（控制理论与控制工程专业论文）多现场总线技术在控制系统中的集成应用.pdf

摘要 现场总线技术是上个世纪8 0 年代产生并从9 0 年代起成为热点的，至今已得到广 泛的应用。控制系统中应用现场总线技术不仅突破了传统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；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 场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；而且把数字化通讯和控制功能 延伸到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能，改变了控制系统的体系 结构和功能结构。现场总线技术的应用顺应了目前工业发展的趋势。 尽管现场总线技术在控制领域掀起了一场革命，但由其特点决定自动化行业对工 业控制网络技术有特殊需求( 功能、应用环境、应用对象千变万化) 及其背后巨大利 益的推动，造成现场总线协议标准众多这种现状，且这种状况在自动化领域中将持续 相当长的时间。在这种现状下，要配置出性能价格最优化的控制系统，就要面对不同 层次的不同功能要求及成本差异来选择合适的现场总线，往往选出来了合适的以后， 用户还面临着怎用集成它们，这就是本文的主题，探讨控制系统中的多总线集成问题。 本文首先对现场总线技术作了简要介绍，包括对其特点、优点的介绍。对其目前 现状作了概括总结。得出集成是现今、乃至未来现场总线的发展趋势之一。然后就现 场总线的选型问题展开研究，提出了从为什么选，有没有必要选、该怎样选的一条清 晰思路，尤其在选型方面，提出了量化方法，该量化方法有相关理论支持，能切实的 给予用户现场总线选型指导；接着详细研究了现产总线技术在不同层面的集成方法。 底层网络i n f r a n e t 上的集成是企业一体化的核心，且它的集成也脱离不了目前阶段的 自动化技术水平，通过对d c s 和f c s 从不同角度进行分析比较，得出当前阶段最适用 于工业现场的控制系统仍是d c s 的结论；所以对于现场总线网络的集成是以d c s 为框 架进行研究的，通过详细阐述和分析d c s 中的多总线集成实现方式，提出了基于目前 技术水平的多总线集成的自动化系统体系结构及方案。 水泥工业是一个关系国计民生的产业，也是一个高能耗、高污染的产业。随着国 家节能减排的环保政策提出，要求水泥工业要改进工艺，提高自动化水平，使用先进 设备。本人多次参与新型旋窑水泥厂d c s 控制系统项目设计和实施，其间也单独负 责过一些项目，对于水泥生产工艺和控制特点有较深刻的理解。所以以本人参与的几 条水泥生产线d c s 控制系统工程为例，分析水泥行业自动化现状及目前存在的问题， 结合分析其控制要求和控制特点，得出目前水泥工业提高其基础自动化水平的前提是 普及使用现场总线的结论，再对水泥企业如何全面从现场总线技术获益探讨。 关键词：现场总线d c s 集成水泥 n 济南夫学硕 学位论文 a b s t r a c t f i e l db u st e c h n i cw a si n v e n t e di nl9 8 0 s ，a n db e c a m et oaf o c u sml9 9 0 s ，n o wi ti s w i d ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r o lr e a l m a p p l i c a t i o no ff i e l db u st e c h n i ci nc o n t r o l s y s t e mo v e r c o m e dt h ed e f e c tw h i c hi sp r o d u c e db yd c s c o m m u n i c a t i o nb a s e d o ns p e c i a l n e t w o r ki nc l o s e ds y s t e m ，i ti sc h a n g e dt h ec l o s e d ，s p e c i a ls o l u t i o nb a s eo nt ot h eo n eb a s e o ns t a n d a r d i z a t i o n f r o mt h i sw ec a nt h r o u g ht h ef i e l db u sn e t w o r k ，b u i l dac o n t r o ls y s t e m w i t l lu s et h ea u t o m a t i o nd e v i c ew h i c hc o u l db ep r o d u c e db yd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e rw h o a b i d e dt h es a m ef i e l db u s p r o t o c o ls t a n d a r d , r e a l i z i n gt h ef u n c t i o n so fi n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ；a n df i e l db u st e c h n i ca l s om a d et h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l f u n c t i o ne x t e n s i o nt ot h ei n d u s t r i a l & l d ，w ec o u l dr e a l i z et h eb a s i cc o n t r o lf u n c t i o nb yt h e i n t e l l i g e n tf i e l dd e v i c e ，i tc h a n g e dt h e c o n t r o ls y s t e m ss y s t e ms t r u c t u r ea n df u n c t i o n s t r u c