现场总线在分散控制系统中的应用研究优秀毕业论文.pdf

重庆大学 硕士学位论文 现场总线在分散控制系统中的应用研究 姓名：尹恩民 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：徐天芳 20030501 中文摘要 摘要 现场总线是连接现场设备和控制系统之间的一种开放、全数字化、双向传输、 多分支的通信网络。现场总线技术是新事物，但酝酿已有时日。它是电子、仪器仪 表、控制技术、计算机技术和网络技术的发展成果，是工业自动化事业的进展需要， 也是技术发展的必然。现场总线控制系统( f c s ) 是继分散控制系统( d c s ) 之后 出现的新一代控制系统，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的 方向，给自动化系统的最终用户带来了更大的实惠和更多方便，因而促使目前生产 的自动化仪表、d c s 、可编程控制器( p l c ) 产品面临体系结构、功能等方面的重 大变革。 但是过程控制经过5 0 多年的发展和积累，用户已经在传统的模拟仪表加d c s 的体系结构上投入了巨大的资金，无论国内与国外，d c s 仍是用于过程控制的主流 设备，而且现场总线控制系统在功能上还不能完全取代已经发展得比较完善的 d c s 。所以，尽管现场总线技术有种种优点，但是现场总线控制系统不可能一蹴而 就取代现有的d c s ，d c s 和f c s 必将并存一段时期。这样的话，如何既充分利用 当今先进的现场总线技术而又充分发挥d c s 在生产控制中的作用，即将现场总线技 术与d c s 进行集成，就成为当前非常迫切的任务之一。 然而将现场总线与d c s 进行集成的方法有多种，侧重点也各有不同。本设计则 着重解决在保留原有控制系统丰富的监测、控制、协调管理功能的基础上，如何实 现上位机与现场仪表通信的问题。由于常规模拟仪表的局限性，d c s 仅能从过程控 制站得到现场仪表传送的被测参数值以及向它发出调节信号，而对现场仪表的工作 状态则一无所知，这就大大地制约了d c s 工作能力的进一步发挥，影响到综合自动 化系统的完整性和可靠性。因此，解决与现场仪表通信的问题就成了控制技术发展 必须解决的问题。 为此，本设计开发了基于h a r t 协议的接口卡件和支持该卡件与现场仪表、分 散处理单元( d p u ) 中的主控卡以及上位机进行通信的软件。接口卡件能够在嵌入 原来的国产分散控制系统s u p m a x 5 0 0 并且不影响其对远程仪表的模拟量进行控制 的基础上，支持符合h a r t 协议的智能仪表与d c s 中的分散处理单元和上位机进 行通信。新的系统除保留了s u p m a x 5 0 0 原有的功能以外，还增加了对现场仪表的 参数调整、改变运行方式、故障诊断和信息反馈等仪表管理的功能。 h a r t 接口卡件及相关软件已通过初期的调试，基本上实现了预定的功能。本 课题的工作为实现h a r t 现场总线与s u p m a x 5 0 0 的集成打下了坚实的基础、成功 地迈出了第一步，具有一定的开创性和实用价值。 关键词：现场总线；分散控制系统；h a r t 协议；通信 英文摘要 a b s t r a c t f i e l d b u ss p e c i a l l yd e s i g n e dt oc o n n e c tf i e l dd e v i c e sa n dac o n t r o ls y s t e mi sa no p e n d i 百t a lb i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hm u l t i p l eb r a n c h e s a saf i - u i to ft h e a p p l i c a t i o n o fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ,i n s t r u m e n t sa n dm e t e r s ， c o n t r o l t e c h n o l o g y , c o m p u 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 y , f i e l d b u st e c h n o l o g ym e e t st h ed e m a n do f i n d u s t r ya u t o m a t i o nw h i c hi sg r o w i n gm o r ea n dm o r ed i s t r i b u t e da n di n t e l l i g e n t w i t ht h e h u g eb e n e f i tf o rt e r m i n a lu s e r s ，f i e l d b u st e c h n o l o g yh a sb e e nr e s u l t i n gi nag r e a tc h a n g e o fa u t o m a t i o n i n s