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中文摘要 论文题目：基于现场总线的输油管道前端测控装置的研究与开发 专业：计算机应用技术 硕士生：吕增江( 签名，照邋垫： 指导教师：陈建铎( 签名) 3 垂垒l 聋 摘要 现场总线是现场仪表与控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向的通讯系 统，用于底层现场设备或现场仪表之间的互连，是通信网络与控制系统的集成，是计算 机技术在控制系统中的一种应用。l o n 现场总线是美国e c h e l o n 公司推出的局部操作网 络( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) ，为分布式测控系统提供了一套完整的解决方案。为了支 持l o n 总线，e c h e l o n 公司推出了套完整的软硬件开发平台，称为l o n w o r k s 技术。 本文首先介绍了现场总线的基本原理和技术特点，然后阐述了l o n 总线的技术内 容，并详细介绍了l o n w o r k s 技术的核心内容，包括神经元芯片、n e u r o n 芯片的固件、 n e u r o n 芯片的应用i o 对象。n e u r o nc 语言和常用的开发工具等。 在介绍基本理论的基础之上，结合采油厂输油管道测控系统的具体要求，本文提出 了一种基于l o n w o r k s 技术的前端智能测控装置的软硬件实现方案。首先，论述了基于 神经元芯片的控制模块的设计实现方法；然后，分别介绍了模拟输入、模拟输出、数字 输入和数字输出四种i o 接口电路设计的方法和过程；接着，提出了电路板设计中的布 局和抗干扰等问题：最后，给出了硬件电路和配套软件，使智能测控装置成为一个完整 的系统。 在本文的最后，以长庆油田第二采油厂南粱采油站为例，提出了一套将智能测控装 置应用于采油站的解决方案。 关键词：现场总线，l o n 总线，神经元芯片，智能测控装置 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ea d v a n c e di n t e l l i g e n tm e a s u r i n g - c o n t r o l l i n gd e v i c eb a s e do nl o n w o r k st e c h n i q u e s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y 眦： h 趾n g j i a n g ( 酊g n a t u r e ) 皿卫咀哟一 i n s t r u c t o r ：c h e nj i a n d u o ( s i g n a t u r e ) 跬塑卫熊d 畦 a b s i 。r a c 。l 。 f i e l d b u si sak i n do fc o m p l e t e l yd i s p e r s e d ，i n t e l l i g e n ta n db i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb e t w e e ni n s t r u m e n t si nt h es c e n ea n dc o n t r o l l i n gr o o m i ti su s c di nt h ei n s t r u m e n t sa t t h eb a s i cs c e n eo ri nt h ec o n n e c t i o na m o n gt h ei n s t r u m e n t si nt h es c e n e i ti st h ei n t e g r a t i o no f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dc o n t r o l l i n gs y s t e m i ti sa na p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n i q u e si n t h ec o n t r o l l i n gs y s t e m l o nf i e l d b u si st h el o c a lo p e r a t i o nn e t w o r kd e v e l o p e db ye c h e l o n c o m p a n y o fa m e r i c a n ，p r o v i d i n gac o m p l e t es e to fs o l u t i o n i no r d e rt os u p p o r tl o n f i e l d b u s ， t h ec o m p a n yp r o d u c e dac o m p l e t es e to fd e v e l o p i n gf l a to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，c a l l e d l o n w o r k st e c h n i q u e t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ff i e l d b u s t h e ni