（机械制造及其自动化专业论文）基于单片机的集散控制系统的研究.pdf

、p ! ， t h er e s e a r c ho fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m b a s e do ns c m b yw a n g l i n l i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rz h a n gl e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 j | 舢8 2哪834舢8 iii_m y i l 一1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果。与我做同一课题的老师和同学所做的贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示感谢。 学位论文作者签名： 卫琳林 日 期：如湃6 闰辨卤， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：王琳琳 签字日期：如啤6l 司) 6 因 导师签名： 签字日期： t v ， ， 东北大学硕士学位论文摘要 基于单片机的集散控制系统的研究 摘要 工业的发展使生产过程日益复杂，规模更加扩大，在生产中采用传统的计算机集 中控制系统，计算机一旦出现故障，就会使整个系统瘫痪、生产停产的严重事故，其 可靠性、稳定性较差，为提高系统的可靠性和稳定性，满足生产过程控制中分散风险 的要求，美国、日本及欧洲等国开始研制集散型控制系统( d c s ) 。随着现场总线技 术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 的过渡。现场总线c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 是近年来发展很快的一种现场总线， 是目前唯一具有国际标准的现场总线。具有实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力 强、低成本等优点，在工业自动化、智能建筑、自动测试等领域得到了广泛应用。 基于单片机的集散控制器电路设计，是以单片机为主控系统，外接键盘电路与液 晶显示电路做为人机交互界面，通过设计c a n 总线系统智能控制节点，在此基础上 通过c a n 总线进行信息传输，来实现对p l c 的控制和信息反馈，实现系统的信息传 输和控制功能，实现工业环境下控制过程的网络化和智能化。课题涉及到硬件电路原 理图的设计，包括控制系统的设计，c a n 智能节点的设计，接口r s 一2 3 2 转换c a n 接 口的设计等。用p r o t e l 9 9 s e 绘制原理图与p c b ，完成硬件电路，并且对系统进行初始 化编程与硬件电路调试，证明系统应用的可行性。 关键词：集散控制：c a n 总线；智能节点设计；c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 ；c a n 总线驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 ；硬件电路设计；系统初始化调试 - i i t ， 一一 、 查! ! 查堂堡主堂堡垒墨一 a b 。慨t 一 ：= ： t h er e s e a r c ho fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns c m a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r ym a k e st h ep r o c e s so fp r o d u c t i o nt ob ec o m p l e xd a v b yd a y , t h es c a l ee x p a n d se v e nm o r e ，i tu s e st r a d i t i o n a lc o m p u t e rc o m m o nc o n t r o ls y s t e mi n p r o d u c t i o n ，o n c et h ec o m p u t e rp r e s e n t st h eb r e a k d o w n ，i tw i l lh a v et h es e r i o u sa c c i d e n t w h i c ht h eo v e r a l ls y s t e mi si np a r a l y s i s ，a n dt h ep r o d u c t i o nw i l lb es u s p e n d e d i t sr e l i a b i l i t y a n dt h es t a b i l i t ya r eb a d i no r d e rt oe n h a n c es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya n ds a t i s f yt h e r e q u e s to ft h es p r e a dr i s ki nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o l ，u s ，j a p a na n de u r o p es t a r tt od e v e l o p c o l l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a l o n gw i t ht h ea p p e a r a n c ea n d m a t u r eo f t h ef i e l db u st e c h n o l o g y , i th a su