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f i f i 尔滨理t 人学丁学坝i + 学位论文 基于现场总线的过程控制系统集成研究 摘要 现场总线使企业信息网络延伸到生产现场，掀起了控制领域的一次革 命。由于其背后巨大利益的推动，其国际标准的制定出现了无可奈何的多元 化趋势。同时，基于t c p i p 协议的商用以太网技术逐渐渗透到了工业控制领 域。最终用户不得不面对已有系统和众多新技术的抉择，于是出现了多总线 系统集成构建企业管控一体化网络的要求和趋势。 针对这一要求，本文首先分析了控制系统的历程与发展趋势，提出了控 制系统网络化发展的观点，在此基础上，构建了企业一体化系统网络结构模 型，即i n f r a n e t i n t r a n e t i n t e m e t 模式。底层网络i n f r a n c t 的集成是企业一体化 的核心，对于异构现场总线网络，本文分别给出了实现网络集成、控制集成 以及应用集成的方法。i n f r a n e t 和上层e t h e r n e t 的集成，是企业一体化系统集 成的关键，o p c 技术是解决这一关键问题广泛采用的技术手段。传统的d c s 系统依然被广泛使用。d c s 与f c s 集成具有广泛的市场空间，本文提出了各 种情形下的实现方法。通过现场总线接口卡可以将现场总线网段在d c s 控制 器的i 0 子系统模块上集成。d c s 和f c s 还可以通过网关实现数据交换，或 者在d c s 的上层l a n 上实现两者的互联。最后结合油气处理站的控制系统改 造课题，在对其控制系统与信息系统集成现状详缨了解的基础上，给出了油 气处理站集成信息系统的设计方案。该方案大郁分已经通过调试，进入评估 运行阶段，目前看来，该系统充分发挥了现插总线作为企业底层信息网络的 强大功能，优化了控制，节省了成本，基本实现了企业管理、控翻一体化的 目标。 关键词现场总线，系统集成，以太网，o p c ：。篁耋鎏罂三查兰王兰罂土兰竺生兰 t h er e s e a r c ho fi n t e g r a t i o no f p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m b a s e do nf i e l d b u s e s a b s t r a c t f i e l d b u sm a k e se n t e r p r i s e si n f o r m a t i o nn e t w o r ke x t e n dt op r o d u c i n gs i t e s c e n e a n di tw i l l1 e a dt oo c c u rar e n o v a t i o ni nc o n t r o ls y s t e m s b e c a u s eo ft h e e n o r m o u si n t e r e s t s ，t h et r e n dt h a th a sn ow a yo u th a sa p p e a r e di nm a k i n gt h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do ff i e l d b u s m e a n w h i l e ，c o m m e r c i a le t h e r n e tb a s e do n t c p i pp r o t o c o lh a sp e r m e a t e dt h r o u g ht h ei n d u s t r yc o n t r o lf i e l dg r a d u a l l y 。b u t t h ee n du s e rh a st of a c et h ec h o i c eb e t w e e nt h eo l ds y s t e m sa n dn u m e r o u sn e w t e c h n o l o g i e s s oi n t e g r a t i n gm u l t i t u d i n o u sb u s e sa n ds y s t e m s t ob u i l da n i n t e g r a t i v en e t w o r kp l a t f o r mf o rm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i st h em o s ts u i t a b l e c h o i c et ou s e r s t om e e tt h i sn e e d ，t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ec o u r s ea n dt r e n do fc o n t r o l s y s t e m sa tf i r s t ，a n dh a sp r o p o s e dt h eo p i n i o nt h a tc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nm o r e l i k ean e t w o r ko nt h i sb a s i s ，e n t e r p r i s e si n t e g r a t i v en e t w o r ks t r u c t u r em o d e li s e s t a b l i s h e d n a m e l yl n f r a n e t l i n t r a n e t i n t e r n e t m o d e i n f r a n e ti st h ec o r eo f i n t e g r a t i o n f o ri s o m e rf i e l d b u sn e t w o r k s ，t h em e t h o d st or e a l i z et h ei n t e g r a t i o n o ft h en e t w o r k s ，c o n t r o l l i n ga n da p p l i c a t i o na r ep r o p o u n d e d t oi n t e g r a t i n gt h e l n f f a n e ta n de t h e r n e ti st h ek e yt o e n t e r p r i s e si n t e g r a t i v es y s t e m o p c t e c h n o l o g yi sa d o p t e de x t e n s i v e l yt os o l v et