（电力电子与电力传动专业论文）基于internet现场总线分布式控制系统研究.pdf

西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ff i e l db u sd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m b a s e do ni n t e r n e t ( a b s t r a c t ) m a j o ro fp o w e re l e c t r i ca n dp o w e rd r i v e p o s t g r a d u a t e ：“n h o n i g j ut u t o r ：z h e n g p i n g t h ef c s2 - f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，h a sat r e n dd e v d o p i n gt o i n t e l l e c t ，f i e l d ，n e t w o r ka n dd i s t r i b u t i o na n dh a sf o r m e dan e wn e t i n t e g r a t i o nd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m a tt h es a m et i m e ，w i t hi n t e r a c t h a v i n gb e c o m em o s ti n f o r m a t i o nc a r r i e ri n i n f o r m a t i o ne r a ，a n dw i t h c o m p n t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g yh a v i n gd e v e l o p e dr a p i d l y ， t h e ya l ec o n c e m e db yi n d u s t r yf i e l d sa n da c a d e m ew i d e l y i nv i e wo ft h e a s p e c t ，i th a sp o s i t i v es i g n i f i c a n c et h a tw ed e v e l o pt h ef i e l d b n sc o n t r o l s y s t e mw i t hr e m o t es u p e r v i s o r yf u n c t i o nw h i c hc a i lr e a l i z ec o n n e c t i o n w i t hb o t t o mc o n t r o ln e t w o r ka n di n t e r n e ti n f o r m a t i o nn e t w o r ki no r d e rt o s p a r er e s o u r c e s ，c o o p e r a t i o na n dr e m o t es u p e r v i s o r y , a n dw h i c hi sa s y s t e mt h a td i s t r i b u t e sd e v i c e sc a nb es u p e r v i s e da n dt h e i rs t a t u sa l s oc a l l b ea c c e s s e d t h ep r o j e c t sr e s e a r c hi sb a s e do nr e q u e s to fn e t w o r k ，d i s t r i b u t i o n a n dr e m o t i o ni nt h e s e sd a y s o u rc o n t r o lo b j e c ti ss c a l e l a r g el i q u i dt a n k ， w er e s e a r c hr e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do nc a nb u si nt h ep a p e r a n dd i s c u s sr e l a t i v et e c h n o l o g i e so ft h e i rl a y e r s i n f o r m a t i o ne x c h a n g e t h ec a nb u si sc o r eo ff i e l dc o n t r o ln e t w o r ka n dh a f d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no ft h ec a n b u si n t e l l e c tn o d ea l ed i s c u s s e do nt h i sb a s i s t h ef i e l d d a t u sa r ec o l l e c t e d w ea l s od i s c u s st h eq u e s t i o no fc o n n e c t i n gw e b s e r v e r a p p l i c a t i o