t u r e a p p l i c a t i o no ff i e l db u si nc o n t r o ls y s t e mi sa c c o r d i n gw i t ht h et r e n do f i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t f i e l db u st e c h n i cc a u s e dar e v o l u t i o ni nc o n t r o lr e a l m a u t o m a t i o ni n d u s t r yh a v e s p e c i a lr e q u i r e m e n tt oi n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r kb e c a u s eo fi t sf e a t u r e ，a n dh u g eb e n e f i t b e h i n di t ，t h e s ec a u s es om u c hf i e l db u ss t a n d a r d ，a n dt h i ss i t u a t i o nw i l ll a s tf o ra l o n gt i m e i nt h i ss i t u a t i o n ，i fy o uw a n tt oc o n f i g u r eac o n t r o ls y s t e mw i t hh i g h e rp e r f o r m a n c ea n d c h e a p e rs p e n d i n g ，y o uw i l lf a c et oc h o o s i n gt h es u i t a b l ef i e l db u sf o rt h ed i f f e r e n t r e q u i r e m e n ta n ds p e n d i n g t h j si sm yp a p e r sp u r p o r t i nt h ep a p e r , f i r s tg i v i n gas h o r ti n t r o d u c ea b o u tf i e l db u s ，i n c l u d ei t sc h a r a c t e r i s t i c ， e x c e l l e n c e g i v i n gas u m - u pt oi t ss t a t u sq u o a n dt h e ns t u d yh o w t oc h o o s et h es u i t a b l e o n ef o rs u i t a b l ea p p l i c a t i o n f r o mt h i sp u t t i n gf o r w a r dai d e af r o m w h yc h o o s e ，t o d ow e r e a l l yn e e d ，a n dt o h o wt oc h o o s e e s p e c i a l l yi n h o wt oc h o o s e ，g i v i n gt h eq u a n t i t a t i v e m e t h o d ，s o m et h e o r yc a l ls u p p o r tt h i sm e t h o dw h i c hc a l lr e a l l yt e l lt h ec l i e n t h o wt o c h o o s e i n f r a n e ti n t e g r a t i o ni st h ek e y , a n di n f r a n e ti n t e g r a t i o np l a nm u s ta c c o r dt o c u r r e n tt e c h n i c a ll e v e l ，n o wd c si ss t i l lw i d e l yu s e d ，s ot h ef i e l db u si n t e g r a t i o ni ss t i l l b a s e do nd c sc o n t r o ls y s t e m ，v i ad e t a i l e di ne x p o u n d sa n da n a l y s i st h em e t h o do f m u l t i p l ef i e l db u si n t e g r a t i o no fd c s ，p r o p o s e da a u t o m a t i o ns y s t e ms t r u c t u r e ，w h i c h w i t hm u l t i p l ef i e l db u si n t e g r a t i o na n db a s eo nn o w d a yt e c h n i c c e m e n ti n d u s t r i a li sav e r yi m p o r t a n to n ei nt h en a t i o n a le c o n o m y ih a dt o k e np a r ti n i l l s o m ed c sp r o j e c td e s i g n i n ga n di n s t a l l i n gf o rc e m e n tf a c t o r y , s oi h a dad e e p l y u n d e r s t a n di nc e m e n tp r o d u c t i o np r o c e s sa n di t s c o n t r o lf e a t u r e s ob a s e do nm y e x p e r i e n c e ，c o m b i n i n gw i t hc o n t r o lr e q u i r e m e n ta n df e a t u r e ，i n t r o d u c i n g t h ec e m e n t p r o d u c t i o np r o c e s si nd e t a i l ，a n da n a l y z i n gt h ef e a s i b i l i t yo fi n f r ad e v i c e d i g i t a l ，n e t w o r k , i n f o r m a t i o n d e s i g nac o n t r o ls y s t e mp l a n ，a n dg i v i n gt h em e t h o d so fd e s i g n ，c o n f i g u r a t i o n , c o m m i s s i o n i n gt ot h i ss y s t e m k e y w o r d ：f i e l db u s d c si n t e g r a t i o nc e m e n t i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律责任由本人承担。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雌导而签名：弛日期： 2 竺量：多t 妒 1 1 现场总线技术的产生 第一章绪论 控制系统的发展历程是从模拟技术向数字技术演变。其通讯技术也向数字通讯的 方向不可逆转的推进【l 】。 当数字通信最初开始出现时，每个制造商都独立地创建了各自的协议。于是在市 场上立即出现了许多不同的专有协议，但只有同一制造商的产品可以一起工作。但没 有任何一个厂商能提供一系列的产品来满足工厂的全部需求，也没有任何制造商可以 保证它的任何产品都是最好的。于是最终用户有相当大的可能面对要么为了实现较好 集成而购买并不理想的设备。要么设备从优选择而不顾其与其余设备之间拙劣的集成 度的艰难选择。这就是用户所面对的“自动化孤岛”问题【2 1 。 一旦购买了专有系统，工厂实际上可以说就被制造厂商“锁定”了，为了保持系 统的集成，工厂就不得不从系统供应商购买更换用的设备，而且也只有该供应商才能 对该系统进行扩张。由于这时供应商己不再面对任何竞争，所以备件及附件将比前期 购买系统时更加昂贵。这就是用户所面对的成本问题。 由于上述情况显然是难以容忍的，所以自1 9 8 5 年开始一些工业专家便致力于制 定一种独立于卖方的现场总线标准。由于过程控制的环境有其独特的需要，没有一种 现有的网络标准可以利用。所以不得不开发新技术作为标准，以满足总线供电、本质 安全、使用常规的仪表电缆进行远距离通信等要求。 1 2 现场总线技术简介 1 2 1 现场总线概念 现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通讯体系中最底层的低 成本网络叫1 。按照国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网路。现 场设备是指最底层的控制、执行和计算设备，包括传感器、变送器、控制器、智慧阀 门等各种类型的仪表产品。现场总线是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能 化现场设备( 例如变送器、执行器、控制器等) 与高层设备( 例如主机、网关、人机接口 设备) 之间互联的、全数字、串行、双向的通信系统。 l 1 2 2 现场总线的技术特点 ( 1 ) 系统的开放性：开放是指对相关标准的致性、公开性，强调对标准的共识 与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系 统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发 者就是要致力于建立统一的底层网络的开放系统。用户可按自己的需要来考虑把来 自不同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。 ( 2 ) 互可操作性与互用性：互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送 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。 ( 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：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系 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，简化了系 统结构，提高了可靠性。 ( 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供电与通信，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，持别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、 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 】。其表现在： ( 1 ) 节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接 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，不再需要单独的调节 器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复 杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控 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，一对双绞线或一条电缆上通 2 济南大学硕士学位论文 常可挂接多个设备，因而电缆、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 