te x p a t i a t e st h et e c h n i q u ec o n t e n t so fl o nb u sa n di n t r o d u c e si nd e t a i lt h ek e yc o n t e n t s o ft h el o n w o r k st e c h n i q u e ，i n c l u d i n gn e u r o nc h i p ，t h ef i r m w a r eo fn e u r o n c h i p ，t h e a p p l i c a t i o ni oo b j e c to fn e u r o nc h i p ，n e u r o ncl a n g u a g ea n dt h ed e v e l o p i n gt o o l si n c o m m o nu s e o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e s ，b yc o m b i n i n gt h ed e t a i l e dr e q u i r e m e n t s i nt h em e a s u r i n g - c o n t r o l l i n gs y s t e mo f o i l - t r a n s f u s i n gp i p e l i n ei nt h eo i le x t r a c t i o nf a c t o r y ，t h e t h e s i sp u t sf o r w a r dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r er e a l i z i n gs o l u t i o no fa d v a n c e di n t e l l i g e n t m e a s u r i n g - c o n t r o l l i n gd e v i c eb a s e do nl o n w o r k st e c h n i q u e f i r s t ，i td i s c u s s e st h ed e s i g n i n g m e t h o do fc o n t r o l l i n gm o d u l eb a s e do nt h en e u r o nc h i p t h e ni ti n t r o d u c e st h ei oi n t e r f a c e c i r c u i td e s i g n i n gm e t h o da n dp r o c e s so ft h es i m u l a t i n go u t p u t ，s i m u l a t i n gi n p u t ，d i g i t a li n p u t a n dd i g i t a lo u t p u t a f t e rt h a t ，t h et h e s i sc o m e su pw i t ht h ep r o b l e mo ft h eo v e r a l la r r a n g e m e n t i nt h ed e s i g n i n go fc i r c u i tb o a r da n dt h ea n t i - j a m m i n gp r o b l e m a tt h ee n do ft h et h e s i s ，i t o f f e r sh a r d w a r ec i r c u i ta n da c c o m p a n y i n gs o f t w a r e ，m a k i n gt h ei n t e l l i g e n tm e a s u r i n g c o n t r o l l i n gd e v i c eac o m p l e t es y s t e m t h et h e s i sa l s ot a k e st h es e c o n do i le x t r a c t i o nf a c t o r y n a n l i a n go i le x t r a c t i o ns t a t i o n o fc h a n g q i n go i lf i e l df o re x a m p l e ，a n dp u t sf o r w a r das o l u t i o nt ot h ea p p l i c a t i o no ft h e i n t e l l i g e n tm e a s u r i n g - c o n t r o l l i n gd e v i c et ot h eo i le x t r a c t i o ns t a t i o n k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，l o n f i e l d b u s ，n e u r o nc h i p ，i n t e l l i g e n t m e a s u r i n g - c o n w o l l i n g d e v i c e r h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t a a y 学位论文创新性声明 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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油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。 