n w i t hc o n t r o l p r o 掣a mb a s e d o n d u a lr o a d 2 西华大学硕士学位论文 p c i 一5 1 2 1 c a nc a r d b yc o m p a r i n gw i t hc h a r a c t e r so ft h eb sa n dt h e c sm o d er e s p e c t i v e l y , w ec o n s t r u c tw e bs e r v e rb a s e do r lt h eb sm o d e w e bs e r v e ra p p l i c a t i o ni sp r o g r a m m e db yw e b s n a pa n da d ot e c h n o l o g y o fc + + b u i l d e r t h ec o n n e c t i o no ft h ed a t a b a s ea n dw e bs e r v e r a p p l i c a t i o ni sd i s c u s s e di nt h ep a p e r w eh a v ed o n er e l a t i v ed e b u g g i n g a n dr e a l i z e de x c h a n g ew i t hc a nb u sd a t aa n di n t e r n e ti n f o r m a t i o nb yo u r h a v i n gd e v e l o p e dr e l a t i v ed e v i c e s ，t h er e l a t i v ei n t e r f a c ed r a w i n g so fp c a n dp a g e sd e m g n e da r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：f i e l db u s ，i n t e r a c t ，c a n ，w e b s e r v e r , b sm o d e ，r e m o t e s u p e r v i s o r y , 3 西华大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的研究背景 众所周知，自动化技术进展迅猛，主要依靠许多使能技术的进步和 些开发工具的扩大，将人们构思的自动操作付诸实现。如网络控制技术、 可编程序控制器及工业控制机、组态软件、嵌入式芯片、数字信号处理器 等都属于自动控制技术中的使能技术。这些使能技术在计算机技术和信息 技术的推动下，正发生巨大变化呈现出以下趋势：智能的分散化融入现 场层，利用现代现场总线技术实现基础自动化。过程控制系统将提供工厂 设备在其生命周期内的完整数据，在生产( 或制造) 过程的全部时间域内实 现在线控制和管理的趋势；i n t e m e t 成为了信息时代的主要信息载体， 信息呈现扩散和下移的趋势。随着信息技术与工业自动化技术的结合， 解决了通信的瓶颈问题。打破传统的工业控制网络体系，实现办公自动化 与工业自动化的无缝结合，形成新型的管控一体化的全开放工业控制网 络，是现代企业提出的要求，也是信息发展进程的结果。 纵观工业过程控制技术的发展，沿着这根主线经历了三次大革命； 电动单元组合式模拟控制仪表系统( d d z i i i 为代表) 一集散控制系统 ( d c s ) 一现场总线控制系统( f c s ) 。过程控制技术与控制理论、自动 化仪表技术、计算机技术、通信技术同步发展，其趋势是：过程控制技术 由分离设备向共享设备发展，自动化技术由模拟仪表向智能仪表发展，计 算机网络技术向现场延伸，工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展， 从而，过程控制走向过程信息资源共享【4 5 1 。 现场总线系统自8 0 年代末发展以来，逐步形成了几种固定的现场总 线系统。这几种重要的现场总线包括：基金会现场总线t i f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、p r o f i b u s 、c a n b u s 、h a r t 等。近几年，在这些现场总线基础 上又出现了一些新的现场总线，如d e v i c e n e t 等。它们各自具有一定特点， 而其中d e v i c e n e t 现场总线被广泛应用于自动化领域。d e v i c e n e t 是在 c a n b u s 的础上发展起来的，因而具有了c a n b u s 的高可靠性、实时性和灵 西华大学硕士学位论文 活性等优点，并有了更进一步的发展。据世界著名的市场调查公司v d c 发布的“工业分布式远程v o 的全球市场和用户需求”研究报告，称在分布 式控制系统应用c a n 总线( d e v i c e n e t ) 的市场份额占世界第第三位。 本课题来源于四川省科技厅重点项目“d e v i c e n e t 现场总线技术研究” ( 编号：0 2 g g 0 0 6 0 5 7 ) 。重点研究该项目中的c a n 总线部分和与i n t e r n e t 技术的结合， 1 2 国内外现状和发展趋势 现场总线作为一种全集成自动化系统，既是对没备的集成，也是对信 息的集成。