的测算资料表明，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销 由于现场总线设备具由自诊断与简单故障处理的能力，并通 过数字通讯将相关的诊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，缩短了维护停工时间，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、避免因选择了某个品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围、本 会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌 握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性出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精确度，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 3 几种典型的现场总线 1 3 1f f 基金会现场总线嘲 基金会现场总线，即f o u d a t i o nf i e l d b u s ，简称f f ，这是在过程自动化领域得到 广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国f i s h e r - r o u s e 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i 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，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上一的现场总线 协议。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数链路层、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。 基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。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，1 - 1 2 的设计能力已 3 不能满足实时信息传输的带宽要求。鉴于此，现场总线基金会放弃了原有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 1 2 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 m 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 1 的补充和增强【5 ，6 】。 为满足用户需要，h o n e y w e n 等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协 议的专用芯片，许多仪表公司己开发出符合f f 协议的产品。目前，已有6 家公司生 产出h l 低速总线的专用芯片( a s i c ) ，它们是：s m a r 、y o k o g a w a ( 横河) 、s h i p s t a r 、 b o r s t ( 波斯特) 、a u t o m a t i o n 、f u j i 、v l s i 。 为了支持功能块模型的标准化，f f 定义了2 个工具：对象字典( o b j e c td i c t i o n a r y ， o d ) 和设备描述语言( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，d d l ) 。o d 是一个“基本方案”工具； 用于定义字典以及设备和其中功能块目录信息。设备应用的o d 可以由设备描述d d 来补足，而这些d d 又是由d d 语言( d d l ) 生成的。d d l 是一种解释语言、用于描述 a p ( 应用进程) 对象到行为和操作接口。故而使众多f f 成员生产厂家生产的设备描述 方法标准化，由此，使得与生产厂家无关的设备互操作成为可能。 f f 从自控系统的设计、安装、开车运行和维护的整个过程中都体现了优越性。 f f 系统结构简化，节省了控制设备。f f 高度分散性与现场设备的自治性，使系统运 行性能提高，对现场设备的诊断可随时进行，使系统可靠性大大改善。f f 系统的开 放性与互操作性，把从多个厂商处购买部件而集成系统的权利交给用户。 1 3 2c a n 总线【1 1 c a n 总线是控制网络c o n t r o l a r e a n e t w o r k 的简称，是德国b o s c h ( 博世) 公司从 8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串 行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。 通信速率可达1 m b p s 。c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层 功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优 先级判别等项工作。 4 济南大学硕i f 二学位论文 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块 进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的 标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块， 这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布 式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命 令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而 保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证 了数据通信的可靠性。