（电力电子与电力传动专业论文）多模式船舶电站网络系统的构架.pdf

第四章从硬件和软件两方面详细的介绍了独立开发的mo d b u s 总线设备联 网卡。 第五章从总体着眼系统介绍了船舶电站的方案设计。 第六章总结了课题研究的成果以及课题成果的意义， 并对课题发展作了简要 阐述。 由于时间以及作者本人的水平所限， 本文中或多或少的错误在所难免， 恳请 各位专家学者指正为谢。 关键词:船舶电 站， 现场总线， mo d b u s ， 联网设备 ab s t r act wit h t h e d e v e lo p in g o f e c o n o m y o f c h in a , a s t h e f ir s t c ity o f e c o n o m y , f in a n c e a n d s h ip p i n g , o f c o u r s e , s h a n g h a i is b e in g t h e f r o n t o f s h ip p in g in c h in a . s h ip p i n g is d e v e lo p in g a t v e ry f a s t s p e e d a n d s h ip is d e v e lo p in g t o w a r d g r e a t n e s s , l itt le c o n s u m i n g a n d h ig h e ff ic ie n c y . n o w w e c a n s e e t h e s h i p d r o v e b y e le c t r ic p o w e r a n d s h ip w it h o a r s w h o s e d is t a n c e b e t w e e n t h e m c a n b e c h a n g e d . i n o r d e r t o m e e t t h e r e q u ir e m e n t o f t h e d e v e lo p i n g s it u a t io n , t h e s i m u la t e c e n t e r o f s h a n g h a i m a r it im e u n iv e r s ity u n d e r t o o k t h e p r o j e c t t o d e v e lo p a n e w g e n e r a t io n p o w e r s t a t io n w h ic h b e u s e d in t h e m o d e r n iz e d s h ip d r o v e b y e le c t r o n ic p o w e r . t h is p r o j e c t is c o m in g f r o m s h a n g h a i e d u c a t io n c o mmi tt e e . f ie ld b u s e m e r g e d a t 1 9 8 0 s a n d it is a n e w t e c h n o lo g y . f ie ld b u s r e a liz e d a n e w n e t w o r k a m o n g t h e d e v ic e s , a n d t h e s e d e v ic e s a r e p la c e d a t t h e f ie ld o f a f a c t o ry t o w a t c h t h e s it u a t io n o r c o n t r o l t h e t e r min a l d e v ic e s . t h is c o m mu n i c a t io n a n d c o n t r o l n e t w o r k h a s b e c o m e a n e w i n t e g r a t e d a n d d is p e r s iv e s y s t e m , t h a t is n a m e d a s f c s ( f ie ld b u s c o n t r o l s y s t e m ) . t h e s h i p p i n g m u lt i- m o d e e le c t r ic ity s t a t io n s y s t e m in c l u d e g e n e r a t e e le c t r ic it y s y s t e m , s w it c h e le c t r ic ity s y s t e m , g e n e r a t o r s y s t e m a n d n e t w o r k c o m m u n ic a t io n s y s t e m. t h e m a in a im o f t h e p r o j e c t is t o s e t u p t h e n e t w o r k s y s t e m o f t h e w h o l e s h ip p in g e l e c t r ic ity s t a t io n a n d r e a liz e t h e liv e c o m m u n ic a t io n b e t w e e n t h e p r im a ry