论文作者签名：选盔鹜坠：日期：筮丛垒旦2 塑 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油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石油大学。学校享有以任何方法发表、 复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与 该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：埠 导师签名：健垄! 叠 日期：竺! 筮塑p 日 日期：垄型! 亟鲤t 广争 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术的发展，特别是计算机技术、通信技术和控制技术的发展，为生产过 程控制企业的腾飞带来了前所未有的契机。然而，在我国的石油生产和加工企业中，绝 大多数采用的还是直接数字控制、p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 控制和集散式控制 ( 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 ) 等控制方式。这些控制方式难以和企业的信息网相 连接，不能有效的解决目前广泛存在的“信息孤岛”问题，从而不利于企业的发展。而 2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的现场总线控制系统( f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，则有 助于这一问题的解决。 现场总线是现场仪表与控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向的通讯系 统，用于底层现场设备或现场仪表之间的互连，是通信网络与控制系统的集成，是计算 机技术在控制系统中的一种应用。自现场总线产生之日起，它就引起了工业控制领域的 广泛关注。然而，直到今天，还没有形成一个统一的关于现场总线的定义。按照美国仪 表协会( i s a ：i n s t r u m e n ts o c i e t yo fa m e r i c a n ) s p 5 0 的定义【1 】：现场总线是一种串行的 数字化数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备( 即场地级设备) 之间以 及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备( 即车间级设备) 之间的联系。而根据国 际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准的定义1 2 1 ：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的 自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，称为现场总线。 这两种定义其实质是基本相同的，都是强调现场总线的两个主要特点。首先，现场 总线是全数字化的通信网络。现场的智能仪表都拥有独立的c p u ，具备基本通信能力， 它们之间通过数字信号进行通信，从而避免了模拟信号通信中的共模干扰、信号衰减和 易受外界干扰等问题。其次，现场总线是全开放、全分布的底层控制网络。由于各个现 场设备都使用相同的通信协议，所以它们之间可以实现信息资源共享，从而体现了它的 开放性。同时，现场智能设备能独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，也体现了它 的全分布性。这两个主要特点体现了现场总线的本质。 1 2 国内外发展现状 现场总线的标准化工作在1 9 8 5 年就开始了，它是由国际电工委员会与美国仪表协会 共同制订的。经过十几年的发展，于1 9 9 9 年7 月，在加拿大渥太华召开的现场总线标准 制订工作会议上，通过了含有8 种主要标准的现场总线国际标准，即i e c 6 1 1 5 8 。其中， 典型的现场总线控制系统包括1 2 l ：f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、w o d d f i p 、c o n t r o l n e t 及p n e t 现场总线等。 一 由于信息自动化需求的推动和现场总线的发展，一些在国际上有影响的专业化公司 相继开发设计出符合现场总线通信协议的总线式仪表产品。其输出为全数字信号，将分 西安石油大学硕士学位论文 散的底层设备变成网络节点，打破了信息孤岛的局面，实现了整个企业的信息集成和综 合自动化。在这个阶段的智能化现场仪表中，常见的有：美国r o s e m o n t 公司的l1 5 1 、 3 0 5 1 ，h o n e y w e l l 公司的s t 3 0 0 0 等。 从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。