c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工 业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现 场总线之一。其总线规范现己被制定为国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 。p h i l i p ， s i e m e n s ，n e c 等公司的支持。并广泛应用在离散控制领域。c a n 协议也是建立在i s o 的开放系统互连模型基础上，不过，其模型结构只有二层即只取o s i 底层的物理层数 据链路层和最上层的应用层。 另外，c a n 总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串 行总线以及广播通信的特点。c a n 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其 它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。c a n 总线协议已 被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适 用于分布式测控系统之间的数据通讯。c a n 总线插卡可以任意插在p c a t x t 兼容机 上，方便地构成分布式监控系统。 1 3 3p r o f i b u s 现场总线【7 】【8 1 现场总线p r o f i b u s 技术于1 9 8 7 年，由s i e m e n s 公司等1 3 家企业和5 家科研 机构联合提出；1 9 8 9 年批准为德国标准d i n l 9 2 4 5 。经应用完善后，1 9 9 6 年3 月批准 为欧洲标准，即d i n 5 0 1 7 0 v 2 。p r o f i b u s 产品在世界市场上已被普遍接受，市场 份额占欧洲首位，年增长率2 5 。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。 1 9 8 9 年1 2 月，自愿在其产品中采用p r o f i b u s 标准的企业组成用户组织( p n o ) ， 1 9 9 5 年成立p r o f i b u s 国际组织( p 1 ) 。目前，p l 在2 0 个国家和地区有地区性组织， 会员超过8 0 0 家。1 9 9 7 年7 月组建了中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会，并建立 现场总线p r o f i b u s 产品演示及认证的实验室。p r o f i b u s 主要应用领域有：制造业 5 自动化、过程控制自动化、电力自动化、楼宇自动化、铁路交通信号系统。 p r o f i b u s由三个兼容部分组成， 即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p 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 e s p e c i f i c a t i o n ) 。 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式i o 的通 信。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。适合于加工自动化领 域的应用。p r o f i b u s d p 定义了第一二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户 接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同 p r o f i b u s d p 设备的设备行为。 p o r o f i b u s - p a ：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上， 并有本安规范。它遵从i e c l l 5 8 2 标准该项技术是由西门子公司为主的十几家德国 公司研究所共同推出的。它采用了0 5 1 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成 了其标准第一部分的子集。 p r o f i b u s f m s ：用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络。 p r o f i b u s f m s 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n - f m s ) 和低层接口( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e - l l i ) 。f m s 包括了应用 协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。l l i 协调不同的通信关系并提 供不依赖设备的第二层访问接口。 p r o f i b u s 支持主从系统、纯主站系统、多主从混合系统几种传输方式。主站具有 对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说主站之间采用令牌方式传递信 息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌 在各主站中循环一周的最长时间。按p r o f i b u s 的通信规范，令牌在主站之间按地址顺 序、沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式向从站发送或索取 信息，实现站对站通信，主站可采取对所有站点广播。或有选择的向一组站点广播。 