基于現(xiàn)場總線技術的網絡建設

一、引言

　　目前，將原來相互獨立的過程控制、MIS系統(tǒng)和Internet結合在一起形成企業(yè)綜合信息網，這是企業(yè)綜合自動化的發(fā)展方向。在現(xiàn)場總線等新技術及產品的基礎上，如何將控制系統(tǒng)與管理信息網聯(lián)結，構建企業(yè)綜合信息網?這是很多單位面臨的問題。作者對此提出了解決方案。

　　二、代表性的過程控制系統(tǒng)

　　目前，正在運行的過程控制系統(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，隨著計算機應用的普及，工業(yè)控制計算機技術和產品性能的提高，智能化控制儀表的大量出現(xiàn)，我國的許多企業(yè)紛紛建立了采用計算機工業(yè)控制技術與先進的傳感技術的生產過程自動控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)具有以下特點：

　　1、系統(tǒng)結構

　　系統(tǒng)采用多臺下位機分布式控制,上位機對下位機進行集中管理。系統(tǒng)框圖如下：

　　2、系統(tǒng)設備①上位機為286級工業(yè)控制計算機，下位機為STD總線8088級工控機，其中除CPU系統(tǒng)板、顯示板、磁盤驅動板外，根據(jù)所控制設備的需要選配數(shù)字量模板、模擬量模板、脈沖量模板、開關量模板。在控制量少的情況下，下位機可采用ISA總線工控機。②監(jiān)測、執(zhí)行設備由實際情況而定。比如測控對象是液體，并要求在線測量、防爆、防腐、衛(wèi)生等特點，一般采用質量流量計、密度計、電磁流量計、液位計、渦輪流量計、溫度傳感器及變送器、壓力計傳感器及變送器等儀表，開關量、調節(jié)量控制器。③上位機與下位機之間采用BITBUS方式進行通信。

　　三、當前的相關技術

　　近年來，計算機技術、網絡技術、通信技術的發(fā)展極大地促進了工業(yè)過程控制技術的發(fā)展。

　　1、工業(yè)控制計算機技術。

　　工業(yè)控制計算機的處理器從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SA總線工控計算機。這類計算機采用的ISA總線與普通PC計算機完全相同。為了適應惡劣環(huán)境，在結構上做了特殊處理，配有工控所需的板卡，可使用PC機通用板卡，此種機器擴展槽有限操作系統(tǒng)與PC計算機完全相同。此種機型有被PCI機型替代的趨勢。

　?、赟TD總線工控計算機。STD總線計算機是一種組合化、模塊化、小型化、標準化的體系結構,CPU板本身就是一塊模板。此種機器體積小巧，一般采用嵌入式結構，擴展、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級別。

　　③PCI總線工控計算機。PCI總線現(xiàn)已成為高性能PC計算機的總線標準。總線寬度大，傳輸速率高，PCI總線與CPU的無關性使它具有很好的兼容性。目前已經將PCI總線應用于工控計算機上，并制定了相應的技術規(guī)范—CompactPCI規(guī)范。此種計算機可在板卡、軟件和開發(fā)工具上借助于PC機的資源，具有很強的網絡功能、圖形處理能力和數(shù)據(jù)存儲能力。

　　2、數(shù)據(jù)通信及網絡技術

　　①RS-232-C和RS-422通信總線在過程控制中均有采用。在實際應用中通過此兩種總線與測量儀表的二次表(變送器)相連，實現(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，由于計算機普遍提供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，傳輸速率為62.5KB/S，在傳輸距離300M時，傳輸速率為375KB/S，可連接250個結點。在此總線基礎上的軟件開發(fā)相對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廣泛應用于過程控制系統(tǒng)中的計算機之間的數(shù)據(jù)通信。

　　③以Ethernet和Internet為代表的網絡技術廣泛用于構建計算機數(shù)據(jù)網絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。由于過程控制面向生產現(xiàn)場，控制網絡必須實時、準確、容錯、安全、可靠，具有網絡協(xié)議實用簡單，網絡結構高度分散等特點。因此數(shù)據(jù)網絡與控制網絡屬不同的結構層次。通過基于TCP/IP的計算機網絡互聯(lián)與擴展技術;基于共享存儲器的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術;基于開放數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)的數(shù)據(jù)庫訪問技術等，可實現(xiàn)控制網絡與數(shù)據(jù)網絡的集成。