h i sk e yp r o b l e m t r a d i t i o n a ls y s t e m ， d c s ，s t i l lh a ss t a l w a r tv i t a l i t y ，m a n ym e t h o d sa r eg i v e ni nt h i sp a p e rt oc o m b i n e t h e mt o g e t h e rf i e l d b u si n t e r f a c ec a r dc a ni n t e g r a t ef c si n t ot h ei 0s u b s y s t e m m o d u l eo fd c s t h e ya l s oc a l lr e a l i z ed a t ae x c h a n g et h r o u g hg a t e w a y o rw ec a n i n t e r c o n n e c tt h e ma tu p p e rl a n f i n a l l y , t h ep a p e rp r o v i d e st h ep l a no fd e s i g no f t h e i n t e g r a t e d i n f o r m a t i o ns y s t e mo ft h eo i l g a sp l a n tb a s e do n f i e l d b u s t e c h n o l o g y p a r to ft h ed e s i g nh a v ea l r e a d yp a s s e dd e b u g g i n g ，a n ds t e p p e di n t o a s s e s so p e r a t i o ns t a g e a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c e ，t h es y s t e mh a se x e r t e da l l h 墼i ! 堡型三查耋三耋竺圭：簦鎏三 s t r o n gf u n c t i o no ff i e l d b u s e sa st h eb o s o mi n f o r m a t i o nn e t w o r ko fe n t e r p r i s e s ， h a so p t i m i z e dt h ec o n t r o la n ds a v e dt h ec o s t t h ei n t e n t i o nt or e a l i z et h e i n t e g r a t i o no fc o n t r o la n dm a n a g e m e n th a sr e a l i z e db a s i c a l l y k e y w o r d s f i e l d b u s ， s y s t e mi n t e g r a t i o n ， e t h e r n e t ，o p c l n - 哈尔滨媸t 大学t 学删卜学位论文 1 1 现场总线技术的产生 第1 章绪论 计算机以及相关技术如自动控制技术、通信技术、网络技术、微电子技术 的发展带来了制造自动化系统和过程控制系统的革命。人类历史从工业革命兴 起以来生产过程的自动化技术就处在不断的发展中。工业过程控制经历了气 动控制、电动控制、计算机集中式控制、计算机集散式控制等几个阶段。现 代电子计算机技术出现之前的工业过程控制基本上处于手动和半自动方式，在 f 扣动控制阶段，采用的控制方法基本上是模拟控制，即在工业过程控制中采用 模拟信号进行，控制的策略基本上处于局部控制，即只是在工业控制的某一个 单元采用一定程度的自动化技术，只是使工业生产的某一个局部环节提高了 生 产效率，减少人的劳动强度，但是整个工厂整体的生产过程缺少协调能力，因 而形成自动化孤岛，生产效率并非最优【2 】。同时控制过程采用模拟信号表示工 业现场设备的物理量，模拟信号具有误差大，信号处理不方便，控制的稳定性 和精度都比较低，但是当时的工业是精密性比较差的工业，模拟控制系统基本 上满足了一定的要求。 随着_ t 业生产的不断发展，高精密产品对生产没备的要求以及人们对工厂 运作的整体协调的要求，使得分离的单元自动化孤岛已经不能适应现代 。业牛 产的要求，因而集成自动化控制思想便应运而生。工厂集成自动化思想小仅要 求单元设备的自动化，而且更要求生产设备单元的协调运作，以使整个自动化 生产线效率达到最优。这一问题的关键是在工业设备级信息的传输与其享问 题。 在计算机发展的初期，由于计算机的体积大、价格高、运算速度低等原 因，计算机在工业过程控制系统中只作为大型控制系统的控制主机而存在，这 种控制系统是集中式控制系统。集中式控制系统采用4 - 2 0 m a 电流环标准作为 控制主机与现场设备进行通信的标准。 4 - 2 0 m a 电流环标准是一种模拟式的数据传输方法，用于工业现场设备与 控制室之间的信息传输，这种通信标准提供点到点的信息传输，并且控制设备 与现场设备之间的信息传输方向是单向的。随着控制、计算机、通信、网络技 术以及超大规模集成电路技术的发展，计算机生产成本急剧下降，运算速度加 哈尔滨理工人学1 二学顾士学位论义 快、体积大幅减小，特别是8 0 年代微处理器微控制器的出现，使计算机不冉 作为特殊主控设备用于工业现场，而作为一个智能元件存在，出现了基于微处 理器的智能过程控制仪表。这些过程控制设备处理的信号是数字信弓，4 2 0 m a 的模拟传输标准已经不适合现代工业自动化数字过程控制，也不遁合设 备的维护和管理。更重要的是，4 2 0 m a 电流环标准不能实现设备信息的交互 性，使控制系统成为封闭的系统。这种局限性导致了面向过程控制应用的串行 数字通信系统的开发，这种串行数字通信系统就是现场总线，现场总线技术就 是在这一历史条件下产生的。 现场总线不是对4 - 2 0 m a 电流环标准的简单代换，而是种全新的体系结 构与控制思想。在这种自动化系统中，现场总线连接工厂的底层设备( 如传感 器、控制器、调节器等) 与车间控制室，在车间控制室与这些设备之间提供一 种全双工的串行数字通信链路。这些传统的非智能设备，现在及将来都将嵌入 微处理器微控制器，成为智能现场设备，通过现场总线的连接，进行交互通 信，形成工，一的网络分布式控制系统。 现场总线是当今自动化领域的发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机 局域网0 1 ，它的出现，标志着工业过程控制领域( 连续过程控制、离散过程控 制、混合过程控制) 又一个新时代的开始，并对该领域产生巨大的影响。 1 2 现场总线的技术特点与优越性 1 2 1 现场总线简介 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点 数字通信的底层控制网络，被称为工业控制领域的局域网。 