t r u m e n t s ，d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e ma n dp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e ri ns t r u c t u r ea n df u n c f i o n h o w e v e r , r e g a r d l e s so fd o m e s t i c0 1 o v g y s e 2 t s d c si ss t i l la c c e p t e da sm a i n s t r e a m d e v i c e so f p r o c e s sc o n t r o l ，t h es o c a l l e df i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mc a n tt a k ep l a c eo fd c s f i g h ta w a y t h e naq u e s t i o nh o wt ot a k ef u l la d v a n t a g eo fb o t hf i e l d b u st e c h n o l o g ya n d d c si sb e i n gp u ti n t ot h es c h e d u l e t h e r ei saq u i t em a n ym e a n st oi n t e g r a t ef i e l d b u st e c h n o l o g yi n t od c s ，w h i l et h i s d e s i g ne m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo np r o v i d i n gc o m m u n i c a t i o na b i h t yb e t w e e no p e r a t o r s t a t i o na n df i e l di n s t r u m e n t s ，t h es a m et i m er e s e r v i n gt h ea d v a n c e dc o n t r o la n dm o n i t o r f i m c t i o no f t h eo r i g i n a ld c s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o no f a ni n t e r f a c ec i r c u i tb o a r da n d as u p p o r ts o r w a r eb o t hb a s e do nh a r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds e r i a li n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h eh a r d w a r ea n ds o t l w a r et o g e t h e rp l a yak e yr o l ei nt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e no p e r a t o rs t a t i o na n df i e l di n s t r u m e n t s i no t h e rw o r d s ，t h e ya c t a sah a r tm a s t e rw h i c hi sr e s p o n s i b l ef o ra d j u s t i n gp a r a m e t e r so ft h es l a v e ，c h a n g i n g t h es l a v e sr u n n i n gm o d e ，d i a g n o s i n gt h es l a v e sf a u l t sa n da s k i n gr e s p o n s ew i t hs p e c i a l i n f o r m a t i o n t h ef i n i s h e di n t e r f a c ec i r c u i tb o a r da n ds u p p o r ts o f t w a r ew i t ht h eu n f i r f i s h e d i n s t r u m e n t sm a n a g e m e n ts o r w a r er u n n i n gi no p e r a t o rs t a t i o nm a k eu po ft h es o c a l l e d r e m o t em a n a g e m e n ts y s t e mo f f i e l di n s t r u m e n t sw h i c