（電氣工程專業(yè)論文）基于現(xiàn)場總線的人造瀑布控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 人造瀑布是把現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于人造瀑布，通過現(xiàn)代控制技術(shù)把瀑布 和燈光、音樂緊密結(jié)合而生成的一種新的藝術(shù)形式。隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的發(fā) 展，人造瀑布已經(jīng)成為現(xiàn)代都市的重要景觀。 本文結(jié)合某大型人造瀑布的工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，采用基于c a n 總線的方法， 構(gòu)建了人造瀑布的控制系統(tǒng)。采用西門子公司的$ 7 - 2 0 0 作為主控模塊，以 s j a l 0 0 0 作為c a n 總線控制器，通過c a n 總線實(shí)現(xiàn)主控模塊與驅(qū)動模塊、檢測 模塊之間的通信，實(shí)時(shí)檢測1 2 0 個(gè)控制信號點(diǎn)的動作狀態(tài)并反饋回主控模塊， 經(jīng)判斷后，按照規(guī)定的邏輯順序進(jìn)行控制，有效地克服各驅(qū)動模塊的誤動作。 對液位和流量等變量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測，通過c a n 總線以通信方式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)、 聯(lián)鎖和報(bào)警。主控模塊與上位機(jī)通過串行通信接口相連，采用v c + + 6 0 開發(fā) 平臺進(jìn)行上位機(jī)程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的綜合功能。在完成整體設(shè)計(jì)計(jì) 劃之后，采用軟硬件協(xié)同方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后通過系統(tǒng)調(diào)試，完成了設(shè) 計(jì)。 本文設(shè)計(jì)的基于c a n 總線的人造瀑布控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能， 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，提高了系統(tǒng)的安全特性，降低了制造成 本，在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。 關(guān)鍵詞：人造瀑布，工程設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)，c a n 總線，遠(yuǎn)程監(jiān)控 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a r t i f i c i a lw a t e r f a l lt h a tm a k eu s eo fm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g yf o ra r t i f i c i a l w a t e r f a l li san e ws t y l ea r t i s t i cf o r mw h i c hc o m b i n e sm u s i ca n dl i g h ta n dw i t h w a t e r f a l lt i g h t l yt h r o u g hm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t y c o n s t r u c t i o n ，a r t i f i c i a lw a t e r f a l lb e c o m ea ni m p o r t a n ts i g h t s e e i n gs p o t o ft h e m o d e m c i t y l i n k i n gw i t had e s i g n a t i o np r o j e c to fac e r t a i na r t i f i c i a lw a t e r f a l l ，w ef o c u s t h i sp a p e ro nt h ec o n t r o ls y s t e ma n dp r o p o s et h ea r t i f i c i a lw a t e r f a l lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nc a nb u st e c h n o l o g y as 7 - 2 0 0p l co fs i e m e n si ss e l e c t e da sm a i n c o n t r o lm o d u l a r , a n ds j a10 0 0i ss e l e c t e da sc a nb u sc o n t r o l l e r , c o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm a i nc o n t r o lm o d u l a ra n dd r i v em o d u l a ra n dd e t e c t i o nm o d u l a ri s a c h i e v e db yc a nb u s ，s oi tc a nr e a l t i m ed e t e c tt h es t a t eo ft h e2 6d r i v em o d u l a r , t h e ns e n tt h ei n f o r m a t i o nb a c kt om a i nc o n t r o lm o d u l a r , t h ec o n t r o lp r o c e s si si n a c c o r d a n c ew i t ht h ep r o s p e c t i v el o g i c a lo r d e rt oo v e r c o m et h ew r o n go p e r a t i o no f d r i v em o d u l a r , a n dt h el i q u i dl e v e la n df l o wt oc a r r yo u tr e g u l a t i o na n dr e m o t e d e t e c t i o na n da l a r m ，t h em a i nc o n t r o lm o d u l a rl i n k st oh o s tc o m p u t e rv i as e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dv c + + 6 0i su s e dt od e v e l o pp r o g r a m so fh o s t c o m p u t e r , t h e nt h ec o m p r e h e n s i v ef u n c t i o no fi sr e a l i z e d ac o n c e r t e dm e t h o do f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei su s e dt od e s i g nt h i sp r o j e c t ，t o t a l l yf i n i s h e dt h ed e s i g n a f t e rs y s t e md e b u g g i n g t h ep r o p o s e da r t i f i c i a lw a t e r f a l lc o n t r o l s y s t e m b a s e do nc a nb u s t e c h n o l o g yh a v er e m o t ed a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o n ，c a nr e a l i z er e m o t em o n i t o r i n g 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 a n df a u l td i a g n o s i s ，a l s oc a nr e d u c ec o s to ft h ep r o d u c t i o n ，t h ed e s i g n e de q u i p m e n t y i e l d e dh i g h l yd e s i r a b l er e s u l t si sp r a c t i c a lo p e r a t i o n k e y w o r d s ： a r t i f i c i a l w a t e r f a l l ， e n g i n e e r i n gp r o j e c t ， c o n t r o l s y s t e m ，c a nb u s 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口， 在年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密m 。 