采用現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)的綜合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

摘要：首先對(duì)當(dāng)前企業(yè)綜合自動(dòng)化的發(fā)展方向和具代表性的過程控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，而后著重討論了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用情況，最后提出了當(dāng)前構(gòu)建企業(yè)綜合信息網(wǎng)的可行解決方案。

關(guān)鍵詞：過程控制;現(xiàn)場(chǎng)總線;工業(yè)控制計(jì)算機(jī);Internet;企業(yè)綜合信息網(wǎng)

一、引言

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了過程控制、MIS系統(tǒng)和Internet的廣泛應(yīng)用。如何將原來相互獨(dú)立的過程控制、MIS系統(tǒng)、OA系統(tǒng)和Internet集合在一起構(gòu)建成企業(yè)綜合信息網(wǎng)，避免控制系統(tǒng)成為“信息孤島”，充分利用實(shí)時(shí)資源，實(shí)現(xiàn)管控一體化。這是企業(yè)綜合自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是目前許多企業(yè)面臨的問題。在現(xiàn)場(chǎng)總線等大量新技術(shù)及新產(chǎn)品愈發(fā)成熟的基礎(chǔ)上，如何將控制系統(tǒng)與管理信息網(wǎng)聯(lián)結(jié)起以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳效益，在此筆者提出了對(duì)此情況的解決方案。

二、具代表性的過程控制系統(tǒng)

　　目前，正在企業(yè)中運(yùn)行著的過程控制系統(tǒng)，大部分是從80年代中開始建設(shè)的，其中90年代初中期建立的系統(tǒng)是較具有代表性的。這一階段，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的開始普及，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)水平和產(chǎn)品性能的不斷提高，智能化測(cè)控儀表的大量出現(xiàn)，我國(guó)許多企業(yè)紛紛建立了采用計(jì)算機(jī)工業(yè)控制技術(shù)和現(xiàn)代電子傳感技術(shù)的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

　　1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)多是采用多臺(tái)下位機(jī)分布式控制，上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行集中管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：（圖1）

　　2、系統(tǒng)設(shè)備

　?。?）上位機(jī)多為286或386級(jí)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)為STD總線8088或ISA總線286級(jí)工控機(jī)，操作系統(tǒng)大部分還是老式的MS-DOS。
　?。?）監(jiān)測(cè)、執(zhí)行設(shè)備的選用由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定。
　?。?）上位機(jī)與下位機(jī)之間多采用BITBUS方式進(jìn)行通信。

三、當(dāng)前的相關(guān)技術(shù)

　　近年來，現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展極大地促進(jìn)了工業(yè)過程控制技術(shù)的發(fā)展。

　　1、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)。

　　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的處理器從早期的286、386發(fā)展到了目前的PIII、P4，性能是越來越強(qiáng)，從系統(tǒng)總線上可大致劃分為：ISA總線、STD總線、PCI總線三大類。

　?。?）ISA總線工控計(jì)算機(jī)。這類計(jì)算機(jī)采用的ISA總線與普通PC計(jì)算機(jī)完全相同。90年代流行的IPC機(jī)多屬于這一類，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)工作的環(huán)境要求，這類IPC機(jī)在結(jié)構(gòu)上都做了相應(yīng)處理。此種機(jī)器擴(kuò)展不易，操作系統(tǒng)與PC計(jì)算機(jī)完全相同。此類機(jī)型目前正被PCI機(jī)型逐步替代。

　?。?）STD總線工控計(jì)算機(jī)。STD總線計(jì)算機(jī)是一種多功能、模塊化、可靠的小型標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，在80年代中后期，它在工業(yè)控制市場(chǎng)上曾占據(jù)過重要地位。此種機(jī)器一般采用嵌入式結(jié)構(gòu)，擁有豐富的I/O功能，擴(kuò)展、組合及維護(hù)非常容易，但是需要使用STD總線專用板卡。目前其處理器最高為586級(jí)別以上。