hw i l le n h a n c et h ea b i l i t yo fd c s ， i m p r o v et h es y n t h e s i z e da u t o m a t i o nl e v e lo ft h ew h o l es y s t e ma n dc o m p e t i t i o nc a p a c i t y o f e n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：f i e l d b u s ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ；h a r tp r o t o c o l ；c o m m u n i c a t i o n i l i 1 引言 1 引言 1 1 课题的意义 本课题研究现场总线在分散控制系统( d c s ) 中的应用，即应用嵌入式技术、 通用串行口通信技术、以太网通信技术，在上海自动化仪表股份有限公司d c s 公司 的分散控制系统s u p m a x f i 0 0 的基础上，开发出一套基于h a r t 协议( 可寻址远程 传感器高速通道) 的现场智能仪表的实时、远程管理系统。 分散控制系统是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物， 从上世纪7 0 年代中期问世至今，它已经经历了近3 0 年的风风雨雨，由稚嫩走向成 熟。特别是近些年来，随着计算机技术、通信技术、控制技术、大规模集成电路技 术、图形显示技术、多媒体技术、人工智能技术以及其他高新技术的发展，分散控 制系统历经了几代变迁，它已成为世界上最先进的控制设备，成为工业生产过程控 制、管理和决策的核心，广泛应用于电力、石油、化工、冶金、建材等行业的各种 工业生产过程。分散控制系统的应用大幅度地提高了生产过程的安全性、经济性、 稳定性和可靠性。 随着各种新技术的不断涌现，分散控制系统也暴露出了一些有待解决的问题。 它的主要缺陷是：一是d c s 不具备真正的开放性，用户不能自由选择不同厂商提供 的软、硬件来集成控制系统，即不同生产厂家的性能类似的控制设备不能相互替换， 因而不能优化选择控制设备；二是现场使用的是常规模拟仪表，其接线庞杂，维护 困难，严重制约着d c s 的发展。 现场总线控制系统( f c s ) 是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的继d c s 之后的新一代控制系统。现场总线技术是当前控制和自动化领域中发展最快、最活 跃的一项新技术，它是集成了控制技术、自动化技术、数字技术、信息技术、微电 子技术、网络技术等多项技术的最新成果，是一门新兴的交叉学科。现场总线控制 系统代表了数字化到现场、网络化到现场、控制功能到现场和设备管理到现场的一 种发展方向。与d c s 相比，f c s 的优势十分突出：极大地丰富了信息系统的内容； 明显地改善了系统的开放性、分散性、互操作性和对现场环境的良好适应性；能够 节省硬件数量与投资：接线简单，节省电缆和安装费用；节省维护费用；能提高系 统的准确性和可靠性等。现场总线控制系统突破了分散控制系统由封闭的专用网络 来进行通信而造成所谓的“信息孤岛”的缺陷，它的出现标志着工业自动化领域中 一个新纪元的开始f 1 。 然而，现场总线控制系统毕竟还处在发展起步的阶段，距离成熟的应用还有一 段相当长的距离。一是f c s 更多的是从网络硬件上对d c s 进行改进，对于控制策 重庆大学硕士学位论文 略的加强，f c s 效果并不明显，现场总线的功能模块一般只能解决基本的控制问题； 而d c s 在先进控制方面已有多年应用，技术成熟，且仍在不断地进行改进口 。二是 d c s 系统已在过程控制领域成功应用了2 0 多年，无论国内与国外，大多数的控制 系统仍然采用的是d c s 。考虑到d c s 开发商与用户的投资利益，对于现有大量的 d c s 系统，完全由f c s 取代也很不现实，因此应更多地考虑现场总线与d c s 的集 成。一方面可保留d c s 丰富的监视、控制、协调管理功能，另一方面也使得智能化 仪表的优越功能得到部分应用与发挥，即实现参数调整、改变运行方式以及故障诊 断和信息反馈。本课题研究h a r t 现场总线与国产分散控制系统s u p m a x 5 0 0 的集 成。 基于h a r t 协议的现场仪表实时、远程管理的实现将使s u p m a x 5 0 0 控制系统 的通信网络扩展到现场仪表一级，解决上位机与现场仪表群的通信问题。它将使 s u p m a x 5 0 0 不仅能从过程控制站得到现场仪表传送的被测参数值以及向它发出调 节信号，而且还能在管理级和监控级真正和方便地获得现场仪表的工作与状态的直 接反馈信息，并且能直接对其参数进行调整或改变其运行方式，从而让实时过程管 理信息系统扩展到现场，进而实现企业信息管理网络和自动化过程控制系统的集成， 这样就能使s u p m a x 5 0 0 的功能得到进一步的加强，并且有助于提高系统的综合自 动化水平和企业的竞争力。 