第8章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

1第8章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?8.1分布式控制系統(tǒng)8.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)8.3工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）也稱集散控制系統(tǒng)，是對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在DCS已在石油、化工、電力、冶金以及智能建筑等現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。8.1分布式控制系統(tǒng)28.1.1DCS的發(fā)展概況：

DCS自1975年問世以來已經(jīng)歷了近四十年的發(fā)展，其可靠性、實(shí)用性得到不斷提高，功能日益增強(qiáng)，如控制器的處理能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力、控制算法、畫面顯示及綜合管理能力等技術(shù)的發(fā)展非常迅速。自DCS誕生至今，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前新一代DCS即FCS正逐漸取代原有的DCS，開始在控制領(lǐng)域日益占據(jù)主導(dǎo)位置。3第一代DCS（初創(chuàng)期）誕生于1975一1980年間。注重控制功能的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)控制站。系統(tǒng)的直接控制功能比較成熟可靠，而系統(tǒng)的人機(jī)界面功能則相對(duì)較弱。在實(shí)際運(yùn)行中，采用CRT操作站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工況的監(jiān)視。功能上更接近儀表控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是分散控制，集中監(jiān)視。4第一代DCS是由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、CRT操作站、上位管理計(jì)算機(jī)及連接各個(gè)單元和計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)通道五部分組成，這也奠定了DCS的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。第一代DCS的典型結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。5

第一代DCS中，各個(gè)廠家的系統(tǒng)均由專有產(chǎn)品構(gòu)成，包括高速數(shù)據(jù)通道、現(xiàn)場(chǎng)控制站、人機(jī)界面工作站以及各類功能性的工作站等，還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是相對(duì)于儀表控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)來說，在對(duì)復(fù)雜回路的控制方面、整體的協(xié)調(diào)優(yōu)化以及系統(tǒng)的可靠性和靈活性方面都有著巨大的進(jìn)步，所以一經(jīng)推出就顯示了強(qiáng)大的生命力，得到了迅速的發(fā)展。

這一時(shí)期典型的DCS系統(tǒng)有Honeywell的TDC—2000系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的Spectrum系統(tǒng)，Yokogawa(橫河)公司的ECNTUM系統(tǒng)，Bailey公司的Network—90系統(tǒng)以及Siemens公司的TelepermM系統(tǒng)等。

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第二代DCS（成熟期）1980—1985年這一階段是DCS的成熟期。這期間隨著各種高新技術(shù)，特別是信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展、硬件和軟件技術(shù)的不斷更新，這個(gè)時(shí)期的DCS在功能上逐步走向完善，第二代DCS基本結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。7

第二代DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站性能和功能比第一代DCS的過程控制單元有了很大的提高和擴(kuò)展。不僅有連續(xù)控制功能，可以組成多個(gè)控制回路，而且有邏輯控制、順序控制等功能，可以實(shí)現(xiàn)一些優(yōu)化控制和生產(chǎn)管理功能。計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)采集速度加快，進(jìn)一步提高了控制水平。第二代DCS的工程師站既可離線組態(tài)，也可以在線組態(tài)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)站作為現(xiàn)場(chǎng)控制站的上位機(jī)，除了進(jìn)行各現(xiàn)場(chǎng)控制站之間的協(xié)調(diào)之外，還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制站無法完成的復(fù)雜控制算法，提高了系統(tǒng)控制性能。

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第二代DCS系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是引入了局域網(wǎng)(LAN)作為系統(tǒng)骨干，按照節(jié)點(diǎn)的概念組織過程控制站、中央控制站、系統(tǒng)管理站以及網(wǎng)關(guān)，這使得系統(tǒng)的規(guī)模、容量進(jìn)一步增加，系統(tǒng)的擴(kuò)展也有了更大的余地，也更為方便。第二代DCS采用局域網(wǎng)完成通信功能，由于局域網(wǎng)傳輸速率高并且有豐富的網(wǎng)絡(luò)軟件，從而提高了DCS的整體性能，擴(kuò)展了集中管理的功能。但是第二代DCS在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這一時(shí)期，主要代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC一3000系統(tǒng)，westinghouse公司的wDpF系統(tǒng)，Yokogawa公司的CENTUM-XL系統(tǒng)等。

9第三代DCS（擴(kuò)展期）

第三代DCS是以1987年Foxboro公司推出的以I/Aseries系統(tǒng)為代表，該系統(tǒng)采用了ISO標(biāo)準(zhǔn)MAP（制造自動(dòng)化規(guī)約）網(wǎng)絡(luò)。擴(kuò)展期DCS系統(tǒng)的典型代表還有Honywell公司的TDC—3000UCN，Yokogawa公司的CENTUM—XL和/1xl，Bailey公司的INFI—90系統(tǒng)，WestingHouse的WDPFII系統(tǒng)等。

