凌志浩

(華東理工大學自動化系,上海200237)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為企業(yè)信息化建設的底層工程網絡,是當今控制裝置與控制系統(tǒng)發(fā)展的先進技術?！艾F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)”課程已成為自動化專業(yè)學生的主修課程之一。本課程主要介紹現(xiàn)場總線的發(fā)展和應用概況、現(xiàn)場總線控制網絡的通信基礎、支持現(xiàn)場總線控制網絡的核心技術以及控制網絡的開發(fā)過程等[1]。

1 教材內容規(guī)劃

通過多年的現(xiàn)場總線技術教學實踐以及對其課程體系的探索,在梳理課程線索、教學內容和教案設計的基礎上,筆者編著了《DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)》[2]教材。現(xiàn)將該教材中的內容,歸納為基本原理、相關知識和應用實踐三個方面。

(1)基本原理:闡述現(xiàn)場總線產生原因、發(fā)展趨勢和應用前景;對比現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與PLC、DCS等控制裝置(或系統(tǒng))的關系;探討基于時間驅動或事件驅動的MAC層協(xié)議的特征及其實時性、可靠性等性能;分析現(xiàn)場總線控制網絡與信息網絡的差異;對比不同現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)勢;介紹IEC61158 Ed3的10種標準現(xiàn)場總線的基本架構、實現(xiàn)技術、優(yōu)勢領域的應用案例和選型注意事項;討論工業(yè)以太網的技術原理、發(fā)展趨勢和e網的應用理念。

(2)相關知識:介紹現(xiàn)場總線控制網絡、電信網絡及因特網等三網合一的實施技術;討論利用組態(tài)軟件設計現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中監(jiān)控軟件的方法;探討如何利用現(xiàn)場總線技術來溝通“自動化孤島”的現(xiàn)實可能性,提供解決企業(yè)信息化建設中的信息集成和系統(tǒng)集成問題;分析無線傳感器網絡的組網技術及其對現(xiàn)場總線的拓展和補充。

(3)應用實踐:以現(xiàn)場總線控制網絡應用中所涉及的技術和工程問題,以LonWorks核心技術為依托,敘述通信節(jié)點、現(xiàn)場智能節(jié)點和網絡互連設備等硬件的設計過程;分析網管軟件、通信軟件、驅動軟件、DDE(或OPC)服務器軟件和監(jiān)控軟件等的實現(xiàn)細節(jié);討論若干具有指導意義的現(xiàn)場總線應用案例。

2 教案內容選擇和考慮

根據上述教材內容規(guī)劃,筆者在教材編著過程中對現(xiàn)場總線的背景和教學案例選擇作了如下的綜合考慮。

1)現(xiàn)場總線的由來和發(fā)展

通過對傳統(tǒng)儀表與智能儀表的對比,看到現(xiàn)場智能儀表與主機系統(tǒng)間傳輸的信息量急劇增加,需要現(xiàn)場智能儀表和主機系統(tǒng)之間應具有直接進行通信的能力,并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議。也就是說,只需一根通信線纜就可將分散的現(xiàn)場設備連接起來,完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)控。由此可讓學生知道嵌入式系統(tǒng)、通信技術等對現(xiàn)場總線這種新技術的需求由來,為以后關注通信協(xié)議芯片、掌握接口原理、設計所需的現(xiàn)場總線智能儀表起到激勵作用。

2)與PLC和DCS的淵源和本身的功能特點

有一類現(xiàn)場總線技術是由PLC為基礎的控制系統(tǒng)發(fā)展而來,它們以遠程I/O技術為基礎,通常不具備通過總線向現(xiàn)場裝置供電和本質安全性能;另一類(如IEC和FF HSE)是由傳統(tǒng)DCS發(fā)展而來,這類總線功能復雜和全面。通常,現(xiàn)場總線具有全數字化通信、開放型的互聯(lián)網絡、互可操作性與互用性、現(xiàn)場設備的智能化、系統(tǒng)結構的高度分散性、對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等特點,其功能也比信息網絡有更多的特點。

(1)高效、低成本地實現(xiàn)現(xiàn)場儀表及主控設備間的全數字化通信,以體現(xiàn)其經濟性;

(2)解決現(xiàn)場儀表的總線供電問題,實現(xiàn)現(xiàn)場總線的本質安全規(guī)范,以體現(xiàn)其安全性;

(3)解決現(xiàn)場總線的環(huán)境適應性問題,如電磁干擾、環(huán)境溫度、適度、振動等因素,以體現(xiàn)其可靠性;