1 2 国内外现状 1 2 1 现场总线的发展概况 现场总线是连接现场设备和控制系统之间的一种开放、全数字化、双向传输、 多分支的通信网络。早在2 0 世纪8 0 年代中期，国际上就提出了现场总线的概念， 并开始制定现场总线的标准；8 0 年代末就研制出了现场总线的软、硬件产品。9 0 年代初期应用于制造自动化，进而逐步发展到过程自动化：9 0 年代中期研制出总线 供电的本质安全防爆的现场总线智能仪表。至今，从不同方面发展而来的现场总线 控制系统已增长到1 7 0 种以上，但其中只有4 0 种是开放式的系统，而比较有影响的 有f f 、l o n w o r k s 、p m f i b u s 、c a n 、h a r t 等。它们都具有各自的特点，并且分别 在某些特定的领域显示了自己的强大优势和生命力。 基金会现场总线 基金会现场总线，即f o u n 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 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。 2 1 引言 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。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 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距 离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符 合i e c l l 5 8 2 标准。 为满足用户需要，h o n e y w e l l 、r o n a 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，许多仪表公司已开发出符合f f 协议的产品， h l 总线已通过0 l 测试和b 测试，完成了由1 3 个不同厂商提供设备而组成的f f 现场总线工厂试验系统。h 2 总线标准也已经形成。 l o n w o r k s l 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 司推出并由它们与摩托罗拉、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。 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 的芯片中 并得以实现。l o n w o r k s 技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本( 每片价 格约5 - 9 美元) ，而芯片的低成本又返过来促进了l o n w o r k s 技术的推广应用， 形成了良好循环，据e c h e l o n 公司的有关资料，到1 9 9 6 年7 月，已生产出5 0 0 万片神经元芯片。 l o n w o r k s 公司的技术策略是鼓励各o e m 开发商运用l o n w o r k s 技术和 神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2 60 0 多家公司在不同程 度上卷入了l o n w o r k s 技术：1 0 0 0 多家公司已经推出了l o n w o r k s 产品，并迸 一步组织起互操作协会，开发推广它的技术与产品。它被广泛应用在楼宇自 动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。 为了支持l o n w o r k s 与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发 各种网关，以便将其与以太网、f f 、m o d b u s 、d e v i c e n e t t 、p r o f i b u s 、s e r o l e x 等互连为系统。 另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，l o n w o r k s 神经元芯片也 具有独特的优势。 p 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 n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 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 、 重庆大学硕士学位论文 p r o f i b u s p a 组成了该系列。 p r o f i b u s 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输 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。