　　④FIELDBUS即現(xiàn)場總線技術是當今工業(yè)過程控制領域熱點技術?，F(xiàn)場總線是一種數(shù)字化、雙向、開放式、多點通信系統(tǒng)。通過此系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)中的變送器、傳感器、執(zhí)行機構、控制裝置相互之間或與監(jiān)控設備間能夠實現(xiàn)雙向多參數(shù)的數(shù)字通信。此項技術的實施，首先要求現(xiàn)場控制裝置具有微處理器和數(shù)字通信能力。第二遵照公開、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)場控制設備和監(jiān)控設備組合成控制網絡。在此，現(xiàn)場控制設備成為網絡中的結點，它們即可以單獨又可以共同完成某項控制任務。此項技術與網絡技術相結合，可實現(xiàn)對現(xiàn)場裝置的遠程操縱。它還支持總線供電，因此具有本質安全性。現(xiàn)場總線適應了分散化、網絡化、智能化的過程控制發(fā)展方向，將企業(yè)綜合信息網延伸到了控制現(xiàn)場?，F(xiàn)場總線目前具有若干種標準，尚無統(tǒng)一的國際標準。

　　3、監(jiān)測、執(zhí)行設備。

　　這是控制系統(tǒng)的兩端設備，即信息獲得和指令執(zhí)行設備?？偟内厔葸€是朝著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，特別是由于現(xiàn)場總線的興起更加快了這種發(fā)展。

　　四、構建綜合信息網

　　首先，我們的目標是：將原來相互獨立的過程控制網、企業(yè)管理息網結合在一起形成企業(yè)綜合信息網。在實現(xiàn)目標的前提下，除了保證系統(tǒng)的先進性，還應保證系統(tǒng)的開放性。

　　以前面介紹的系統(tǒng)為基礎，我們可以設想以下方案：

　　1、方案1：采用現(xiàn)場總線。系統(tǒng)結構圖如下：在此方案中，取消了原系統(tǒng)中的上位機。

　　工控機：考慮運行Windows95或WindowsNT，選用586級處理器、PCI總線的IPC，內存儲器32M以上，按需要配置控制接口板，加裝網卡。

　　通信：通信線路按現(xiàn)場總線要求重新鋪設，如工作環(huán)境需本質安全，考慮通過總線供電。現(xiàn)場總線協(xié)議可選擇基金會現(xiàn)場總線(FOUNDATIONFIELDBUS)。

　　現(xiàn)場設備：在最大可能保留原來監(jiān)測儀表和執(zhí)行部件的基礎上，增加現(xiàn)場總線變送器、轉換器和隔離設備。這部分工作主要是針對原執(zhí)行部件進行。

　　網絡接口：在工控計算機中安裝以太網卡，協(xié)議可選擇TCP/IP。根據(jù)工控機與管理網服務器距離較遠(大于100M)的特點，可借助電話線路通過Modem連接或采用光纜連接。

　　軟件：操作系統(tǒng)應由原來的DOS轉換為Windows95或WindowsNT，監(jiān)控系統(tǒng)可選擇商品化的組態(tài)軟件。開發(fā)與管理網相連接的連接程序。

　　2、方案2：

　　在此方案中，基本保留原系統(tǒng)結構?，F(xiàn)場儀表、執(zhí)行裝置保持不變，通信方式保持不變，下位機仍然采用STD總線，將系統(tǒng)板由8088升級為486以上，顯示卡由EGA方式升級為VGA方式，增加硬盤驅動器。上位機更換為PCI總線586以上級別的IPC，內部安裝BITBUS卡和網卡。上位機與下位機之間仍然采用BITBUS總線連接。上位機與管理網之間的網絡接口協(xié)議可選擇TCP/IP?？山柚鷱S內電話線路通過Modem或采用光纜與管理網服務器連接。上位機操作系統(tǒng)應由原來的DOS轉換為Windows95或WindowsNT，下位機可繼續(xù)使用DOS操作系統(tǒng)及原監(jiān)控程序和通信程序，也可轉換為Windows95或WindowsNT操作系統(tǒng)，重新開發(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。具體方案的選擇則需要根據(jù)不同的基礎綜合考慮。

　　在這兩種方案中，方案1采用現(xiàn)場總線技術，此方案在技術上是先進的，運行、維護成本較低，是新建系統(tǒng)的首選方案。如在原有系統(tǒng)上實施，需大量更新、增加設備，要重新進行安裝調試，原有控制軟件也需重新設計，此方案造成較多的重復投資，對生產將造成較大影響。

　　方案2是在原有控制系統(tǒng)上構建綜合網的理想解決辦法。該方案保留了原系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，即便是重新開發(fā)監(jiān)控程序，生產可先在原程序控制下照常進行。因此，此方案對生產基本沒有影響。此方案更換、新增設備不多，資金投入比第一方案少許多。另一個要考慮的問題是職工的培訓，使之掌握系統(tǒng)維護、系統(tǒng)操作。方案2基本不需再培訓。方案1使職工完全放棄原已熟悉的操作方式，因而要進行重新培訓。

　　五、結束語

　　本文以特定的控制系統(tǒng)為基礎，針對計算機和和過程控制的新技術，提出了構建企業(yè)綜合信息網的解決方案。