第一、二代DCS基本上為封閉系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間無法互連。第三代DCS局域網(wǎng)遵循開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型的7層通信協(xié)議，符合國際標(biāo)準(zhǔn)，向上可以與生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)互連，生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)再通過生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)互連；向下支持現(xiàn)場(chǎng)總線，即現(xiàn)場(chǎng)總線儀表可與現(xiàn)場(chǎng)控制站或輸入輸出總線互連。10

第三代DCS在功能上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步擴(kuò)展，增加了上層網(wǎng)絡(luò)，將生產(chǎn)的管理功能納入到系統(tǒng)中。在網(wǎng)絡(luò)方面，各個(gè)廠家已經(jīng)普遍采用了標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如各種實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等。并且在組態(tài)方面多數(shù)DCS廠家實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，采用IEC61131一3所定義的五種組態(tài)語言標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉f，無論是在硬件還是軟件上，都采用了一系列高新技術(shù)，幾乎與“4C”技術(shù)的發(fā)展同步，使DCS得到更高層次的發(fā)展。新一代DCS采用微型無引線元件和軟印刷板電路，表面貼裝技術(shù)等新工藝，體積小，可靠性高；軟件上，還能使用C，F(xiàn)ORTRAN，PASCAL，BASIC等高級(jí)語言作為編程工具。11第四代DCSDCS發(fā)展到第三代，盡管采用了一系列新技術(shù)，但是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)仍然沒有擺脫沿用了幾十年的常規(guī)模擬儀表。DCS從輸入輸出單元以上各層均采用計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)，惟有生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對(duì)一模擬信號(hào)(4mA~20mADC)傳輸，多臺(tái)模擬儀表集中連接于輸入輸出單元。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層的模擬儀表與DCS各層形成極大的反差和不協(xié)調(diào)，并制約了DCS的發(fā)展。

因此，人們要變革現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表改為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表，并用現(xiàn)場(chǎng)總線互連。由此帶來DCS控制站的變革。即將控制站內(nèi)的軟功能模塊分散地分布在各臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，也就是說，由多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)成虛擬控制站。新一代DCS技術(shù)變革的核心是現(xiàn)場(chǎng)總線。1220世紀(jì)90年代現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有了重大突破，公布了現(xiàn)場(chǎng)總線的國際標(biāo)準(zhǔn)，并生產(chǎn)出現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字儀表。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展標(biāo)志著新一代DCS的產(chǎn)生，稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。FCS革新了DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站和現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表，用現(xiàn)場(chǎng)總線將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表互連在一起，構(gòu)成控制回路，形成現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。即FCS用現(xiàn)場(chǎng)控制器取代了DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，操作監(jiān)控級(jí)及其以上各級(jí)仍然同DCS。

第四代DCS系統(tǒng)的主要技術(shù)特征有：

DCS充分體現(xiàn)了信息化和集成化，信息化和集成化基本描述了當(dāng)今DCS系統(tǒng)正在發(fā)生的變化；DCS變成真正的混合控制系統(tǒng)，過去DCS和PLC主要通過被控對(duì)象的特點(diǎn)（過程控制和邏輯控制）來進(jìn)行劃分，但是，新的DCS己經(jīng)將這種劃分模糊化了，幾乎所有的第四代DCS都包含有過程控制、邏輯控制和批處理控制，實(shí)現(xiàn)了混合控制；新的DCS系統(tǒng)幾乎全部采用IEC61131一3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。

138.1.2DCS的體系結(jié)構(gòu)

自1975年DCS誕生以來，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、屏幕顯示和控制技術(shù)的發(fā)展，DCS也得到不斷發(fā)展和更新。盡管不同廠家的DCS產(chǎn)品在硬件的互換性、軟件的兼容性以及操作的一致性上很難達(dá)到統(tǒng)一，但在系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方面卻具有相同或相似的結(jié)構(gòu)體系。DCS按功能分層的層次結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了其分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想。典型DCS系統(tǒng)如圖8-3所示1415

由分散控制功能的現(xiàn)場(chǎng)控制站（FieldControlStation）、進(jìn)行集中監(jiān)視和操作的操作站（OperatorStation）、綜合信息管理（MIS）計(jì)算機(jī)以及高速信息通信總線組成。從下至上依次分為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、操作監(jiān)控級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)和工廠決策管理級(jí)。

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)是DCS的基礎(chǔ)，其主要設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)控制站。