现场总线将微控制器微处理器嵌入到传统的过程控制仪表，形成智能控 制仪表。与传统的模拟控制仪表相比，这种数字控制仪表具有了数字处理和数 字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为传输介质，把多个过程控制 仪表连接成网络结构，并按照开放式、公开、规范的通信协议，在位于工业过 程控制现场的多个数字化测量设备、现场智能仪表与远程监控计算机( 一般作 为车间级的控制室计算机) 之矧，实现数据传输与数据交换。形成各种适合实 际需要的分布式自动控制系统。简而言之，它把单个分散的过程控制设备变成 智能控制节点，以现场总线作为传输手段，把它们连接成可以相互交换信息、 妓同完成协调控制的网络式分布控制系统。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论义 1 2 2 现场总线的技术特点 在技术上，现场总线将具有下列特点： 1 、系统具有开放性。开放系统是指通信协议公丌，各不同厂家的设备之 间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂 底层网络的丌放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公 眭，强调对标 准的共以与遵从。一个丌放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系 统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系 统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产 品组成大小随意的系统。 2 、互操作性与互用性。这里的互操作性，是指实现互连设备问、系统问 的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味 着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3 、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状态。 4 、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，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。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系统体系，简化r 系统结构， 提高了可靠性。 5 、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光 缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送 电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 1 2 3 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统 的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 l 、节省硬件数量与投资。出于现场总线系统中分散在被控设备前端的智 能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数 量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调 理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作 坠兰堡些! ；盔：! 。兰尘：! ；茎竺譬兰 站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占 地面积。 2 、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一 条电缆上通常司挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减 少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时， 无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设 计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以 上【4 i 。 3 、节省维护丌销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能 j ，并通过数字通讯将相关的渗断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设 备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停 2 ：h e f t ，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4 、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供 的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范 围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口丽一筹莫展，使系统集成过程中的 i i 动权完全掌握在用户手中。 5 、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字 化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误 差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强， 减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的没备标准 化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 1 3 几种典型的现场总线 1 3 1f o u n d a t i o nf i e l d b u s f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，即基金会现场总线，简称f f ，这是在过程自动化领 域得到广泛支持和具有趣好发展前景的技术。