(4)現(xiàn)場儀表要盡可能地就地處理信息,以體現(xiàn)現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)信息處理現(xiàn)場化。

3)對企業(yè)信息化建設的支持

信息化帶動工業(yè)化迫切需要企業(yè)加快信息化建設,而企業(yè)CIMS的基本框架需要得到現(xiàn)場總線控制網絡的技術支持,它能直接延伸到生產現(xiàn)場,直接聯(lián)通基礎自動化這一信息孤島,為實現(xiàn)企業(yè)的縱向信息集成提供了保障。

4)工業(yè)以太網標準

過去一直認為,以太網是為IT領域應用而開發(fā)的,它與工業(yè)網絡在實時性、環(huán)境適應性、總線饋電等許多方面的要求存在差距,在工業(yè)自動化領域只能得到有限應用。事實上,這些問題正在迅速得到解決,國內對EPA(Ethernet for Process Automation)技術也取得了很大的進展。

水資源論證工作的各環(huán)節(jié)需進一步加強和規(guī)范。在報告書編制程序、編制格式，資質單位間的合作，報告書審查程序、審查形式、審查結論等方面還需嚴格和規(guī)范。缺少全面的水資源論證監(jiān)督管理，對資質單位缺乏考核，對評審專家的監(jiān)督管理和從業(yè)技術人員的培訓不夠，水資源論證市場缺乏有效的監(jiān)管，存在無序競爭、隨意壓價等問題。公眾參與機制還未建立，水資源論證與受影響取水用戶的取水權益及公眾的環(huán)境權益密切相關，在水資源論證制度的實施中，公眾參與還比較薄弱，需要繼續(xù)加強和完善。

隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應用,可以預見以太網技術將會迅速進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網絡。以太網在工廠管理層和車間監(jiān)控層將成為主流技術,與互連網技術結合是未來eManufactory技術基礎;在沒有嚴格時間要求的設備層也將獲得一定的發(fā)展,但對一般工業(yè)網絡要求實時性、安全性通信場合,現(xiàn)場總線技術還將處于主導地位。就目前而言,人們還必須正確面對一個多種網絡技術并存的現(xiàn)實世界。

5)現(xiàn)場總線與局域網關聯(lián)

(1)分析現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實時通信需求,教材要給出描述協(xié)議性能的參數,描述現(xiàn)場總線控制網絡的數據類型和時延模型,引用排隊論等分析工具,對競爭類CSMA協(xié)議的原理及其性能進行了深入分析和仿真計算,得出相關參數(如節(jié)點數目、輸入負載、數據幀長度和傳播時延等)對性能影響的敏感程度。

(2)簡述LonTalk協(xié)議各層次的功能,分析其MAC子層協(xié)議(時隙可預測P-堅持CSMA協(xié)議)的特點,剖析時隙可預測P-堅持CSMA協(xié)議的實施策略,描述時隙可預測P-堅持CSMA協(xié)議的實現(xiàn)算法,并結合應用例子分析該算法在不同通信服務方式下的效果和影響,給出信道效率分析方法和相關模型。

(3)針對現(xiàn)場總線與監(jiān)控服務器的接口問題,設計和實現(xiàn)智能通信節(jié)點,采用排隊論對其部件性能進行探討;通過對通信系統(tǒng)的M/M/1建模,對網絡測控數據的傳輸實時性進行綜合分析,推斷出網絡節(jié)點個數、數據幀長度、服務率、服務強度和概率等參數之間的關系。

(4)給出低成本控制網絡的定義和設計目標,描述基本節(jié)點的類型和作用,分析智能節(jié)點的基本功能,給出智能節(jié)點的設計和應用實例;提出在現(xiàn)場智能節(jié)點和通信節(jié)點上實現(xiàn)即插即用技術的方法,并對組網原則、數據通信方式選擇、節(jié)點安裝方式以及物理網絡的安裝設計等組網策略進行了全面討論[3]。

(5)介紹C/S模式下現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件組成,描述網絡管理、通信驅動、數據管理和維護等軟件功能。圍繞信息集成問題,探討OPC技術及其規(guī)范,給出OPC服務器設計的實施技術和步驟,實現(xiàn)基于數據存取規(guī)范的OPC服務器;另外,還對支持數據庫管理和操作的ODBC技術及其應用方面的問題作了研究和實踐。