操作監(jiān)控級(jí)主要由操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和

計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)組成。

生產(chǎn)管理級(jí)，管理計(jì)算機(jī)根據(jù)工廠產(chǎn)品各部件的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)各單元級(jí)的參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行總體協(xié)調(diào)和科學(xué)管理，使整個(gè)工廠的生產(chǎn)始終處于最佳狀態(tài)。

決策管理級(jí)，其主要設(shè)備是中央計(jì)算機(jī)，該層處于公司級(jí)。通過收集各部門的信息，進(jìn)行綜合分析，及時(shí)作出決策，協(xié)助各級(jí)管理人員指揮調(diào)度，使公司各部門處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。168.1.3DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站

現(xiàn)場(chǎng)控制站一般安裝在靠近生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)控制，即對(duì)過程輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和處理，更新數(shù)據(jù)庫；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)按照一定的控制邏輯，形成相應(yīng)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)將相關(guān)的信息上傳給操作站，并接受操作站的控制指令。系統(tǒng)通過通信總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制站之間的數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)場(chǎng)控制站的基本組成如圖8-4所示。

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181.現(xiàn)場(chǎng)控制站的硬件

現(xiàn)場(chǎng)控制站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的核心是控制計(jì)算機(jī)。DCS一般把系統(tǒng)啟動(dòng)、自檢、基本I/O驅(qū)動(dòng)、各種控制與檢測(cè)功能模塊(子程序)、固定參數(shù)和系統(tǒng)通信、管理模塊等程序固化在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中。有的DCS系統(tǒng)還將用戶組態(tài)的應(yīng)用程序也固化在ROM中，只要一通電，控制站就可以正常運(yùn)行，使用方便、可靠。系統(tǒng)程序由DCS制造廠家固化在系統(tǒng)ROM中，用戶無法更改。

與單回路控制儀表相比，控制站除了反饋控制功能、運(yùn)算功能、報(bào)警功能與通信功能更加豐富外，最重要的特點(diǎn)是順序控制功能大大增強(qiáng)?，F(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)的順序控制，除了能按照常規(guī)的開關(guān)條件切換外，還包括各種定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，及豐富的算術(shù)運(yùn)算式、邏輯關(guān)系運(yùn)算式功能，能自動(dòng)監(jiān)視連續(xù)量的變化。DCS將一些常用的功能子程序組成標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊，如：PID模塊、串級(jí)控制模塊、解藕控制模塊等，通過組態(tài)軟件方便調(diào)用。

192.現(xiàn)場(chǎng)控制站的冗余結(jié)構(gòu)

為了避免現(xiàn)場(chǎng)控制站發(fā)生故障時(shí)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程造成較大的影響，DCS系統(tǒng)采取了將危險(xiǎn)分散的預(yù)防措施。通過適當(dāng)?shù)叵拗聘骺刂普净芈返臄?shù)目，將控制站發(fā)生故障的影響限制在有限范圍內(nèi)。此外，在可靠性要求較高的地方，對(duì)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)、控制模塊、電源等重要設(shè)備進(jìn)行冗余備份，采用雙重冗余備用措施確保系統(tǒng)的可靠性。如果當(dāng)前工作設(shè)備發(fā)生故障，處于熱備份狀態(tài)的備用裝置立即無間斷、平滑地投入運(yùn)行。冗余方式可以采用在線并聯(lián)方式，也可以采用離線熱備份方式。20常見的冗余設(shè)計(jì)有：

(1)電源冗余。

(2)主機(jī)冗余。

(3)網(wǎng)絡(luò)接口冗余。

(4)I/O模塊冗余。

為了縮短故障修復(fù)時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)控制單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)的可維護(hù)性?；槿哂嗟牟考捎猛耆恢碌臉?biāo)準(zhǔn)插件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)自檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的故障模塊可在模塊面板上顯示標(biāo)志出來。維護(hù)人員在系統(tǒng)運(yùn)行中將故障模塊拉出，插入備份塊就可以完成故障硬件的替換、維修工作。218.1.4DCS的操作站

DCS操作站的主要功能有：組建和維護(hù)系統(tǒng)的工程功能；以監(jiān)視、運(yùn)行、記錄為主的操作功能；現(xiàn)場(chǎng)控制站與上位計(jì)算機(jī)交換信息的通信功能以及運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理功能。其中，DCS的工程功能通過工程師站實(shí)現(xiàn)，操作功能由操作員站實(shí)現(xiàn)。工程師站與操作員站共同組成DCS操作站。在規(guī)模較小的DCS和早期的DCS系統(tǒng)中，由中央計(jì)算機(jī)同時(shí)承擔(dān)工程師站和操作員站的職能，通過設(shè)置工程師密碼賦予工程師進(jìn)行系統(tǒng)組建、維護(hù)和系統(tǒng)管理功能的工程功能。而現(xiàn)在的DCS控制系統(tǒng)工程師站和操作員站一般是分開的，也有工程師站下附帶一個(gè)操作員站的系統(tǒng)。