其前身是以美国f i s h e r - r o s c m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制订的 1 s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的 w o r d f i p 协议。屈于用户的压力，这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现 场总线基余会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 丌放 系统互连模型为基础，取其物理层、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。 啃尔滨理t 大学工学硕上学位论义 基金会现场总线( f f ) 是专为过程自动化而设计的通讯仂、议。f f 现场总 线最初包括低速总线h l ( 速率为3 1 2 5 k b p s ) 和高速总线h 2 ( 速率为1 m b p s 和25 m b p s ) 两部分。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的提高， 控制网络的实时信息传输量越来越大，h 2 的设计能力已不能满足实时信息传 输的带宽要求。鉴于此，现场总线基会会放弃了原有h 2 总线计划，取而代之 的是将现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现场总线 一基金会h s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) 现场总线，并于2 0 0 0 年3 月发布了h s e 的最终规范。 h 1 的传输速率为3 12 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延 长) ，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。h s e 是一种基于e t h e r n e t + t c p i p 协议、运行在1 0 0 b a s e t 以太网上的高速现场总线。它能支持低速总 线h 1 的所有功能，是对h l 的补充和增强【5 , 2 5 。 1 3 2l o n w o r k s i _ , o n w o r k s 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国e c h e l o n 公 司推出并由他们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成 的。它采用了i s o o s l 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，其通讯速率从3 0 0 b p s 至 15 m b p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持双绞 线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的 本安防爆产品，被誉为通用控制网络。 1 3 3p r o f i b u s p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n1 9 2 4 5 和欧洲标准e n5 0 1 7 0 的现场总 线。i s o o s i 模型也是它的参考模型。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、 p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设问的高速传输，适合于 加工自动化领域的应用。f m s 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动 化、可编程控制器、低压开关等一般自动优，而p a 型则是用于过程自动化的 总线类型，它遵从i e c l1 5 8 2 标准。 p r o f i b u s 的传输速率为9 6 1 2 k b p s 最大传输距离在1 2 k b p s 时为1 0 0 0 m ， 1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质可以是双绞线，也 可以是光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 哈尔滨理_ _ 大学工学硕士学位论文 1 3 4c a n c a n 是控制网络c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称。最早由德国b o s c h 公刮 推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、 n e c 等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。c a n 协议也是建立在国际 标准组织的丌放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3 层，只取 o s i 底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。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 ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。 已有多寰 公司，1 ：发生产了符合c a n 协议的通信芯片，如i n t e l 公司的8 2 5 2 7 ，m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 x 4 ，p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 等。还有插在p c 机上的c a n 总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。 1 3 5h a r t h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。最早由 r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支待，于1 9 9 3 年成赢| ， h a r t 通信基会会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其 特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过 程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争 能力，得到了较好的发展。 