基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

??????? 一、引言

　　目前，將原來(lái)相互獨(dú)立的過(guò)程控制、MIS系統(tǒng)和Internet結(jié)合在一起形成企業(yè)綜合信息網(wǎng)，這是企業(yè)綜合自動(dòng)化的發(fā)展方向。在現(xiàn)場(chǎng)總線等新技術(shù)及產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，如何將控制系統(tǒng)與管理信息網(wǎng)聯(lián)結(jié)，構(gòu)建企業(yè)綜合信息網(wǎng)?這是很多單位面臨的問(wèn)題。作者對(duì)此提出了解決方案。

　　二、代表性的過(guò)程控制系統(tǒng)

　　目前，正在運(yùn)行的過(guò)程控制系統(tǒng)中，具有代表性的是80年代末90年代初建立的系統(tǒng)。這一階段，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品性能的提高，智能化控制儀表的大量出現(xiàn)，我國(guó)的許多企業(yè)紛紛建立了采用計(jì)算機(jī)工業(yè)控制技術(shù)與先進(jìn)的傳感技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

　　1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用多臺(tái)下位機(jī)分布式控制,上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行集中管理。系統(tǒng)框圖如下：

　　2、系統(tǒng)設(shè)備①上位機(jī)為286級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)為STD總線8088級(jí)工控機(jī)，其中除CPU系統(tǒng)板、顯示板、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)板外，根據(jù)所控制設(shè)備的需要選配數(shù)字量模板、模擬量模板、脈沖量模板、開(kāi)關(guān)量模板。在控制量少的情況下，下位機(jī)可采用ISA總線工控機(jī)。②監(jiān)測(cè)、執(zhí)行設(shè)備由實(shí)際情況而定。比如測(cè)控對(duì)象是液體，并要求在線測(cè)量、防爆、防腐、衛(wèi)生等特點(diǎn)，一般采用質(zhì)量流量計(jì)、密度計(jì)、電磁流量計(jì)、液位計(jì)、渦輪流量計(jì)、溫度傳感器及變送器、壓力計(jì)傳感器及變送器等儀表，開(kāi)關(guān)量、調(diào)節(jié)量控制器。③上位機(jī)與下位機(jī)之間采用BITBUS方式進(jìn)行通信。

　　三、當(dāng)前的相關(guān)技術(shù)

　　近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展。

　　1、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)。

　　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的處理器從286、386發(fā)展到了PⅡ，從系統(tǒng)總線上劃分為：ISA總線、STD總線、PCI總線三類。

　?、買(mǎi)SA總線工控計(jì)算機(jī)。這類計(jì)算機(jī)采用的ISA總線與普通PC計(jì)算機(jī)完全相同。為了適應(yīng)惡劣環(huán)境，在結(jié)構(gòu)上做了特殊處理，配有工控所需的板卡，可使用PC機(jī)通用板卡，此種機(jī)器擴(kuò)展槽有限操作系統(tǒng)與PC計(jì)算機(jī)完全相同。此種機(jī)型有被PCI機(jī)型替代的趨勢(shì)。

　?、赟TD總線工控計(jì)算機(jī)。STD總線計(jì)算機(jī)是一種組合化、模塊化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化的體系結(jié)構(gòu),CPU板本身就是一塊模板。此種機(jī)器體積小巧，一般采用嵌入式結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展、組合非常容易，但是需要使用STD總線專用板卡。目前處理器最高為586級(jí)別。

　　③PCI總線工控計(jì)算機(jī)。PCI總線現(xiàn)已成為高性能PC計(jì)算機(jī)的總線標(biāo)準(zhǔn)?？偩€寬度大，傳輸速率高，PCI總線與CPU的無(wú)關(guān)性使它具有很好的兼容性。目前已經(jīng)將PCI總線應(yīng)用于工控計(jì)算機(jī)上，并制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范—CompactPCI規(guī)范。此種計(jì)算機(jī)可在板卡、軟件和開(kāi)發(fā)工具上借助于PC機(jī)的資源，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能、圖形處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