其发展的趟势是：将控制技术与i n t e m e t i n t r a n e t 技术相结合， 构成基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的分布式网络控制系统，实现现场微观控制与企 业宏观决策一体化，为工业控制和企业管理带来一种全新的模式，促进控 制技术的发展和加快信息时代的步伐，该技术能解决远程实时控制等已经 遇到的难题，大大促进控制技术、计算机技术和通信技术等多学科的交叉 发展。 现场总线的开发与应用起源于欧洲，屠来发展到北美与南美，最早提 出的现场总线标准是美国i n t e l 公司1 9 8 4 年推出的b i t b u s 标准。目前国际 上有4 0 多种各具特色的现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盏所有 应用面。这些总线的差异主要集中在通信协议的数据链路层。最有影响力 的是f f f f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 平l lp r o f i b u s 。c a n 是控制局域网络( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) 的简称。最早由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。1 9 9 3 年c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速 应用) 和i s o l l 5 1 9 ( 低速应用) 。c a n 的信号传输采用短帧结构，抗干扰能 力强。它以其高性价比在我国获得了晟为广泛的应用。 我国的现场总线技术起步很晚，起点也较低。现场总钱智能仪表与 系统作为关键技术列入国家“九五”科技攻关计划。浙火。p 控1 9 9 6 年承接 了“九五”攻关项目“现场总线控制系统的开发”及其五个课题，项目总经费 3 4 0 0 万。开发完成了基于h a r t 协议系列产品。但h a r t 协议属于模拟 系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，它不是真正的现场总线。而且 2 瑟华大学硕士学位论文 现场总线不仅仅是一个总线，而是一个系统。要构成这样一个新型系统需 要开发出一系列符合标准规范、具有通信能力的开放式产品。 但我们的市场是巨大的。据估计近期中国的现场总线市场可达2 3 亿美元，而其潜力更令国外的现场总线开始大举进入中国市场。国外的公 司亦非常重视与自己现场总线控制系统配套的现场总线仪表。如 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司推出的f f 总线标准的3 0 5 1 c 差压变送器、3 0 5 1 t 压力变送器、3 0 5 1 l 液位变送器、3 2 4 4 m v 温度变送器等。 由于没有我国自己的现场总线标准，目前国内生产的基于r s 4 8 5 等 的数字智能变送器、执行器和大量模拟信号仪表被排除在现场总线之外， 而国外的现场智能化变送器是非常贵的，如f f 的变送器要1 8 万元，有 的要1 9 万。我国经过多年的引进、消化、吸收，现场仪表的生产已有良 好的基础，智能化的工作也进行得比较充分，有实力冲刺这一领域，目前 浙火中控已通过购买f f 的决议生产出具有f f 接口的现场仪表，但由于 其价格原因仍不能被大量普及。 另外，在信息系统与控制系统集成方面，8 0 年代就提出了t o p m a p f i e l d b u s 的网络结构形式，该信息系统从生产现场的底层开始，可分为现 场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营管理层多个层次，各层之 间通过专门的接口，实现相互沟通与信息交换。 随着因特网的迅速扩大，它所采用t c p l p 协议成为事实上的工业标 准，再加上p c 机、工业p c 机逐渐成为企业的主流机种，使企业网绍结 构受到因特网连接方式和通信技术发展的冲击与影响，在基本相同的功能 模式下，网络的结构层次简化了许多。即t c p i p 通信协议占据了 t o p m a p 层通信协议的位置，多层分布式子网的结构逐渐为以太网所取 代。将现场总线通过通信控制器直接挂接到e t h e r n e t 上，是目前许多企业 普遍采用的办法。 近年来，结合现场总线技术和i n t e m e t 技术的远程测控系统得到了较 大的发展。将生产自动控制系统与信息管理系统相融合，通过远程监控实 现企业生产与经营管理决策一体化，是当今自动化技术发展的重大趋势。 稳定可靠的远程测控系统，避免了人们在恶劣的现场环境下工作，而且可 3 瑟华大学硕士学位论文 以随时随地获取现场情报和实施必要控制，具有重要的工程实用价值。通 过远程监控，技术人员不必亲临生产现场就可以获取重要生产数据和设备 运行状态，进行远程设备控制和故障诊断：管理人员可以根据远端现场生 产状况及时调整生产计划，从而实现企业内部信息的最火化利用【6 l 。 m i s 技术结合w e b 技术出现了b s 结构，b s 结构的特点是“超瘦” 的客户端，客户端只需要操作系统自带的浏览器。所有面向w e b 的数据 服务和应用程序都存放在服务器上，大大简化了客户端软件的设计，方便 了服务器端的软件开发、维护和升级工作。另外系统具有非常好的扩充性， 只要有足够带宽和服务器配置，就可以支持大量用户。 在工业领域，主要通过较为成熟的工业组态软件构成的监控层，将信 息在i n t e r n e t 上的发布形成远程髓控系统。