按p r o f i b u s 的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺 序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主一从方式，向从 站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播( 不要求 应答) ，或有选择地向一组站点广播。 p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b p s 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，也可以是光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 c a n c a n 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，最早由德国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 k b p s ，可挂接设备最多可达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。 c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节 点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收发送数据。它采 用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节 点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲 突。 已有多家公司开发生产了符合c a n 协议的通信芯片，如i n t e r 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。 h 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持，于1 9 9 3 年成立了 4 1 引言 h a r t 通信基金会。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。 现场总线技术是新事物，但酝酿已有时日。它是电子、仪器仪表、计算机技术 和网络技术的发展成果，是工业自动化事业的进展需要，也是技术发展的必然。由 于现场总线控制系统( f c s ) 适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展 的方向，给自动化系统的最终用户带来了更大的实惠和更多方便，因而促使目前生 产的自动化仪表、分散控制系统( d c s ) 、可编程控制器p l c 产品面临体系结构、 功能等方面的重大变革。 1 2 2 现场总线与d c s 集成的国内外研究概况 根据当前不同的应用需求，现场总线和d c s 有三个层次上的集成模式： 现场总线集成在d c s 的i o 总线上 这种方式通过接口卡直接将现场总线集成到d c s 系统中。与i 0 功能块相关的 测量值和设定值可以通过接口卡映射成i o 总线上等价的值。通过这种映射关系， d c s 就能透明地获取现场总线智能仪表传送的信息，其效果和传统的变送器相同。 这种集成方式的优点： 1 ) 只需安装现场总线接口卡，无需改变或升级d c s 系统； 2 ) 对于一些初级的现场总线设备，厂家提供的功能有限，这种方式保留了d c s 的控制功能； 3 ) 采用低成本的p c 作为总线组态、诊断的接口单元。 但这种方式也限制了d c s 所能获取的信息，无法利用现场设备中大量的状态信 息。其它的一些局限包括： 1 ) 现场设备功能块的组态、执行调度必须在p c 而不是d c s 中完成，设备信 息库由p c 维护； 2 ) 通过现场总线接口卡与现场设备通信会引入传输迟延，这种迟延对一些快速 过程的影响很明显。 这种集成方式主要应用于小型系统及现场总线技术的初期应用中。 现场总线集成在d c s 网络上 这种集成方式通过现场总线接口单元连接到d c s 网络上，现场设备中用于控 制、计算的各种功能块操作信息可以在d c s 控制台中获取和更改。通过接口单元提 供的服务，d c s 操作站能获取更多的现场设备信息。 这种集成方式的优点： 1 ) 控制和计算可以在现场设备中完成，相关的参数可以在d c s 操作员站中访问； 重庆大学硕士学位论文 2 ) 便于现场总线和d c s 之间的通信； 3 ) d c s 可以访问现场设备中更多的信息。 但是这种集成方式中现场设备功能块组态仍在p c 中完成，与d c s 组态数据库 分离。 通过网关接口集成现场总线 这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现场总线网络和d c s 系统的完全双 向连接，即d c s 操作员站能访问现场设备中的所有信息，而现场总线也能获取d c s 提供的各种信息，因此便于实现现场总线和d c s 的协调控制。此外，在这种集成方 式下，现场总线的控制功能更加独立，可以构成一个脱离d c s 的完整的控制系统。 