學(xué)位論文作者簽名： 對坷 簽字目期：1 叻呷年朗釔j 只 導(dǎo)師簽名： 菘2 i 簽字只期：7 糾明湘 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容以外，本 論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本 文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期：一年肪月 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 人造瀑布系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 自古以來作為景觀設(shè)計(jì)中的重要元素，因具有極強(qiáng)的可塑性，可與周邊環(huán)境配合或與 其他藝術(shù)品組合，創(chuàng)造出獨(dú)具風(fēng)格的作品，水體景觀已成為園林中獨(dú)特的風(fēng)景。因存在的形 態(tài)不同，水體景觀可分為4 類：噴水、跌水、流水、池水。兼具因壓力而向上噴，形成各種 各樣的噴泉、涌泉、噴霧，以及因重力而下跌，高程突變，形成各種各樣的瀑布、水簾等 雙重特點(diǎn)的人造瀑布是現(xiàn)代城市水體景觀中的一個(gè)重要組成部分。現(xiàn)代人造瀑布系統(tǒng)集水 體、音樂、燈光等于一身，引入智能控制概念，構(gòu)成了一個(gè)多干擾，大滯后的非線性控制 系統(tǒng)。 1 1 1 人造瀑布系統(tǒng)現(xiàn)狀 人造瀑布系統(tǒng)等水景工程，是一項(xiàng)綜合性工程，需要園林、建筑、結(jié)構(gòu)、雕塑、自控、 電氣、給排水、機(jī)械等方面專業(yè)參加，才能做到臻善臻美。其中起決定性作用的是自控部 分，國內(nèi)外現(xiàn)有的人造瀑布系統(tǒng)主要有以下幾種類型： 1 、開關(guān)控制方式 該方式是一種較為原始的簡單控制方式。作為程控系統(tǒng)，該方式運(yùn)作下的人造瀑布， 需要預(yù)先設(shè)計(jì)好水體造型變換、燈光切換、音樂變化。一般以一首歌曲為核心配套相應(yīng)控 制程序，呈現(xiàn)聲、光、電的配合變化。該方式設(shè)計(jì)簡單、水體可高度配合音樂、燈光，現(xiàn) 場表現(xiàn)效果最好。但由于只有預(yù)編輯好控制效果，易出現(xiàn)審美疲勞現(xiàn)象，一旦采用新的歌 曲、燈光，就會產(chǎn)生音樂、燈光與瀑布水型不能和諧統(tǒng)一的現(xiàn)象，失去了人造瀑布的可觀 賞性，此外該方式設(shè)計(jì)周期長、工作量大、效率低下。國內(nèi)現(xiàn)有的人造瀑布系統(tǒng)多屬于此 方式。 2 、音頻控制方式 音頻控制方式是通過實(shí)時(shí)采集播放機(jī)內(nèi)的音頻模擬信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，根據(jù)音樂的 音量、頻率、節(jié)拍等控制瀑布水型。該方式適用性廣，自由度高，應(yīng)用簡便，只需更換不 同樂曲即可變換瀑布造型。但該方式目前處于起步階段，只能根據(jù)音量或者頻率來選擇水 型，沒有完全綜合音樂中音量、音色、節(jié)拍、節(jié)奏及旋律等有關(guān)音樂表現(xiàn)力的要素來進(jìn)行 控制，且由于閥門、水泵的機(jī)械特性和管道特性的原因，通過采集音樂模擬信號來實(shí)時(shí)控 】 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 制比較難以解決控制水型滯后的問題，所以控制效果并不理想。 3 、可編輯水型程控方式 該控制方式綜合前兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，首先由控制軟件的開發(fā)人員設(shè)計(jì)出多種基本 水型，然后提供一個(gè)友好的人機(jī)交互界面讓用戶綜合軟件對音樂音頻的分析結(jié)果以及對音 樂表現(xiàn)力和燈光的理解來設(shè)計(jì)整首歌曲的瀑布造型。對于大型人造瀑布，目前傾向于向可 編輯水型程控方式的方向發(fā)展。該方式可以滿足水型效果好又可以適用不同音樂和燈光的 要求。 1 1 2 人造瀑布系統(tǒng)發(fā)展趨勢 近些年來中國基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了城市水體景觀的建設(shè)與發(fā)展。人造瀑布控制 系統(tǒng)的社會效益巨大，但現(xiàn)有的人造瀑布系統(tǒng)運(yùn)行成本高且經(jīng)濟(jì)效益差堙1 ?，F(xiàn)代人造瀑布 控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)智能控制日益普遍。應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人造瀑布景觀的全 自動監(jiān)控，提高景觀表現(xiàn)力，更可合理使用和配置水體設(shè)施，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。 國內(nèi)現(xiàn)有人造瀑布系統(tǒng)還較落后，基本仍是手工操作，鮮有變化，但有些城市水體景 觀設(shè)計(jì)已引進(jìn)全部或局部計(jì)算機(jī)控制，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)b 吲。所以基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的 能自動識別信號、水型燈光智能化、樂曲分類化的人造瀑布系統(tǒng)是我國水體景觀設(shè)計(jì)行業(yè) 發(fā)展的必然趨勢嗍。 1 2 實(shí)現(xiàn)人造瀑布自動控制系統(tǒng)的技術(shù)背景 1 2 1 現(xiàn)場總線發(fā)展概況 在工業(yè)生產(chǎn)自動化、信息管理網(wǎng)絡(luò)化r 益成為當(dāng)今工業(yè)企業(yè)提高自身生產(chǎn)力的必備要 素之時(shí)，現(xiàn)場總線技術(shù)也開始進(jìn)入了工業(yè)測控技術(shù)應(yīng)用的大舞臺口一1 ?，F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn) 不是偶然的，是經(jīng)歷了一個(gè)從模擬信號到數(shù)字信號，從集中控制到分散控制，從集散控制 系統(tǒng)( d c s ) 到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)( f c s ) 的過程睜3 。 從7 0 年代開始，傳送模擬信號的傳統(tǒng)電動儀表逐漸暴露出其自身的缺點(diǎn)。這是由于 模擬信號變化緩慢，抗干擾能力差，提高自身的計(jì)算速度與精度的開銷、難度都較大。所 以，人們開始用數(shù)字信號取代模擬信號，用一臺計(jì)算機(jī)取代控制室的幾乎所有儀表，出現(xiàn) 了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。但當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)可靠性差，計(jì)算機(jī)的一個(gè)故障會造成所有控制回路 癱瘓、生產(chǎn)停產(chǎn)的嚴(yán)重后果，這種集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程接受。 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高，價(jià)格的大幅度下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程邏輯控制 器( p l c ) 以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)，這就是d c s 系統(tǒng)。在d c s 系統(tǒng)中，測量變送儀表一般為模擬儀表，因而它是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。 