221.操作員站

操作員站的基本功能是操作、監(jiān)視和管理。

操作員站的軟件，除了系統(tǒng)軟件外，其應(yīng)用軟件的用戶表現(xiàn)形式首先是為用戶提供豐富多彩、圖文并茂、形象直觀的動(dòng)態(tài)畫面；其次是存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)和信息，方便用戶進(jìn)行分類查找或打印工作。

操作員站的操作安全性非常重要，一般有鍵盤鎖、密碼、操作分區(qū)三種安全措施。

操作密碼相當(dāng)于軟鎖，類似于上述鍵盤鎖的三個(gè)位置。在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)為監(jiān)控員、工程師設(shè)置密碼，操作員無密碼，這樣也就規(guī)定了二者的操作權(quán)限。232.工程師站

DCS工程師站的主要功能有：

(1)系統(tǒng)組態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)就是組建和變更操作員站和現(xiàn)場(chǎng)控制站的功能。通過對(duì)生產(chǎn)工藝流程的分析，進(jìn)行設(shè)備統(tǒng)計(jì)和I/O端口的統(tǒng)計(jì)，利用與該DCS系統(tǒng)硬件配套的工程組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)內(nèi)容包括操作站功能組態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)控制站功能組態(tài)、和用戶自定義功能組態(tài)等。

(2)系統(tǒng)測(cè)試。主要功能是測(cè)試系統(tǒng)的邏輯算法是否正確、測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信是否正常，測(cè)試系統(tǒng)外部設(shè)備連接是否正常。

(3)系統(tǒng)維護(hù)。對(duì)系統(tǒng)定期檢查或更改、生成組態(tài)文件存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)恢復(fù)等。

(4)系統(tǒng)管理。主要是對(duì)系統(tǒng)文件的管理，如將組態(tài)文件加密，備分；對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的文件存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)存、歸檔管理等。

248.1.5DCS的組態(tài)

DCS系統(tǒng)的組態(tài)包括硬件組態(tài)和軟件組態(tài)。

1.系統(tǒng)的硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是針對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行組態(tài)，它是整個(gè)組態(tài)的第一步。硬件組態(tài)是根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及控制要求進(jìn)行硬件的選擇，主要包括通信系統(tǒng)的選擇、人機(jī)接口的選擇、過程接口的選擇、集散控制系統(tǒng)與PLC及上位機(jī)的通信接口選擇、電源系統(tǒng)的選擇、上位機(jī)與可編程邏輯控制器的選擇、集散控制系統(tǒng)控制單元的選擇等等。集散控制系統(tǒng)在進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各方面的因素。在滿足控制系統(tǒng)性能要求的前提下，選擇性能價(jià)格比最佳的配置；其次應(yīng)考慮DCS未來的發(fā)展趨勢(shì)，包括監(jiān)控一體化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，方便系統(tǒng)以后的更新升級(jí)；另外，還應(yīng)考慮到操作人員的易操作性、系統(tǒng)的易維護(hù)性等相關(guān)方面的情況。

252.DCS系統(tǒng)的應(yīng)用軟件組態(tài)

軟件組態(tài)是對(duì)各個(gè)部件的特性、標(biāo)識(shí)、符號(hào)以及所安裝的有關(guān)軟件系統(tǒng)進(jìn)行描述，建立數(shù)據(jù)連接關(guān)系。也就是在系統(tǒng)硬件和軟件的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)提供的功能塊用軟件組態(tài)的方式連接起來。

軟件組態(tài)的常用方式有：

（1）直接在DCS系統(tǒng)上通過工程師站組態(tài)。

（2）通過填寫組態(tài)表格進(jìn)行組態(tài)工作。在一般工程中，由于受工廠調(diào)試時(shí)間和施工現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，用戶并不能通過工程師站直接進(jìn)行組態(tài)。為此，DCS廠家為用戶提供了針對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)表，用戶可以通過填寫表格來進(jìn)行組態(tài)準(zhǔn)備工作。

（3）利用PC機(jī)進(jìn)行組態(tài)。有些生產(chǎn)廠商允許用戶利用PC機(jī)進(jìn)行組態(tài)。這些生產(chǎn)廠為用戶提供一套軟件和轉(zhuǎn)換設(shè)備，用戶可以在PC機(jī)上模擬操作站進(jìn)行軟件組態(tài)，并將組態(tài)結(jié)果轉(zhuǎn)化成DCS可以接受的編碼。與填寫表格相比，使用PC機(jī)可以縮短鍵入過程，節(jié)約工廠調(diào)試時(shí)間。