如美国w o n d e r w a r e 公司 的i n t o u c h 、美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 、德国西门子公司的w 1 n c c 等均 具有c s 、b s 的远程监控功能。国内的组态王、m c g s 等也开发了相应 的功能。全部自行开发的远程监控目前国内在实际应用方面有了良好的开 始，如东大阿尔派公司为自己的c t 产品开发了远程维修诊断系统等。另 外，在国家科委的8 6 3 计划中，设立了机器人网络通信与远程诊断、维修 技术专题。当然，全部自行开发的基于现场总线的远程监控系统主要在研 究阶段。 1 。3 研究目的和意义 如前所述，现场总线技术是一个控制技术新时代的开端，国外经历 了十几年的现场总线技术正逐渐走向成熟，而我国才冈0 刚起步。现场总线 的出现不但导致了目前生产的自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编 程控制器( p l c ) 在产品体系结构、功能结构方面的较大变革，而且使网 络控制的体系结构发生变化，与信息网络的集成更加简洁l 4 踟。研究现场 总线技术，将现场总线与i n l e m e t 相结合，进行基于i n t e r n e t 的现场总线 分布式控制系统的研究的必要性是显而易见的。其原因如下： 1 ) 市场的需求： 目前我国生产的大部分仪表被排除于现场总线市场之外，而面对可达 4 西华大学硕士学位论文 2 3 亿美元中国的现场总线市场和国外的现场总线技术的大举进入，研 究我们的现场总线产品，或具有现场总线接口的智能i ，o ，为国内生产的 大量模拟信号仪表提供了低成本的智能化、数字化的改造机会，使我们自 己生产的现场仪表不再被排除于现场总线系统之外。而智能i o 每个回路 约几百元，加上国产的变送器3 0 0 0 5 0 0 0 元，从价格上很有优势，而且 在大部分的场合能满足要求，增强了同国外产品的竞争能力。 2 ) 现场总线分布式控制系统的先进性： 集散式控制系统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 ) 的主导思想是将 复杂的对象划分为几个子对象，其系统结构一般由承担分散控制任务的 “现场控制站”、具备操作、监视、记录功能的“操作监视站”二级组成。“分 散”是对控制功能来说，“集中”是指信息管理而言1 5 ”。d c s 实际上是一种 分布式控制系统，一般每一个现场控制站负责几十个回路的测控工作，因 此它的分散是不彻底的。再加之大多采用封闭式的网络通信体系结构，采 用本公司专用的标准和协议，并受到现场仪表在数字化、智能化方面的限 制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。 现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制 技术的产物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数 字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富 控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。新型的现场总线突破了 d c s 系统中通信由专用网络的封闭实现的缺陷，把基于封闭、专用的解 决方案变成公开化、标准化的解决方案。现场总线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；同时把集中与分散相结合的传统集散系统结构变成新型的 全分布式结构，即把控制功能彻底放到现场、把控制功能分散到了分布式 网络的每一个节点，其可靠性、实时性得到了提高。其物理布线简单，降 低了安装成本和维护费用。 3 ) 信息网络与控制网络集成的需求： 现场总线可与因特l 网( i n t e m e t ) 相连以实现远程监控。本地计算机通过 网络对远端的设备进行监测与控制，使工作人员不必亲临现场就能够了解 西华大学硕士学位论文 设备的实际情况，并能够向其发送控制指令，从而达到与现场人员操作该 设备一样的工作效果【4 】o 这样节省了大量的交通和人力，还可以根据需要 建立起地区级的、国家级的、乃至设阶级的监控中心，便于大型生产企业 集团对于所工厂、车间的整体管理，从而提高经济效益。从而使分布式控 制系统的开发转向i n t e r n e t 为基础的、统一的、易操作的环境中。因此， “基丁i n t e r n e t 的现场总线分布式控制系统研究”这一课题的研发对工业控 制领域有较强的现实意义。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题以大型储液罐群为现场测控对象，其特点为需测量的数据量 多，对象分布区域广，是分布式的远程监控系统较为理想的测控对象。 在本课题的研究中我们选择了c a n 总线作为底层网络，运用了新一 代的w e b 开发技术即w e b s n a p 技术，通过建立相关的w e b 应用程序，实 现c a n 总线控制网络与i n t e r n e t 网的连接，完成基于i n t e r n e t 的远程监控 系统，达到控制系统信息与企业管理系统信息的融合。