r g e dt h ec o l l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) t ot h et r a n s i t i o no ft h ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) f i e l db u sc a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) i st h ev e r yq u i c kd e v e l o p m e n to ff i e l db u si nt h er e c e n t y e a r s h a sm e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df i e l db u so n l ya tp r e s e n t i th a ss t r o n gt i m e l i n e s s ，f a rt r a n s m i t t i n g r a n g e ，a n t i 。e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，l o wc o s ta n ds oo n 。i to b t a i n st h e w i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n s t r u c t i o n t e s t a u t o m a t i o na n ds oo n t h ed e s i g no ft h ec o l l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o nc o n t r o l l e rc i r c u i tw h i c h i sb a s e do nm c u t a k e st h em c ui n t e g r a t e dc i r c u i ta s t h e c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h ee x t e r n a lc o i l i l e c t i o n k e y b o a r de l e c t r i cc i r c u i ta n dt h e l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ye l e c t r i cc i r c u i ta r e 淞t h e m a n 。m a c h i n ei n t e r a c t i o nc o n t a c t s u r f a c e b a s e do n d e s i g n i n gt h ec a nb u ss y s t e m i n t e l l i g e n tc o n t r o ln o d e ，t h i sc a r r i e so nt h ei n t e l l i g e n c et r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h ec a nm a i n l i n e ，a n dr e a l i z et ot h ec o n t r o lp l ca n dt h ef e e d b a c ko fi n f o r m a t i o n t or e a i i z et h e i n t e l l i g e n c et r a n s m i s s i o na n dt h ec o n t r o lf u n c t i o no ft h es y s t e m a tt h es a m et i m e i ts h o u l d r e a l i z et h ec o n t r o l l e d p r o c e s sn e t w o r ka n dt h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o nu n d e rt h ei n d u s t r v e n v i r o n m e n t t h et o p i ci n v o l v e st h e d e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m i n c l u d i n gc o n t r o ls y s t e m sd e s i g n ，t h ec a ni n t e l l i g e n c en o d e sd e s i g n ，t h ec o r m e c t i o n i n t e r f a c ed e s i g nw h i c ht h ec o n n e c t i o nr s 一2 3 2t r a n s f o r m st h ec a n c o n n e c t i o na n ds oo n d r a w su pt h es c h e m a t i cd i a g r a ma n dp c bw i t ht h es o t t w a r eo fp r o t e l 9 9 s e a n dc o m p l e t e s t h eh a r d w a r ec i r c u i t a n dc a r r i e so nt h ei n i t i a l i z a t i o np r o g r a m m i n ga n d t h eh a r d w a r ec i r c u i t d e b u g g i n gt ot h es y s t e m ，p r o o f st h ea p p l i e df e a s i b i l i t yo fs y s t e m i i i k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o l ；c a nm a i nl i n e ；i n t e l l i g e n tn o d ed e s i g n ；h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n ；s y s t e mi n i t i a l i z a t i o nd e b u g g i n g ； ， i 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景及课题的提出1 1 2 国内外研究现状1 1 3 研究目的和主要研究内容2 第2 章系统的总线方案设计3 2 1 系统总体方案设计思想及简介3 2 2 集散控制系统相关技术的研究3 2 2 1d c s 技术特点4 2 2 2d c s 应用中存在的问题及发展前景5 2 3 现场总线技术6 2 3 1 现场总线的定义j 6 2 3 2 现场总线的种类7 2 3 3c a n 总线8 第3 章c a n 总线智能节点的设计及硬件配置1 3 3 1c a n 总线控制器选用1 3 3 1 1 选用c a n 控制器s j a l 0 0 0 的原因1 3 3 1 2s j a l 0 0 0 简介1 4 3 1 3s j a l 0 0 0 引脚及功能1 5 3 2c a n 总线驱动器选用2 0 3 2 1 通用c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 2 1 3 2 2p c a 8 2 c 2 5 0 引脚及功能2 1 3 2 3p c a 8 2 c 2 5 0 的应用2 3 v ， 东北大学硕士学位论文 目 录 3 3c a n 总线智能节点设计o 2 4 第4 章系统的硬件电路设计2 8 4 1 基于单片机的集散控制器电路设计简介及思想2 8 4 2 人机通信模块的硬件设计2 8 4 3 基于单片机的控制器模块设计3 0 4 3 1 单片机a t m 8 9 s 5 2 与c a n 总线的通信3 0 4 3 2 硬件电路的复位电路设计3 2 4 4 电源模块电路设计3 4 4 5r s 2 3 2 转c a n 接口通信模块设计3 7 4 6 硬件电路设计中的有关硬件抗干扰问题3 9 第5 章系统调试4 2 5 1 硬件电路调试4 2 5 2 系统的软件调试4 3 5 2 1 人机交互界面的软件调试4 3 5 2 2c a n 总线智能节点的软件调试4 4 5 2 3c a n 总线接口与p l c 通信的调试5 5 5 2 4 主控电路与接口电路通信调试5 7 第6 章结论与展望5 9 6 1 结论：5 9 6 2 展望5 9 参考文献：6 1 附录a 6 4 附录b 6 5 致谢6 6 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及课题的提出 在工业过程控制中，由常规模拟仪表组成的控制系统曾长期占据统治地位，随着 生产规模和复杂程度的不断增加，其局限性越来越明显。而最初的计算机控制( 直接 数字控制d d c ) 系统，虽然克服了常规模拟仪表的局限性，但由于一台计算机控制着 几十甚至几百个回路，同时对几百、上千个变量进行监视、操纵、报警，危险高度集 中。一旦计算机的c p u 、i o 接口等发生故障，将会影响整个系统的运行，甚至造成 严重的生产事故。危险集中成为当时计算机实时控制的一大难题【1 1 。 上世纪7 0 年代工业的发展使生产过程日益复杂，规模更加扩大，在生产中采用传 统的计算机集中控制系统，计算机一旦出现故障，就会发生使整个系统瘫痪、生产停 产的严重事故，其可靠性、稳定性较差，为提高系统的可靠性和稳定性，满足生产过 程控制中分散风险的要求，美国、日本及欧洲等国开始研制集散型控制系统( d c s ) 。 d c s 逐渐进入稳定成熟期。然而，“信息孤岛”这一缺点很大程度上制约了d c s 的应用和发展1 2 1 。与此同时，上世纪8 0 年代一种新型的计算机控制系统现场总线控制 系统( f c s ) 登上了工业自动化的历史舞台。随着现场总线技术的出现和成熟，促使 了控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 的过渡。 目前，大多的工业控制系统都采用的是集散控制系统，以工业控制机作为上位机 来作为系统的中央控制器，主要用于大的控制系统中，侧重于过程的监控和管理，不 适合现场环境，有一定的局限性。如采用p l c 作为工业控制系统的中央处理器，它的 工作方式为循环扫描，这不利于实现现场控制。课题中采用液晶显示屏作为人机交互 界面，来取代大多数集散控制系统中的触摸屏。液晶显示屏在现场集散控制系统中完 全满足课题需要，并且价格低于触摸屏，受干扰程度低。 综上所述，为了便于实现现场控制并且适合现场的工作环境，本课题提出基于单 片机的集散控制系统的研究。 1 2 国内外研究现状 全球著名的d c s 生产商有：h o n e y w e l l 、a b b 、f o x b o r o 、s i e m e n s 、横河、西屋 等，国内知名的d c s 生产商有：北京和利时、浙大中控和上海新华等。经过近3 0 年 的发展，集散控制系统已经进入第四代。h o n e y w e l l 公司推出的e x p e r i o np k s 系统、 e m e r s o n 公司的p l a n t w e b ( e m e r s o np r o c e s s m a n a g e m e n t ) 、横河公司的r 3 ( p i 蝴一 工厂资源管理系统) 、a b b 公司的i n d u s t r i a li t 系统等都是新一代d c s 的代表，国内 】- 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的和利时公司也于2 0 0 2 年推出了自己的第四代d c s m a c s s m a r t p r o 系统【3 1 。 