26應(yīng)用軟件的組態(tài)包括以下幾個(gè)部分：

（1）網(wǎng)絡(luò)組態(tài)文件（NCF）組態(tài)

NCF組態(tài)就是對(duì)系統(tǒng)操作環(huán)境和操作特性的定義，它包括單元名稱組態(tài)、區(qū)域名稱組態(tài)、操作站名稱組態(tài)、LCN節(jié)點(diǎn)組態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)和卷目組態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)

數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)就是將工藝過程數(shù)據(jù)點(diǎn)及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)組態(tài)，其內(nèi)容隨系統(tǒng)構(gòu)成和工藝過程以及控制要求的不同而不同。它一般包括：HG數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)、邏輯塊組態(tài)、應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)、計(jì)算機(jī)模塊數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)、數(shù)據(jù)點(diǎn)分配及PM組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)。

（3）用戶畫面、格式報(bào)表和鍵定義組態(tài)

根據(jù)用戶要求，采用圖形生成器（編輯器）設(shè)計(jì)顯示畫面、表格及報(bào)表，并對(duì)鍵盤功能進(jìn)行定義。它一般包括工藝流程、控制畫面、報(bào)警提示畫面、過程趨勢(shì)曲線畫面、提示信息畫面、記錄與表格畫面、生產(chǎn)和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

27（4）區(qū)域數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫組組態(tài)

一般DCS數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件提供完整的建立數(shù)據(jù)庫功能。數(shù)據(jù)庫組態(tài)包括兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)原始記錄輸入或修改；數(shù)據(jù)庫下裝文件的生成。通過歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)，可以指定哪些點(diǎn)的哪些參數(shù)需要保存歷史數(shù)據(jù)，以及歷史數(shù)據(jù)的記錄精度和保存的時(shí)間等信息。

（5）控制算法組態(tài)

控制算法是指對(duì)集散控制系統(tǒng)中的控制器的功能塊的連接組合，是面向控制過程的?？刂扑惴ńM態(tài)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)“軟連接”?？刂扑惴ńM態(tài)一般采用兩種方式：功能框表填充法和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言編程。

框表填充法一般采用菜單提示問題填空，功能框表填充連接等非過程方式將組態(tài)信息裝入控制器。該方法是集散控制系統(tǒng)中最常用的方法，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，易懂易學(xué)。

28

采用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言時(shí)，集散控制系統(tǒng)采用的高級(jí)語言一般有BASIC、FORTRAN、C、梯形邏輯控制語言和一些專用控制語言。這些高級(jí)語言通過提供一些特殊專門語句來完成控制器中各軟件模塊的連接。這種組態(tài)方式方便靈活，易于實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制算法，但要求用戶具有一定的編程能力。

（6）特殊控制功能程序的編制

有時(shí)為了完成某些特殊功能，須采用高級(jí)語言，如BASIC、FORTRAN、C或?qū)Ｓ每刂普Z言編制所需的程序。該命令由命令處理菜單下的字處理軟件完成。

總之，不同散控制系統(tǒng)都有自己的組態(tài)方式，且都有一定的特點(diǎn)。具體組態(tài)方式需要根據(jù)使用時(shí)的具體情況來確定。

298.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbuscontro1system，F(xiàn)CS)是一種以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的分布式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的產(chǎn)生，不僅變革了傳統(tǒng)的單一功能的模擬儀表，將其改為綜合功能的數(shù)字儀表，而且變革了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，將輸入、輸出、運(yùn)算和控制功能分散分布到現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中，形成了全數(shù)字的徹底的分散控制系統(tǒng)。308.2.1現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線使傳統(tǒng)的自動(dòng)化儀表和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)和功能、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及安裝、調(diào)試等方面產(chǎn)生了較大的變革，將傳統(tǒng)的模擬儀表變?yōu)閿?shù)字儀表，并將單一的信號(hào)檢測(cè)功能變?yōu)榧瘷z測(cè)、運(yùn)算、控制和通信于一體的綜合功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生，不僅促使了具有綜合功能的數(shù)字通信儀表的出現(xiàn)，而且促使了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。311.現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生

在工業(yè)生產(chǎn)控制中，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的信息集成，與外界信息交換，在被控現(xiàn)場(chǎng)直接構(gòu)成測(cè)量、控制和通信一體化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)被控現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下運(yùn)行、性能可靠、造價(jià)低廉的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)就是具有信號(hào)輸入輸出、運(yùn)算、控制和通信功能的各種現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并在被控現(xiàn)場(chǎng)直接構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。32七十年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性在控制要求較高時(shí)難以得到保證。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，控制效果得到提高，但是仍然屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，新的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，其基礎(chǔ)就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的一種雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，也被稱為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)。33