c o n t r o l r o o m a n d t h e t e r m in a l d e v ic e s . i n a d d it io n , t h e l iv e m o n it o r o f t h e e a c h d e v ic e i n t h e s t a t io n a r e a ls o r e a liz e d t o m a k e s u r e t h e p r a c t ic a b il ity a n d d e p e n d a b ility . m o d b u s h a s b e e n t h e d e f a u lt s t a n d a r d o f t h e in d u s t ry c o m m u n ic a t io n w h ic h is u s e d in m a n y in d u s t ry d e v ic e . i n t h e p r o j e c t w e m a k e m o d b u s a s t h e c o m m u n ic a t io n n e t w o r k t h r o u g h t h e in v e s t ig a t io n a n d a n a ly s e s o f t h e p o p u la r b u s . we d e v e lo p e d t h e m o d b u s d e v ic e n e t w o r k c a r d in d e p e n d e n t ly w h ic h in t e g r a t e t h e d a t a c o lle c t i o n o f t h e s im u la t io n q u a n t it y ( t h e r m o c o u p le , t h e r m o - r e s is t a n c e t e m p e r a t u r e ,0 - 5 v , 4 - 2 0 m a s t a n d a r d s ig n a l) a n d s w it c h q u a n t ity a n d r e a l iz e t h e d a t a - e x c h a n g e b e t w e e n t h e m o d b u s a n d t h e t e r m i n a l d e v ic e s . t h e m o d b u s d e v ic e n e t w o r k c a r d m a k e u p t h e d is a d v a n t a g e o f t h e m o d b u s d e v ic e s i n t h e m a r k e t a n d m e e t t h e r e q u ir e m e n t o f t h e s h ip p in g e le c t r ic it y s t a t i o n a n d t h e m a r k e t . t h e d e s i g n o f t h e n e t w o r k o f t h e s h ip p in g e le c t r ic it y s t a t io n c o m p r is e in d u s t ry - c o n t r o l c o m p u t e r l o c a l a r e a n e t w o r k a n d t h e d e s ig n o f t h e m o d b u s n e t w o r k d u r in g d e v e lo p m e n t o f t h e s o f t w a r e w e u s e t h e d e p e n d e n t p r o g r a m t o a c h ie v e g iv e n f u n c t io n a c c o r d in g t o t h e m o d u la r iz a t io n a n d c u r r e n c y id e a . we a d o p t t h e v b f o r t h e f o r m e r , w h ile t h e m o s t e ff ic ie n t a s s e m b le la n g u a g e f o r t h e s o f t w a r e d e s ig n o f t h e m o d b u s . t h e p a p e r c o n s is t s o f s ix c h a p t e r s . 1 .i n t r o d u c e t h e b a c k g r o u n d a n d t h e b a s is o f t h e p r o j e c t 2 . i n t r o d u c e t h e d e v e lo p m e n t o f t h e s h i p p in g e le c t r ic it y s t a t io n a n d t h e g e n e r a l s it u a t io n in t h e f ie ld . 