它在功能、性能上可實(shí)現(xiàn)裝置級、車間級的優(yōu)化控制n 引。但是，d c s 并不是完全意義上 的分散控制系統(tǒng)，i o 和控制站都集中在中央控制室，現(xiàn)場儀表通過對一的4 - - - , 2 0 m a 電 流信號與上位機(jī)傳遞信息。而且在d c s 系統(tǒng)形成的過程中，由于受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存在的 系統(tǒng)封閉這一缺陷影響，各廠家產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家設(shè)備不能互連，難以實(shí)現(xiàn)互換與 互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在很多困難。 隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的急劇降低，計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 得到迅速發(fā)展。自封閉式的集散系統(tǒng)已使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè) 的信息集成，要實(shí)施綜合自動化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠 的、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信， 實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是在這種實(shí) 際需求的驅(qū)動下應(yīng)運(yùn)而生。 作為過程自動化、制造自動化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò)， 現(xiàn)場總線溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間以及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為 徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。在這個(gè)新型系統(tǒng)中，測控任務(wù)被分散到現(xiàn)場 設(shè)備中，所有設(shè)備都采用數(shù)字信號通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行信息交換；總線上每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備都 易于監(jiān)控，設(shè)備擴(kuò)充方便，系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、維護(hù)、升級操作簡便，即使當(dāng)某些現(xiàn)場設(shè) 備離控制室過遠(yuǎn)時(shí)，也只需很少的中繼器即可將其與系統(tǒng)相連接；系統(tǒng)對外開放，不同廠 家的產(chǎn)品可完全集成在一個(gè)應(yīng)用環(huán)境中；系統(tǒng)可以與以太網(wǎng)連接甚至可接入國際互連網(wǎng) 絡(luò)，使信息得到充分利用和傳播n 3 1 引。 從現(xiàn)場總線的應(yīng)用前景來講，由于現(xiàn)今的工業(yè)企業(yè)處在一個(gè)市場競爭異常激烈的年 代，為了提高自身生產(chǎn)力、提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)工藝甚至部分生產(chǎn)線都會隨著市場的需求 而經(jīng)常進(jìn)行改進(jìn)，這樣更換、增加測量點(diǎn)會越來越頻繁。而現(xiàn)場總線技術(shù)在這方面的獨(dú)特 優(yōu)勢顯現(xiàn)無遺。同時(shí)，由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)模塊化強(qiáng)，各個(gè)設(shè)備設(shè)置方便，即使是對全部生 產(chǎn)線的改進(jìn)也事半功倍。 現(xiàn)今的工業(yè)企業(yè)又處在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的時(shí)代，傳統(tǒng)的大量企業(yè)管理、運(yùn)營工作 已被企業(yè)信息管理系統(tǒng)所替代，為了充分利用企業(yè)生產(chǎn)、銷售等各部門的信息流，同時(shí)大 3 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 量節(jié)省人力物力，也使得整個(gè)企業(yè)運(yùn)營數(shù)字化、資源合理配置，節(jié)約大量成本?，F(xiàn)場總線 【i6 1 7 】 系統(tǒng)由于其開放性、架構(gòu)模塊化的特點(diǎn)，成為企業(yè)信息管理系統(tǒng)中不可或缺的一部分。 1 2 2 可編程邏輯控制器發(fā)展概況 科技的不斷發(fā)展，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)使得現(xiàn)代工業(yè)突飛猛進(jìn)，工業(yè)控制向自動化，智 能化的方向不斷發(fā)展。工業(yè)控制器的發(fā)展更是出現(xiàn)了百家爭鳴的繁榮景象，從單片機(jī)、p l c 、 f p g a 、d s p 到工業(yè)用p c 機(jī)，市場的驅(qū)動使得工業(yè)控制器更加完善，性能更加卓越。在眾 多的工業(yè)控制器中p l c 可以被稱作現(xiàn)代工業(yè)控制的支柱之一，在電氣自動化領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng) 騷，為工業(yè)的進(jìn)步社會的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。 可編程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 簡稱p l c ，自6 0 年代末問世以來， 已很快被應(yīng)用到機(jī)械制造、冶金、礦業(yè)、輕工等各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化進(jìn)程。 可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用一種可編 程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指 令，通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程n 8 1 。可編程控 制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則 設(shè)計(jì)。 現(xiàn)代可編程控制器具有如下特點(diǎn)n 9 1 ： 1 、性價(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，能在惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中長時(shí)間穩(wěn)定可 靠運(yùn)行。 2 、編程、操作簡單方便。編程語言形象直觀，簡單易學(xué)，不易出錯(cuò)，也不需要專門 的計(jì)算機(jī)高級語言知識。 3 、采用模塊式結(jié)構(gòu)，通用性好，靈活性大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試簡單，維修方便。 4 、有較強(qiáng)的控制功能和驅(qū)動能力。現(xiàn)代p l c 不僅具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn) 控制等功能，而且還能完成a d 和d a 轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、矩陣運(yùn)算以及通信聯(lián) 網(wǎng)、生產(chǎn)過程監(jiān)控等。已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歷史意義上的可編程邏輯控制器的范疇。隨著計(jì)算機(jī) 技術(shù)及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，基于工業(yè)p c 控制系統(tǒng)越來越完善，傳統(tǒng)p l c 制造廠商已經(jīng) 開始關(guān)注這一沖擊。從近幾年的發(fā)展來看，p l c 制造廠商通過采用了越來越多的新技術(shù)， 使得p l c 控制系統(tǒng)開辟了新的發(fā)展空間。 