?1984年，Intel公司提出了一種計(jì)算機(jī)分布式控制總線-位總線（BITBUS）。

?1985年由Honeywell和Bailey等大公司發(fā)起，成立了WorldFIP，制定了FIP協(xié)議。

?1987年，由Siemens，Rosemount，橫河等幾家著名公司牽頭也成立了一個(gè)專門委員會(huì)，采用互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP）并制定了PROFIBUS協(xié)議。

?后來美國儀器儀表學(xué)會(huì)也制定了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISA

SP50。

?隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成了兩個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)場(chǎng)總線集團(tuán)：一個(gè)是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團(tuán)；另一個(gè)是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP集團(tuán)。

?1994年，兩大集團(tuán)合并，成立現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（Fieldbus

Foundation），簡(jiǎn)稱FF。342.現(xiàn)場(chǎng)總線的定義

根據(jù)國際電工委員會(huì)（InternationlaElectrotechnicalCommission,IEC）標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FieldbusFoundation，F(xiàn)F）的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)總線。一般認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)總線是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)過程專用網(wǎng)絡(luò)，或工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基層的自動(dòng)化測(cè)控設(shè)備之間傳送信息的共同通路，它把通信線一直延伸到被控現(xiàn)場(chǎng)或被控設(shè)備，在被控現(xiàn)場(chǎng)直接構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。目前國際上有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，但沒有任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線能覆蓋所有的應(yīng)用面。目前應(yīng)用比較多的有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN總線等。

35

現(xiàn)場(chǎng)線的節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字儀表除了具有傳統(tǒng)模擬儀表的構(gòu)成外，還有A/D、D/A、微處理器及總線接口。

現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸介質(zhì)通常采用一般的雙絞線，并可以通過總線供電；也可以選用同軸電纜、光纜或無線方式，甚至可以借用動(dòng)力電纜(如建筑物中的照明電纜)。傳輸速率因類型而異，低速為幾十kbps，中速為幾百kbps，高速為幾Mbps?，F(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有總線形、樹形或環(huán)形結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了通信協(xié)議，而且規(guī)定了控制協(xié)議；既可以共享現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)(現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，也可以共享現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的功能塊，以便在現(xiàn)場(chǎng)總線組成控制回路?？傊?，現(xiàn)場(chǎng)總線有別于一般的通信總線，它不僅是一種通信技術(shù)，而且是一種控制技術(shù)。

368.2.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是指現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成的控制系統(tǒng)，它采用現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)把通信延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備，通過一對(duì)傳輸線互連變送器、執(zhí)行器、服務(wù)器和網(wǎng)橋、輔助設(shè)備、監(jiān)控等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了基于同一總線標(biāo)準(zhǔn)的不同品牌產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了“即接即用”功能。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功能塊分散化，將DCS的I/O單元和控制站分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，構(gòu)成虛擬控制站。FCS結(jié)構(gòu)如圖8-5所示。37

38

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的模擬儀表控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）FCS的信號(hào)傳輸“數(shù)字化”。（2）系統(tǒng)的分散性。（3）產(chǎn)品的互操作性。

（4）系統(tǒng)的開放性。（5）FCS現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性。（6）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。

（7）FCS設(shè)備的易維護(hù)性。（8）FCS系統(tǒng)的高可靠性。

總之，現(xiàn)場(chǎng)總線是3C技術(shù)（計(jì)算機(jī)、通訊、控制）的融合。其技術(shù)特點(diǎn)是：信號(hào)輸出全數(shù)字、控制功能全分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放。新型的全數(shù)字控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，能充分發(fā)揮上層系統(tǒng)調(diào)度、優(yōu)化、決策的功能。有利于企業(yè)實(shí)施綜合自動(dòng)化策略，使企業(yè)從粗放型向集約型轉(zhuǎn)化。398.2.3幾種常用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)總線，目前國際上存在多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。自20世紀(jì)80年代以來，一些現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并得到廣泛應(yīng)用。這些現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)各具特點(diǎn)，并形成了自己的產(chǎn)品系列，占有相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。下面介紹幾種常用的現(xiàn)場(chǎng)總線。401、基金會(huì)（FF）現(xiàn)場(chǎng)總線

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(foundationfieldbus，F(xiàn)F)是為適應(yīng)生產(chǎn)自動(dòng)化，尤其是過程自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WorldFIP協(xié)議。

