凌志浩

(華東理工大學(xué)自動(dòng)化系,上海200237)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)作為企業(yè)信息化建設(shè)的底層工程網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)今控制裝置與控制系統(tǒng)發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)。“現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)”課程已成為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的主修課程之一。本課程主要介紹現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展和應(yīng)用概況、現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)、支持現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)以及控制網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)過程等[1]。

1 教材內(nèi)容規(guī)劃

通過多年的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)教學(xué)實(shí)踐以及對(duì)其課程體系的探索,在梳理課程線索、教學(xué)內(nèi)容和教案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,筆者編著了《DCS與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)》[2]教材?，F(xiàn)將該教材中的內(nèi)容,歸納為基本原理、相關(guān)知識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐三個(gè)方面。

(1)基本原理:闡述現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生原因、發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景;對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與PLC、DCS等控制裝置(或系統(tǒng))的關(guān)系;探討基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)或事件驅(qū)動(dòng)的MAC層協(xié)議的特征及其實(shí)時(shí)性、可靠性等性能;分析現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的差異;對(duì)比不同現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì);介紹IEC61158 Ed3的10種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線的基本架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域的應(yīng)用案例和選型注意事項(xiàng);討論工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)原理、發(fā)展趨勢(shì)和e網(wǎng)的應(yīng)用理念。

(2)相關(guān)知識(shí):介紹現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)及因特網(wǎng)等三網(wǎng)合一的實(shí)施技術(shù);討論利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)來溝通“自動(dòng)化孤島”的現(xiàn)實(shí)可能性,提供解決企業(yè)信息化建設(shè)中的信息集成和系統(tǒng)集成問題;分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)及其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的拓展和補(bǔ)充。

(3)應(yīng)用實(shí)踐:以現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中所涉及的技術(shù)和工程問題,以LonWorks核心技術(shù)為依托,敘述通信節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備等硬件的設(shè)計(jì)過程;分析網(wǎng)管軟件、通信軟件、驅(qū)動(dòng)軟件、DDE(或OPC)服務(wù)器軟件和監(jiān)控軟件等的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié);討論若干具有指導(dǎo)意義的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用案例。

2 教案內(nèi)容選擇和考慮

根據(jù)上述教材內(nèi)容規(guī)劃,筆者在教材編著過程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的背景和教學(xué)案例選擇作了如下的綜合考慮。

1)現(xiàn)場(chǎng)總線的由來和發(fā)展

通過對(duì)傳統(tǒng)儀表與智能儀表的對(duì)比,看到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表與主機(jī)系統(tǒng)間傳輸?shù)男畔⒘考眲≡黾?需要現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和主機(jī)系統(tǒng)之間應(yīng)具有直接進(jìn)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(chǎng)設(shè)備連接起來,完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。由此可讓學(xué)生知道嵌入式系統(tǒng)、通信技術(shù)等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線這種新技術(shù)的需求由來,為以后關(guān)注通信協(xié)議芯片、掌握接口原理、設(shè)計(jì)所需的現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表起到激勵(lì)作用。

2)與PLC和DCS的淵源和本身的功能特點(diǎn)

有一類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展而來,它們以遠(yuǎn)程I/O技術(shù)為基礎(chǔ),通常不具備通過總線向現(xiàn)場(chǎng)裝置供電和本質(zhì)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(fù)雜和全面。通常,現(xiàn)場(chǎng)總線具有全數(shù)字化通信、開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、互可操作性與互用性、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn),其功能也比信息網(wǎng)絡(luò)有更多的特點(diǎn)。

(1)高效、低成本地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表及主控設(shè)備間的全數(shù)字化通信,以體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性;

(2)解決現(xiàn)場(chǎng)儀表的總線供電問題,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)安全規(guī)范,以體現(xiàn)其安全性;

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

(4)現(xiàn)場(chǎng)儀表要盡可能地就地處理信息,以體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。

3)對(duì)企業(yè)信息化建設(shè)的支持

信息化帶動(dòng)工業(yè)化迫切需要企業(yè)加快信息化建設(shè),而企業(yè)CIMS的基本框架需要得到現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支持,它能直接延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),直接聯(lián)通基礎(chǔ)自動(dòng)化這一信息孤島,為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的縱向信息集成提供了保障。