主要表現(xiàn)在：硬件制造技術(shù)不斷發(fā)展。這使得處理器的速度越來越快，應(yīng)用領(lǐng)域不斷 4 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 延伸，除了傳統(tǒng)的邏輯控制以外，p l c 已經(jīng)開始向復(fù)雜的過程控制領(lǐng)域擴(kuò)展。開放的發(fā)展 模式。p l c 控制系統(tǒng)越來越趨進(jìn)于與工業(yè)p c 系統(tǒng)的融合，s o f t p l c 的發(fā)展即是一個(gè)鮮明的 實(shí)例，比如西門予( s i e m e n s ) 的w i n a c 控制系統(tǒng)可以和常規(guī)的p l c 控制系統(tǒng)無縫結(jié)合， 充分發(fā)揮工業(yè)p c 的兼容性等方面優(yōu)勢的同時(shí)，又保證了p l c 控制系統(tǒng)的超穩(wěn)定性，使兩 者發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以取得最大的發(fā)展空間。對于e t h e r n e t 及w e b 技術(shù)的支持。現(xiàn)代通 信技術(shù)的發(fā)展極大的推動了工廠信息自動化，對于e t h e r n e t 、w e b 技術(shù)、現(xiàn)場總線、o p c 等通訊的支持使得p l c 的應(yīng)用更加廣泛。 因此p l c 在工業(yè)控制中的應(yīng)用仍然具有廣闊的發(fā)展空間。 1 3 本課題研究的內(nèi)容及意義 現(xiàn)場總線技術(shù)具有數(shù)字化、全分散性、開放性和互操作性等特點(diǎn)，代表了今后工業(yè)控 制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，是當(dāng)前自動控制領(lǐng)域中倍受關(guān)注的技術(shù)之一。結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的需 要，將基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)應(yīng)用至i j p l c 控制人造瀑布的控制上，不僅在學(xué)術(shù)上有 著很高的研究價(jià)值，同時(shí)以先進(jìn)的控制理論推動工業(yè)的發(fā)展具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文根 據(jù)北極閣飛川人造瀑布的實(shí)際案例，分析并設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的人造瀑布自動控制 系統(tǒng)。 首先本文在理論上對現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行了全面的探討和闡述，介紹了現(xiàn)場總線的概 念、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信模型以及五種典型的現(xiàn)場總線，并且尤為深入的對c a n 現(xiàn)場總線進(jìn)行 了闡述。然后根據(jù)人造瀑布自動控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的需要，提出了基于c a n 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò) 的通信方案。并且依據(jù)北極閣飛川人造瀑布實(shí)例給出了人造瀑布自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 方案和具體實(shí)施細(xì)節(jié)。 此外，人造瀑布泵站控制過程復(fù)雜，具有連續(xù)生產(chǎn)、參數(shù)檢測困難、大滯后、干擾多 等特點(diǎn)。本文針對泵站運(yùn)行過程進(jìn)行了控制策略的研究，采用集散控制系統(tǒng)，由p l c 實(shí)現(xiàn) 設(shè)定控制策略。本文詳細(xì)闡述了基于c a n 總線的系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)組成方案，在文章的最后， 對基于現(xiàn)場總線技術(shù)的人造瀑布調(diào)試實(shí)例做了細(xì)致的介紹心引。 本論文的工程性比較強(qiáng)，它的中心任務(wù)是針對當(dāng)今自控新技術(shù)一現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進(jìn) 行研究，而且通過與人造瀑布自動控制系統(tǒng)工程項(xiàng)目的結(jié)合，將理論和實(shí)踐緊密聯(lián)系在了 一起，從而設(shè)計(jì)出一套既經(jīng)濟(jì)又高效的工程應(yīng)用方案。 5 江蘇大學(xué)_ t _ 程碩- l - 學(xué)位論文 1 4 本章小結(jié) 本章首先介紹了我國城市水體景觀設(shè)計(jì)實(shí)施的現(xiàn)狀并且通過對國內(nèi)外人造瀑布的比 較，展望了未來我國人造瀑布水體景觀的發(fā)展趨勢，得出實(shí)現(xiàn)人造瀑布自動控制勢在必行 的結(jié)論。隨后分析了實(shí)現(xiàn)人造瀑布自動化控制的技術(shù)背景，介紹了本課題研究的內(nèi)容及意 義。 6 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章人造瀑布控制系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì) 2 1 現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通 信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)乜?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動 化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè) 控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響恤衛(wèi)引。 2 1 1 現(xiàn)場總線的概述 現(xiàn)場總線( f i e l db u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、 制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò) 的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不 僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、 計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已受到世界范圍的關(guān)注而成為自動化技術(shù)發(fā)展 的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。就現(xiàn)場總線一詞的含義而言，現(xiàn)場 是指工作環(huán)境處于過程設(shè)備底層一端，而總線則意味著須遵循同一技術(shù)規(guī)范的連線系統(tǒng)， 意味著這些遵守同一規(guī)范的各設(shè)備間可實(shí)現(xiàn)互連與互操作嘲1 。作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通信網(wǎng) 絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單，容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn)；具有一定的時(shí)間確定性 和較高的實(shí)時(shí)性要求；還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定、多為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)，因而， 現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通信技術(shù)，都具有不同于上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)統(tǒng)f c s 作為新一代控制系統(tǒng)，一方而，突破了d c s 系統(tǒng)采用通信專用 網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷，另一 方而把d c s 的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能 徹底下放到現(xiàn)場?