1994年9月這兩大集團(tuán)合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開發(fā)國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。FF標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(fieldbusfoundation)組織開發(fā)，它綜合了通信技術(shù)和控制技術(shù)。FF的協(xié)議規(guī)范建立在ISO/OSI層間通訊模型之上，它由3個(gè)主要的功能部分組成：物理層、通信層和用戶層。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)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。

41

(1)FFH1的通信模型及技術(shù)概述

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalStandardizationOrganization，ISO)制定了開放系統(tǒng)互連(opensysteminterconnection，OSI)參考模型，該模型從下到上分為7個(gè)層次，依次分別為物理層(1)、數(shù)據(jù)鏈路層(2)、網(wǎng)絡(luò)層(3)、傳輸層(4)、會(huì)話層(5)、表示層(6)和應(yīng)用層(7)。

42(2)FF高速總線HSE

HSE高速以太網(wǎng)傳輸速率為10M/100Mbps，取代了早期的H2總線。

HSE通信模型的層次結(jié)構(gòu)中省略了ISO-OSI7層參考模型中的第5、6兩層，另外增加了用戶層。HSE通信模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802的局域網(wǎng)(LAN)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層采用IP(Internetprotocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)，傳輸層采用TCP(transmissioncontrolprotocol，傳輸控制協(xié)議)或UDP(userdatagramprotocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議。

HSE通信模型的體系結(jié)構(gòu)與H1的體系結(jié)構(gòu)在很多方面相同，但是增加了幾個(gè)HSE特有的組件，用來完成HSE新增的功能，包括管理HSE通信棧中的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、管理用于將設(shè)備連接到HSE子網(wǎng)絡(luò)的冗余HSE接口、利用UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議）無連接服務(wù)傳輸系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議報(bào)文、管理HSE通信等。

432、Profibus總線

PROFIBUS是過程現(xiàn)場(chǎng)總線（ProcessFieldBus）的縮寫。它是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170所規(guī)定的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，于1989年正式成為現(xiàn)場(chǎng)總線的國際標(biāo)準(zhǔn)。是一種國際化，開放式，不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。傳輸速率為9.6kbps-12Mbps，廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、過程控制自動(dòng)化和智能樓宇、交通電力及其他自動(dòng)化領(lǐng)域。PROFIBUS是一種可用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。PROFIBUS由3個(gè)兼容部分組成，分別為PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS和PROFIBUS－PA。

44（1）Profibus的基本構(gòu)成

Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三個(gè)兼容版本。其中，Profibus-DP使用高速、廉價(jià)的通信連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散的I/O之間的通信，使用ProflbusDP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號(hào)線。PROFIBUS－FMS用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，它是令牌結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)，用來完成控制器和智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信以及控制器之間的信息交換。Profibus-FMS解決了車間級(jí)通用性通信任務(wù)，它可以提供大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，可用于紡織工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、傳感器和執(zhí)行器、可編程序控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動(dòng)化控制。Profibus-PA適用于過程自動(dòng)化，它采用標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。

45

（2）Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)

Profibus協(xié)議根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以O(shè)SI為參考模型。Profibus-DP使用第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加以描述，這種結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?。用戶接口?guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種Profibus-DP設(shè)備的設(shè)備行為，支持RS485傳輸技術(shù)或光纖。

Profibus-PA數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議，還使用了描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性，并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過總線供電。利用分段式耦合器，Profibus-PA設(shè)備能很方便地集成到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中。

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(3)總線訪問協(xié)議

Profibus總線均使用單一的總線訪問協(xié)議，通過OSI參考模型的第2層實(shí)現(xiàn)，其功能包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理。在Profibus中，第2層稱為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路(FieldbusDataLlnk，F(xiàn)DL)。媒體存取控制(MAC)具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。Profibus協(xié)議的設(shè)計(jì)旨在滿足媒體存取控制的基本要求。

Profibus總線訪問協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。473、控制器局域網(wǎng)（CAN）總線

CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的一種串行通信協(xié)議。

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、使用方便性和低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，而CAN總線的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。CAN總線也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提高了實(shí)時(shí)性。支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、廣播模式通信。各節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)發(fā)送消息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

48(1)CAN總線性能特點(diǎn)

①CAN總線是一種多主總線，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，可以方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。

②CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符具有最高的優(yōu)先級(jí)。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

③CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。

④CAN總線通過報(bào)文濾波可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送、接收數(shù)據(jù)，無需專門的”調(diào)度”。

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⑤CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。

⑥采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度最多為8bit。傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，抗干擾能力強(qiáng)，從而滿足工控領(lǐng)域中傳送控制命令、工作狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)的的一般要求，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

⑦每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證較低的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率。