3 . i n t r o d u c e a n d c o m p a r e e a c h lo c a l b u s e x is t in t h e ma r k e t . 4 . i n t r o d u c e t h e m o d b u s d e v ic e n e t w o r k c a r d m a d e in d e p e n d e n t ly f r o m t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e i n d e t a il . 5 . i n t r o d u c e t h e p r o j e c t d e s ig n o f s h ip p in g e le c t r ic it y s t a t io n in g e n e r a l . 6 . s u m m a r iz e t h e o u t c o m e a n d t h e m e a n in g o f t h e p r o j e c t a n d m a k e t h e s im p l e e x p a t ia t e a b o u t t h e p r o j e c t d e v e lo p m e n t . k e y wo r d s : s h ip p in g p o w e r s t a t io n , f ie ld b u s , m o d b u s , c o n n e c t in g d e v i c e s v 6 4 0 9 3 5 论文独创性声明 本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。 论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或其他机构已 经发表或 撰写过的 研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的 贡献均己 在 论文中作 了明 确的声明并表示了谢意。 作者签名: 卿虫 粤 -日期: 翅 么 孚 汀 论文使用授权声明 本人同 意上海海事大学有关保留 、 使用学位论文的 规定， 即: 学 校有权 保留 送交论文复印件， 允许论文被查阅 和借阅; 学校可以 上网 公布论文的 全 部或部分内 容， 可以 采用影印、 缩印 或其它复制手 段保存论文。 保 密的 论文 在解密后遵守此规定。 作者签名: ) v 4 !- 导师签名 第一章绪论 1 .1 课题的选题依据 当今社会正处于一个国际交流与合作突飞猛进的时代背景下， 中国在国际社 会上的影响也日 益加大， 上海作为中国的第一大都市， 集金融中心、 贸易中心和 航运中心为一体。 为适应上海的发展， 作为上海的唯一一所海事大学的上海海运 学院肩负上海市教委的厚望，为中国的 航运事业提供更新的技术。 船舶电站是船舶系统的动力源泉。 为很好的促进航运技术的发展， 上海海运 学院电力电子与电力传动学科在上海市教委重点学科建设项目的资助下， 研发了 多模式电站自 动化仿真系统。 本课题基于mo d b u s的多模式电站网络系统 的构建为多模式电站自 动化仿真项目的一个模块。 工业网络通讯技术是为大型工业设备网络的实现提供充分的技术保证。 而现 场总线则是工业网络通讯中的新技术。 现场总线的产生， 对传统的分布式控制系统 ( d c s ) 起到了促进作用， 致使 d c s向 现场总线控制系统( f c s ) 演变; 并行直达的i / o口向 现场总线分布式u o 转变， 传统的u o现场设备到现场总线的u o现场设备的转变。 发展到现在， 现 场总线已经是一种比较成熟的技术，并在工业控制领域起到越来越显著的作用。 现场总线在控制领域的出现不过是最近几年， 然而其来势汹汹， 且有愈演愈 烈之趋势。 现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自 动化系统 间的全数字化、 多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程， 是互相操作以 及 数据共享的公共协议。 可以认为， 现场总线是通信总线在现场设备中的延伸， 允 许将各种现场设备，如变送器、 调节阀、基地式控制器、 记录仪、 显示器、 p l c 及手持终端和控制系统之间， 通过同一总线进行双向多变量数字通讯。 从计算机 网络体系结构角度来看，按国际标准化组织 i s o的推荐，最低一级的网 络就是 现场总线。 它可以 把全厂范围内的最基础的现场装置( 如仪表等) 连接起来， 与 控制系统实现全数字化通信。 研究以 现场总线控制技术为基础的现代化新型船舶电站网络的开发， 在当今 的时代背景下，有着极其重要的意义: 1 、理论意义 在工业控制突飞猛进的时代，重在推动d c s 理论快速的向f c s 发展， 在吸 取传统d c s 控制系统的优势的同时，克服其中的缺陷，同时更深入的理解基于 mo d b u s的f c s系统。 2 、实际意义 根据前面对传统的d c s以及对mo d b u s总线的技术分析，我们可以清楚 地看到，基于mo d b u s 的多模式电站能够大大降低电站的开发周期、费用，能 够很好的实现其实时性，提高可靠性，并能达到很好的人机接日。 1 . 2 国内外在这一领域的研究现状 电工技术在船上的应用是随着科学技术不断发展而发展的， 在蒸汽机船舶时 代， 最初船上仅有照明系统。 作为照明电源的蒸汽机直流发电机容量很小， 只不 过十几千瓦， 而所有的船舶机械都是由蒸汽为动力。 