这种方式主要适用于规模较大的控制系统，能有效保护用户对d c s 的先期投 资。d c s 负责监控、优化、先进控制、协调管理等较复杂的应用，是主控系统，而 f c s 负责现场设备层的数据采集和闭环控制，并将设备的状态、诊断信息实时的传 送至d c s 。 但是这种方式对网关接口要求很高，此接口要完成双向的协议转换，为d c s 和现场总线提供透明的数据访问。此外，整个系统统一组态后，如何维护和解释一一 个全局信息库也是一个需要解决的问题【2 j 。 国外状况 h o n e y w e l l 、f o x b o m 和贝利公司的d c s 系统制造厂提供了一种用于智能变送器 与d c s 系统之间数字通信的选择方案，在d c s 系统的现场站上提供能直接接受智 能变送器数字通信信号的接口卡。 h o n e y w e l l 的t d c 3 0 0 0 l c n u c n - a p m 系统连接s t 3 0 0 0 变送器，s t 3 0 0 0 的 数字通信信号通过过程管理控制器a p m 中的智能变送器接口处理卡进入d c s 系 统。一块s t i 卡可处理1 6 台智能变送器。过程管理控制器把数据送到通用控制网 u c n ，再经网络接口模件n i m 送至局部控制网l c n ，最后由通用控制站u s 完成 对数据的存取。用户在u s 上可对智能变送器进行组态和维护操作。 贝利公司的i n f l 9 0 连接它的智能变送器b c n ，现场总线子模件f b s 通过两根 导线可连接1 5 台智能变送器。 横河电机公司的智能变送器u n i xm a r k l i c o m 的数字通信信号是叠加在4 - 2 0 m a 模拟信号上进行传送的，变送器输出的数字和模拟混合信号在信号调制转换卡s c 上进行分离，模拟信号通过i o 卡进入d c s 系统完成监视控制功能；数字信号经通 信插卡、h k u 、h k 总线到现场控制站的c p u ，然后通过h f 总线送工程设计站 e n g s ，在e n g s 上可对变送器进行组态、维护口】。 国内状况 浙江大学工业控制研究所开发了一种基于h a r t 协议的d c s 接口卡，该卡件与 1 引言 其配套软件能够把工厂自动化的基础网络从dcs 向下推到现场一级；用户可以在 dcs 上远程修改现场符合ha rt 协议的智能仪表的量程、单位、阻尼值等原本 要到现场才能调校的参数，并能向现场仪表下载读取位号，建立了现场网络管理 的雏形。目前，该卡件已成功应用于浙大中控自动化公司的j x 5 0 0 分散控制系统上， 使该系统初步具有了现场总线控制系统的功能【4 。 上海自动化仪表股份有限公司的技术中心也开发了一种类似的名叫“基于ha rt 协议的过程控制系统接口卡”的卡件。嵌入该卡件的控制系统结构上仍然是一 种继承dcs 递阶结构的分层系统，保留着原来的控制网络和设备网络，自一f 向上 分别是现场设备、控制层和监控层。控制室的上位机实现监控层的功能，主要对控 制过程进行监控，它的另一个功能是系统组态。上位机通过以太网连接控制层，控制 层的主要设备是主控卡和所谓的基于ha rt 协议的过程控制系统接口卡，它们分 散在现场就近安装。系统的底层是现场设备，包括仪器仪表或者执行机构等。在生 产过程中，完成硬件安装配置后，按需求进行控制组态然后将组态数据下装到主 控卡，在主控卡上完成控制策略，而接口卡则负责连接主控卡和现场仪表设备，进 行过程数据和控制信号的传送。实际上，该接口卡就是控制系统中连接hart 设 备和主控卡的i o 卡，该卡作为所接入h art 仪表的主设备，建立与h art 仪 表的通信链路，在主控卡控制下，对ha rt 的模拟信号和数字信号分别进行处理。 现在，该接口卡已应用于上海自动化仪表股份有限公司技术中心正在开发的中小型 卡式仪表系统中，对帮助系统充分集成hart 设备的功能起到了关键的作用【5 。 北京和利时系统工程股份有限公司在继承h s 2 0 0 0 的基础上，开发出了新一代 d c s f o c s ( f i e l do p e nc o n t r o ls y s t e m ) 。该系统借鉴和吸收了d c s 与现场总线的 优点：保留了d c s 所有成熟技术如冗余、组态软件技术等等；系统增加了1 0 m b p s 或1 0 0 m b p s 以太网的连接，符合标准的t c p i p 协议，操作系统采用w i n d o w sn t ， 并支持o d b c 、o p c 等数据接口，确保系统的开放性；系统支持 m o b u s ，c a n p r o f i - b u s d p 以及r s 2 3 2 等协议，可以与智能仪表、p l c 连接1 6 。 当前，有关把现场总线技术与d c s 进行集成的研究和应用在国内已相当普遍， 除了上面提到的几家以外，很多的大专院校、科研院所都在从事这方面的工作。其 中对h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 即可寻址远程传感器高速通 道的应用研究更是如火如荼。 