⑧節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，退出網(wǎng)絡(luò)通信，從而使其他節(jié)點(diǎn)操作不受影響。50(2)CAN總線的分層結(jié)構(gòu)

CAN總線遵循OSI參考模型，但出于對(duì)實(shí)時(shí)性和降低成本等因素的考慮，CAN總線只采用了其中的數(shù)據(jù)鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層、媒體訪問控制子層)和物理層。CAN總線的分層結(jié)構(gòu)和功能如圖8-7所示。

511）CAN總線的物理層

CAN總線的物理層主要內(nèi)容是規(guī)定了通信介質(zhì)的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程特性。

2）CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制子層和媒體訪問控制子層。邏輯鏈路控制（logiclinkcontrol，LLC）子層主要功能如下：

①接收濾波：報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID描述報(bào)文的含義，但不確定報(bào)文的目的地，報(bào)文接收器通過報(bào)文濾波確定此報(bào)文是否與其有關(guān)。

②超載通知：如果報(bào)文的接收器要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，即在先行和后續(xù)數(shù)據(jù)幀(或遠(yuǎn)程幀)之間附加延時(shí)，則通過發(fā)送超載幀來實(shí)現(xiàn)，最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀。

③恢復(fù)管理：若發(fā)送期間丟失幀或有錯(cuò)誤幀，自動(dòng)恢復(fù)重發(fā)功能。

52CAN總線的媒體訪問控制(mediumaccesscontrol,MAC)子層的主要功能是對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行包裝、發(fā)送媒體訪問管理、接收媒體訪問管理、接收數(shù)據(jù)拆裝。

CAN總線節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成由CAN收發(fā)器、通信控制器、微處理器、輸入和輸出電路組成，如圖8-8所示。

534、LonWorks（LON）總線

LonWorks(localoperatingnelwork)是由美國Echelon公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導(dǎo)的一種局部操作網(wǎng)絡(luò)。

LonWorks技術(shù)具有完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，提供有設(shè)計(jì)、配置安裝和維護(hù)控制網(wǎng)絡(luò)所需的硬件和軟件，包括LonTalk通信協(xié)議、Neuron芯片、NeuronC語言、通信設(shè)備和系統(tǒng)開發(fā)工具等等。LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達(dá)到2700m（78kbps，雙絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

LonWorks在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。54（1）LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的基本組成

LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)要由現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)、通信介質(zhì)和通信協(xié)議3大基本要素組成。

①Lonworks現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)可以直接采用神經(jīng)元芯片（Neuron）作為通信處理器和測(cè)控處理器的節(jié)點(diǎn)。神經(jīng)元芯片（Neuron）是一個(gè)超大規(guī)模集成電路元件，是LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心器件，它實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)中的特定應(yīng)用程序。一個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)包含神經(jīng)元芯片、電源、通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)通信的收發(fā)器及與被監(jiān)控設(shè)備接口的應(yīng)用電路。

②通信介質(zhì)。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)。

③通信協(xié)議。Lonworks技術(shù)提供有公開的并遵守國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的分層體系結(jié)構(gòu)要求的LonTalk協(xié)議。

圍繞這3個(gè)基本要素，Echelon公司提供了開發(fā)、制造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的全套產(chǎn)品。

55（2）LonTalk通信協(xié)議

LonTalk協(xié)議是為L(zhǎng)ON總線設(shè)計(jì)的專用協(xié)議。它提供了OSI參考模型的所有七層協(xié)議。

表8-1列出了LonTalk協(xié)議與OSI參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

56LonTalk協(xié)議提供了四種基本報(bào)文服務(wù)，即應(yīng)答、無應(yīng)答重發(fā)、無應(yīng)答和請(qǐng)求/響應(yīng)，使用何種通信報(bào)文服務(wù)方式應(yīng)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)效率、響應(yīng)時(shí)間、安全性以及可靠性等方面。數(shù)據(jù)包可具有優(yōu)先級(jí)，便于關(guān)鍵性信息能夠及時(shí)傳送。LonTalk協(xié)議支持消息鑒別認(rèn)證服務(wù)，從而提高數(shù)據(jù)的安全性。

現(xiàn)場(chǎng)總線連接自動(dòng)化系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備。網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測(cè)信息、狀態(tài)信息、控制信息等。傳輸速率低，傳輸?shù)男畔㈤L(zhǎng)度較小，實(shí)時(shí)性要求高。另外對(duì)于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，還必須解決環(huán)境適應(yīng)性問題，而現(xiàn)場(chǎng)總線具有很強(qiáng)的可靠性和安全性要求，可以采用各種通訊介質(zhì)，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實(shí)現(xiàn)成本