由于蒸汽机械热能效率低以 及输送和控制的不方便， 所以船舶机械拖动系统逐渐由电 动机拖动。 但总的来说， 在这一段时期船舶吨位不大， 电气系统也比较简单， 船舶电站作用并不十分明显， 直到二次大战后， 船舶开始向大型化发展，内燃机逐渐增多，电能在船舶电站中 越来越重要。 船舶电站由最初十几千瓦， 发展到现在具有几千千瓦甚至更大功率的综合性 船舶电站。由于电力传输以及控制的方便和可靠性，目 前， 越来越多的大型船只 都采用电力拖动，船舶电站的重要性己经提到了最重要的地位。 目 前， 在国内研究船舶电站的研究机构也比较多， 但由于船舶电站系统的复 杂性和高额的研发成本，因此， 与国外产品相比有一定的差距。 在国外， 这方面 的研究起步比 较早， 新型的船舶电站已 经在实验中得到了很好的实现， 船舶电力 推进技术也得到了很好的发展和应用， 然而， 现场总线技术在工业控制领域的应 用比 较晚， 尤其是用在多模式船舶电站中， 对现场总线在船舶电站中的应用需要 进一步结合新型的现场总线技术和新型的船舶电站技术做更多的研究。 并且由于 现场总线技术存在的各种优点， 新型的多模式船舶电站也有必要利用现场总线技 术 来实 现更 高的 可 靠性和降 低系 统开 发成本。 h 1 1 . 3 课题中的主要研究工作和成果 本项目的研究开发历时近一年，主要完成了如下的工作: 1 、自 主开发了mo d b u s总线联网卡。项目 要求船舶电站主控室要实现与 底层设备的数据交换并对底层设备进行实时监控。 然而， 在船舶多模式电站系统 中， 很多底层设备本身并不具备总线联网功能， 或者考虑到开发的成本以及性价 比等因素， 项目中自 主开发了mo d b u s 总线设备联网卡。 在此联网卡的开发中， 从器件的选型、 方案的设计、 硬件的实现以及软件的编写均为自主完成， 并最终 调试成功应用于总的多模式电站系统之中。 2 、完成上位工业控制计算机mo d b u s主站的开发。由于mo d b u s总线 是单主多从的结构， 这就要求系统通讯网络需要有主站( 在此项目中是上位工业 控制计算机) ，并且一切网络通讯的发起都是依靠主站发出命令。所以，在系统 总体网络的构架中， 主站的开发要求比 较严格， 需要很好地考虑到通讯的规约和 通讯过程中的各种延时等问题。并且， 本mo d b u s 主站兼有对底层设备运行的 监控作用， 所以 在系统监控方面也作了 很好的 研究，并在v i s u a l b a s i c 中 实现。 3 、完成了对整体系统的调试。系统调试在项目的开发过程中占据了相当大 的工作量。 因为再优秀再有经验的工程师也不可能一步就完成了所有功能的开发 并且都准确无误， 系统的调试是对一个系统进一步完善的必要基础。 在本项目开 发后期， 主要对各个模块以及总体系统进行了系统的调试， 保证了系统的正常运 行。 以上是本课题研究的最主要的工作，同时，mo d b u s总线设备联网卡以及 整体系统的船舶多模式电站都己经成为比较完善的研究成果。 第二章船舶电站控制系统的基本结构 2 1船舶电站控制系统的结构特点 目前，船舶电站主要采用在工业控制领域比较流行的传统的d c s 控制方式， 其控制网络如图2 1 所示。d c s 于八、九十年代占主导地位，其核心思想是集中 图2 1 传 宽电站两络 管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台 下位机下放分散到现场实现分布式控制，各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。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中 式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统 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，遗憾的是，不同 的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 、i n t e m e t 信息网络之间 难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭 专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且d c s 造价昂贵。 对以上网络分析，我们不难发现集散控制系统( d c s ) 主要有以下几大缺陷： l 、一对一结构。造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。 2 、可靠性差。模拟信号传输精度低并易受干扰。 3 、失控状态。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作状态，也不能对其 进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对其处于“失控”状态。 4 、互换性差。大部分技术参数由各制造商自定，导致不同厂商的仪表不能 互换。 4 2 2 现代化船舶电站网络的特点及发展趋势 随着工业技术的不断发展，工业设备也不断提升，成本进一步下降，现代化 的船舶电站网络吸收了现场总线控制技术的优点，引进现场总线控制技术，其控 制网络如图2 - 2 所示。 