首先启动的是教委项目， 主要工作是建立h a r t 协议通信模板、配套软件及相应的变送器。然后，国内的一些公 司和研究所也陆续开始研究现场总线协议和开发相应产品，例如北京华控技术有限责任 公司、北京机械工业自动化所、上海工业自动化仪表研究所、北京航天测控技术开发公 司、吴忠仪表股份有限公司等。 ， 另外，浙江大学的工业控制技术国家重点实验室进行的“基于现场总线的智能化仪 器仪表技术研究”也取得了重要成果。它在研究总线技术的基础上，开发完成了基于 h a r t 协议的智能变送器通信卡，基于h a r t 协议的1 1 5 1 型智能压力差压变送器、智 能温度变送器、智能浮筒液位变送器等。 然而，从整体上来看，我国对现场总线技术的研究起步比较晚，应用水平比较低， 还没有开发出我国自己的现场总线标准。另外，现场总线相应的智能装置成品也比较少， 且这些装置的技术水平不高，很难满足工业现场的应用要求。因此，基于现场总线的智 能装置的研究是紧迫而具有重要意义的。 1 3 课题背景和意义 在油田采油厂中，为保证安全生产和原油的质量，必须对生产过程进行监控。许多 老采油厂是在7 0 年代末为生产急需所建，因为当时原油产量低，集输处理量小，靠人工 测量、手动操作即可完成。但是随着生产规模的扩大、原油产量的提高，采油厂的集输 处理量不断增加。由于监测参数多，而且靠人工检测化验误差大，计量不准确，人工检 测储油罐油水界面不准，这些因素给采油厂的生产操作和管理带来了很大的困难。所以， 开发采油厂生产过程监控系统有着重要的意义。它可以实现在线连续自动监测，控制采 油厂集输处理过程中的工艺参数，优化现场操作，减轻工人劳动强度。通过对采油站抽 油机、管道等设备的参数进行测量、监视、分析、控制和管理，可以为油井的生产管理 制定最经济、安全、有效的运行方案，使管理人员在办公室就可随时获得所需的数据， 并进行统计分析，从而提高生产效益和管理水平1 3 | 。 目前，国内一些大型油田的采油站都在进行技术改造，以尽快适应安全生产和现代 化管理的要求。但是，由于油田中各个采油厂的建造时间、地理位置等许多客观条件不 同，它们的自动化程度也有很大的差别。例如，长庆油田在西峰建立的西一联集输站， 就是目前国内比较先进的集输站。但是，许多老采油厂如采油二厂南梁采油站依然靠人 工检测和管理，其控制系统所用的仪表也很落后。 因此，对老采油厂进行技术更新，采用新型智能化的测控仪表代替陈旧的老式仪表， 建立现场底层控制网络，进而建立完整的现代化控制系统，确实具有很大的现实意义， 2 第一章绪论 并将带来巨大的经济效益。 根据目前自动控制系统的发展趋势，我们选用现场总线来构造采油站的控制网络。 但是，目前国际上没有一种统一的标准，多种现场总线处于竞争、并存的状态，所以选 择适合各自情况的总线标准就变得非常重要。经过现场调研和大量的查阅资料，我们选 择了l o n ( l o c mo p e r a t i o nn e t w o r k ) 现场总线控制系统。l o n 总线是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的网络控制系统，其后该公司又相继开发出了神经元芯片、智能收发 器、n o d e b u i l d e r 等配套软硬件产品和开发工具，使得l o n 成为一种投资少、见效快的 快速开发平台，深受广大用户的好评。目前已有5 0 多个国家和地区的2 0 0 0 多个公司在 使用l o n w o r k s 技术及其产品。其通用性表明，它不是针对某一个特殊领域的总线，而 是具有将不同领域的控制系统综合成一个以l o n w o r k s 为基础的复杂系统的网络技术。 但是，l o n 总线的应用在我国尚处于起步阶段。 因为l o n 总线控制网络是由基于l o n w o r k s 技术的智能节点组成，所以智能节点就 是研究l o n 总线的基础。研究智能节点就是研究基于神经元芯片的硬件和基于n e u r o n c 的软件，这已经深入到了l o n 总线的核心技术，具有较高的理论价值和现实意义。 1 4 本人的主要工作 本人的主要工作是在深入了解和学习l o n w o r k s 总线的基础上，结合油田采油厂的 具体情况，设计前端智能测控装置。该装置的设计主要包含硬件电路设计和相关软件的 设计。硬件设计如下：核心控制模块的设计：包括神经元芯片和收发器的接口电路、 扩展的外接存储器电路、电源电路、时钟电路和复位电路等，并且要选取符合神经元芯 片时间特性要求的配套硬件；在设计时还要注意电路的抗干扰，复位电路是否可靠以及 外接存储器的地址空间分配；为了提高模块的稳定性和抗干扰能力，该模块的p c b 板采 用四层板结构。外围接口电路设计：包括模拟量输入输出电路、数字量输入输出电 路、a d d a 转换电路等。软件设计主要是为智能装置配置相关程序，包括模拟量的数据 采集与控制程序、数字量的数据采集与控制程序等。 1 5 课题来源 本课题为陕西省科技攻关项目“石油企业采油厂管控一体化网络的研究与实现” 的子课题，项目编号：2 0 0 4 k 0 5 一g 2 8 。 西安“油大学硕士学位论文 第二章现场总线控制系统 现场总线控制系统f c s 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、集散控制系统d c s 后的新一代控制系统1 4 i 。自2 0 世纪 9 0 年代以来，逐步走向实用化的现场总线控制系统正以迅猛的势头快速发展。它是一种 全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。