可在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，集 检测、运算、控制于体。 ( 8 ) 智能化与自治性：现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故 障信息，具有很高的智能化，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大 大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。 1 2o p c 技术 在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的 信息共享是通过驱动程序来实现的“，。由于软件开发商对驱动程序的要求各 不相同，网络中需进行数据访问的数据源与智能设备又各不相同，驱动程序 的开发大大加重了软件开发商的负担，使其无法全身心地投入到其核心产品 的开发中去。如图1 1 所示，这种开芨方式主要有以下弊端：( 1 ) 重复开 发：每个软件系统开发商必须为每个特定的硬件开发一个驱动程序。( 2 ) 不 同开发商之间的驱动程序的不一致性：软件开发商各自从自己的需要出发， 上位机监控系统 网印匡习 理接口 崮崮崮 现场控制系统 图1 一l 传统控制系统程序的开发示意图 采用不同的数据交换协议开发驱动程序，从而使各开发商之间的驱动程序不 一致，并且驱动程序并不支持所有的硬件特性。( 3 ) 不支持硬件特征的变化： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由于驱动程序由软件开发商开发，硬件特征的变化将会使有的驱动程序失 效，为适应硬件特征的新变化，软件开发商必须为硬件开发新的驱动程序。 ( 4 ) 访问冲突；一般来说，两个软件包不能同时访问同一设备，因为它们 使用不同的驱动程序。为了解决这一问题，硬件供应开发商试图以开发驱动 程序的方法来解决这一问题，但由于不同的客户采用的不同的客户协议而无 法实现。总之就是软硬件之间不能互相兼容，也就是所谓系统互操作性不好。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术为硬件供应商和软件开发商之间 划了一条明确的界限。它为数据源的产生规定了一种机制，并且为这些数据 与任何客户程序之间的通信提供了一种标准的方式。有了o p c 标准，硬件开 发商可以开发出可重用的、高性能的o p c 服务器软件，并且能与其他数据源 以及设备进行可靠有效地通信。有了o p c 服务器接口，就允许任何o p c 客户 访问它们的设备。 图1 2 基于o p c 技术的软件开发示意图 图1 2 中的基于o p c 过程控制系统结构采用客户朋民务器模式，通常把 符合o p c 规范的设备驱动程序称为o p c 服务器，而将符合o p c 规范的应用软 件统称为o p c 客户。服务器充当客户与硬件设备之间的桥梁，客户对硬件设 备的数据读写操作由服务器代理完成，客户不需要同硬件设备直接打交道， 或者说客户是独立于设备的( 即不管现场设备以何种形式存在，客户都以统 一的方式去访问) 。在客户端和服务器端各自定义了统一的标准“接口”， 接口具有不变特性，o p c 所提供的接口标准事实上是一种“软件接口标准” 或“软件总线”，它明确定义了客户同服务器之间的通信机制，是连接客户 同服务器的桥梁和纽带。这样，我们可以自由选择最符合我们实际要求的软、 硬件产品，然后将它们像“搭积木”一样组合在一起进行无缝地工作，这一 切都来源于o p c 所提供的强大互操作性的特点，对此我们可以作一个形象的 比喻：尽管家用电器的种类繁多，但它们的电源插头与插座却是统一的。可 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 以这样说，统一的标准接口是o p c 的实质和灵魂。 1 3o p c 技术在监控系统中的应用 由于技术发展的连续性和继承性，同样也是由于不同系统研发投资和市 场利益的驱使，现场总线控制系统( f c s ) 的出现，不会使得其他系统很快消失 ”“。作为产品形态的s c a d a 、d c s 、p l c 等已经具有大量的应用基础，加之 s c a d a 、d c s 、p l c 自身的全数字化、网络化的改进，它们必将继续存在一段时 间。多种系统集成是现场总线控制系统与传统控制系统( 如s c a d a 、d c s 、p l c 等) 的集成及各种现场总线控制系统之间的集成。d c s 是一种控制系统结构形 式，其核心思想是分散采集控制，集中监视操作。目前主要有3 种类型的d c s 产品，它们是仪表型分散控制系统、以p l c 为基础的分散型控制系统和以p c 总线为基础的分散型控制系统。现场总线控制系统和d c s 集成主要体现在现 场通信协议的相容和组态、监控、操作软件的统一。但是，由于d c s 的通信 标准和d c s 的操作监控软件由各厂家自行制定和开发，没有开放性，所以d c s 和f c s 的集成仅仅是一种过渡策略。 因此在设计系统时候，对d c s 系统既要考虑现有设备的基础，又要兼顾 系统的开放性和兼容性，才能达到事半功倍的效果。总的来说，有以下三 种构成方式。( 1 ) 当原有d c s 规模较小时，可以在d c s 的工师站加装一块支 持现场总线的网卡，并配置软件，使d c s 成为挂接在现场总线下的一个节点， 借d c s 开发工具，在其工程师站的操作系统上形成据读取和传输程序，把d c s 中的数据读出并通过现场总线网络发送出去。( 2 ) 如果原有d c s 已较完善且 不希望对d c s 的结构做太大改变，则当有必要扩大系统规模时，可采取在d c s 网络上安装现场总线服务器来实现。现场总线仪表的输入、输出、运算和控 制等功能块相对独立，自行构成控制回路，可咀加装工作站对现场总线仪表 组态、诊断和维护，但整个系统的维护还由d c s 的操作员站来完成。( 3 ) 在 保留原有d c s 的情况下，对新增的节点用现场总线网络实现，新旧系统之间 并没有从属关系，而是通过网关进行通信。