1 3 本课题研究的内容、步骤及方法 1 3 1 研究内容 s u p m a x 5 0 0 分散控制系统的前身是浙江大学所研制的s u p c o nj x - 3 0 0 控制系 统，经上海自仪股份有限公司d c s 公司对其进行软、硬件改造后，已基本适应了中 重庆大学硕士学位论文 等规模工程项目的需要。“s u p m a x 5 0 0 分散控制系统的研究与开发”是d c s 公司 国债技改项目，本论文所研究的内容是其中的一个重要组成部分。 由于常规模拟仪表的局限性，s u p m a x 5 0 0 仅能从过程控制站得到现场仪表传 送的被测参数值以及向它发出调节信号，而不能在管理级和监控级真正地、方便地 获得现场仪表的工作和状态的直接反馈信息，也不能直接对其参数进行调整或改变 其运行方式，这就大大地制约了s u p m a x 5 0 0 工作能力的进一步发挥，影响到综合 自动化系统的完整性和可靠性。因此，解决与现场仪表通信的问题，进而实现企业 信患管理网络和生产自动化控制系统的集成，构建实时设备管理系统，让实时过程 管理扩展到现场信息系统的每个领域，实现工厂信息管理网络和封闭的自动控制网 络高速数据通道设备的实时信息共享，就成了d c s 公司也是工控界进一步发展所必 须解决的问题。 要有效实现实时、集成的工厂管理，首先必须满足如下几方面的要求：实时 管理是以过程测量仪表及控制阀门等现场的实时信息为基础，需要在现场智能设备 和监控设各之间实现双向数字通信。实时的工厂管理是一个以开放标准为基础的 过程管理信息系统，应根据多个优化目标将数据转换为有意义的信息。实时管理 在一个厂级范围的信息结构中，要求有一个集中并且连续的有关过程信息，商务信 息及生产应用的信息流。根据上述要求，所用的智能仪表首先应得到工业标准的技 术支持。h a r t 协议是用于现场智能仪表和控制主设备之间通讯的一种协议，也是 目前世界上使用最广泛的智能仪表通讯协议，具有完整的技术支持，覆盖了现场智 能压力、差压、流量、液位、调节阀、成份分析和记录仪等智能设备。h a r t 协议 已成为智能仪表事实上的工业标准，可以作为上述模式的较为理想的设备选择 7 1 。 基于以上考虑，最终我们提出了要在s u p m a x 5 0 0 的基础之上，应用嵌入式技 术开发出一套h a r t 智能仪表的实时、远程管理系统。它包括一种基于h a r t 协议 的接口卡件和支持该卡件与现场仪表、分散处理单元( d p u ) 以及上位机进行通信 的软件。接口卡件要能够在嵌入s u p m a x 5 0 0 控制系统并且不影响其对远程仪表的 模拟量进行控制的基础上，支持符合h a r t 协议的智能仪表与s u p m a x 5 0 0 中的分 散处理单元和上位机进行通信，进而实现企业信息管理网络和生产自动化控制系统 的集成。 1 - 3 2 需要解决的问题 要在s u p m a x 5 0 0 中集成一套h a r t 智能仪表的实时、远程管理系统，需解决 以下问题： 首先需要对s u p m a x 5 0 0 系统本身有一个透彻、全面的了解； 要做到与s u p m a x 5 0 0 的无缝连接，而不是简单地用一个单独的p c 机来完 成对生产现场的智能仪表的在线实时、远程管理，就必然不可避免地要触及 1 引言 与s u p m a x 5 0 0 中的分散处理单元的硬件接口问题； 在新的系统中原来的模拟仪表将部分或完全被h a r t 智能仪表所取代，这又 涉及到总线供电的智能仪表由谁来供电的问题； 把h a r t 接口放到i ，o 卡之后还是主控卡之后的布局问题即是否取消 s u p m a x s 0 0 中的i o 的问题； 若要在保留s u p m a x 5 0 0 的分层递阶结构和监控、协调功能的基础上使新功 能得以增加并且力求不对过程控制造成任何干扰，还必须深入地了解 s u p m a x 5 0 0 中运行的软件，最突出的是要对d p u 中运行的实时、多任务操 作系统有一个清楚的认识，然后才能提到在其中开辟新的任务，协同接口卡 件完成上位机仪表管理软件与现场仪表通信的问题； 深入了解h a r t 协议，并能够用适当的软、硬件来实现它的应用层、数据链 路层和物理层的功能： 其他有关总体设计和软、硬件设计中的很多具体问题如功能性和可靠性设计 等问题。 1 3 _ 3 课题的研究步骤与方法 熟悉s u p m a x 5 0 0 的软件、硬件 软件包括用于上位机监测的s u p v i e w 实时监控软件、用于组态的 s u p t o o l s 系统组态工具、i e c l l 3 1 3 图形组态工具和s u p v i e w 实时组态工 具，此外还包括i s a g r a f 嵌入式控制软件、t o r n a d oi i 嵌入式开发工具、 v x w o r k s 嵌入式实时操作系统；硬件有操作员站、工程师站、管理计算机和主 控卡、转发卡、i o 卡件。 学习、理解h a r t 协议 无论是设计接口卡件还是编写通信程序和上位机管理软件，掌握h a r t 协 议都是必需的。它是课题开发的基础与核心，其重要性可以说是无论怎样强调 都不为过。 总体方案的设计 应该把嵌入式设计理念贯穿于课题开发的全过程。