它是信息化社会在工业自动化领域的体 现，代表了自动化工业发展的方向，是现场级设备通信的一场数字化革命。 2 1 计算机控制系统的发展历程 真正的控制系统产生于2 0 世纪5 0 年代。以劳斯等为代表的科学家总结实践中设计 和应用的经验，逐步建立起自动化技术的理论基础，孕育了控制技术的迅速发展。截止 到目前为止，控制系统的发展可以大致分成以下五个阶段： ( 1 ) 基地式气动仪表控制系统 这是历史上的第一代控制系统，由于当时的测控仪表尚处于发展初期。而且生产规 模也比较小，所以仅仅采用安装在生产现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表就 可以满足要求。基地式气动仪表控制系统采用了原始的分散结构，各个控制回路间完全 独立；其信号一般只在仪表内部起作用，而不能传输给其它仪表或系统共享。因此，现 场的测控点与外界是完全隔离的，生产状况只能通过现场人工巡检来获得【5 1 。 ( 2 ) 电动单元组合式模拟仪表控制系统 随着电子技术的迅猛发展，在2 0 世纪六十年代出现了电动的单元组合仪表，第二代 控制系统也因此产生。该系统采用了集中控制室，并且用标准信号模式来传递信息，已 经初步实现仪表的信息共享。但是，它的模拟信号精度很低，并且很容易受到外界干扰。 ( 3 ) 集中式数字控制系统 在2 0 世纪七、八十年代占主导地位，这一代控制系统初步采用数字信号代替模拟信 号，从而提高了控制系统的精度和抗干扰能力。它采用单片机、可编程逻辑控制器、顺 序逻辑控制器( s l c ，s e q u e n c el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 或微机作为控制器，在控制器内部传 输数字信号。但由于当时控制器的可靠性较差，一旦出现故障，就会造成严重的后果， 所以该系统的危险系数较高。 ( 4 ) 集散控制系统d c s 在2 0 世纪八、九十年代占统治地位。其核心思想是：集中管理、分散控制，即管理 和控制相分离，上位机用于集中监视管理，若干台下位机分散到现场实现分布式控制， 上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。在该系统中，分布式控制思 想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，但不同的d c s 生产厂家为达到垄断经营的 目的而对其控制通信网络采用各自专业的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e m e t 信息网络之间难以实现互连和信息共享。因此，从该角度而言， 集散控制系统是一种封闭专用的，难以实现互操作的分布式控制系统1 6 l 。 4 第二章现场总线控制系统 ( 5 ) 现场总线控制系统f c s 随着计算机和网络技术的发展，工业现场的数据采集与控制促进了现场总线技术的 发展。目前，现场总线已经从当初的4 2 0 m a 电流信号加载数字信号，发展成为全数字 通讯，解决了现场信号远距离高速传输问题，而且提高了抗干扰能力，增加了系统配置 的灵活性，节省了硬件投资，是未来自动化和过程控制的发展方向。训。 2 2 现场总线技术的特点 现场总线不仅是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新 一代的现场总线控制系统f c s 代替传统的控制系统，实现现场通信网络与控制系统的集 成。与传统的控制系统相比，f c s 具有如下的技术特点： ( 1 ) 系统的全开放性。也就是说系统的技术和标准实现全开放，无专利许可要求，可 供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布是全公开的，面向世界的任何一个制 造商和用户：系统的通信协议公开，各个不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交 换；系统集成的权利面向用户开放，用户可以按自己的需要，把不同供应商的产品组成 大小随意的系统。 ( 2 ) 现场设备的智能性与功能自治性。它将传感测量、补偿运算、工程量处理与控制 等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即能完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备的运行状态。 ( 3 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，导致 现场总线构成了一种全新的分布式控制体系结构，从根本上改变了现有d c s 集中与分散 相结合的集散控制体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 4 ) 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， 它可支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采 用两线制工作，并可满足安全防爆要求。 ( 5 ) 统一组态。由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，制造商使用相同的 功能块，统一组态，使组态变得非常简单。用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不 同而进行培训或学习组态方法及编程语言。 