这样做的好处是在将来更新换代 系统时可以比较方便地替换d c s 部分，而不必改动现场总线部分，有利于逐 渐向统一的现场总线网络过渡。 现实的应用系统中，在既要考虑已有系统的存在，又要考虑系统的扩展 性和集成性上，应用o p c 技术就是必然的选择。o p c 设计的目的就是从网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 上某节点获取数据，图l 一3 表示o p t 技术在集成s c a d a 、d c s 等系统中的应 用。在这些o p c 接口中，所有客户应用程序都可以采用一致的方式与现场设 备通信，只需按照o p c 规范编写服务调用程序，而无需知道具体的数据格式。 这样不但减轻了客户应用程序的负担，而且把硬件生产商与软件开发人员有 本地或 远程 o i c 服备器 图1 3o p c 在s c a d a 与d c s 系统中的应用。 效地分离开来。目前，以微软为首的几乎包括世界所有主要的控制系统提供 商在内的非赢利性组织o p c 基金已经发展到近千个成员。随着o p c 规范在工 业自动化领域被越来越广泛地接受，其优势越发明显地呈现出来。作为工业 自动化领域的主要角色，现场总线测控系统要适应技术发展趋势，积极地遵 守和应用o p c 规范，使自身的生命力更加强大。 1 4 我国的现场总线和监控软件的发展现状 中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要战场一些世界主要的现场 总线组织在中国设立分支机构，加强在中国的宣传和推广。它们有的已经打 入国内重点工程，有的已经在特定领域获得广泛认同，几乎成为事实上的标 准。现场总线技术的出现，将对仪表、自动控制领域产生巨大的影响。 我国综合技术力量薄弱，科研力量规模小、资金少，没有自己的总线系 统。国内大多数企业还处于模拟仪表和人工控制的阶段，采用d c s 控制系统 的企业仍占少数“。“1 。而且目前现场总线设备和系统还十分昂贵，在相当长的 一段时间内，我国大多数企业不可能投入大量资金采用现场总线控制系统。 因此，除了新建企业外，我国企业在较长时间内不可能全面采用现场总线技 术，而必须走逐步发展、过渡的道路。因此，发展我国现场总线的首要任务是 选择适合我国国情的发展道路。如广泛采用现有的成熟技术，投资少，见效快 并且能够体现现场总线技术的主要优点，符合现场总线技术的主要发展方 向。可以采取如下措施“：加强现场总线技术基础研究，开发现场总线智能 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 设备。我国d c s 技术已经有一定基础，在此基础之上进行现场总线产品与 d c s 集成研究。这样一方面可以继承d c s 技术，保护已有的投资，另一方面可 以进行现场总线技术积累和验证。避开硬件开发基础和能力的不足，进行 现场总线控制系统的集成研究，开发符合国情的现场总线系统组态监控软 件。寻找突破点，形成自己的现场总线技术及产品。 二十世纪六十年代，我国核试验最关键的核探测器以及所有测控装备 1 0 0 的都是自行研制生产的，这些技术的本质就是总线控制思想。但由于 多种众所周知的原因，我们没能坚持发展下去，我们落后了。抓住机遇、迎 接挑战，跟上国际技术发展潮流，大力推动我国现场总线技术的发展，是缩短 我国与发达国家和地区在工控技术上的差距、摆脱落后局面的有利时机和必 由之路。 组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。但在9 0 年 代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。主要原因是用户缺乏对组态 软件的认识、进口软件( 早期的组态软件多为国外厂家开发) 价格不菲、当时 国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高等。1 9 9 5 年以后，组态软件 在国内的应用逐渐得到了普及。在我国早期使用的国外组态软件有 w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 软件，最新的i n t o u c h 7 0 版是基于3 2 位的w i n d o w s 平台，并且提供了o p c 支持。c i t 公司的c i t e c t 也是较早进入中国市场的产 品。s i e m e n s 的w i n c c 也是一套完备的组态开发环境，w i n c c 内嵌o p c 支持， 并可对分布式系统进行组态。近年来，国内的软件商和硬件制造商也不断 的开发国产的组态软件，比较有名的有组态王，它是国内第家较有影响的 组态软件开发公司。c o n t r o x ( 开物) 是华富计算机公司的c o n t r o x2 0 0 0 是全 3 2 位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、 数据报表及报告功能，是国内最早加入o p c 组织的软件开发商。 我国的组态软件发展迅猛，但是由于底子薄，开发力量小而依然很落后。 国内组态软件虽然有价格优势，但运行效果明显不如国外产品。o p c 技术为 我们同国外产品竞争提供了同一起跑线，抓住机遇，迎头赶上，这是我国工 控界面临的艰巨任务。 1 5 课题的来源及论文结构 本文结合作者参与的重庆上界高速公路隧道与路段监控系统项目，针对 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 传统的监控系统和本系统的不足之处，对p r o f i b u s 现场总线技术及o p c 技 术进行了进一步研究，并提出了解决方案。解决方案为：利用西门子产品 c p u 3 1 5 - - 2 d p 和e t 2 0 0 m 作下位机，西门子的s i m a n t i cs t e p 7 开发下位机模 拟控制程序，通过西门予的c p 5 6 1 3 通讯卡实现与上位机p c 机连接。应用o p c 技术开发了o p c 客户端应用程序，并在实验室进行模拟试验分析，实现对下 位机的读写操作。 