　　2、數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　?、?a href="http://ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS-232-C和RS-422通信總線在過(guò)程控制中均有采用。在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)此兩種總線與測(cè)量?jī)x表的二次表(變送器)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。RS-422的直接傳送距離和傳送速率都比RS-232-C好。但是，由于計(jì)算機(jī)普遍提供RS-232-C接口，所以RS-232-C比RS-422使用更廣泛。

　　②BITBUS通信總線在傳輸距離1200M時(shí)，傳輸速率為62.5KB/S，在傳輸距離300M時(shí)，傳輸速率為375KB/S，可連接250個(gè)結(jié)點(diǎn)。在此總線基礎(chǔ)上的軟件開(kāi)發(fā)相對(duì)RS-232-C和RS-422總線容易。ISA總線、STD總線、PCI總線均提供BITBUS接口板。所以，BITBUS廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

　　③以Ethernet和Internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛用于構(gòu)建計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。由于過(guò)程控制面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，控制網(wǎng)絡(luò)必須實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、容錯(cuò)、安全、可靠，具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)用簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度分散等特點(diǎn)。因此數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)屬不同的結(jié)構(gòu)層次。通過(guò)基于TCP/IP的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與擴(kuò)展技術(shù);基于共享存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù);基于開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)連接(ODBC)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的集成。

　?、蹻IELDBUS即現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域熱點(diǎn)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種數(shù)字化、雙向、開(kāi)放式、多點(diǎn)通信系統(tǒng)。通過(guò)此系統(tǒng)，過(guò)程控制系統(tǒng)中的變送器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制裝置相互之間或與監(jiān)控設(shè)備間能夠?qū)崿F(xiàn)雙向多參數(shù)的數(shù)字通信。此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施，首先要求現(xiàn)場(chǎng)控制裝置具有微處理器和數(shù)字通信能力。第二遵照公開(kāi)、規(guī)范、統(tǒng)一的協(xié)議，采用普通電纜、雙絞線、光纖等將各現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備組合成控制網(wǎng)絡(luò)。在此，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)，它們即可以單獨(dú)又可以共同完成某項(xiàng)控制任務(wù)。此項(xiàng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的遠(yuǎn)程操縱。它還支持總線供電，因此具有本質(zhì)安全性?，F(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的過(guò)程控制發(fā)展方向，將企業(yè)綜合信息網(wǎng)延伸到了控制現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線目前具有若干種標(biāo)準(zhǔn)，尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　3、監(jiān)測(cè)、執(zhí)行設(shè)備。

　　這是控制系統(tǒng)的兩端設(shè)備，即信息獲得和指令執(zhí)行設(shè)備。總的趨勢(shì)還是朝著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，特別是由于現(xiàn)場(chǎng)總線的興起更加快了這種發(fā)展。

　　四、構(gòu)建綜合信息網(wǎng)

　　首先，我們的目標(biāo)是：將原來(lái)相互獨(dú)立的過(guò)程控制網(wǎng)、企業(yè)管理息網(wǎng)結(jié)合在一起形成企業(yè)綜合信息網(wǎng)。在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提下，除了保證系統(tǒng)的先進(jìn)性，還應(yīng)保證系統(tǒng)的開(kāi)放性。

　　以前面介紹的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我們可以設(shè)想以下方案：

　　1、方案1：采用現(xiàn)場(chǎng)總線。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：在此方案中，取消了原系統(tǒng)中的上位機(jī)。

　　工控機(jī)：考慮運(yùn)行Windows95或WindowsNT，選用586級(jí)處理器、PCI總線的IPC，內(nèi)存儲(chǔ)器32M以上，按需要配置控制接口板，加裝網(wǎng)卡。

