工业控制网络平台的构建与其无线化技术分析

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。系统图1．2工控系统组网形式的发展(1)CCS计算机集中控制系统本世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统ccs(计算机集中控制系统)，如图1．3所示，在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，例如复杂控制算法和协调控制。从而使自动控制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成控制网络体系。CCS在集中控制的同时也集中了危险，系统可靠性很低。由于只有一个CPU工作，实时性差。系

2、统越大，上述缺点越突出。图1．3计算机集中控制系统结构(2)DCS分散控制系统p1真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统：分散型控制系统DCS(也称集散控制系统)，其结构如图1．4所示。目前所使用的DCS有环形、总线形和分级式几种，其中分级式应用最为普遍。典型的DCS可分为操作站级、过程控制级和现场仪表级。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制"。其基本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统因某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降低了很多，加之各种软

3、硬件技术不断走向成熟，极大地哈自；滨工程大学硕士学位论文提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。然而DCS的缺点也是十分明显的。首先其结构是多级主从关系，底层相互间进行信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪”。其次它是一种数字——模拟混合系统，DCS的现场仪表仍然使用传统的4～20mA电流模拟信号，传输可靠性差，成本r岛。再有各J一家的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。±各图l4集散控制系统结构(3)现场总线

4、控制网络系统⋯为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运而生，它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设各控制网络(INFRANEn。哈尔滨工程大学硕十学位论文--"——"——；暑宣昌宣暑宣；；iii葺■宣暑i暑；葺和Intemet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议作了简化，省略了一些中间层，只包括ISO／OS

5、l7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用剧71。现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于1999年12月31日投票，确定了8大总线作为国际现场总线标准，其中包括CANBus、ProfitBus、InterBus、ModBus、FOUND觚ONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统(FieldbusControlSystemFcs)。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或

6、数字——模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为3层：设备层、控制层和信息层，如图1．5所示。虽然现场总线技术发展非常迅速，但也存在许多问题，制约其应用范围的进一步扩大。①首先是现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准，但总线种类仍然过多，而每种现场总线都有自己最合适的应用领域，如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，对用户来说

7、，仍然是比较棘手的问题。②系统的集成问题。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线，因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成，从而使整个系统实现管控一体化，是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时，不仅要考虑各现场节点的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强，因此许多仪表会有同样的功能块，组态时选哪个功能块需仔细考虑；要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要，要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。存在技术瓶颈问题主要表现在：

8、哈尔滨2,1-￥人学硕士学位论文①当总线电缆截断时，整个系统有可能瘫痪。用尸；希望这时系统的效能可以降低，但小能崩溃，这一点H前许多现场总线不能保证。②现有的防爆规定限制总线的长度和总线L负载的数量。这就是限制了现场。e2,线节省线缆优点的发挥。目前各国都在对现场总线本质安全概念(FISCO)理论加强研究，争取有所突破。@系统组态参数过分复杂。现场总线的绀态参数很多，小容易掌握，但组态参数发定得好坏