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。 1 現(xiàn)場總線的特點(diǎn) ( 1 ) 系統(tǒng)的開放性：開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家設(shè)備之間可進(jìn)行互連 并實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這 里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)， 它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)， 7 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 系統(tǒng)必須是開放的；開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和考慮， 把來自不問供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 ( 2 ) 互可操作性與互用性：這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信 息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著對不同生產(chǎn)廠 家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。 ( 3 ) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控 制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時(shí) 診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 ( 4 ) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：由于現(xiàn)場設(shè)備本身可完成自動控制的基本功能，導(dǎo)致 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有d c s 集中與 分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 ( 5 ) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性：工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線， 是專為現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力 線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要 求等。 2 現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn) 由于現(xiàn)場總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安 裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性陋矧。 ( 1 ) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資：由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行 多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算 單元等，也不再需要d c s 系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以 用工控p c 機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。 ( 2 ) 節(jié)省安裝費(fèi)用：現(xiàn)場總線系系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通 ?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對 的工作量也可大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時(shí)，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在 原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測 算資料表明，可節(jié)約安裝費(fèi)用6 0 以上。 ( 3 ) 節(jié)省維護(hù)開銷：由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過 數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信 g 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化， 連線簡單而減少了維護(hù)工作量。 ( 4 ) 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)：用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來 集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被“框死 了使用設(shè)備的選擇范圍，不會為系 統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展。使系統(tǒng)集成過程的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。 ( 5 ) 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性：由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬 信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，提高了系 統(tǒng)的工作可靠性。 此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。 2 1 2 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線是集控制、計(jì)算機(jī)、通訊3 c 技術(shù)的結(jié)果。計(jì)算機(jī)與通訊的結(jié)合，產(chǎn)生了計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與控制設(shè)備的結(jié)合孕育了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)場總線控 制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化是自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。 1 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：環(huán)型、總線型、樹型以及幾種類型的混合。 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中以令牌環(huán)形網(wǎng)最為典型，其優(yōu)點(diǎn)是延時(shí)性較好，缺點(diǎn)是成本較高。 總線網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是站點(diǎn)接入方便，可擴(kuò)充性較好，成本較低，在輕負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)基本上沒 有時(shí)延，但在站點(diǎn)多、通訊任務(wù)重時(shí)，延時(shí)明顯加大。缺點(diǎn)是時(shí)延的不確定性，對某些實(shí) 時(shí)應(yīng)用不利。 樹型網(wǎng)是總線網(wǎng)的一種變型，其優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)充性好，有較寬的頻帶，缺點(diǎn)是站點(diǎn)問通 訊不方便。