　?。?）PCI總線工控計(jì)算機(jī)。這類IPC機(jī)系采用IntelPentium芯片（80586CPU）或以上和PCI總線構(gòu)成。PCI總線現(xiàn)已成為高性能PC計(jì)算機(jī)的總線標(biāo)準(zhǔn)，其總線寬度大，傳輸速率高，主機(jī)速度及在機(jī)與外設(shè)間的交換速度被提高到一個(gè)新的檔次，而且PCI總線與CPU的無(wú)關(guān)性使其具有很好的兼容性。目前PCI總線已大量應(yīng)用于工控計(jì)算機(jī)上，此種計(jì)算機(jī)可借助于PC機(jī)的強(qiáng)大資源而具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和網(wǎng)絡(luò)通信能力。

　　2、數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　?。?）RS-232-C和RS-422/485通信總線在過程控制中均有著廣泛使用。RS422/485的直接傳送距離和傳送速率都比RS-232-C要好，且抗干擾能力強(qiáng)，接收靈敏度好，可用于PC機(jī)之間、PC機(jī)與單片機(jī)之間及網(wǎng)絡(luò)儀表之間構(gòu)成遠(yuǎn)程多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。雖然，計(jì)算機(jī)普遍提供的是RS-232-C接口，但現(xiàn)在的智能儀表一般都提供為RS422/485接口，它們之間的通信可通過RS-232-C與RS422/485轉(zhuǎn)換器。

　?。?）BITBUS通信總線在短距離傳輸時(shí)，傳輸速率較快，并可連接250個(gè)結(jié)點(diǎn)，但總線上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可靠性較差。但在此總線基礎(chǔ)上的軟件開發(fā)相對(duì)RS-232-C和RS-422/485總線容易。BITBUS在90年代廣泛應(yīng)用于過程控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

　　（3）以Ethernet和Internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前廣泛用于構(gòu)建計(jì)算機(jī)管理數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享。由于過程控制是面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，是控制底層，故控制網(wǎng)絡(luò)必須做到高實(shí)時(shí)性、高準(zhǔn)確性、高容錯(cuò)性、高可靠性、高安全性，要求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)用簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度分散等特點(diǎn)。因此管理信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)在物理上是屬不同的結(jié)構(gòu)層次。通過基于TCP/IP協(xié)議的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與擴(kuò)展技術(shù);基于共享存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù);基于開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接（ODBC）的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與管理信息網(wǎng)絡(luò)的集成及資源共享。

　?。?）FIELDBUS即現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制技術(shù)的必經(jīng)之路，是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)開放式的雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字化通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是當(dāng)今工業(yè)過程控制領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱門話題并受到廣泛關(guān)注。要實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)，首先要求現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有微處理器和數(shù)字計(jì)算、邏輯判斷、數(shù)字通信和智能功能。將這些現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備用于生產(chǎn)對(duì)象就構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備。其二應(yīng)采用相應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)線（普通電纜、雙絞線、光纖等）按照公開、規(guī)范、統(tǒng)一的通信協(xié)議，將各現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和監(jiān)控測(cè)量設(shè)備連接組合成控制網(wǎng)絡(luò)。在此，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備就成為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，它們即可以單獨(dú)又可以節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與過程監(jiān)控計(jì)算機(jī)及至Internet網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸、信息交換、遠(yuǎn)程登錄和遠(yuǎn)程訪問（與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合）等任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向全分散、全開放、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，對(duì)實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)起到巨大的推動(dòng)作用，導(dǎo)致了工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的又一次更新?lián)Q代，將企業(yè)綜合信息網(wǎng)延伸到了控制現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線目前具有多種標(biāo)準(zhǔn)，尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　3、測(cè)控設(shè)備。

　　這是過程控制系統(tǒng)的底層設(shè)備，即信息獲取及指令執(zhí)行設(shè)備。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的快速興起更加快了測(cè)控設(shè)備向著數(shù)字化、智能化方向的發(fā)展趨勢(shì)。

四、如何構(gòu)建企業(yè)綜合信息網(wǎng)

　　我們的目標(biāo)首先是將原來各自獨(dú)立的過程控制系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)、OA系統(tǒng)等集成為企業(yè)綜合信息網(wǎng)。在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提下，既要保證系統(tǒng)的資源共享和先進(jìn)性，還應(yīng)保證系統(tǒng)的可開發(fā)性和升級(jí)能力。