鉴于现场总线技术的以上特征，它具有传统技术所无法比拟的优势：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。此外，由于它的设备标准化、功能模块化，因而还具有设计简单、 易于重构等优点1 8 l 。 2 3 现场总线的应用领域 根据应用领域的不同，f c s 可分为以下五大类1 2 i ： ( 1 ) 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ； ( 2 ) 机器人控制( r o b o t i c sc o n t r 0 1 ) ； 西安石油人学硕士学位论文 ( 3 ) 物料经营控制( m a t e r i a l sh a n d i n gc o n t r 0 1 ) ： ( 4 ) 批量过程控制( b a t c hp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ： ( 5 ) 连续过程控制( c o n t i n u o u sp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 。 目前，这五大类f c s 在三大典型领域中得到全面的发展： f 1 ) 机器制造领域：典型例子是汽车制造业，其自动化生产线上的机器人是离散动 作、快速反映的自动控制，它是由p l c 技术发展而来的。 ( 2 1 物业领域：楼宇自动化是其典型案例。 ( 3 ) 过程控制领域：其典型用户是石油化工企业。这是f c s 发展的一个重要方向， 也是本课题所要研究的领域。在这一领域，主要是对现场的模拟量和数字量分别进行采 集，并控制执行器进行相应的操作，采集到的数据可以通过网络传送到上位机，和企业 的管理信息系统相连接，有利于实现企业管理和控制的一体化，加快企业的信息化进程。 2 4 现场总线的核心与基础 2 4 1 现场总线的核心总线协议 每一类总线都有最适用的应用领域。对于各类总线而言，其实质，也就是其核心是 “总线协议”，而这些协议的本质就是标准。各类总线，不论其应用于什么领域，它都有 一套完整的硬件和软件来支持。它们能够形成相应的系统，形成独立的产品。所以说， 一种总线，只要其协议一经确立，相应的关键技术和有关的设备也就跟着确定下来，其 中包括：系统的体系结构、人机界面、现场的智能装置、通信速度、节点数量及容量、 各系统相连所需的网关、网桥及网络的供电方式等1 2 1 。 2 4 2 现场总线盼基础智能现场装置 在i e c 6 11 5 8 标准中曾提到过现场装置，如驱动器、传感器、变送器、具有专业控 制算法的调节器、执行机构、电机启动及电流保护装置、输配电保护装置、高低压开关 等。这些设备由那些在本行业中具有优势的厂家制造，并具有互操作性、互换性。现场 设备正向专业化方向发展，它们具有程序及参数存储、智能控制功能，具有现场总线接 口：而控制器也将下放一定的控制工作由现场设备自身完成，控制器只作参数优化及运 行监测工作。 1 ，智能现场装置的发展历程 伴随着控制系统的发展，底层测控仪表也经历了几个主要发展阶段。按照不同的分 类，其发展历程简述如下： 】) 按照组成器件 ( 1 ) 电子管阶段。以电子管和磁放大器为主要放大单元。六十年代中期开始生产， 代表产品为d d z i 型仪表。 ( 2 ) 晶体管阶段。该阶段广泛采用晶体管作为主要放大单元，输出0 l o m a 的标准 直流电流信号。七十年代初开始生产，代表产品为d d z i i 型仪表。 6 第二章现场总线控制系统 ( 3 ) 中小规模集成电路阶段。该阶段测控仪表采用集成电路为主要放大元件并具有 安全火花防爆性能，其输出信号为4 2 0 m a 标准直流信号。八十年代初开始生产，代表 产品为d d z i i i 型仪表。 ( 4 ) 大规模集成电路阶段。该阶段的测控仪表习惯上被称为智能仪表，其显著特点 是微处理器的广泛应用。微处理器的引入简化了硬件电路，提高了仪表的可靠性，使得 仪表使用灵活、功能丰富，同时具有一定的通信能力，而且降低了成本，加快了产品开 发。代表产品有美国h o n e y w e l l 公司的s t 3 0 0 0 系列智能变送器和r o s e m o u n t 公司的3 0 5 1 系列变送器。 2 ) 按照输出信号形式 ( 1 ) 传统的模拟仪表。该类仪表主要包括输入放大电路和反馈电路。敏感元件送来的 输入信号经输入回路综合成电压信号，与反馈信号相比较，其差值经放大器放大并转换 成统一的0 1 0 m a 或4 2 0 m a 标准信号，作为输出信号。该阶段的主要缺点是仪表功 能单一，不便于同计算机接口，而且体积大、价格高、安装调整维修不方便等。 ( 2 ) 半数字式仪表。由于目前各种现场总线标准正处于完善和发展阶段，传统的基于 4 2 0 m a 的模拟设备还广泛的应用于工业控制的各个领域。因此，马上实现全数字化是 不现实的。为满足不同方面的需要，半数字式仪表应运而生。符合h a r t 协议的产品即 为该阶段测控仪表的主要代表，其输出为4 2 0 m a 电流信号同时载有h a r t 数字通信 信号。用户的管理系统首次延伸到工厂最基本的测控点上，因而是测量发展历程上重要 的一个转折点，但全数字化的发展趋势决定了这种仪表的过渡性位置终将被全数字智能 仪表所代替。 ( 3 ) 全数字智能仪表。随着综合信息自动化需求的推动和现场总线的发展，一些在 国际上有影响的专业化大公司相继开发设计出符合现场总线通信协议的总线式仪表产 品，其输出为全数字信号。