總線網(wǎng)的爭用使它不適于實(shí)時(shí)處理某些突發(fā)事件，令牌環(huán)形網(wǎng)中的令牌繞環(huán)一 周的時(shí)間雖然有一個(gè)上限，但在輕負(fù)載時(shí)性能不太好，可靠性比總線網(wǎng)差些，綜合這兩種 網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場總線中采用了令牌總線網(wǎng)，即在物理上是一個(gè)總線網(wǎng)，在邏輯上是一個(gè) 令牌網(wǎng)。令牌總線網(wǎng)具有總線網(wǎng)接入方便、可靠性較好的優(yōu)點(diǎn)，也具有令牌環(huán)形網(wǎng)“無沖 突 和時(shí)延性好的優(yōu)點(diǎn)。 2 9 1 2 現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)操作方式 9 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 從現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)存取、傳送、操作方法來分有四種工作模式：對等( p e e rt op e e r ) 、 主從( c l i e n t s e r v e rc s ) 及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)構(gòu)( n e t w o r kc o m p u t i n ga r c h i t e c t u r en c a ) 。 對等和主從工作模式發(fā)展較早，也獲得廣泛應(yīng)用。在8 0 年代發(fā)展c s 方式，9 0 年代出現(xiàn)了 n c a 方式。 在c l i e n t s e r v e r t 作模式中，由c l i e n t 發(fā)出一個(gè)請求，按請求進(jìn)程的要求，做出響 應(yīng)、執(zhí)行服務(wù)。c s 工作模式的優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) c 1 i e n t s e r v e r 可處在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，一個(gè)s e r v e r 可以同時(shí)又是另一個(gè) s e r v e r 的c 1i e n t ，并向它請求服務(wù)； ( 2 ) c 1 i e n t s e r v e r 模式將處理功能分為兩部分，一部分由c 1 l e n t 處理，另一部分由 s e r v e r 處理，c l i e n t 承擔(dān)應(yīng)用方而的專門任務(wù)，s e r v e r 主要用于數(shù)據(jù)處理，c s 模式提供 一個(gè)較理想的分布環(huán)境，消除了不必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，這樣有利于全面發(fā)揮各自的計(jì)算 能力，提高工作效率。 n c a 是基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)環(huán)境的一種體系結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)構(gòu)。 n c a 的核心是有效的，可集成多種相互競爭的世界標(biāo)準(zhǔn)所形成的應(yīng)用，如站點(diǎn)可采用 任意編程語言而不必?fù)?dān)心集成問題；n c a 引入構(gòu)件概念，插入一個(gè)構(gòu)件，就可擴(kuò)展一種功 能，n c a 中有類似硬件總線的軟件總線，把構(gòu)件插接在應(yīng)用系統(tǒng)中，就可完成應(yīng)用功能的 集成；n c a 全面引入面向?qū)ο蠹夹g(shù)，可以把已有的、不同部分獨(dú)立開發(fā)的，遵循不同標(biāo)準(zhǔn) 的對象組裝在一起，從而實(shí)現(xiàn)整體應(yīng)用。 3 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展與網(wǎng)絡(luò)互連 網(wǎng)絡(luò)互連既是擴(kuò)展現(xiàn)場總線地域、規(guī)模、功能的需要，也是不同結(jié)構(gòu)、不同操作系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)網(wǎng)互連的需要。網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展與網(wǎng)絡(luò)互連需要一個(gè)中間設(shè)備( 或中間系統(tǒng)) ，i s o 的術(shù)語 稱為中繼( r e l a y ) 系統(tǒng)。根據(jù)中繼系統(tǒng)所在的不同網(wǎng)絡(luò)層次有4 種中繼系統(tǒng)。 物理層中繼系統(tǒng)，即中繼器( r e p e a t e r ) ；數(shù)據(jù)鏈路層中繼系統(tǒng)，即網(wǎng)橋或橋接器 ( b r i d g e ) ；網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)，即路由器( r o u t e r ) ；網(wǎng)絡(luò)層以上中繼系統(tǒng)，即網(wǎng)關(guān)( g a t e w a y ) 。 高層的中繼系統(tǒng)比低層中繼系統(tǒng)復(fù)雜，網(wǎng)關(guān)連接兩個(gè)不同的異構(gòu)網(wǎng)，不但要連接網(wǎng)絡(luò) 間數(shù)據(jù)傳送的通道，而且還需要進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，是最復(fù)雜的一種中繼設(shè)備b l 嘲。 ( 1 ) 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展物理層的中繼系統(tǒng)中繼器和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)橋常用于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，中繼 器一般僅作為物理信號放大，而網(wǎng)橋可使用不同的物理層，可連不同類型的網(wǎng)段，使網(wǎng)段 1 0 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 間故障不會互相影響，還可減少網(wǎng)段問通信量，減輕了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。中繼器和網(wǎng)橋在現(xiàn)場 總線中獲得廣泛的應(yīng)用。 ( 2 ) 網(wǎng)絡(luò)互連實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連是在更高層次實(shí)現(xiàn)的開放系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)互連要解決物 理互連和邏輯互連( 互連軟件) 兩個(gè)問題。網(wǎng)關(guān)和路由器是網(wǎng)絡(luò)互連的重要部件，它起著 網(wǎng)間數(shù)據(jù)傳送的通路和終止每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部協(xié)議的作用。同時(shí)還必需完成：不同的通信協(xié)議 間必需進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，必須有一個(gè)被互連雙方所識別的統(tǒng)一的尋址方式，必需具有一致的 信息幀長度等。網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)要高度自治，以減少網(wǎng)絡(luò)信息交換量，同時(shí)可簡化網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)和降 低互連協(xié)議的復(fù)雜性。 2 1 3 現(xiàn)場總線的通信模型 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益普及，越來越多的用戶要求把多個(gè)廠家的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。 為解決異種計(jì)算機(jī)互連運(yùn)行的難題，人們迫切要求建立一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)。1 9 7 8 年，i s 0 建力了一個(gè)新的“開放系統(tǒng)互連 分技術(shù)委員會，起草了“開放系統(tǒng)互連基本參考模 型 ，1 9 8 3 年成為i s 0 7 4 9 8 正式國際標(biāo)準(zhǔn)，至u1 9 8 6 年又對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了補(bǔ)充完善。