1 4 现场总线技术的发展现状 1 4 1 国外现场总线技术的应用与发展 早在1 9 8 5 年，i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n 国际电工委 员会) 就首次提出现场总线这一概念，1 e c 对现场总线的定义是：现场总线是 为最低层次的工业数据而建立的总线，其目的在于为工厂中测量与设备控制提 供一条可靠的串行数字数据通信链路 5 , 3 u 。1 9 8 4 年，美国仪表学会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 ) 下属的标准实施( s t a n d a r da n dp r a c t i c e ) 第 5 0 纽，简称i s as p s o 开始制定现场总线标准，s p 5 0 对现场总线的定义如下： 现场总线是种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制 设备( 即现场级设备) 和更高层次自动控制领域的自动化控制设备( 即车蚓级 喻尔滨理工人学工学顿学位论文 设备) 之侧的联系1 6 】。随后，国际上的许多国际组织和国家组织都对其标准化 和产品丌发方面作了巨大的工作。 既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准 规范，但是，由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连 续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动 化等等。背后巨大的利益推动下，各方对现场总线国际标准的竞争可谓你死我 活。如果一方成为国际标准，则会对另一方形成致命威胁，多年的技术、资会 投入将付之东流，市场占有率会急剧萎缩。长达十几年的标准大战的背后是国 家、忿业集团的经济社会利益。另一方面，众多领域，需求各异，一个现场总 线体系下可能不止容纳单一的标准。目前比较成熟的几大技术均具有自己的特 点，已在不同应用领域形成了自己的优势。 目前，在制定现场总线国际标准中出现的无可奈何的多元化趋势至少在短 期内无法实现。有人认为，实现现场总线标准的大统一只不过是一种理想化的 追求，它迫求技术的完美，要求形形色色、需求各异的系统达到完备的天下一 统，实现起来在技术上、经济上都有尖锐的矛盾，至少在短期内难以达到目 标。有理出认为：在今后相当长的一段时间内，可能出现几大总线标准共存， 甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息 芪享的局面。在过程自动化领域内，今后一段时州内，f f 基金会现场总线将 成为主流发展趋势，l o n w o r k s 将成为有力的竞争对手，h a r t 作为过渡性产 品也能有一定的市场。这3 种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的 各种功能是专为连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支 持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。 根据市场的需求和及时的发展趋势，国外各大仪表制造厂商都把发展现场 总线技术和产品放在公司技术进步的第一位。相继推出基于自己支持的总线规 范的现场总线控制系统以及众多现场总线设备。从目前看，基于基金会现场总 线( f f ) 、p r o f i b u sp a 、h a r t 等现场总线的过程控制仪表已经基本上都可以 买到。 1 4 2 我国现场总线技术的应用与发展 长期以来，我国民族工控产品如p l c ，d c s 长期落后于国外，根本原因 是国外少数几家大公司为保证其垄断经营的她位，对其工控产品采用封闭式结 构，我国对其关键核心技术只有通过引进消化后方可掌握，因此总是受制于 哈尔滨理工犬学工学硕士学位论文 人。而现场总线技术的丌放性策略无疑为我国工业控制的发展带来- 一个千载 难逢的机遇1 2 j 。 国内现场总线的发展趋势是： 1 、多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程； 2 、国内自己开发的现场总线产品开始投入市场： 3 、国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。 从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械 工、i k 局、教育部和中科院组织力量对h a r t 、f f 等现场总线展丌研究和开 发。到现在已经取得了阶段性成果，h a r t 仪表已经开始批量试用，f f 仪表 也己投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说暂时 还不能满足广大用户的要求| 2 j 。 l 。4 , 3 现场总线与以太网相结合将是现场总线发展的方向 过去人们直认为，以太网是为i t 领域应用而开发的，在工, i k 自动化钡 域只能得到有限应用，这是出于： l 、以太网采用c s m a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，网络的确定性未能满足工业控制的实时要求： 2 、以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设 计的，不符台工业现场恶劣环境的要求； 3 、在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差。若用于危险场合，以太网不 具备本质安全性能； 4 、以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。 随着网络技术的发展，上述问题f 在迅速得到解决。过去几年内，以太网 标准，特别是在确定性、速度和优先法则方面有了很大提高，应用以太网建 立高效、开放的确定性现场总线已不存在任何阻碍。以太网贯穿于憝个工业控 制网络的各个层次，在提高了带宽和响应时间的同时，以其良好的互连性和扩 展性使之成为真正的玎放式网络。以太网的优势主要体现在以下几方面： l 、以太网可以满足控制系统各个层次的要求，馒企业信息网络弓控割网 络得以统一； 2 、设备成本下降。以太网网卡的价格为几十元到数百元，而现场总线卡 则存9 0 0 0 一1 7 0 0 0 元之间。因为安装量的缘故，今后现场总线的成本也远远无 法与以太网相比； 喻尔滨理丁大学工学硕士学位论文 3 、几乎每家企业都有具备以太网维护能力的人员，无需再专门学习+ 种 控制网络； 4 、以太网易于与i n t e m e t 集成。 