图2 - 2 现代电站总线阿络 从图2 2 中可以看出： 1 、现代化船舶电站采用总线控制网络， 线路，连线简单明了； 2 、利用现场模块与现场设备直接相连， 增加了传输的可靠性； 工业现场与集控中心只有一根通信 把现场模拟信号转化成数字信号， 3 、现场各种设备以总线方式与网络连接，以总线通讯实施数据交换，其中 一个设备的异常不会影响其它设备的正常工作，并且在主控室能够明确显示异常 设备地址； 4 、总体网络的结构简单，给网络的建设带来了方便，并且省去了许多建设 的材料，从而大大降低了网络建设的成本。 以现场总线控制技术为核心的现代化多模式船舶电站采用新型的总线网络 结构，很好地解决了传统型电站网络的不足，为高可靠性低成本的现代化船舶电 站的开发提供了技术基础。 现场总线技术是新兴的工业控制技术，随着网络化进程的不断发展，人们的 生活以及工业的生产朝着数字时代发展，它将作为一种通用的控制技术被越来越 多的开发商所认可。在未来的工业控制领域，现场总线技术将成为工业控制的主 要技术。未来的船舶电站也将越来越多地采用新型的总线控制技术，并在此基础 上，得到可靠性实时性的进一步提高，而且开发的成本周期等却进一步的降低。 现场总线控制技术将应用于整个船舶电站领域乃至整个工业控制领域。 6 第三章现代化船舶电站中的 c s 技术 3 . 1 现场总线技术简介 3 . 1 . 1 控制系统的简单回顾 现场总线控制技术 ( f c s )是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，是 当今自 动化领域技术发展的热点之一， 被誉为自 动化领域的计算机局域网。 它的 出现， 标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始， 并将对该领域的发展产生 重 要 影 响 21 随着控制、计算机、 通信、网络等技术的发展， 信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、 管理的各个层次， 覆盖从工段、 车间、 工厂、 企业乃至世界各地的市场。 信息技术的飞速发展， 引起了自 动化系统结构的变革， 逐步形成了以网络集成自 动化系统为基础的企业信息系统。 现场总线 ( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。 现场总线是应用在生产现场、 在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统，也被称为开放式、 数字化、多点通信的底层控制网络。 它在 制造业、 流程工业、交通、 楼宇等方面的自 动化系统中具有广泛的应用前景。 现 场总线技术的诞生导致了传统控制系统结构的变革， 形成了新型的网络集成式全 分布控制系统 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 l s y s t e m ) 。 这是继基 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。 (3 1 s o 年代以 前，由于当时生产规模较小， 检测控制仪表尚处于发展的初级阶 段， 所采用的仅仅是安装在生产设备现场、 只具有简单测控功能的基地式气动仪 表， 其信号仅在本仪表内使用， 一般不能传送给别的仪器或系统， 即各测控点只 能为封闭状态， 无法与外界沟通信息， 操作人员只能通过生产现场的巡视，了解 生 产 过 程 的 状 况 4 1 随着生产规模的扩大， 操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息， 需要 同时按多点的信息实行操作控制， 于是出现了气动、 电动系列的单元组合式仪表， 出 现了 集中 控制室。 生产现场各处的参数通过统一的模拟信号， 如0 . 0 2 -0 . 1 m p a 的气压信号， 0 -1 0 m a . 4 -2 0 m a 的直流电流信号， 1 -5 v 的直流电压信号等， 送 往集中控制室。 操作人员可以 坐在控制室纵观生产流程各处的状况， 可以 把各单 元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接， 信号变化缓慢， 提高计算速度 与精度的开销、 难度都较大， 信号传输的抗干扰能力也较差， 人们开始寻求用数 字信号取代模拟信号， 出 现了直接数字控制。 由于当时的数字计算机技术尚不发 达， 价格昂贵， 人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘， 出现了 集中式数字控制系统。 但由于当时数字计算机的可靠性还较差， 一旦计算机出现 某种故障， 就会造成所有控制回路瘫痪， 生产停产的严重局面， 这种危险的集中 系统结构很难为生产过程所接受。 随 着计算机可靠性的 提高， 价格的大幅度下降， 出 现了数字调节器、 可编程 控制器 p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集中、 分散相结合的集散控制系统。 这就是今天正在被许多企业采用的d c s 系统。d c s 系统中， 测量变送仪表一般为 模拟仪表， 因而它是一种模拟数字混合系统。 这种系统在功能、 性能上较模拟仪 表、 集中式数字控制系统有了很大进步， 可在此基础上实现装置级、 车间级的优 化控制。 但是， 在d c s 系统形成的过程中， 由于受计算机系统早期存在的系统封 闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自 成系统，不同厂家的设备不能互连在一起， 难以实现互换与互操作，组成更大范文信息共享的网络系统存在很多困难。 