p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b p s 一1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为1 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，也可以光缆，最 多可挂接1 2 7 个站点。 1 3 4m o d b u s 协议1 9 m o d b u s 是m o d i c o n 公司为该公司生产的p l c 设计的一种通信协议，从其 6 济南大学硕十学位论文 功能上看，可以认为是一种现场总线。它通过2 4 种总线命令实现p l c 与外界的信息 交换。具有m o d b u s 接口的p l c 可以很方便的进行组态。 m o d b u s 传输协议定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不须考虑通信 网络的拓扑结构。它定义了各种数据帧格式，描述了控制器访问另一设备的过程，怎 样作出应答响应，以及可检查和报告的错误。 m o d b u s 有两种传送方式，r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 方式和a s ci i 方式。 m o d b u s 以l s b 在先的形式传送数字量，以m s b 在先的形式传送模拟量。m o d b u s 把通信参与者规定为“主站”( m a s t e r ) 和“从站”( s l a v e ) 。主站可向多个从站发 送通信请求，最多可达2 4 7 个从站。每个从站都有自己的地址编号。 m o d b u s 的r t u 方式规定通信字符串的最后两个字节用于传递循环冗余校验数 据。其校验方式是将整个字符串( 不包括最后两个字节) 的所有字节按规定的方式进 行位移并进行x o r ( 异或) 计算。接收方在收到该字符串时按同样的方式进行计算， 并将结果同收到的循环冗余校验的两个字节进行比较，如果一致则认为通信正确，如 果不一致，则认为通信有误，从站将发送c r c 错误应答：m o d b u s 中r t u 采用 c r c 1 6 的冗余校验方式。 控制器与p l c 之间通信的内容包括主站对从站的读取和写入，m o d b u s 规定， 只有主站具有主动权，从站只能被动的响应，包括回答出错信息。 从功能上讲，m o d b u s 包括2 4 种命令，每一功能都有相应的功能码。最基本的 功能主要包括a f a o 、d i d o 的数据传送，p l c 如果支持m o d b u s ，那么都应该 包含这些基本命令。p l c 将模拟量和数字量存放在不同的寄存器中。模拟量保存在寄 存器( h o l d i n gr e g i s t e r ) q 丁，数字量保存在线圈中( h o l d i n gc o i l s ) 。 标准的m o d b u s 物理层采用了r s 2 3 2 串行通信标准，在远距离可以考虑用 r s 4 2 2 或者r s 4 8 5 来代替。通信的网络结构为主从模式。值得指出的是：r s 2 3 2 和r s 4 2 2 仅支持点对点通信，所以在多点通信的情况下，应当采用r s 4 8 5 。 1 4 现场总线技术及其集成应用现状 ( 1 ) 多种总线协议并存：经过长达1 5 年的争论，i e c 6 1 1 5 8 用于工业控制系统 的现场总线国际标准于2 0 0 0 年初终于获得通过，为了进一步完善i e c 6 11 5 8 标准， i e c s c 6 5 c 成立了m t 9 现场总线修订小组，继续这方面的工作。m t 9 工作组在原来 8 种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2 0 0 1 年8 月制定出由1 0 种类型现场总 7 线组成的第三版现场总线标准，该标准于2 0 0 3 年4 月成为正式国际标准。它们是： t y p e lt s 6 1 1 5 8 现场总线、t y p e 2c o n t r o l n e t 和e t h e m e t i p 现场总线、t y p e 3 p r o f i b u s 现场总线、t y p e 4p - n e t 现场总线、t y p e 5f fh s e 现场总线、t y p e 6 s w i f t - n e t 现场总线、t y p e 7w o r l d f i p 现场总线、t y p e 8i n t e r b u s 现场总线、t y p e 9 f fh 1 现场总线以及t y p e l 0p r o f i n e t 现场总线【10 1 。这样就形成了当前的多总线标准 并存的现状。 ( 2 ) 每种总线有其应用领域，并试图向其他领域拓展：每种总线都有其产生的 背景和应用领域。总线是为了满足自动化发展的需求而产生的，由于不同领域的自动 化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定的领域的满足 度高一些，应用多一些，适用性好一些：在完善和巩固自有领域外，每种总线都还力 图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线， 往往会进一步根据需要向其他领域发展。如p r o f i b u s 在d p 的基础上又开发出p a 以适用于流程工业。 ( 3 ) 各标准都以其背景为依托激烈竞争：每种总线都以一个或几个大型跨国公 司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如p r o f i b u s 以s i e m e n s 为主要支持， c o n t r o l n e t 以r o c k w e l l 为主要背景，w o r l d f i p 以a l s t o m 为主要后台：大多数总线 都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持， 同时也想显示出其技术是开放的。