形成了 為異種計(jì)算機(jī)互連所提供的一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這就是i s o o s i 國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系 統(tǒng)互連模型。3 1 。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為了保證現(xiàn)場總線中各站點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)互相通訊的一套規(guī)則和約 定。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有層次結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：各層次獨(dú)立；靈活；易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)；易于標(biāo)準(zhǔn) 化。 開放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)，0 s i 及其與幾種現(xiàn)場總線開放互連參考模 型如圖2 1 所示。0 s i 按通信功能分為7 個(gè)層次，從連接物理媒介的底層開始，分別賦予1 7 的順序編號，其1 - - - 3 層完成通信傳送功能，4 - - 7 層完成通訊處理功能。 i s o o s i 模型現(xiàn)場總線協(xié)議ff模型dp f m s h a r t 模型 應(yīng)用層 表達(dá)層 會話層 傳輸層 州絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 應(yīng)用層 用戶層 功能塊設(shè)備描 述傳輸塊 總線接口予層通信棧 數(shù)拋鏈路層 物理層物理層 應(yīng)用層接u 用戶接口 應(yīng)用層信息規(guī) 范低層接口 隱去隱去 第3 至第7 層第3 蠆第6 層 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 物理層物理層 h a r t 指令 h a r t 通信規(guī)則 b e l l 2 0 2 圖2 1o s i 及其與幾種現(xiàn)場總線開放互連模型的對應(yīng)關(guān)系 物理層為用戶提供建立、保持和斷開物理連接的功能，即提供同步和雙向傳輸流在物 理媒體上的傳輸手段。但它并不包括物理媒體本身。數(shù)據(jù)鏈路層用于保證信息的可靠傳遞， 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 對互連開放系統(tǒng)的通路實(shí)行差錯(cuò)控制、數(shù)據(jù)成幀、同步控制等。網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的 建立、維護(hù)與拆除協(xié)議，利用鏈路傳輸功能，以及端口選擇和串連功能，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)之間的連接。傳輸層可完成開放互連系統(tǒng)端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送控制，數(shù)據(jù)接收確認(rèn)以及 傳輸差錯(cuò)恢復(fù)。會話層的功能是按正確的順序收發(fā)數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種對話。表達(dá)層用于應(yīng)用 層信息內(nèi)容的形式變換，把應(yīng)用層提供的信息變?yōu)槟軌蚬餐斫獾男问?。?yīng)用層作為o s i 模型的最高層，用于用戶的應(yīng)用服務(wù)提供信息交換，為應(yīng)用接口提供操作標(biāo)準(zhǔn)陽刪。 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)互連模型既參照i s o o s l 模型，又具有自己的特點(diǎn)洶。 協(xié)議是分層的，但層次之間的調(diào)用關(guān)系不一定象o s i 那樣嚴(yán)格，層次也可簡化，以提 高協(xié)議的工作效率；既要遵循o s i 模型體系結(jié)構(gòu)原則，又要考慮f c s 的特點(diǎn)，滿足f c s 的特 殊要求；在現(xiàn)場總線參數(shù)模型中，既遵循開放系統(tǒng)集成的原則，又充分體現(xiàn)f c s 的特點(diǎn)和 特殊要求。 現(xiàn)場總線通信模型所采用的分層結(jié)構(gòu)如圖2 2 所示。通過圖示模型完成現(xiàn)場總線控制 系統(tǒng)的通信、控制和管理功能。其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用i e c i s a 標(biāo)準(zhǔn)。 接口子層與應(yīng)用層的任務(wù)是完成應(yīng)用程序到應(yīng)用進(jìn)程的描述，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間的通 信，提供應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的開放性。 應(yīng)用層有兩個(gè)子層：現(xiàn)場總線訪問子層f a s 和現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范予層f m s 。f a s 的基本 功能是確定數(shù)據(jù)訪問的關(guān)系模型和規(guī)范。根據(jù)不同要求，采用不同的數(shù)據(jù)訪問工作模式。 現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范子層f m s 的基本功能是面向應(yīng)用服務(wù)，根據(jù)進(jìn)程目標(biāo)a p o ，生成規(guī)范的應(yīng) 用協(xié)議數(shù)據(jù)單元a p d u 啪1 。 在應(yīng)用層中有兩個(gè)問題值得研究： ( 1 ) 在復(fù)雜的f c s 中，現(xiàn)場總線訪問子層中網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)構(gòu)n c a 是一種頗有應(yīng)用前景的 數(shù)據(jù)訪問工作模式； ( 2 ) 在應(yīng)用層與數(shù)據(jù)鏈路層之間有必要增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連子層，以滿足網(wǎng)絡(luò)互連的 要求。 圖2 2 中已標(biāo)明，用戶層規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊( f b ) 、對象字典( 0 d ) 和設(shè)備描述( d d ) 供用戶組成系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)管理中，為了提供一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)各層通信協(xié)議的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備 操作狀態(tài)的監(jiān)控與管理，設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理代理( n m a ) 和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理信息庫，提供組 態(tài)管理、性能管理和差錯(cuò)管理的功能。 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 在系統(tǒng)管理中，設(shè)置系統(tǒng)管理內(nèi)核、系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議和系統(tǒng)管理信息庫，實(shí)現(xiàn)設(shè)備 管理、功能管理、時(shí)鐘管理和安全管理等功能啪1 。 現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)管理的功能還有限，現(xiàn)場總線期待有更強(qiáng)功能的網(wǎng)絡(luò)管理、系 統(tǒng)管理軟件和更多的網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理工具。 