新型的现场总线控制系统则突破了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， 把给予封闭、 专用的解决方案变成了基于公开化、 标准化 的解决方案， 即可以 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; 同时把d c s 集中与分散相 结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场， 依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 现场总线控制系统构造了网络集成式全分布控制系统， 这是继基地式气动仪 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。 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。 下图为各阶段测控仪表能力指数示意图。 它表明， 测量控制系统从早期基地式模拟仪表智能实现单点、 单控制回路的测控 功能开始， 逐步发展盗案装置或过程的多回路、 多变量集中监控， 整个装置或车 间的优化控制， 以致实现生产过程的 控制与管理一体化。 每一代更新都带来能力 指数的 跃变， 同时随着工具与功能开发的不断完善， 每一代系统的测控能力指数 会按各自 的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理提供更为完善的服务， 带来更大的经济效益。 在下图中对能力指数的描述在数值上并不准确， 只是一种 示意性的表达而已。 撅把只四徊州彩 按回路运行 ， 按过程运行过程优化 1 9 8 05 0 :年代1 9 6 01 9 9 8 图3 - 1 能力指数示意图 3 . 1 . 2 现场总线的优点 现场总线控制系统有如下优点: 1 )全数字化 将企业管理与生产自 动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想， 但只有在 f c s出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。在采用 f c s的企业中， 用于生产管理的局域网能够与用于自 动控制的现场总线网络紧密衔接。 此外， 数 字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。 2 )全分布 在 f c s中各现场设备有足够的自 主性，它们彼此之间相互通信，完全可以 把各种控制功能分散到各种设备中， 而不再需要一个中央控制计算机， 实现真正 的分布式控制。 3 )双向传输 传统的4 - 2 0 m a电 流信号， 一条线只能传递一路信号。 现场总线设备则在一 条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向 下传递控制信息。 4 )自诊断 现场总线仪表本身具有自 诊断功能，而且这种诊断信息可以 送到中央控制 室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。 5 ) 节省布线及控制室空间 传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室， 在中央控制室装备 一个大配线架。而在 f c s系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样 只需极少的线进入中央控制室。 大量节省了布线费用， 同时也降低了中央控制室 的造价。 6 )多功能仪表 数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约， 可以在一个仪表中集成多种功能， 做成多变量变送器， 甚至集检测、 运算、 控制 与一体的变送控制器。 7 )开放性 1 9 9 9 年底现场总线协议已 被i e c批准正式成为国际标准， 从而使现场总线 成为一种开放的技术。 8 ) 互操作性 现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作， 这样就可以 在一个企业中由 用户根据产品的性能、 价格选用不同厂商的 产品， 集成在一起， 避免了 传统控制 系统中必须选用同一厂家的产品限制， 促进了有效的竞争， 降低了控制系统的成 本。 9 )智能化与自 治性 现场总线设备能处理各种参数、 运行状态信息及故障信息， 具有很高的智能， 能在部件、 甚至网络故障的情况下独立工作， 大大提高了整个控制系统的可靠性 和容错能力。 3 . 1 .3 现场总线的特点 现场总线技术它综合了数字通信技术、 计算机技术、自 动控制技术、 网 络技 术和智能仪表等多种技术手段， 从根本上突破了 传统的“ 点对点” 式的模拟信号 或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、 双向、 互连、 多变量、 多接点的通信与控制系统。 现场总线则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络， 其基础是智能仪表。 分 散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体， 并与控制室中的控制 器 和 监 视 器一 起共同 构 成 现 场总 线 控制 系 统 ( f i e l d b u s c o n t ro l s y s te m , f c s ) o 通过遵循一定的国际标准，可以将不同 厂商的现场总线产品集成在同一套 f c s 中，具有互换性和互操作性。