　　以前面介紹的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我們可以設(shè)想以下方案：

　　1、方案1：采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

　　方案中，取消了原系統(tǒng)中的上位機(jī)。

　　工控機(jī)：考慮運(yùn)行WindowsNT或Windows2000，選用PIII或P4級(jí)處理器、PCI總線的IPC，內(nèi)存儲(chǔ)器256M以上，按需要配置數(shù)據(jù)采集、控制接口板，裝上以太網(wǎng)卡。

　　通信：通信線路按現(xiàn)場(chǎng)總線要求重新鋪設(shè)，現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議可選擇Profibus、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）或CAN等。

　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：在最大可能保留原來測(cè)控設(shè)備基礎(chǔ)上，增加現(xiàn)場(chǎng)總線所需各種設(shè)備。這部分工作主要是針對(duì)原過程控制系統(tǒng)進(jìn)行，目的是資源的最大利用。

　　網(wǎng)絡(luò)接口：通信協(xié)議選用TCP/IP。根據(jù)工控機(jī)一般與企業(yè)管理網(wǎng)服務(wù)器距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可借助電話線路通過Modem連接或采用光纖電纜來連接。

　　軟件：操作系統(tǒng)由原來老式的MS-DOS更換為Windows98、WindowsNT或Windows2000，監(jiān)控系統(tǒng)則可選用商品化的組態(tài)軟件（如國(guó)外Interllution公司的iFIX、國(guó)內(nèi)北京亞控的“組態(tài)王”等）。開發(fā)與管理網(wǎng)相連接的連接程序。

　　2、方案2：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖————如（圖1）

　　在此方案中，基本保留原控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控設(shè)備保持不變，通信方式也保持不變。上位機(jī)系統(tǒng)板由8088或286升級(jí)為586以上。上位機(jī)可更換為PCI總線PIII以上級(jí)別的IPC，內(nèi)部安裝網(wǎng)卡和BITBUS卡。上位機(jī)與下位機(jī)之間通信仍然采用BITBUS總線連接。上位機(jī)與企業(yè)管理網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議軟件可選擇TCP/IP?？山柚髽I(yè)內(nèi)電話線路通過Modem或采用光纖電纜與管理網(wǎng)服務(wù)器連接。上位機(jī)操作系統(tǒng)也應(yīng)由原來的MS-DOS轉(zhuǎn)換為WindowsNT或Windows2000，下位機(jī)可繼續(xù)使用MS-DOS操作系統(tǒng)及原監(jiān)控程序和通信程序，也可轉(zhuǎn)換為Windows98或WindowsNT操作系統(tǒng)，則需重新開發(fā)監(jiān)控程序和通信程序。

　　3、兩種方案比較

　　我們集成系統(tǒng)追求的目的是以較低的成本獲得較高的性能，而具體方案的選擇要算細(xì)帳、看投資、比效果后需要根據(jù)企業(yè)各自不同的基本情況及市場(chǎng)發(fā)展來綜合考慮再?zèng)Q定。

　　在這兩種方案中，方案1采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，此方案在技術(shù)上是當(dāng)前先進(jìn)的，而且運(yùn)行、維護(hù)成本較低，開放性高，是新建系統(tǒng)則是最佳的首選方案。如是在原有系統(tǒng)上實(shí)施，則需大量更換、新增設(shè)備，重新進(jìn)行安裝調(diào)試，原有控制軟件也需要重新設(shè)計(jì)，這樣會(huì)造成較多的重復(fù)投資，費(fèi)用較大，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)也會(huì)造成一定的影響，但性能水平大為提高，以后的升級(jí)、擴(kuò)展也很方便。

　　方案2是在原有控制系統(tǒng)上構(gòu)建企業(yè)綜合網(wǎng)的低成本解決辦法。該方案基本保留了原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，更新、增加設(shè)備不多，對(duì)生產(chǎn)影響不大。雖然投入費(fèi)用比第一方案少許多，但相對(duì)來說性能提升不大，由于當(dāng)今技術(shù)飛速發(fā)展，集成綜合信息網(wǎng)后將來有可能成為發(fā)展瓶頸。

五、結(jié)束語(yǔ)

　　本文以企業(yè)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對(duì)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和過程控制出現(xiàn)的新技術(shù)、新趨勢(shì)，提出了企業(yè)管控一體化、構(gòu)建綜合信息網(wǎng)的解決方案。

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