这种仪表将分散的底层设备变成网络节点，打破了信息孤岛 的局面，实现了整个企业的信息集成和综合自动化。该阶段的代表产品有s m a r t 公司的 t t 3 0 2 智能温度变送器，日本横河电机株式会社的e j a 系列压力变送器等。 2 对智能现场装置的要求及其功能阻1 智能现场装置除了满足普通现场装置的各种要求外，它还必须符合下列要求：第一， 无论是哪个公司生产的现场装置，它必须与它所处的现场总线控制系统具有统一的总线 协议，或者是必须遵守相关的通信规约。这是因为现场总线技术的关键就是自动控制装 置与现场装置之间的双向数字通信机制。只有遵循统一的总线协议或通信规约，才能做 到全开放，完全互操作。第二，用于f c s 系统的现场装置必须是多功能化的，这是因为 现场总线的一大特点就是要增加现场一级的控制功能，简化系统集成，方便设计，并有 利于维护。 可互操作的现场总线的产生促进了现场装置与控制仪表的变革，使现场装置智能化 的趋势越来越明显。同时，智能化装置的发展与完善，也为现场总线控制系统提供了有 西安石油大学硕士学位论文 力的硬件支持，使之成为现场总线控制系统的基础。 现在所研制出的多功能智能化现场装置产品，已开发出以下一些功能1 2 i ： ( 1 ) 与自动控制装置之间的双向数字通信功能。 ( 2 1 多变量输出。例如，有的变送器可以同时采集温度、流量和压力等多种信息， 并能输出相互独立的信号，这被称为“三台一”变送器。 ( 3 ) 多功能。智能现场装置能够完成诸如信号线性化、阀门特性补偿、流量补偿以 及过程装置监视等功能。 ( 4 ) 信息差错检测功能。 f 5 ) 提供诊断信息。 ( 6 1 控制器功能。可以将p i d 控制模块植入变送器或执行器中，使智能现场装置具 有控制器的功能，这样就使得系统的硬件组态更为灵活。由于控制可以在主机或智能现 场装置中执行，所以可以将一些简单的控制功能下放到智能现场装置中，以减轻主机的 工作负担，而主机将主要考虑多个回路的协调工作和优化控制功能。 2 5 几种有影响的现场总线技术【1 0 l 自8 0 年代中期以来，有几种现场总线技术已经逐渐形成其影响，并在一些特定的应 用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。目前在国内 影响较大的有c a n 、p r o f i b u s 、w o d d f i p 、基金会现场总线( f f ) 、l o n w o r k s 等。 1 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t 控制局域网络) c a n 是主要用于各种过程监测及控制的一种网络。它是由德国b o s c h 公司为汽车的 监测和控制而设计的，目前已逐步应用到其它工业部门的控制中，并已成为i s o 1 1 8 9 8 国际标准。c a n b u s 接口芯片支持8 位、1 6 位c p u ，可做成i s a 和p c i 总线的插卡， 任意插在兼容机上，也可置于温度、压力及流量等物理量的变送器中，构成智能化仪表。 c a n 可以是对等结构，即多主工作方式，网络上任意一个节点可以在任意时刻，主动地 向其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。 2 p r o f i b u s ( 过程现场总线) 过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是德国标准，1 9 9 1 年在d i n l 9 2 4 5 中公 布了此标准。该总线有好几种改进型，分别用于不同的场合。 n 1p 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 ) 用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安 全性，可用于危险防爆区域。尤其是石油、化工等企业中，要求必须提供安全防爆性。 ( 2 1 p r o f i b u s f m s ( f i e l d b a s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用于一般的自动化应用中。 f 3 1 p r o f i b u s d p 用于加工自动化，适用于分散的外围设备。 由于具有多种改进类型，所以p r o f i b u s 可以满足各种场合和各类用户的不同需 求，经过多年的发展，它已经成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统。 3 w 0 r l d f i p 第二章现场总线控制系统 w o r l d f i p 协会成立于1 9 8 7 年3 月，以法国c e g e l e c 、s c h n e i d e r 等公司为基础 开发了f i p ( 工厂仪表协议) 现场总线系列产品。协会有1 0 0 多个成员，产品在法国市 场占有率大于6 0 ，欧洲约2 5 。产品适用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、 地铁和过程自动化等领域。1 9 9 6 年6 月，w o r l d f i p 被采纳为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。w o r l d f p 是一个开放系统，不同系统、不同厂家生产的装置都可以使用w o d d f i p ，应用结构可以 是集中型、分散型和主站一从站型。