f c s把传统d c s的控制功能进一步下放到现场智 能仪表， 由 现场智能仪表完成数据采集、 数据处理、 控制运算和数据输出等功能。 现场仪表的数据( 包括采集的数据和诊断数据) 通过现场总线远传到控制室的控 制设备上， 远程的 控制 设备用来监视各个现场仪表的运行状态， 保存各智能仪表 上传的数据， 同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。 另外， f c s 还可 通过网关和企业的上级管理网络相连， 以便企业管理者掌握第一手资料， 为决策 提供依据。所以现场总线具有以下突出特点: 1 )开放性 现场总线控制系统( f c s ) 采用公开化的 通信协议， 遵守同 一通信标准的不同 厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。 用户可以灵活选用不同厂商的现场总 线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。 2 )方便的互操作性 互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态， 实现同一的控制策略和 “ 即插即用” ，不同厂商的性能相同的设备可以互换。 3 )灵活的网络拓扑结构 现场总线控制系统可以 根据复杂的 现场情况组成不同的网络拓扑结构， 如树 型、星型、总线型和层次化网络结构等。 4 )系统结构的高度分散性 现场设备本身属于智能化设备， 具有独立自 动控制的基本功能， 从根本上改 变了d c s的集中与分散相结合的体系结构，形成了全新的分布式控制系统，实 现了 控制功能的彻底分散， 简化了 结构， 提高了 控制系统的可靠性。 现场总线与 上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。 5 )现场设备的高度智能化 传统的d c s 使用相对集中的 控制站， 其控制站由c p u单元和输入懒 出单 元等组成。 现场总线控制系统则将d c s 的控制站功能彻底分散到现场控制设备， 仅靠现场总线设备就可以实现自 动控制的 基本功能， 如数据采集与补偿、 p i d运 算和控制、 设备自 校验和自 诊断等功能。 系统的操作员可以在控制室实现远程监 控， 设定或调整现场设备的运行参数， 还能借助现场设备的自 诊断功能对故障进 行定位和诊断。 6 )对环境的高度适应性 现场总线由于采用数字通信方式、 因此可采用多种传输介质进行通信， 它可以使 用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据， 具有很强的抗干 扰能力。 常用的数据传输线是廉价的双绞线， 并允许现场设备利用数据通信线进 行供电，还能满足本质安全防爆要求。 3 . 2 主要现场总线概况 目 前世界上比 较有影响的现场总线有f f , l o n wo r k , c a n , p r o f i b u s , h a r t ，它们在特定的应用领域显示了自己的优势。具有各自的特定，也显示了 较强的生命力。 对现场总线技术的发展己 经发挥并将会继续发挥较大作用。 下面 我们将简要介绍这5 种比 较有影响， 并在我国 得到较为广泛应用的现场总线。 并 对 他 们 的 特 点 进 行 比 较 5 - 1 2 3 . 2 . 1 f f f f 是基金会现场总线 ( f o u n d a t i o n f ie l d b u s )的简称，是国际公认的唯一不 附属于企业的公正的非商业化的国际标准化组织， 其宗旨是制定单一的国际现场 总线标准，无专利许可要求，供任何人使用，它具有如下特点: ( 1 ) f f以i s o / o s i 开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，并在应用层上增加及用户层。 ( 2 ) f f 分 为 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 , 通讯距 离可 达1 9 0 0 m , 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 距离分别为7 5 0 m和5 0 0 m . ( 3 ) 拓扑结构: h 1 支持总线型或树型; h 2 支持总线型。 ( 4 ) 介质访问: 采用令牌和查询通信方式为一体的 技术， 在一个网络中 可以 有 几个主站。 初始化时， 仅允许一个站处于讲工作状态， 讲工作状态传来后， 主 站 查 询从 站， 并 且特 殊 的 帧 结 构 把讲 工 作状 态 送 给另 一 个主 站。 p 3 ) ( 5 ) 物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。 ( 6 ) 安全性: 低速总线h i 采用本安型总线供电，满足本安防爆要求。 3 . 2 . 2 l o n wo r k s l o n ( l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k s ) 总 线是 美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年 推出 的 局 部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。