在与传统现场总线的对比测试中以太网显示出的明显优势，使其能够完全 胜任控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求，以太网已被证明是 未来控制网络的最佳解决方案j 。 以太网技术作为现场总线技术的技术优势有以下几个方面： 第一，采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。 由于以太网的广泛应用，使它的发展直受到广泛的重视和大量的技术投入， 保证了以太网技术的不断发展。目前速率最低的以太网是1 0 m b p s ，百兆的快 速以太网也丌始广泛应用，千兆的以太网技术也逐渐成熟。如果工、世控制领域 采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无 需独自的研究投入。这一点是任何现有的现场总线技术无法比拟的。同时，机 器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽，更好的性能，通信 协议有更高的灵活性。这些要求以太网都能很好地满足。 第二，以太网受到广泛的开发技术支持。由于以太网是应用最广泛的刊算 机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，例如j a v a ， v i s u a lc h ，v b 等。这些编程语言由于广泛应用，为人们所熟悉，并受到软 件丌发商的高度重视，具有很好的发展前景，可以期待其性能会不断改进。同 时也可以期待今后还会出现更好的以太网开发技术。因此，采用以太网作为现 场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 第三，出于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，它也受到硬件丌发商 的高度重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产品可供选择。并且由于 应用的广泛，其硬件价格必然相对十分低廉。目前以太网网卡的价格只有 p r o f i b u s ，f f 等现场总线网卡的十分之一，并且随着集成电路技术的发展，其 价格还会进一步下降。 第四，由于以太网已被使用多年，以太网具有大量的软件资源，人们对以 太网设计、应用有很多的经验，对以太网技术十分熟悉。实际上，许多控制系 统软件就建立在以太网上。大量的软件资源和设计经验，意味着可以暴著降低 系统的丌发和培训费用，从商显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的j r 发和推广速度。最重要的是，如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现 场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机 网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络 f l f 尔滨理1 大学t 学倾 学位论义 技术相互促进的局面。这将意味着可以实现自动化控制领域的彻底丌放，从而 打破任何垄断的企图，并使自动化领域产生新的生机和活力。 应用一般现场总线技术的工业控制网络无法实现办公室自动化与工业自动 化的无缝结合。由于以太网在确定性、速度和优先法则等方面性能的提高。阻 碍以太刚应用于实时控制环境的难点己被解决。以太网早已成为商业管理网络 的首要选择，那么它应用于企业现场设备控制层是控制网络发展的趋势，将极 大地促进信息从传感器到管理层的集成，真正实现信息集成。 1 4 4 本文主要研究内容 工业控制系统j 下丌始由传统的集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 走向数字化、网络化和智能化的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) ，并逐渐形成以现场总线控制网段为基础的，可实现控制、 调度、管理和决策一体化的企业网络。在企业管控一体化建设中，既要考虑已 有投资，还要考虑系统的兼容性和可扩充性。面对已有系统和众多总线标准， 选取最合适自己的部分，与企业现有控制系统有机集成，进而以较低的成本实 现企业的综合自动化是目前众多企业的首选。 本课题正是来源于大庆天然气公司油气处理三厂的控制系统改造项目。根 据参与项目的经验与体会，本文决定深入研究基于现场总线的过程控制系统集 成方法，希望能从繁杂的标准、技术和设备中，理出一个清晰的脉络，为实际 的工程应用提供一定的参考。具体研究内容如下： 1 、通过对过程控制系统的发展历程与趋势分析，给出了以现场总线技术 为基础的企业一体化网络层次结构，并分析了当翦系统集成所面临的任务。 2 、研究了底层多种总线标准的现场总线网段集成的方法。 3 、针对目前广泛使用传统过程控制系统d c s 的流程企业如何从新的现场 总线控制系统f c s 中获益展开研究，系统的分析研究了d c s 与f c s 在各种情 况f 的集成方法。并对企业控制系统升级时现有设备的改造升级以及其他子系 统的集成做了探讨研究。 4 、结合大庆天然气公司浊气处理三厂过程控制系统改造项目，在研究幽 内石化等流程企业控制系统与信息系统集成的相关问题基础上，给出r 基于现 场总线的该项目的集成信息系统解决方案。最后对企业管理层网络上的应用集 成和帮助企业建立的企业电子邮局和文件服务系统作了简单介绍。 文章最后对全文作了总结，并提出了今后研究的方向和任务。 哈尔滨理f 人学t 学倾i j 学位论殳 第2 章企业控制系统的网络结构研究 2 1 控制系统发展过程 每一代控制系统的推出都是对老一代控制系统存在的不足而给出的更完善 的解决方案。最终在用户需求和市场竞争两大因素的推动下占领市场的主导地 位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。控制系统的发展可以归纳 为咀下四个阶段。 l 、模拟仪表控制阶段模拟仪表控制系统在2 0 世纪六七十年代占主导地 位，这一代控制系统是基于5 一1 3 p s i 的气动标准信号和o 1 0 m a 或4 2 0 m a 的电 流模拟信号。其显著的缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。 2 、集中式数字控制系统集中式数字控制系统d d c ( d i r e c td i g i t a l c o n t r 0 1 ) 在2 0 世纪七八十年代占主导地位，它采用单片机、p l c 或微机作为 控制器，在控制器内部传输的是数字信号，但是需要指出的是系统的信号传输 大部分依然是沿用4 2 0 m a 的模拟信号。