本论文结构安排如下： 第一章绪论：简要介绍了现场总线及工控软件发展的背景，介绍了监 控系统和组态软件的发展方向以及我国目前的发展状况。 第二章比较详细介绍了现场总线特别是p r o f i b u s 现场总线技术，对该 总线的主要特点及技术要求进行了总结。 第三章介绍了o p c 技术的基础c o m 技术，对o p c 技术的通讯方式进行 了详细的介绍。 第四章针对作者参与的项目存在的不足之处，搭建了一个试验平台。 详细说明了如何配置该系统。并开发了下位机的控制程序。 第五章详细说明了如何开发上位机o p c 客户程序，并实现了对下位机 的数据的读写操作。 最后为结论部分，对研究设计工作进行了总结，指出了不足之处和对未 来的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章p r o f i b u s 现场总线技术 2 1 现场总线的发展 计算机控制系统的发展在经历了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以及集散拄制系统( d c s ) 后， 今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。现场总线技术近年来成为计算机 工业控制界关注的一个焦点，其原因在于它向人们展示了一种全新的系统集 成思想。 2 1 1 现场总线的背景 2 0 世纪5 0 年代以前，由于生产规模较小，检测控制仪表处于发展初级 阶段，控制系统采用的仅仅是安装在生产现场、只具备简单测控功能的基地 式气动仪表，即第一代控制体系结构( 直动式或p c s ) 0 1 。这种系统其信号 仅在本仪表内起作用，不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封 闭状态，操作人员只能通过对生产现场的巡视来了解生产过程状况。 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来 进行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式的仪表，同时也出 现了集中控制室。即第二代控制体系结构( 模拟式或a c s ) 。这种控制方式是 把各现场参数通过统一的模拟信号，例如0 0 2 o 1 m p a 的气压信号，0 1 0 m a ，4 2 0 m a 的直流电流信号，1 5 v 直流电压信号等，送往集中控制室。 工作人员在控制盘前监视生产流程运行状况。并可以把各单元仪表的信号按 需组合，连接成不同类型的控制系统。但是这种模拟信号标准的传递需要一 对的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大， 信号传输的抗干扰能力较差。 为了解决单元组合式仪表的缺点，人们开始寻求用数字信号取代模拟信 号，这就出现了直接数字控制。由于当时计算机价格昂贵，人们用一台计算 机取代尽可能多的控制室的仪表，这就是集中式数字控制系统，即第三代控 制体系结构( c c s ) 。这种结构的特点就是控制集中、管理集中。这种特点也 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 导致了缺点是风险集中，即一旦计算机出现故障，就会造成所有相关控制回 路的瘫痪，无法完成正常的控制而停产。而且当时的计算机技术尚不发达， 计算机运行不稳定，很容易出现故障。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，到了8 0 年代，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于分散相 结合的集散控制系统，即第四代控制体系结构( d c s ) 。这种系统目前许多企 业仍然采用着，它的测量变送仪表一般为模拟仪表，因此是模拟与数字的混 合系统。这种系统比以前的系统在功能和性能上有很大的进步，在此基础上 可以实现现场级和车间级的优化控制。但是由于受计算机系统早期存在的系 统封闭缺陷的影响，在d c s 系统的形成过程中，各自厂商自成系统，不同厂 家的设备不能互连一起，难以实现互换与互操作，使得更大范围信息共享的 网络系统存在很多困难，也很难适应于现代更大规模的生产系统。开放性差 也就导致了用户依赖制造厂商，甚至出现个别制造商垄断市场的情况。同时 d c s 系统物理接线的对一结构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、 维护困难。 新型的、开放性的、容易进行数据交换的控制系统就成为控制系统发展 的新目标。为了使不同厂商的仪表能够相互通用，国际上一些大公司联合起 来，制定统一的数据通信标准，与之相适应的控制系统为了符合这些新标准 也要进行改进，这些标准成为现场总线的基本协议。现场总线控制系统突破 了d c s 系统因专用网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、标准化的解决方案， 把来自不同厂商而遵守同一协议规范的设备连接成控制网，组合成各类控制 系统，实现综合自动化的各种功能。这种网络集成式控制系统就是现场总线 控制系统f c s 。在d c s 系统中，一个控制系统的信号传递需要从现场到控制 室，再从控制室到现场的往返专线过程，丽f c s 作为节点的现场仪表具备通 讯和数字计算能力，并且现场控制设备之间的通讯可以实现多种控制功能。 现场总线出现之初，i e c 就致力于总线标准的制定。作为一项数据通讯 协议，单一的统一标准应该是首选，但是由于地域和行业领域的保护主义及 种种社会经济原因，最终没有达成单一的统一标准。经过各方的争斗与妥协， 2 0 0 0 年，i e c 宣布8 种原有的现场总线共同作为i e c 现场总线国际标准的子 集，它们分别是i e c 6 1 1 5 8 、p r o f i b u s 、p - n e t 、w o r l d f i p 、s w i f t n e t 、 c o n t r o l n e t 、h i g hs p e e dg t h e r n e t 及i n t e r b u s s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 1 2 现场总线系统的特点 现场总线作为一种新型控制系统，具有传统控制系统无法比拟特点，具 体表现如下。 ( 1 ) 系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对 标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与外界任何遵守相同标准的 系统实现互联。 ( 2 ) 系统结构的高度分散性：现场总线已经构成一种新的全分散性的 控制系统的体系结构。从根本上改变了标准的其他设备或系统连接。通信协 议致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是 要致力于建设统一的工厂地层网络的开放系统。用户可按照自己的需要和考 虑，把来自不同的供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自 动化领域的开放互连系统。 ( 3 ) 互操作性与互用性：互操作性是指实现互连设备间、系统间的信 息传递与沟通；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。 ( 4 ) 现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工 程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动 控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行现有的i c s 集散控制系统体系结 构，简化了系统结构，提高了性能。 ( 5 ) 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层 的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光纤、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电 与通信，并可满足本征安全等。 21 3 几种有影晌的现场总线系统 现场总线技术出现于8 0 年代，但对它的开发和研究却是近几年才热起 来，这主要信息技术发展和信息经济使然。据分析目前世界上已经出现过的 现场总线超过了1 0 0 种，自称开放型的就有4 0 多种“3 。“3 。有几种现场总线技 术已经逐步形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势，主要 有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 l o n w o r k s ：l o n w o r k s 采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采用了 面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。其通 信速率从3 0 0 b p s 至1 5 p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双 绞线) 。它支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通 讯介质。l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神 经元芯片中而得以实现。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，在1 9 9 0 年正式公布而形成的。目前它已被广泛 应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过 程控制等行业。 c a n ：c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，其模型 结构采用了o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。c a n 最早由德 国的b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。目前 已得到m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i li p s ，s i e m e n s ，n e c 等公司的支持，广泛应 用在离散控制领域。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达1 0 k m s k b p s 。可挂接设备数最多可达1 1 0 个。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个。因而传输时间 短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该 节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗 干扰能力。 h a r t ：h a r t 是h i g h w a ya d d r e s sr e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，即可寻址 远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实 现数字信号通信，属于模拟系统向数字系该协议规定了一系列的命令，按命 令方式工作，并采用统一的设备描述语言d d l 。h a r t 最早由r o s e m o u n t 公司 开发并得到八十多家著名仪表公司的支持。它规定了一系列命令，按命令方 式工作。