網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用系統(tǒng)管理應(yīng)用用戶功能塊應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)代理管理內(nèi)核功能模塊( f b ) 網(wǎng)絡(luò)信息庫 系統(tǒng)管理信息庫對象字典( o d ) 設(shè)備描述( d d ) 黑戶層 i 現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范層f m sl 系統(tǒng)管理l i 現(xiàn)場總線接口子層f a sl j 一網(wǎng)絡(luò)管理 二= 燮墮竺一一 物理層 2 1 4 五種典型的現(xiàn)場總線 通信棧 圖2 2 現(xiàn)場總線通信模型分層結(jié)構(gòu) 1 f f ( f o u n d a t i o nf i e l db u s ) 基金會現(xiàn)場總線，是目前在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技 術(shù)。f f 目前擁有1 2 0 多個(gè)成員，這包括世界上最主要的自動化設(shè)備供應(yīng)商：a b 、a b b 、f o x b o r o 、 h o n e y w e l l 、s m a r 、f u j ie l e c t r i c 等。f f 的通信模型以i s o o s i 開放系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采 用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，并在其上增加了用戶層，各廠家的產(chǎn)品在用戶層的基 礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。用戶層主要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè) 備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。f f 總線采用的是令牌總線通信方式，可分為周期通信 和非周期通信。f f 目前有高速h 2 和低速h 1 兩種通信速率。h l 的傳輸速率為3 1 2 5 k b p s ，傳 輸距離可達(dá)1 9 0 0 m ，可采用中繼器延長傳輸距離，并可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆 環(huán)境；h 2 的傳輸速率分為1 m b p s 和2 5 m b p s 兩種，其通信距離分別為7 5 0 m 和5 0 0 m 。f f 可采 用總線型、樹型、菊花鏈等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù)量取決于總線帶寬、通信段數(shù)、 供電能力和通信介質(zhì)的規(guī)格等因素。f f 支持雙絞線、同軸電纜、光纜和無線發(fā)射等傳輸介 質(zhì)，物理傳輸協(xié)議符合i e c l1 5 8 2 標(biāo)準(zhǔn)，編碼采用曼徹斯特編碼。f f 總線擁有非常出色的 互操作性，這在于f f 采用了功能模塊和設(shè)備描述語言d d l ，使得現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間能準(zhǔn)確、可 靠地實(shí)現(xiàn)信息互通。目前f f 有2 9 個(gè)功能塊，其中包括1 0 個(gè)基本功能塊和1 9 個(gè)先進(jìn)功能塊口 。 1 3 江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 用戶還可以開發(fā)自己的功能塊，這些功能塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)的d d l 實(shí)現(xiàn)互操作。f f 的開發(fā)工 具為a t2 4 0 0d ot o k e n i z e rk i t 和a t2 4 0 1d ds e r v i c e sk i t n 們。 2 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 過程現(xiàn)場總線，是由以西門子為首的1 3 家公司和5 家科研機(jī)構(gòu)在聯(lián)合開發(fā)的項(xiàng)目中制 定的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，1 9 9 6 年p r o f i b u s 成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)d i n l 9 2 4 5 ，同時(shí)又是歐洲標(biāo)準(zhǔn) e n 5 0 1 7 0 ，符合國際標(biāo)準(zhǔn)i e c6 11 5 8 - 2 。p r o f i b u s 是功能強(qiáng)大、開放、穩(wěn)定的現(xiàn)場總線，響 應(yīng)時(shí)間非?？?。目前的p r o f i b u s 有三種系列慨矧：p r o f i b u s - d p 、p r o f i b u s - p a 和 p r o f i b u s - f m s 。p r o f i b u s - d p 應(yīng)用于現(xiàn)場級，實(shí)現(xiàn)分散的外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸， 它采用了r s 一4 8 5 傳輸。p r o f i b u s - f m s 用于車間級，要求面向?qū)ο?，提供較大數(shù)據(jù)量的通信 服務(wù)，它有被e t h e r n e t 取代的趨勢，它也采用了r s - 4 8 5 傳輸。p r o f i b u s p a 專為過程自動 化設(shè)計(jì)，它采用了i e c l l 5 8 2 傳輸技術(shù)，可用于有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中。p r o f i b u s d p 和 p r o f i b u s f m s 使用了同樣的傳輸技術(shù)和總線訪問協(xié)議，所以它們可以在同一根電纜上同時(shí) 操作，而p r o f i b u s p a 設(shè)備通過分段耦合器可以很方便地集成到p r o f i b u s - d p 網(wǎng)絡(luò)。 p r o f i b u s 參考模型也是遵循i s o o s i 模型，采用o s i 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，在f m s 中 增加了用戶層。p r o f i b u s 的總線訪問方式為：主動站之間通信采用令牌傳輸，主動站和從 動站之間采用主從方式。p r o f i b u s 可以采用總線型、樹型、星型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線上 最多可掛接1 2 7 個(gè)站點(diǎn)。傳輸速率為9 6 1 2 m b p s ，其最大傳輸距離在1 2 m b p s 時(shí)為l o o m ， 1 5 m b p s 時(shí)為4 0 0 m ，可用中繼器延長至l o k m 。傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜?？蓪?shí)現(xiàn)總線 供電與本質(zhì)安全防爆礴引。 3 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a tin gn e t w o r k ) 局部操作網(wǎng)絡(luò)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。其采用i s o o s i 模型的全部七層通訊協(xié)議，采 用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置。通信速率從 3 0 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距離可達(dá)2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，雙絞線) ，支持雙絞線、同 軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn) 品。l o n w o k k s 技術(shù)所采用的l o n t a l k 協(xié)議被封裝在稱為n e u r o n 的神經(jīng)元芯片中而得以實(shí)現(xiàn)。 l o nt a l k 協(xié)議提供了5 種基本類型的報(bào)文服務(wù)：確認(rèn)、非確