在这里作者以大型 储液罐群为现场级典型测控对象，其侧重点在于将相关问题纳入到更为广 泛的企业控制系统中去，探讨组建和实现一种基于i n t e r n e t 的远程控制系 统基本构成，并主要从系统结构方面入手，对远程控制系统的组成和关键 技术作了详细的分析和阐述，以及列远程控制系统的实现作了论证，而列 有关测控系统底层的相关信息处理和融合以及控制算法未作深入研究。 本文主要研究了以下内容： 1 1 阐述了控制系统的现状及发展过程和现场总线技术特点，其中着 重介绍了分布式控制系统和c a n 现场总线。研究了工业企业信 息集成技术问题。探讨了以大型储液罐群为控制对象的基于现场 总线测控系统设计的问题； 2 ) 研究了远程测控系统的构建问题，对以现场总线局域网为底层、 w e b 应用服务器和实时数据库为中间层和w e b 测览器技术为上层 来构建网络控制系统所涉及的技术问题进行了探讨； 3 ) 研究了以c a n 总线为基础的现场总线智能节点的设计，包括硬 西华大学硕士学位论文 件开发、c a n 总线通信程序设计以及与中间层的通信软件开发问 题； 4 ) 重点研究了基于i n t e r n e t 远程访问的数据通信系统设计( b s 模 式) ，主要包括建立w e b 服务器调用的实时数据库、建立w e b 应 用服务器、设计相关网页以及在客户端通过因特网完成对w e b 应 用服务器的访问； 5 ) 研究了w e b 应用服务器编程技术( w e b s n a p 技术) 和数据库技术 ( s q l 技术和a d o 技术) ： 6 1 使用所设计的c a n 总线智能数据采集节点、p c 卜5 1 2 1 州适配 卡、两台p c 机作为硬件平台，对整个系统的底层、中间层和上 层进行了可行性实验研究，最后得出结论。 7 瑟华大学硕士学位论文 第二章现场总线控制系统f c s 2 1 现场总线技术的由来 自动控制技术广泛应用于工业过程控制、智能建筑和家庭自动化。过 程自动控制是自动化技术的一个最重要分支。它经历了几代发展过程：第 代为4 0 年代的基地式气动控制仪表系统，其结构特点是以指示仪表和 记录仪表为中心，附加一些线路来完成调节任务，实现现场的单回路控制； 第二代为5 0 年代末的电动单元组合式模拟控制仪表系统，其结构特点是： 根据自动检测及调节系统中各组成环节的不同功能和实用要求，将整套仪 表划分为能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一的标准信 号，由这些不多的单元经过不同的组合，就能构成多种多样的、复杂程度 不同的自动控制系统。使用用国际统一的信号4 2 0 m a d c ，它的出现不 但表征了电气自动控制时代的到来，而且控制室的设立、控制功能分离的 模式一直沿用至今，实现了对生产过程的“集中式”管理：第三代为计算机 数字直接控制d d c 系统，计算机直接控制生产为其特征。d d c 系统是用 一台计算机配瞄模数、数模转换器等输入输出设备，从生产中获得信息， 按照预先规定的控制算法算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行 机构上，实现对生产过程的闭环控制。现场传输信号大部分沿用4 2 0 m a 电流模拟信号，但内部信号的传输采用二进制。这种集中型计算机控制系 统在将控制集中的同时，也将危险集中，因此可靠性不高。计算机旦发 生故障，将使整个系统瘫痪。况且随着生产的发展，生产规模越来越大， 信息源越来越多，仅靠一台大型计算机来完成过程控制和生产管理的全部 任务是不恰当也是不可能的；第四代为集散式控制系统d c s ( 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 采用了一种新的设计思想，“分散”即通过功能分 散，达到分散危险、提高可靠性的曰的。“集中”是指信息管理而言。其系 统结构一般由承担分散控制任务的“现场控制站”、具备操作、监视、记录 功能的“操作监视站”二级组成。集散控制系统采用分级递阶结构。由于这 种“集散”型系统既具有控制可靠，又具有监视、操作、管理方便的特点， 一经出现，立即受到广泛的欢迎。d c s 实际上是一神分布式控制系统， 西华大学硕士学位论文 它的数据通信网络是连接分级递阶结构的纽带，构成了控制局域网，第一 次将网络用于过程控制系统。成为当时解决过程控制自动化最成功的系 统，直到今天，d c s 仍有其一席之地。但集散系统大多采用封闭式的网 络通信体系结构，采用本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数 字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。第五 代为现场总线控制系统( f s ) 。 所谓现场总线，按照国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，是指安装 在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制 装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发 展起来的全数字控制系统称作现场总线控制系统。 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采 用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器 与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之 间均为- - x , j 一的物理连接1 2 j 。