4)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

過去一直認(rèn)為,以太網(wǎng)是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的,它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性、總線饋電等許多方面的要求存在差距,在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實(shí)上,這些問題正在迅速得到解決,國(guó)內(nèi)對(duì)EPA(Ethernet for Process Automation)技術(shù)也取得了很大的進(jìn)展。

水資源論證工作的各環(huán)節(jié)需進(jìn)一步加強(qiáng)和規(guī)范。在報(bào)告書編制程序、編制格式，資質(zhì)單位間的合作，報(bào)告書審查程序、審查形式、審查結(jié)論等方面還需嚴(yán)格和規(guī)范。缺少全面的水資源論證監(jiān)督管理，對(duì)資質(zhì)單位缺乏考核，對(duì)評(píng)審專家的監(jiān)督管理和從業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)不夠，水資源論證市場(chǎng)缺乏有效的監(jiān)管，存在無序競(jìng)爭(zhēng)、隨意壓價(jià)等問題。公眾參與機(jī)制還未建立，水資源論證與受影響取水用戶的取水權(quán)益及公眾的環(huán)境權(quán)益密切相關(guān)，在水資源論證制度的實(shí)施中，公眾參與還比較薄弱，需要繼續(xù)加強(qiáng)和完善。

隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應(yīng)用,可以預(yù)見以太網(wǎng)技術(shù)將會(huì)迅速進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)在工廠管理層和車間監(jiān)控層將成為主流技術(shù),與互連網(wǎng)技術(shù)結(jié)合是未來eManufactory技術(shù)基礎(chǔ);在沒有嚴(yán)格時(shí)間要求的設(shè)備層也將獲得一定的發(fā)展,但對(duì)一般工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求實(shí)時(shí)性、安全性通信場(chǎng)合,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還將處于主導(dǎo)地位。就目前而言,人們還必須正確面對(duì)一個(gè)多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并存的現(xiàn)實(shí)世界。

5)現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)關(guān)聯(lián)

(1)分析現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信需求,教材要給出描述協(xié)議性能的參數(shù),描述現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)類型和時(shí)延模型,引用排隊(duì)論等分析工具,對(duì)競(jìng)爭(zhēng)類CSMA協(xié)議的原理及其性能進(jìn)行了深入分析和仿真計(jì)算,得出相關(guān)參數(shù)(如節(jié)點(diǎn)數(shù)目、輸入負(fù)載、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度和傳播時(shí)延等)對(duì)性能影響的敏感程度。

(2)簡(jiǎn)述LonTalk協(xié)議各層次的功能,分析其MAC子層協(xié)議(時(shí)隙可預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持CSMA協(xié)議)的特點(diǎn),剖析時(shí)隙可預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持CSMA協(xié)議的實(shí)施策略,描述時(shí)隙可預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持CSMA協(xié)議的實(shí)現(xiàn)算法,并結(jié)合應(yīng)用例子分析該算法在不同通信服務(wù)方式下的效果和影響,給出信道效率分析方法和相關(guān)模型。

(3)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線與監(jiān)控服務(wù)器的接口問題,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智能通信節(jié)點(diǎn),采用排隊(duì)論對(duì)其部件性能進(jìn)行探討;通過對(duì)通信系統(tǒng)的M/M/1建模,對(duì)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸實(shí)時(shí)性進(jìn)行綜合分析,推斷出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、服務(wù)率、服務(wù)強(qiáng)度和概率等參數(shù)之間的關(guān)系。

(4)給出低成本控制網(wǎng)絡(luò)的定義和設(shè)計(jì)目標(biāo),描述基本節(jié)點(diǎn)的類型和作用,分析智能節(jié)點(diǎn)的基本功能,給出智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例;提出在現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)和通信節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)即插即用技術(shù)的方法,并對(duì)組網(wǎng)原則、數(shù)據(jù)通信方式選擇、節(jié)點(diǎn)安裝方式以及物理網(wǎng)絡(luò)的安裝設(shè)計(jì)等組網(wǎng)策略進(jìn)行了全面討論[3]。

(5)介紹C/S模式下現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的軟件組成,描述網(wǎng)絡(luò)管理、通信驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)管理和維護(hù)等軟件功能。圍繞信息集成問題,探討OPC技術(shù)及其規(guī)范,給出OPC服務(wù)器設(shè)計(jì)的實(shí)施技術(shù)和步驟,實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)存取規(guī)范的OPC服務(wù)器;另外,還對(duì)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)管理和操作的ODBC技術(shù)及其應(yīng)用方面的問題作了研究和實(shí)踐。