d c s 技术在上世纪八十年代进入中国市场，截至2 0 0 1 年底，我国各行业共计应 用d c s 有4 2 0 0 余套。d c s 已广泛应用于电力、石油、化工、冶金、建材、制药等行 业的生产过程中。d c s 在我国石化企业生产过程控制中的应用相当普及，其中以日本 横河和美国h o n e y w e l l 公司的产品最多。同时，d c s 标准制定也相对落后，d c s 厂家 提供的系统大多是非标准的和封闭的，在提高局部生产过程控制水平的同时，又限制 了交流和通用性，制约了全局生产潜力的充分发掘。 现在国内d c s 产品己具有较强的竞争力，在技术上形成了初步与国外产品相抗衡 的局面，部分产品已经走出国门，进入国际市场，就装机量而言，目前国内d c s 厂商 占据了超过5 0 的市场份额，在中小型系统中，国产d c s 占有5 0 左右的市场份额， 但在一些特大型的项目上，国外产品还占有一定优势。 2 0 世纪9 0 年代，随着计算机网络技术的飞速发展，集计算机、通信、控制技术 于一体的现场总线技术也得到了迅猛的发展，并且成为倍受关注的课题。 1 3 研究目的和主要研究内容 本课题目的是在以单片机为主控系统、液晶显示与键盘电路为人机交换界面的基 础上，采用现场总线c a n 传送方式，通过c a n 智能节点实现单片机与p l c 之间数 据和控制信息的通信，实现工业环境下控制过程的网络化和智能化。课题的主要研究 内容包括：使用p r o t e l 9 9 s e 软件绘制所设计的硬件电路原理图，画出相应的p c b ，制 板，完成硬件电路；进行电路的接通与调试，初始化电路，调试出基本的通信功能， 从而达到课题所要求的任务。 通过c a n 智能节点实现各节点通信，该系统可根据工业生产现场所需要求，通 过相应的功能程序，实现基于单片机的现场集散控制器的功能。 2 东北大学硕士学位论文 第2 章系统的总线方案设计 第2 章系统的总线方案设计 2 1 系统总体方案设计思想及简介 集散控制系统千差万别，其核心结构却基本上是一致的，即所谓“三点一线”式 结构。“一线 是指d c s 的骨架计算机网络，“三点 则是连接在网络上的三种不同 类型的节点。这三种不同类型的节点是：面向被控过程现场的现场i 0 控制站；面向 操作人员的操作站；面向d c s 监控管理人员的工程师站。一般情况下，一个d c s 中 只需配置一台工程师站，而现场i o 和操作员站的数量则根据实际要求配置。这三种 节点通过系统网络互相连接并相互交换信息，协调各方面的工作，共同完成d c s 的整 体功能。 d c s 的骨架是系统网络，它是d c s 的基础和核心。由于网络对于d c s 整个系统 的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，选用什么样的通信传输网络就显得 很重要。 现场总线应当是应用在生产最低层的一种总线型拓扑的网络。进一步讲，这种总 线是用做现场控制系统的、直接与所有受控( 设备) 节点串行相连的通信网络。工业 自动化控制的现场范围可以从一台家电设备到一个车间、一个工厂。受控设备和网络 所处的环境可能很特殊，对信号的干扰往往是多方面的，而要求控制必须是实时性很 强1 9 1 。对于d c s 的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，所以现场总线技术是最 适合的选择。 工业控制的发展需求也要求把现场总线技术融入到集散控制系统当中，因此，该 课题中，选用现场总线技术进行通信。现场总线技术顺应了“智能化，数字化，信息 化，网络化，分散化的当今自控技术发展的主流，是当今自动控制技术发展的热点， 代表了工业控制领域今后的一种发展方向，使传统的控制系统无论在结构上还是在性 能上出现巨大的飞跃，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 。下面对d c s 及现场总线做进一步介绍。 2 2 集散控制系统相关技术的研究 集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 是以多台微处理器为基 础的集中分散型控制系统，是目前工业过程控制中，尤其是大中型生产装置控制中应 用最多、可靠性最高的控制系统。d c s 是计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、 c r t 显示和控制( c o n t r 0 1 ) 技术( 简称四c 技术) 发展起来的产物。它采用危险分散、 - 3 东北大学硕士学位论文 第2 章 系统的，6 - 线方案设计 控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，以分层、分级和合作自治的结构形式， 适应现代工业的生产和管理要求。d c s 的出现符合现代工业向大型化、集成化方向发 展的需要，对工业自动化的发展起了革命性的推动作用，是控制技术发展的里程碑。 2 2 1d c s 技术特点 d c s 技术有以下特点： ( 1 ) 分级递阶式系统结构：d c s 在垂直方向和水平方向都采用了分级式结构， 以实现系统要求的功能分散、危险分散、高可靠性和灵活性、低成本、便于维修和升 级等目标。 ( 2 ) 分散控n - 分散控制是集散控制系统的最突出特点之一。除了控制分散，还 包括功能分散、设备分散、危险分散等。 ( 3 ) 功能强大：可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制，可 以执行从常规p i d 运算到s m i t h 预估、三阶矩阵乘法等各种运算，可以进行反馈控制、 顺序控制、逻辑控制，可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等功能。 ( 4 ) 高可靠性：d c s 系统结构采用容错设计，使得在任一单元失效的情况下， 仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理站失效，局部站仍能维持工作。系统 硬件包括操作站，控制站，通信网络等都可采用双重化和冗余技术；软件采用程序分段 和模块化设计，积木式的结构，以及在线快速排除故障，硬件自诊断和故障部件的自 动隔离、自动恢复与热机插拔等技术的使用大大提高了系统的可靠性和安全性。 ( 5 ) 人机界面友好：d c s 软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操 作人员，采用简洁实用的人机对话系统，c r t 高分辨率交互图形显示，复合窗1 2 1 技术， 画面丰富，具有纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、 操作指导画面、菜单等功能，实时性好。 d c s 从诞生到现在，大致经历了以下几个发展阶段： ( 1 ) 第一代d c s ：具有分散控制、集中管理的过程控制、操作管理和数据通信 三大主要功能，以h o n e y w e l l 公司1 9 7 5 年推出的t d c 2 0 0 0 等为代表。 ( 2 ) 第二代d c s - 第二代d c s 产品的主要特点是比第一代d c s 功能增强，包 括控制算法，实现常规控制、逻辑控制、批量控制的结合，即混合控制。管理范围扩 大，功能增加。通信方式为总线式和环式，并支持局域网协议。以t d c 3 0 0 0 等为代表。 ( 3 ) 第三代d c s ：第三代以f o x b o r o 公司1 9 8 7 年推出的i as e r i e s 系统为代 表。主要是在局域网技术上实现1 0 m b p s 的宽带网和5 m b p s 的载带网，并符合o s i ( 开 放互联参考模型) 标准。另外，还增加了自适应和自整定等控制算法。 ( 4 ) 第四代d c s 第四代d c s 产品的主要标志是集成化、开放化、信息化。其 体系结构更为完整，包括四个层次：现场仪表层、控制装置单元层、工厂( 车间) 层和 - 4 - 东北大学硕士学位论文第2 章 系统的总线方案设计 企业管理层。 2 2 2d c s 应用中存在的问题及发展前景 i e c 对现场总线( f i e l d b u s ) 的定义是：“安装在制造和过程区域的现场装置与控 制室内的自动控制装置之间的数字式、双向串行传输、多点通信的数据总线称为现场 总线 。 现场总线是企业的底层数字通信网络，是连接微机仪表的开放系统。基于现场总 线的控制系统被称为f c s ，也被称为开放式、数字化、多点通信的最底层的通信网络。 所以，现场总线实现了现场底层设备之间以及现场设备与外界的信息交换，它彻底地 解决了d c s “信息孤岛 这一难题，优越于d c s ，因此f c s 取代d c s 的过程控制层， 也就是最底层通信网络是必然的趋势。 与f c s 相比，d c s 存在以下自身无法克服的问题 5 1 ： ( 1 ) 数据传输精度较低。目前从现场仪表到控制器和从控制器到现场的信号大都 沿用d d z i i i 型仪表的模拟信号规格，即4 - - 一2 0 m a d c 或1 - - 5 v d c 采，用点到点的传 输方式，信号传输精度低，抗干扰和纠错能力差，难以发挥现场仪表的特长，而f c s 采用全数字信号传递，避免了d a 和a d 转换，高集成化高性能，把精度从士o 5 提 高到了土0 1 。 ( 2 ) 分散程度不够。每台d c s 的现场控制单元一般都要处理几十个控制回路， 并由此而带来实时性的问题，很难实现紧急停车时要求的毫秒级的反应速度。 ( 3 ) d c s 的一次性投资较大。不如p l c 系统投资相对要小，也不象f c s 系统那 样可以边用边扩充，由于受开放性限制，d c s 的后续扩充难度较大。 ( 4 ) d c s 无法对现场仪表进行诊断维护和组态。由于d c s 采用传统的模拟信号 作为i o 信号，所以无法在工程师站上对现场仪表进行远程诊断维护和组态，而f c s 采用了双向数字通信现场总线信号，数字智能现场装置不仅能发送单变量信息，还能 发送多变量信息，而且具备检测信息差错的功能，因此，它可以对现场仪表进行远程 诊断维护和组态。 ( 5 ) d c s 的p i d 闭环控制功能有限。由于d c s 的控制功能由控制器去实现，而 且每个控制器要完成多路闭环控制，因此控制周期比较长，但f c s 系统可将p i d 闭环 控制功能下装到最底层的变送器或执行器中，省去了信息传递过程，从而缩短了控制 周期，提高了控制性能。目前，采用d c s 的闭环控制频率在2 5 次s ，而f c s 可达 1 0 - 2 0 次s ，明显要优于d c s 。 ( 6 ) d c s 需要大量的连接电缆和i o 设备。由于d c s 的控制功能集中在控制器， 因此缺少不了往返控制器和现场设备的线缆和大量的i o 设备，但f c s 实现了信息处 理现场化，省去相当数量的隔离器、i o 终端、i o 卡件、i o 文件及i o 柜，同时也 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总线方案设计 节省了d c s 系统所需的专门的控制室及装置室。 随着工业自动化控制的不断发展，d c s 系统也随之产生了新的特点。 ( 1 ) 信息化计算机技术、网络技术、通讯技术的发展推进了d c s 的信息化进程， 信息化体现在各d c s 系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发 挥信息管理功能的综合平台系统。 ( 2 ) 集成化 ( 3 ) d c s 变成真正的混合控制系统 ( 4 ) 融入了现场总线技术 ( 5 ) d c s 系统更加开放化 d c s 的开放性体现在与第三方产品的互连，主要体现在：在企业管理层支持各种 管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品、s c a d a 平台、m e s 产 品、b a t c h 处理软件、同时支持多种网络协议( 主要是以太网) ；在装置控制层可以支 持多种d c s 单元、p l c 、r t u 、各种智能控制单元等以及各种标准的现场总线仪表与 执行机构。 目前看来，随着现场总线技术、计算机网络技术的发展、o p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) 标准的制定及工业自动化要求的不断提高，d c s 正在向智能化、开放化、网 络化方向发展。 2 3 现场总线技术 随着计算机技术、微电子技术的发展，特别是微处理技术和网络技术的发展，以 及工业自动化程度的提高，使计算机分布式控制系统d c s 向着两个方向发展：一是使 计算机控制系统向高层次发展；一是使计算机控制系统向生产的过程底层渗透，将系 统中的过程级工作站下沉到工作现场。为此出现了许多与智能仪表和现场总线相连的 智能设备。为了适应这一形势，国际电工委员会提出了现场总线f i e l db u s 的概念，试 图用双向传输的全数字信号取代一直在工业自动化领域广泛采用的4 - - 2 0 m a 的模拟 信号。 2 3 1 现场总线的定义 现场总线( f i e l db u s ) 是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字 式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络( i n f r a n e t ) 。8 0 年代以 来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声 也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。 现场总线是自动化技术发展的热点，它的出现标志着工业控制技术领域进入了一 个新时代。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信体系最底层 6 - 一 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总线方案设计 的低成本网络。根据国际电工委员会( i e c ) 的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、多分支结构的通讯网 络。进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着计算机网络技术的飞速发展，集计算机、通信、 控制技术于一体的现场总线技术也得到了迅猛的发展，并且成为倍受关注的课题。 随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现 场总线控制系统( f c s ) 的过渡。在一般的f c s 系统中，遵循一定现场总线协议的现 场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从 而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。 分布式的f c s 系统比d c s 系统更好地体现了“信息集中，控制分散 的思想。 与传统的d c s 相比，f c s 有其自身的特点，它具有高度的分散性，可以由现场设备组 成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的 基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。另外，f c s 的结构比d c s 简单。有的 f c s 系统省略了d c s 中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这就使f c s 的 可靠性得到提高。 现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的 共识与遵从。通信协议一致公开，各厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线 可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。 互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通；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。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强的 适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。 由于系统具有互操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统 集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动 权。它还具有设计简单，易于重构等特点。 2 3 2 现场总线的种类 2 0 世纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展，这是与微型计算机，特别是嵌 入式系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，出现了好几种现场总线技术走向 成熟并且得到逐步的推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力1 9 。 ( 1 ) 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞 争，到1 9 9 4 年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以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：另一个以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲1 5 0 家公司制订的w o r l df i p 协议。这两大集团于1 9 9 4 年合并， 成立现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d m i o n ，f f ) ，致力于开发国际上统一的现场总线 7 -，- 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总线方案设计 协议。f f 的体系结构参照i s o o s i 模型的第1 、2 、7 层协议，即物理层、数据链路层 和应用层，另外增加了用户层。f f 提供两种物理标准：h l 和h 2 。物理传输介质可支 持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合i e c l1 5 8 2 标准。f f 物理媒介的传输信号采 用曼彻斯特编码。另外，传输速率为l o o m b p s 的h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t - - 高速以 太网) 也正在f f 中发展。 ( 2 ) l o nw o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 局部操作网) 它是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、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i s o o s i 模型的全部7 层通信协议，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，其最大传输速率为1 5 m b p s ， 传输距离为2 7 0 0 m ，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。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 的神经元芯片中，内含三个8 位微处理器，一 个负责介质访问控制，一个负责网络处理，一个负责应用处理。芯片中还具有存储信 息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 ( 3 ) p r o f i b u s 它是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲国家标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。由 p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。该项技 术采用o s i 模型的物理层、数据链路层。其最大传输速率为1 2 m b p s ，传输距离为1 0 0 m 和4 0 0 m ，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。 ( 4 ) h a r t 可寻址远程传感器数据公路( 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 ，h a r t ) 协议 是由美国r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年推出的一种兼容4 - - 2 0 m a 模拟信号和调制数字信 号的现场总线协议。h a r t 协议可用于现场智能仪表和控制室设备间的通信，包括 i s o o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层。其数字通信由于采用调制解调方式， 因而能在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信。这种模拟系统向数字系统转变过 程中的过渡产品在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力。 ( 5 ) c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k 控制局域网) 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。 下文将详细介绍。 2 3 3c a n 总线 c a n 全称为c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即控制器局域网，c a n 总线是国际上应用 最广泛的现场总线之一。最初，c a n 总线技术被应用到汽车环境中的微控制器通信， 在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如发动机管 系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中均嵌入c a n 控制装置。 8 ， 东北大学硕士学位论文 第2 章系统的总线方案设计 c a n 协议也是建立在国际标准化组织的开放系统互联模型基础上的，不过其模型 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 可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1 m b p s ，通信距离最远可达 1 k m 。物理