其主要特点为: ( 1 ) l o n wo r k s 采用l o n t a l k通信协议，该协议遵循i s o / o s i 参考模型， 它提供了o s i 所定义的全部7 层服务，在所有的现场总线中这是独一无 二的。 ( 2 ) 通 信 速 率为7 8 k b p s / 2 7 0 0 m , 1 .2 5 m b p s / 1 3 0 m ， 节点3 2 0 0 0 个。 传输 介 质为 双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等。 ( 3 ) l o n wo r k s的核心是n e u r o n( 神经元)芯片，内含3 个8 位c p u ，第 一个c p u为介质访问控制处理器，处理l o n t a l k协议的第一层和第二 层; 第二个c p u为网络处理器， 实现l o n t a l k的第三层到第六层的功 能;第三个c p u为应用处理器，实现l o n t a l k的第七层协议，执行由 用户编的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。n e u r o n芯片的编程 语言为n e u r o n c ， 是从a n s i c中派生出来的。 l o n wo r k s提供一套开 发平台，l o n b u i l d e r和n o d e b u i l d e r . ( 4 ) l o n wo r k s 可以 构成: 总线型、 星型、 环型和混合型等典型的网 络结构， 能实现网络拓扑结构的自由 组合， 可以通过网关实现不同的现场总线的互 连。 ( 5 ) l o n t a l k协议的介质访问协议对 p r e d i c t i v e p - p e r s i s t e n t c s m a的新协议 ( 6 ) l o n wo r k s 能支持防爆区。 c s m a作了改进，采用一种称作 3 . 2 . 3 p rof i bus p r o f i b u s 是p r o c e s s f i e l d b u s 的 缩写。 是一种国际性的开放式的 现场总线标 准。它是 1 9 8 7年德国联邦科技部制定、1 9 9 1年通过的现场总线德国国家标准 ( d in 1 9 2 4 5 ) ，于 1 9 9 8 年成为欧洲标准 ( e n 5 0 1 7 0 ) 。它具有如下特点: ( 1 ) p r o f 113 u s 由 三部分组成: a . p r o f i b u s - f ms ( f i e l d b u s m e s s a g e s p e c i fi c a t i o n 现场总线报文规范) 此部分是完成控制器和现场器件之间的通信以及控制器之间的信息 交换， 因此它考虑的是系统功能而不是系统响应时间， 适用于完成中 等传输速度进行较大数据交换的循环和非循环通讯任务。 b . p r o f i b u s - d p ( d e c e n t r a li z e d p e r ip h e r y 分 散 型外围 设 备) 是 一 种 优 化的通讯模块， 适用于自 动控制系统和外围设备之间的通信， 对时间 要求苛刻的场合。 c . p r o f i b u s - p a ( p r o c e s s a u t o m a t i o n 过程自 动化) 应用于过程自 动化， 实现了i e c 1 1 5 8 - 2 中规定的通信规程， 用于对安全性要求高的 场合及 由总线供电的站点。 ( 2 ) p r o f i b u s 遵循i s o / o s i 模型， 其通信模型由 三层构成: 物理层， 数据 链路层和应用层。 ( 3 ) p r o f i b u s 的 通信速率为 a . p r o f i b u s - f m s使用 r s - 4 8 5时为 9 .6 k b p s - 5 0 0 k b p s ，距离为 1 .6 k m - 4 . 8 k m ，最多可接1 2 2 个节点; 使用f s k( 频移键控)时，最 多3 2 个节点， 距离可达5 k m ，介质可为双绞线或光缆。 b . p r o f i b u s - d p 使 用r s - 4 8 5 双绞线或光缆， 为9 .6 k b p s - 1 2 m b p s ， 最 大 距离:1 2 m b p s 时 为1 0 0 m 1 .5 m b p s 时 为2 0 0 m ， 可 用中 继器 加 大 距离， 最大站点数1 2 6 0 c . p r o f i b u s - p a 通信速率为3 1 .2 5 k b p s ， 最大 距离为 1 .9 k m ， 其每一 段 上可连接的仪表台数犯台， 但决定于所接入总线仪表设备的耗电量 和应用的最大总线电流，就可以保证在危险区域中运行的本质安全 性。 ( 4 ) 总线存储协议: 三种系列的p r o f i b u s 均使用单一的总线存取协议， 数 据链路层采用混合介质存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间 按主从方式工作。 ( 5 ) 三种系列的p r o f 113 u s 很容易集成在一起， d p 和f m s 使用了同 样的 传 输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电线