它有二类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行 的命令：第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备( 尽 管不是全部) 中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库：第三类称 为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金 会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常 可发现同时存在这二类命令。 i n t e r b u s 是德国p h e o n i x 公司二位德国工程师于1 9 8 5 年开始开发，于 1 9 8 7 年在汉诺威( h a n n o v e r ) 展会上提出的将p l c 并联接线方式改为串联的 新概念。它的技术特点有：可传输实时i 0 数据和离散性长数据：环形拓 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 扑结构，扩展方便；最大可连接2 5 6 个节点；利用b k 模块方便地实施支路 通行，不会因中间环路损坏而影响网络停用；在与远程总线连接时，不必停 止现用的总线上节点；可使用多种介质：双绞屏蔽电缆、光缆等。 c o n t r o l n e t 基础技术是美国r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司自动化技术研究 发展起来的。1 9 9 5 年1 0 月开始面世，目前已有5 0 多个公司参加。它的技 术特点有：在单根电缆上支持两种信息传输，一种是对时间有严格苛求， 另一种是对时间无苛求的信息发送和程序的上传和下载；采取新的通信模式 生产者客户的模式取代了传统的源目的的模式。它支持点对点通讯，而 且允许同一时间向多个设各通信；可使用同轴电缆，长度达6 k m ，可寻址节 点最多达9 9 个，两节点间最长距离达1 0 0 0 m 。网络拓扑结构可采用总线、树 型和星型；安装简单、扩展方便，具有介质冗余、本质安全、诊断功能良好 的特点。 此外还有f f ( f o u n d a t i o np i e l d b u s ) 、s w i f t n e t 、w o r l d f i p 等现场总 线。 2 2p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 现场总线是德国国家标准( d i n1 9 2 4 5 ) 、 欧洲标准( e n 5 0 1 7 0v 2 ) ，也是国际标准( i e c 6 1 1 5 8 ) 的组成部分( t y p ei i i ) ， 国际上许多公司的产品支持p r o f i b u s 总线。德国西门子公司的p r o f i b u s 现 场总线是一种开放式的、已在世界范围内得到广泛应用的自动化系统。西门 子公司是p r o f i b u s 总线的创造者和产品的主要供应商。目前支持p r o f i b u s 标准的产品超过1 5 0 0 多种，分别来自国际上2 5 0 多个生产厂家。在世界范 围内已安装运行的p r o f i b u s 设备已超过2 0 0 万台，年增长率2 5 ，现场总 线系统占整个自动化系统市场份额平均为2 5 “。 2 21p r o f i b u s 现场总线的概况 p r o f i b u s 广泛应用于加工制造、过程工业自动化和楼宇、交通、电力等 其他领域的自动化，主要有三个兼容部分组成，p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a ljz e dp e r i p h e r y ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、 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 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 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i 0 的通信规范。使用p r o f i b u s - - d p 可取代2 4 v d c 或4 2 0 m a 信号传输。p r o f i b u s - - p a 是专为过程自动化设计的规范，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 是现场总线的信息规范，用于车 间级网络监控，。它是一个令牌结构、实时多主网络。 一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线 p r o f i b u s - - d p p a 控制系统位于自动化系统的底层，即现场级，p r o f i b u s f m s 用于车间级的信息传输。如图2 1 所示。 现场级：主要功能是连接现场设备，如分散式i o 、传感器、驱动器、 执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备问连锁控制。在该级中， 执行p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s p a 协议。主站负责总线通信管理及所有从站 的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。 现场级总循环时间小于l o m s 。 互联网 图2 一l 基于p r o f i b u s 的工厂三层自动化控制系统 车间级：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接。车间级监控 包括生产设备在线监控，设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、 生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控网络可采用p r o f i b u s - - f m s ， 它是一个多主网，这一级的