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处 于控制室的控制模块、各输入输出置入现场设备，加上现场设备具有通信 能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控 制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实 现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号代替模拟信号，可实现一对电缆上传输多个信号 ( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) 。现场设备以外不再 需要模拟数字、数字模拟转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件 设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。图2 i 现场总线 控制系统和传统控制系统的结构对比f 2 1 。 f c s 是继d c s 之后又一种全新的控制体系发展，f c s 废除了d c s 系统结构中的现场控制站、输入输出单元( i o ) 和信号转换器，将现场 控制站中的控制功能下移到网络的现场智能设备中，从而构成虚拟控制 站，通过现场仪表就可构成控制回路，故实现了彻底的分散控制。它不仅 仅是从“分散控制”发展到“现场控制”并实现了智能下移、数据传输从“点 9 西华大学硕士学位论文 到点”发展到采用“总线”方式，而是用大系统的概念来看待整个过程控制 系统：即整个控制系统可看作是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，故 资源共享是f c s 的主要发展空间。 传统控制系统结构示困 现场总线控制系统示意囤 f i g u r e 2 1c o n t r a s t i n gb yf c sa n dd c s 图2 1 场总线控制系统与传统控制系统结构的比较 需要指出的是，过程控制技术在发展之初采用基地式仪表控制系统来 实现现场的单回路控制，如今的现场总线控制f c s 实现了将控制功能彻 底分散到现场的目标。从当初的“基地式”控制到现在的“现场式”控制，我 们发现了这样一个有趣的“回归”，一种过程自动控制理沦与技术向更高层 次演化的“回归”【5 2 1 。 5 0 年代 1 9 6 019 8 0 19 9 8 f i g u r e 2 2 c a p a c i t yi n d e xo fc o n t r o lg a u g eo i le a c hs t a g e 图2 2 各阶段测控仪表能力指数 1 0 害 母酪一 乙二 鞫引一 静一 靼r 犍罐取 西华大学硕士学位论文 伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代，系统的功能、性能也在 不断完善与发展。图2 2 为各阶段测控仪表能力指数示意图。它表明，每 一代控制系统的更瓤都带来能力指数的跃变，每一代控制系统的铡控能力 指数会按各自的增长速率不断升高，而现场总线控制系统具有较高的测控 能力指数。图2 2 中对能力指数的描述在数值上并不精确，只是示意性表 达而已。 2 2 几种有影响的现场总线 最早提出的现场总线标准是美国i n t e l 公司1 9 8 4 年推出的b i t b u s 标 准。 这些总线的差异主要集中在通信协议的数据链路层。现场总线的开发 与应用起源于欧洲，后来发展到北美与南美。下面介绍介绍基金会现场总 线f f 等几种有影响的现场总线。它们具有各自的特点，也显示了较强的 生命力。对现场总线的技术发展已经发挥并将发挥较大的作用。 1 ) 基金会现场总线f f 伊i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 1 9 8 8 年美国r o s e m o u m 推出h a r t 汾议，以频移键控技术( f s k ) 进 行信号迭加的方式，实现模拟( 4 - 2 0 m a ) n i 数字信号双向通信。紧接着1 9 9 2 年美国r o s e m o u n t 和f i s h e r 等公司联合推出了在当时最有影响的i s p 总线 标准，法国以f i p 为基础推出了w o r l d f i p 总线标准，1 9 9 4 年i s p 和 w b r i d f i p 的北美部分合并成立了现场总线基金会f f ( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ) ，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。其会员包括了世 界上9 0 的d c s 和p l c 制造商、阀门和仪表公司。由于这些公司是该领 域自控没备的主要供应商，对工业底层网络的功能了解透彻，也具各足以 左右该领域自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁发的 现场总线规范具有一定的权威性。 2 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲e n 5 0 1 7 0 现场总线标准【2 0 1 。 p r o f i b u s 由f m s 、d p 、p a 三部分组成了p r o f i b u s 系列。