6)典型應用案例選擇

通常,現(xiàn)場總線控制網絡主要由PC機、現(xiàn)場智能節(jié)點、網絡適配器和通信介質等組成,由現(xiàn)場總線擔任現(xiàn)場過程與安裝在控制室中的PC機之間的串行數字通信鏈路。由于現(xiàn)場總線是基于數字通信的,因此在現(xiàn)場與控制室之間,能實現(xiàn)多變量雙向通信。其中,控制室PC機主要實現(xiàn)網絡管理方面的各種功能,監(jiān)視和管理所連子網及所有現(xiàn)場智能節(jié)點,包括登錄節(jié)點、診斷節(jié)點、監(jiān)視節(jié)點的運行狀態(tài)、管理顯示屏幕、實現(xiàn)對某些節(jié)點的手動操作或控制等[4]。網絡適配器是控制網絡與PC機、具有數據通信功能的儀表之間相互連接的接口。網絡信息可以通過該網絡適配器進、出PC機,現(xiàn)場智能節(jié)點是一些帶有 Neuron芯片的,能進行現(xiàn)場數據(開關量、模擬量)采集和處理的,且具有可靠網絡通信功能的現(xiàn)場智能裝置,它們提供數據測量、數據處理、過程監(jiān)視和過程控制等功能,可以直接與如傳感器和執(zhí)行器等相連,進行數據采集或輸出控制信息。

通過引出有關智能網絡適配器、現(xiàn)場智能節(jié)點以及相關軟件的設計原理和實現(xiàn)過程,著重完成支持不同標準總線的智能網絡適配器的硬件電路設計,尋址方式和沖突仲裁考慮,通信管理軟件的設計,網絡接口軟件功能和實現(xiàn)方式和PC機與網絡接口之間的數據交換策略等;并以遠程數據采集裝置的設計為具體案例,剖析MAX186 A/D芯片與支持LON總線的Neuron芯片的接口、數據采集程序、報文組建過程和數據通信軟件。通過此案例,可讓學生了解從單個節(jié)點局部到控制網絡整體的實施步驟。

(2)選擇典型的應用案例實施案例教學

在應用實踐方面須以案例教學為主,分析一些來自實際應用并對各行各業(yè)具有指導意義的現(xiàn)場總線應用案例。如用于熱能計量的現(xiàn)場總線控制網絡將現(xiàn)場總線應用與InT ouch組態(tài)軟件有機地相結合,讓學生熟悉監(jiān)控軟件的組態(tài)方法,掌握在網絡環(huán)境中利用DDE或OPC服務器實現(xiàn)數據交換和獲取的方法;又如分布式電子考勤系統(tǒng)將1-Wire技術、數據庫技術綜合到現(xiàn)場總線技術的應用系統(tǒng)之中,讓學生從中能接收到新知識和新技術,并逐漸學會綜合運用相關知識的方法;采用現(xiàn)場總線與公共電話網的遠程監(jiān)控系統(tǒng)結合MODEM的工作原理和應用技術,將現(xiàn)場總線網絡與電信網二網合一,使學生能對這些適用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的技術和應用有所體驗,并對其用于地理位置分散的大氣環(huán)境監(jiān)測、水質監(jiān)測等遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法有所領悟;另外,結合工業(yè)以太網的熱點,給學生探討 LON現(xiàn)場總線與以太網的集成技術,通過對其系統(tǒng)結構、協(xié)議棧、套接字、LON-Ethernet網絡接口設計、嵌入式TCP/IP網絡協(xié)議的實現(xiàn)、通信軟件等方面的分析以及某測控系統(tǒng)應用實例的介紹,讓學生能體會到基于以太網的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)手段,了解LON(或其它)現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網的信息集成方法。

3 結語

現(xiàn)場總線作為目前自控領域的新技術,具有開放性、互操作性和全分布等優(yōu)勢。本文介紹的面向工程教育的教材,通過對現(xiàn)場總線基本原理、通信協(xié)議、網絡結構和應用成果等方面的闡述,展現(xiàn)現(xiàn)場總線技術的基本概貌。教材顧及了工程教育和案例教學的基本需求,對引導工科學生學以致用、體現(xiàn)其實用性和指導性具有一定效果。筆者希望通過該教材編寫和教學實踐,不斷總結經驗教訓,力爭實現(xiàn)一個好大綱、一本好教材及一套好課件的目標,使“現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)”課程的教學更上一個臺階。

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社,1999.8

[2] 凌志浩等.DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[M].上海:華東理工大學出版社,2008.9

[3] 凌志浩.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.11

[4] 凌志浩.從神經元芯片到控制網絡[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.2