w o r l d f i p 现场总线构成的系统可分为三级：过程级、 控制级和监控级。这样，用单一的w o f l d f i p 总线就可以满足过程控制、工厂制造加工系 统和各种驱动系统的需要。 4 现场总线基金会( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 现场总线基金会是由国际上1 0 0 多家主要的控制和检测仪表厂家以及最终用户组成 的非赢利性中立组织。其宗旨是开发适应于过程控制、开放、可互操作、标准的现场总 线。它同时符合i e c ( 国际电工委员会) 标准及i s a ( 美国仪器仪表学会) 的s p 5 0 标准， 在国际上具有广泛的代表性。 f f 总线是一种全数字、串行、双向的通信协议，用于现场设备( 如变送器、控制阀 和控制器等) 的互联。它是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足苛刻的使用环境、 本质安全、危险场合及总线供电等方面，都提供了圆满的解决方案。 5 l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 总线是美国e c h e l o n 公司推出的全分布式智能控制网络，它是唯一跨越现 场控制网络中s e n s o rb u s ( 传感器总线) 、d e v i c eb u s ( 设备总线) 和f i e l db u s ( 现场总线) 三 个层次的现场总线技术。该技术提供了点对点双向通信的单层分布式控制网络。 l o n w o r k s 网络中的节点，主要有传感器、执行器、控制器以及p c 监视器。l o n w o r k s 不仅实现包括开关量传感器、执行器等一般设备的过程控制，而且可实现以程序块 b l o c k 为单位的仪表、控制器等复杂设备的高级过程控制。它在建筑物自动化领域实 用性很强，也普遍用于工业自动化控制中。无论是实时控制领域，还是在管理信息领域， l o n w o r k s 都可以实现网络的全面控制。l o n w o r k s 借助于计算机及智能节点的处理及通 信能力，实现智能化分布式网络控制，完成智能建筑或工业自动化控制系统的各种功能。 系统采用模块化的硬件、软件设计，各子系统可独立运行，分步实现，并可根据需要不 断地接入或更新控制节点，接入新的设备，是理想的实时控制网络。 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片。神经元芯片中集成了三个c p u 及相应的存贮 器、i o 接口等部件。它在通信及控制方面的功能相当于台工业p c 机，用这种芯片作 为分布式网络的基本控制节点，不但可以实现通信和控制，还可以充分接近分散于现场 的被控设备，从而实现较理想的分布式控制。 2 6 现场总线技术的发展趋势 现场总线控制系统形成了工厂的底层控制网络，完成了现场自动化设备之间的多点 西安年油大学硕士学位论文 数字通信。但是，现代企业要想实现完全的信息化、现代化，就要求工厂的底层控制网 络必须和企业上层的管理网相结合。这样，才能满足企业对信息日益增长的需求。这就 要求我们将以太网引入到现场总线领域。 目前，以太网在公用数据网络中的应用已经十分的成熟。过去，人们认为以太网采 用l 一坚持的c s m a c d ( 带冲突检测的载波侦听和多路访问) 协议，具有不确定性，不适合 用在实时性要求较高的工业控制现场。同时，以太网不能提供电源，需要有额外的供电 电缆，不是本质安全系统。所以，人们在工业领域一直没有采用以太网。 近年来，随着网络技术的迅速发展，上述问题都已基本得到解决。同时，以太网技 术成熟，成本较低，人们对以太网也比较熟悉。如果控制网采用以太网技术，可以使现 场总线技术和计算机网络技术相互促进，实现自动化控制领域的彻底开放，打破任何垄 断的企图，也可以更好地实现控制网络与管理层的信息共享。因此，以太网技术深受用 户和控制生产商的欢迎，各大控制生产商也纷纷引入以太网技术。 同时，各大现场总线也采取了一系列相关措施来支持以太网在现场总线领域的应用。 现场总线基金会为了适应以太网技术的发展，放弃了其原来规划的h 2 高速总线标准， 并于2 0 0 0 年3 月2 9 日公布了基于e t h e r n e t 的高速总线技术规范( h s e1 0 版) 。h s e 充 分利用低成本的以太网技术，以1 0 0 m b i f f s 到1 g b i f f s 或更高的速度运行；e c h e l o n 公司 应用i l o n1 0 、i l o n1 0 0 、i l o n1 0 0 0 ，实现了控制网与i n t e r a c t 的连接。p r o f i b u s 开发 了p r o f i n e t ，提供p r o f i b u sf m s 与t c p i p 的接口1 ”i 。 总之，以太网的发展为现场总线技术注入了新鲜的血液，成为未来现场总线的发展 趋势之一。 第三章l o n 现场总线系统 第三章l o n 现场总线系统 l o n 现场总线系统是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的局部操作网络，为分布式 系统提供了很强的实现手段。在该总线的支持下，诞生了新一代的智能化低成本现场测 控产品。为了支持l o n 总线，e c h e l o n 开发了l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线设计提供 了一套完整的软硬件开发平台。这使得开发者可以很