p r o f i b u s p a 主要 用于过程自动化，它遵循i e c l l 5 8 2 标准，是由s i e m e n s 公司为主的十几 西华大学硕士学位论文 家德国公司、研究所共同推出的。p r o f i b u s 品种齐全，从芯片到软件与测 试工具一应俱全，现b 有1 5 0 0 种产品。许多公司的p l c 带有p r o f i b u s 接 口，如s i e m e n s 公司的p l c 可以连接p r o f i b u s 网络，r o c k w e l l 公司的p l c 5 系列也提供了p r o f i b u s 协处理器。中型p l c 主要采用标准化的 p r o h b u s 接口来通信。 3 ) c a n 是控制局域网络( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) 的简称。最早由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。其总线规范已 被i s o 国际标准组织制订为国际标准。c a n 的信号传输采用短帧结构， 抗干扰能力强，应用广泛。 4 ) h a r t 协议最早由r e s e m o u n t 公司开发，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统转变过程中的过渡性 产品，相对比较简单，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力， 得到了较快发展。我国最早搞出来的就是这种现场总线。 另外还有d e v i c e n e t 、1 o n w o r k s 、p n e t 、c o n t r o l n e t 等总线。 2 3 现场总线的结构与分类 2 3 1 现场总线的分类 现场总线如按它能传输数据的大小来分，一般可分为3 类【4 9 l ： 1 ) 传感器总线( s e n s o r b u s ) ，它的数据宽度为( b i t ) ，如a s i 、s e r i p l e x , 2 ) 设备总线( d e v i c eb u s ) ，它的数据宽度为字节( b y t e ) ，如c a n 、 i n t e r 等； 3 ) 传输以数据流( 或以b l o c k 计) 的总线如f f 、p r o f i b u s 、w o r l d f i p 、 p n e t 、l o n w o r k s 等。 现场总线控制系统大致可分为三层f 删： 1 ) 最底层：低速现场总线( 如f f 的h 1 ，d e v i c e n e t ，p r o f i b u s 的p a ) 连接成的i n f r a n e t 控制网络即f c s ，用于连接各种智能现场设备如变送器、 调节阀等，各控制器节点下放到现场，构成一种彻底的分布式控制系统结 构： 西华大学硕士学位论文 2 ) 中层：高速现场总线( 如f f 的h 2 ，p r o f i b u s 的d p ) 连接控制 器、数据集中器、远程y o 及智能f o 设备，形成企业内部网i n t r a n e t ， 它可提供文件共享、打印共享、电子邮件、目录查询以及企业网络管理功 能，它也可连接到i n t e r n e t 上； 3 ) 最上层：本层即决策支持层m n e t ，采用高速以太网连接各控制器 与站级计算机，与i n t e r n e t 相连。 2 3 2 现场总线控制系统的组成 1 ) 现场总线设备：智能现场仪表、控制器。可分为总线供电和单独 供电式现场设备，这些现场设备不仅有信号变换功能，而且还有组态运算 及控制功能。 2 ) 现场总线线路： 终端器：连接在总线末端附近的阻抗匹配元件，它采用反射波原理使信 号变形最小，使信号少受衰减与畸变。每个总线段上需要两个且只能有 两个。 电缆：多种传输介质，多为双绞线。 现场总线网卡：用于现场总线与操作站的连接。 中继器：用于扩展现场总线网络。总线上二台设备之问最多可以使用 4 台中继器，网络中二台设备间的最大距离可达9 5 0 0 m ( a 型电缆) 总线电源：为总线供电的现场总线设备提供电源。 网桥：用于连接不同速率的现场总线线段或不同物理层入金属线、光 纤等现场总线线段，以便形成更大的网络。 网关：用于将现场总线的网段连向其它通信协议的网段，如以太网等。 端子块：用于提供多台设备的连接，一台设备可以连接到任何一组总 线端子上，便于网络布线。 低速现场总线通过耦合器连到中速现场总线并作为其一个接点，f c s 可通过网关连接到上层管理网上。 3 ) 通信协议软件。 西华大学硕士学位论文 4 ) 监控、组态计算机。 2 4 现场总线的特点 1 ) 系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性，强0 露肘 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 同标准的其它设备或系统连接。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，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，是指实现互连设备之间、系 统之问的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同的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各中完成，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、同轴线、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。 