如w o f l d f i p 国际用户组织、f f 基金会、p r o f i b u s 国际用户组织、p - n e t 国际用户组织以及c o n t r o l n e t 国际用户组织； ( 4 ) 协调共存大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至 参加2 4 个总线组织。各主要企业，除了力推自己的总线产品之外，也都力图开发接 口技术，将自己的总线产品与其他总线产品相连接，在国际标准中也出现了协调共存 的局面。 ( 5 ) 目前的总线集成及应用大多还是基于同族现场总线的，尽管第四点目前也 有应用，但还是份额不大。 ( 6 ) 以太网技术引入工业领域：近年来工业以太网兴起，人们又寄希望于用这 一种网络技术标准覆盖工厂从顶到底的全部控制网络需求。但首先工业以太网标准是 新兴的工业通讯技术，目前还没有消息报道工业以太网应用于底层设备通讯，现在主 要用于过程层的通讯；其次目前就有p r o f i n e t 、h s e 、e t h e m e t l p 、i d a 等四种以太 网标准，协议标准还是不统一；最重要的一点是工业以太网也面临着和现场总线发展 济南大学硕士学位论文 中遇到的难题：现场设备由于其功能、应用环境、应用对象不同，设备成本( 价格) 相差很大等原因，一种通讯还是满足不了所有需求。 1 5 本课题的目的 要实现工厂信息集成，通信网络是技术基础，现场总线是工厂控制设备层及控制 装置层( 车间级) 网络技术，也是工厂信息集成，从而实现企业管控一体化的技术基 础。经过十几年的推广应用，现场总线技术确实给用户带来了节省电缆及工程安装的 费用、远程参数化功能为工程调试、开通节省了大量时间、更完善的系统故障诊断功 能，与互联网技术结合真正实现了远程故障维护丰富的信息集成，为各层次生产管理、 设备( 资产) 管理提供了可能等好处。所以目前工厂有很大的使用现场总线的需求。 面对不同层次的不同功能要求及成本差异，应该有多种通信技术标准供用户选 择，才能配置出性能价格最优化的系统。但在多总线标准并存、且还将持续很长时间 的情况下，最终用户面临的是众多的选择，如何取舍成为一个重要问题。 所以当前面临着如何实现在一个系统中选用适合各应用领域的现场总线解决方 案，并协调工作的问题。就是不同现场总线之间的集成的问题。本课题立意在此，在 探讨总线的选型方法、研究多总线集成关键技术的基础上，提出基于目前技术水平的 多总线集成的自动化系统体系结构及方案，并通过在水泥厂中的应用证明其可行性和 优越性。 1 6 本文的主要内容 ( 1 ) 对现场总线技术作了简要介绍，包括对其特点、优点的介绍。对其目前现状 作了概括总结。在此基础上提出了课题的目的。 ( 2 ) 对现场总线的选型问题作了探讨和研究，包括选型原则的总结和提出，现场 总线的应用场合进行分类等。 ( 3 ) 研究了底层多种总线标准的现场总线互联集成的方法，包括协议级别的集成 和基于中间件的集成。 ( 4 ) 阐述和分析了d c s 和f c s 的异同，得出d c s 仍是主流的控制系统控制系统， 在目前乃至未来一段时间仍将得到广泛应用的结论。探讨f c s 子系统和d c s 不同层 面的集成方法。提出了基于目前技术水平、多总线集成的系统体系结构。 ( 5 ) 分析水泥工业现状，总结出目前存在的问题，得出现场总线技术是解决这些 问题的关键；然后详细分析其工艺和控制特点，以前面章节的探讨研究结果( 选性和 o 集成) 为指导，展开水泥工业如何从现场总线获益的研究，给出基于d c s 的、多总 线集成的控制系统方案；最后结合本人参与山东山水安丘水泥厂、山西智海水泥厂、 大坝水泥厂等典型企业的d c s 控制系统的设计实施经历，阐述其具体实旋过程，并 分析其应用效果。 ( 6 ) 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。 1 0 第二章现场总线的选型研究 选型是应用方面的重要组成部分，所谓选型，就是针对自己的应用需求，选择合 适的生产商的合适的设备。 对于现场总线来讲，选型就是到底要选择哪一种现场总线为宜，国际标准是在优 选之首。但目前国际标准众多，甚至针对同种应用场合的也有多种，这就使用户在选 择现场总线时应对多种现场总线进行对比，了解它们各自的特点和适用范围，同时对 自己的需求进行分析、提炼，得出最基本最重要的目标要求，从而选择出最适合的现 场总线。本章就此问题进行探讨研究。 2 1 1 吏用现场总线技术的依据 任何技术不管先进与否，都有其适用范围，即先进的不一定适用。总线也不例外， 现场总线也是一项重大的先进技术，但在采用时，如果没有先进的工艺流程和工艺 设备，良好的原材料条件和足够的资金，以及在企业内部需要科学的管理水平、操作 水平和维护水平与之配套及相适应，即使采用了最先进的自动化技术和装备，也不 能奏效，甚至造成浪费。因此探讨选型，首先要确认是否真有使用总线的需求，此问 题可按以下方面进行考虑： ( 1 ) 现场总线设备分散程度 现场总线最大的优点，也是最能让用户发现的优势就是一挂n 的走线方式，对于 用户来说，节省了大量现场布线成本，使系统故障易于诊断与维护。因此这个因素是 决定是否使用现场总线技术的关键。 应用上现场总线技术适合于分散的、具有通信接口的现场被控设备的系统。对于 具有集中的单机控制系统，现场总线技术没有明显优势。 ( 2 ) 系统对底层设备是否有信息集成要求 现场总线技术适合对数据集成度有较高要求的系统，例如企业需要实现管控一体 化，这就需要底层的信息化，在底层使用现场总线技术可将大量丰富的设备及生产数 据集成到管理层，为实现全厂的信息系统提供重要的底层数据。 ( 3 ) 有无示例工程参考n 町 有无应用先例也是决定是否采用现场总线的一个关键。因为对于一个实际应用项 目，技术问题复杂，很难用精确的数学分析或仿真方法给出技术可行性论证。对重大 项目的决策，应用先例或应用业绩是简单而又颇具说服力的证明。一般来说，现场总 线如在相同行业有类似应用，就可以说明一些关键技术己经有所保证，可以在一定程 度上降低不必要的风险。 ( 4 ) 工程投资因素 投资也是决定一项新技术采用与否的因素。作为一种新兴技术，现场总线设备在 整个工程投资中占有一定的比例，一般在可行性阶段就有结算，在基本设计时就有概 算，而在详细设计时就有预算。各个专业都有一定的份额，如采用的新产品超过概算 不大时，报工程的