d d c 的优点是易于根掘全局情况进行 控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度和安排。4 i 足 的是：一是随着控制的集中失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫 痴；二是模拟信号传递过程较长，干扰随之增强。 3 、集散控制系统集散控制系统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 ) 又名允 抑式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管 理和分散控制的种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技术、测量控 制技术、通讯网络技术、c r t 技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发 展面产生的。d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统， 而是克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组态灵 活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单 规范化、调试方便、运行安全可靠的特点，适用于石油、化r 、冶金、轻_ 】，、 造纸等各种生产过程，能提高生产自动化水平和管理水平。其核心思想是集中 管理，分散控制。即管理与控制分离，上位机用于集中监视管理功能，若f ：台 下位机下放分散到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互联以实现 相互之阔的信息传递。分布式控制思想的实现得益于网络技术的发展和应用， 但是遗憾的是，不同d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采 哈尔滨理工大学工学硕一 学位论文 用各自专用的封闭形式，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 、 n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互联和信息共享，因此从这个角度而言， 集散控制系统是一种封闭专用的、不具有互操作性的分布式控制系统。并且 d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了丌放性和降低成本 的迫切要求。 4 、现场总线控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 矿足顺应以上潮流而诞生。它用现场总线这一丌放的、具有互操作性的网络将 现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下 放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s 实质是一种开放的、具有 互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，是控制系统发展的趋势。 现场总线把通用或专用的微处理器最入传统的测量控制仪表，使之具有数 字计算和数字通信能力，采用一定的介质( 例如双绞线、同轴电缆、光纤、无 线、红外等) 作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个 没备之问以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据的传输和信息的交 换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。图2 1 比较了各系统的测控能 力。 豹簟挖 l l l 辨l 嘲 图2 1 各阶段测控仪表能力指数图 f i g2 一ia b i l i t yi n d e xo fm e a s u r ea n dc o n t r o li n s t r u m e n ti na l lp h a s e s 灏精冀赣臻鼍 哈尔滨埋工人学工学坝j 学位论文 2 2 控制系统网络化的发展趋势 2 2 1 集散式控制系统 集散式控制系统( d c s ) 针对集中式控制系统风险集中的弊端，把一个控 制过程分解为多个子系统，由多台计算机协同完成。其结构主要有以下特点： 具有现场级的控制单元( p l c 、m c u 等) ，现场级控制单元与现场设备用电 缆连接，采用标准4 2 0 m a 模拟信号传输：具有中央控制单元( c p u ) ，中 央控制单元与现场级控制单元之间采用r s 2 3 2 4 8 5 等专用非丌放协议通信。目 前，d c s 领域主要由h o n e y w e l l 、f i s h e r 、a b b 、f o x b o r o 、西门子等公司占 据。 应该说，集散控制系统具有了一定的网络化思想，它适应于当时的计算机 和网络技术水平。但是在实际应用中也体现出了其不足，首先，集散系统仍然 是模拟数字混合系统，模拟信号的转换和传输使系统精度受到限制。其次，它 结构上遵循主从式思想，没有完全突破集中控制模式的束缚；一旦主机故障， 系统可靠性就无法保障；更重要的，d c s 系统属非开放式专用网络，各系统 可，不兼容，不利于继续提高系统可维护性和组态灵活性。集散控制系统在控制 领域类似于计算机领域中主机与终端的共用。典型的d c s 网络结构如图2 2 所示。 幽2 2d c s 的网络结构 f i g2 - 2t h en e t w o r ks t r u c t u r eo fd c s 哈尔滨理_ r 人学丁学碳 学位论文 2 2 2 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s ) 突破了集散控制系统中采用专用网络的缺陷， 把专用封闭协议变成标准开放协议。同时，它使系统具有完全数字计算和数字 通信能力。结构上，它采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场， 提高了系统可靠性和灵活性，因而，f c s 系统与d c s 系统比较具有很多优 点：它是现场通信网络，设备之间可点对点、点对多点或以广播等多种方式通 信；利用统一组态与任务下载，使得如p i d 、数字滤波、补偿处理等简单捧制 任务可动态下载到现场设备；它可减少传输线路与硬件设备数量，节省系统安 装维护的成本；它还增强了不同厂家设备的互操作性和互换性。 各种现场总线尽管都是开放协议，遵循同一种协议不同厂家的产品可以兼 容：但是，各种协议并没有统一，不同总线协议的系统不易互连。而且，现场 总线通讯协议与上层管理信息系统或进一步的t n t e m e t 所广泛采用