6)典型應(yīng)用案例選擇

通常,現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)主要由PC機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)適配器和通信介質(zhì)等組成,由現(xiàn)場(chǎng)總線擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)過程與安裝在控制室中的PC機(jī)之間的串行數(shù)字通信鏈路。由于現(xiàn)場(chǎng)總線是基于數(shù)字通信的,因此在現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間,能實(shí)現(xiàn)多變量雙向通信。其中,控制室PC機(jī)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理方面的各種功能,監(jiān)視和管理所連子網(wǎng)及所有現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn),包括登錄節(jié)點(diǎn)、診斷節(jié)點(diǎn)、監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、管理顯示屏幕、實(shí)現(xiàn)對(duì)某些節(jié)點(diǎn)的手動(dòng)操作或控制等[4]。網(wǎng)絡(luò)適配器是控制網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)、具有數(shù)據(jù)通信功能的儀表之間相互連接的接口。網(wǎng)絡(luò)信息可以通過該網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)、出PC機(jī),現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)是一些帶有 Neuron芯片的,能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(開關(guān)量、模擬量)采集和處理的,且具有可靠網(wǎng)絡(luò)通信功能的現(xiàn)場(chǎng)智能裝置,它們提供數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集或輸出控制信息。

通過引出有關(guān)智能網(wǎng)絡(luò)適配器、現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)以及相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)過程,著重完成支持不同標(biāo)準(zhǔn)總線的智能網(wǎng)絡(luò)適配器的硬件電路設(shè)計(jì),尋址方式和沖突仲裁考慮,通信管理軟件的設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)接口軟件功能和實(shí)現(xiàn)方式和PC機(jī)與網(wǎng)絡(luò)接口之間的數(shù)據(jù)交換策略等;并以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集程序、報(bào)文組建過程和數(shù)據(jù)通信軟件。通過此案例,可讓學(xué)生了解從單個(gè)節(jié)點(diǎn)局部到控制網(wǎng)絡(luò)整體的實(shí)施步驟。

(2)選擇典型的應(yīng)用案例實(shí)施案例教學(xué)

在應(yīng)用實(shí)踐方面須以案例教學(xué)為主,分析一些來自實(shí)際應(yīng)用并對(duì)各行各業(yè)具有指導(dǎo)意義的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用案例。如用于熱能計(jì)量的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用與InT ouch組態(tài)軟件有機(jī)地相結(jié)合,讓學(xué)生熟悉監(jiān)控軟件的組態(tài)方法,掌握在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中利用DDE或OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)綜合到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)之中,讓學(xué)生從中能接收到新知識(shí)和新技術(shù),并逐漸學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)的方法;采用現(xiàn)場(chǎng)總線與公共電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合MODEM的工作原理和應(yīng)用技術(shù),將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與電信網(wǎng)二網(wǎng)合一,使學(xué)生能對(duì)這些適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用有所體驗(yàn),并對(duì)其用于地理位置分散的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法有所領(lǐng)悟;另外,結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)的熱點(diǎn),給學(xué)生探討 LON現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)的集成技術(shù),通過對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、套接字、LON-Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)、嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、通信軟件等方面的分析以及某測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例的介紹,讓學(xué)生能體會(huì)到基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)手段,了解LON(或其它)現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的信息集成方法。

3 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)總線作為目前自控領(lǐng)域的新技術(shù),具有開放性、互操作性和全分布等優(yōu)勢(shì)。本文介紹的面向工程教育的教材,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線基本原理、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用成果等方面的闡述,展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基本概貌。教材顧及了工程教育和案例教學(xué)的基本需求,對(duì)引導(dǎo)工科學(xué)生學(xué)以致用、體現(xiàn)其實(shí)用性和指導(dǎo)性具有一定效果。筆者希望通過該教材編寫和教學(xué)實(shí)踐,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)好大綱、一本好教材及一套好課件的目標(biāo),使“現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)更上一個(gè)臺(tái)階。

[1] 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.8

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

[3] 凌志浩.現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.11

[4] 凌志浩.從神經(jīng)元芯片到控制網(wǎng)絡(luò)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.2