　　通信：通信線路按現(xiàn)場(chǎng)總線要求重新鋪設(shè)，如工作環(huán)境需本質(zhì)安全，考慮通過(guò)總線供電?，F(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議可選擇基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FOUNDATIONFIELDBUS)。

　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：在最大可能保留原來(lái)監(jiān)測(cè)儀表和執(zhí)行部件的基礎(chǔ)上，增加現(xiàn)場(chǎng)總線變送器、轉(zhuǎn)換器和隔離設(shè)備。這部分工作主要是針對(duì)原執(zhí)行部件進(jìn)行。

　　網(wǎng)絡(luò)接口：在工控計(jì)算機(jī)中安裝以太網(wǎng)卡，協(xié)議可選擇TCP/IP。根據(jù)工控機(jī)與管理網(wǎng)服務(wù)器距離較遠(yuǎn)(大于100M)的特點(diǎn)，可借助電話線路通過(guò)Modem連接或采用光纜連接。

　　軟件：操作系統(tǒng)應(yīng)由原來(lái)的DOS轉(zhuǎn)換為Windows95或WindowsNT，監(jiān)控系統(tǒng)可選擇商品化的組態(tài)軟件。開(kāi)發(fā)與管理網(wǎng)相連接的連接程序。

　　2、方案2：

　　在此方案中，基本保留原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行裝置保持不變，通信方式保持不變，下位機(jī)仍然采用STD總線，將系統(tǒng)板由8088升級(jí)為486以上，顯示卡由EGA方式升級(jí)為VGA方式，增加硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。上位機(jī)更換為PCI總線586以上級(jí)別的IPC，內(nèi)部安裝BITBUS卡和網(wǎng)卡。上位機(jī)與下位機(jī)之間仍然采用BITBUS總線連接。上位機(jī)與管理網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議可選擇TCP/IP?？山柚鷱S內(nèi)電話線路通過(guò)Modem或采用光纜與管理網(wǎng)服務(wù)器連接。上位機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)由原來(lái)的DOS轉(zhuǎn)換為Windows95或WindowsNT，下位機(jī)可繼續(xù)使用DOS操作系統(tǒng)及原監(jiān)控程序和通信程序，也可轉(zhuǎn)換為Windows95或WindowsNT操作系統(tǒng)，重新開(kāi)發(fā)監(jiān)控程序和通信程序。

　　3、兩種方案比較。

　　高性能、低成本是我們追求的目標(biāo)。具體方案的選擇則需要根據(jù)不同的基礎(chǔ)綜合考慮。

　　在這兩種方案中，方案1采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，此方案在技術(shù)上是先進(jìn)的，運(yùn)行、維護(hù)成本較低，是新建系統(tǒng)的首選方案。如在原有系統(tǒng)上實(shí)施，需大量更新、增加設(shè)備，要重新進(jìn)行安裝調(diào)試，原有控制軟件也需重新設(shè)計(jì)，此方案造成較多的重復(fù)投資，對(duì)生產(chǎn)將造成較大影響。

　　方案2是在原有控制系統(tǒng)上構(gòu)建綜合網(wǎng)的理想解決辦法。該方案保留了原系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即便是重新開(kāi)發(fā)監(jiān)控程序，生產(chǎn)可先在原程序控制下照常進(jìn)行。因此，此方案對(duì)生產(chǎn)基本沒(méi)有影響。此方案更換、新增設(shè)備不多，資金投入比第一方案少許多。另一個(gè)要考慮的問(wèn)題是職工的培訓(xùn)，使之掌握系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)操作。方案2基本不需再培訓(xùn)。方案1使職工完全放棄原已熟悉的操作方式，因而要進(jìn)行重新培訓(xùn)。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　本文以特定的控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對(duì)計(jì)算機(jī)和和過(guò)程控制的新技術(shù)，提出了構(gòu)建企業(yè)綜合信息網(wǎng)的解決方案。