2 5 现场总线带来的机遇与挑战 目前我国的现场总线技术不但主要是跟着国外走，而且跟的起点低。 到目前为止，主要是h a r t 协 义的系列产品【4 6 】。面对国内庞大的市场与 国外的现场总线的大举进入，我们真有几分尴尬。积极吸收和引进国外现 场总线的先进技术和管理经验，加强同国外大公司的合作，在开始无疑是 一条行之有效的捷径。我国相关的部门采取了积极的姿态，成立了国外主 流现场总线专委会： 中国仪器仪表行业协会已成立了中国现场总线专委会，简称c f c ； 1 4 西华大学硕士学位论文 中国机电一体化应用协会已成立了p r o f i b u s 专委会，简称c p o ； 建设部成立了中国智能l o n w o r k s 协作网； 上海电器科学研究所与o d v a ( 开放式设备网络供货商协会， d e v i c e n e t 总线的组织机构) 签署了合作协议，共同筹建o d v a c h i n a ； w o r l df i p 将在中国设立信息中心； p n e t 在中国设有联络处。 从现场总线产品的设计方面来看，现场总线控制系统f c s 从大的方 面来讲可包括现场仪表( l 0 级) 和控制系统( l 1 级) ，根据我国国情， 目前我们一开始要在l 1 级上搞出象d e l t av 或p c s 7 那样的控制系统是 不现实的，但在l o 级上却大有文章可做。现场总线仪表使用量大，如果 我们能有自已的现场总线仪表而不用进口，岂不是保住了我国市场的半壁 江山? 发展我国的现场总线仪表，能促进我国仪器仪表产品结构的调整， 使我国仪表工业在市场与技术的推动下得以振兴。应从两个方面进行开 发： 1 ) 开发基于智能i 0 的现场总线 通过这种智能i o ，可将我们目前生产的数字智能变送器、执行器连 入现场总线。或利用现有正在现场使用的输出为4 2 0 m a 的模拟变送器， 将p i d 模块放在智能i 0 上，从智能i o 出来就是一根双绞线，通过智能 i o 实现控制下移和双向数字通信。当然，要将仪表连入不同的现场总线 需要设计不同的智能i 0 。这种智能i ，o 为国内生产的大量模拟信号仪表 提供了低成本的智能化、数字化的改造机会，使我们自己生产的现场仪表 不再被排除于现场总线系统之外。 2 ) 直接开发各类现场总线式仪表。 符合主流现场总线标准的各类变送器、执行器和具备通信功能的、传 输信号全数字化的现场智能仪表，是现场总线的基础。国外的公司亦非常 重视与自己现场总线控制系统配套的现场总线仪表。如f i s h e r - r o s e m o u n t 公司推出的f f 总线标准的3 0 5 1 c 差压变送器、3 0 5 1 t 压力变送器、3 0 5 1 l 液位变送器、3 2 4 4 m v 温度变送器等。我国经过多年的引进、消化、吸收， 现场仪表的生产已有良好的基础，智能化的工作也进行得比较充分，有实 西华大学硕士学位论文 力冲刺这一领域。 作者在本项目中选择了具有高性价比且适合我国国情的第一种模 式，即设计具有现场总线接口的智能t o 。 2 6 小结 本章通过对控制系统发展历程的阐述和比较，引出了基于现场总线技 术的全分布式控制系统f c s ；介绍了几种当前比较有影响的现场总线技 术，通过对现场总线技术的研究，针对我国的具体情况提出了本课题进行 智能i 0 现场总线产品设计的思路。 西华大学硕士学位论文 第三章基于现场总线的远程测控网络设计 目前的几种主流的现场总线各有千秋，作者根据本课题的要求，选择 在我国应用基础很好的现场总线c a n b u s 作为底层测控网络。下面对c a n 现场总线进行进一步的详细说明。 3 1c a n 现场总线技术的相关介绍 3 1 1c a n 的基本情况 o n 是控制器局域网的简称。主要用于过程检测及控制。它最早是 在2 0 世纪8 0 年代初提出的，德国b o s c h 公司为解决现代汽车生产中众 多的传感器和执行装置之间的数据通信而开发的一种串行通信协议，目的 是通过较少的信号线在汽车上的各种电子设备通过网络连接起来，并提高 数据传输的可靠性。c a n 已经被用于“b e n z ”等各种汽车上。其总线规范 现己被i s o 国际标准组织制订为国际标准，总线规范为2 0 a 和2 0 b 。由 于得到了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 c e ，n e c 等公司的支持，它广 泛应用在离散控制领域。c a n 伽议也是建立在国际标准组织的开放系统 互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物 理层、数据链路层和顶层的应用层。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 ，直接传输距离最远可达1 0 k m 5 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，因而传输时问短，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c a n 具有很高的可靠性和卓越的 性能，特别是与工业过程监控设备的互连，因此曰益受到工业界的重视，