由于嵌入式系统是一种 典型的软硬件混合系统，因此，在设计过程中，需依照软硬件协同设计的原则， 对软硬件进行适当裁剪以适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等的严 格要求。有荐于此，需从全局出发先拟出一个系统的总体设计方案，使之能切 实满足上述的各项要求。 h a r t 接口卡件的硬件设计 硬件设计的工具采用的是p m t e lt e c h n o l o g y 公司开发的功能强大的电路 c a d 系列软件p r o t e l9 9 。在确定硬件所分担的任务之后，先用原理图将其功能 重庆大学硕士学位论文 表示清楚，这时候就需要对所开发的卡件的功能、可靠性、成本、体积及功耗 等做出全面综合的考虑。之后把该原理图转化为印制电路板，在元件的布局、 和布线时应突出考虑卡件的可靠性。 硬件的调试 在硬件电路板制作完毕后，应使用相应的测试软件对硬件系统进行测试。 当然，如果在后面的具体设计过程中发现总体方案尚有不妥之处可以也必须对 其进一步完善，总之以更高的性价比与可靠性为最高要求。 软件开发 软件由三部分组成：上位机中的仪表管理软件、主控卡中的h a r t 数据转 发程序和接口卡件中的通信程序。其中，接口卡件中的通信程序应能支持h a r t 接口卡件与分散处理单元( d p u ) 中的主控卡和位于工控现场的智能仪表进行 通信。按任务模块划分的应用程序设计中，无论是模块程序，还是子程序都要 在编辑软件的支持下，先编好源程序，并在汇编软件的支持下，通过汇编来检 查源程序中的编写错误。本课题中，使用t a s k i n gi n c 的t a s k i n ge m b e d d 甜 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o rw i n d o w s 作为接口卡件通信程序的开发工具，它 将编辑、汇编集于一体，可直接生成能在c p u 中运行的十六进制文件和用于 仿真调试的a b s 文件。 应用程序的仿真调试 在硬件系统测试合格、应用程序通过汇编检查合格后即可进入仿真调试。 仿真调试是在开发装置在线仿真环境下进行。汇编后的应用程序形成一个可执 行的目标文件下载到仿真器上，系统在仿真器的支持下，对应用程序进行调试， 在调试过程中可对应用程序进行不断的修改和完善。本课题使用的仿真器是 n o h a uc o r p o r a t i o n 的p o p - s i x a g 3 i e 。 系统脱机运行检查 系统应用程序调试合格后，利用程序写入器将应用程序固化到单片机的程 序存储器中，然后将应用系统脱离仿真机进行上电运行检查。由于单片机实际 运行环境和仿真调试环境的差异，即使仿真调试合格，脱机运行时也可能出错。 这时应进行全面检查，针对可能出现的问题，修改硬件、软件甚至是总体设计 方案。 2s u p m a x 5 0 0 与嵌入式技术 2s u p m a x 5 0 0 与嵌入式技术 2 1s u p m a ) ( 5 0 0 分散控制系统 s u p m a x 5 0 0 分散控制系统是上海自仪股份有限公司d c s 公司在借鉴从美国 l _ n 公司( 现为m c s 公司) 引进的h a x l 0 0 0 分散控制系统，并获得丰富的工程现场经 验的基础上，又充分消化吸收了从浙江大学引进的s u p c o nj x - 3 0 0 控制系统之后， 自行开发研制并具有完全自主知识产权的中小型分散控制系统。本课题的工作完全 以此为基础，力求以最低的成本实现s u p h a x 5 0 0 与h a r t 总线的集成，使之具有对现 场智能仪表的在线实时、远程管理功能。 2 1 1s u p m a x 5 0 0 的系统构成 拦曩诤善概 ￥酊勰卸打量蠢l f u 耻x # o ol 女n 站舒h 蜮# o 口2 h 6 s “p n x o o 牵_ 白o # t 女嘲i 6 图2 1 多域s u p k t x 5 0 0 系统结构图 f i 9 2 1m u l t i - f i e l ds u p m a x 5 0 0s y s t e ms t r u c t u r e s u p m a x 5 0 0 分散控制系统采用了分散控制、集中操作、分级管理和分而自治的 设计原则，从而保证了系统的可靠性、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力。 系统由工程师站、操作站、现场控制站、通信网络等组成，从上到下可分为三层网 络结构：上层为管理网络，采用符合t c p i p 协议的百兆以太网连接操作站、工程师 站、管理计算机等，实现控制系统的综合信息管理；中层为控制网络，采用符合 重庆大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 3 标准的十兆以太网连接控制站和s u p m a x 5 0 0 实时数据服务器，用以传输 各种实时信息，并采用了冗余双网技术，可在网络故障时自动无扰动切换到备用网， 控制站之间使用i e e e 8 0 2 4 协议进行通信；底层为i o 网络，控制站内部以机笼为 单位，i o 机笼通过双重化高速串行通信总线s b u s 与主控制机笼相连