基于现场总线技术的网络建设

一、 引言  

计算机技术和信息技术的快速发展，推动了过程控制、MIS系统和Internet的广泛应用。目前，将原来相互独立的过程控制、MIS系统和Internet结合在一起形成企业综合信息网，这是企业综合自动化的发展方向。在现场总线等新技术及产品的基础上，如何将控制系统与管理信息网联结，构建企业综合信息网？这是很多单位面临的问题。作者对此提出了解决方案 。  

二、 代表性的过程控制系统  

目前，正在运行的过程控制系统中，具有代表性的是80年代末90年代初建立的系统。这一阶段，随着计算机应用的普及，工业控制计算机技术和产品性能的提高，智能化控制仪表的大量出现，我国的许多企业纷纷建立了采用计算机工业控制技术与先进的传感技术的生产过程自动控制系统。这些系统具有以下特点：  

1、 系统结构  
系统采用多台下位机分布式控制,上位机对下位机进行集中管理。系统框图如下：  

2、系统设备 ①上位机为286级工业控制计算机，下位机为STD总线8088级工控机，其中除CPU系统板、显示板、磁盘驱动板外，根据所控制设备的需要选配数字量模板、模拟量模板、脉冲量模板、开关量模板。在控制量少的情况下，下位机可采用ISA总线工控机。 ②监测、执行设备由实际情况而定。比如测控对象是液体，并要求在线测量、防爆、防腐、卫生等特点，一般采用质量流量计、密度计、电磁流量计、液位计、涡轮流量计、温度传感器及变送器、压力计传感器及变送器等仪表，开关量、调节量控制器。 ③上位机与下位机之间采用BITBUS方式进行通信。  

三、当前的相关技术  

近年来，计算机技术、网络技术、通信技术的发展极大地促进了工业过程控制技术的发展。  

1、 工业控制计算机技术。  

工业控制计算机的处理器从286、386发展到了P Ⅱ，从系统总线上划分为：ISA总线、STD总线、PCI总线三类。  

①ISA总线工控计算机。这类计算机采用的ISA总线与普通PC计算机完全相同。为了适应恶劣环境，在结构上做了特殊处理，配有工控所需的板卡，可使用PC机通用板卡，此种机器扩展槽有限操作系统与PC计算机完全相同。此种机型有被PCI机型替代的趋势。 

②STD总线工控计算机。STD总线计算机是一种组合化、模块化、小型化、标准化的体系结构,CPU板本身就是一块模板。此种机器体积小巧，一般采用嵌入式结构，扩展、组合非常容易，但是需要使用STD总线专用板卡。目前处理器最高为586级别。 

③PCI总线工控计算机。PCI总线现已成为高性能PC计算机的总线标准。总线宽度大，传输速率高，PCI总线与CPU的无关性使它具有很好的兼容性。目前已经将PCI总线应用于工控计算机上，并制定了相应的技术规范—Compact PCI规范。此种计算机可在板卡、软件和开发工具上借助于PC机的资源，具有很强的网络功能、图形处理能力和数据存储能力。  

2、 数据通信及网络技术  

① RS-232-C和RS-422通信总线在过程控制中均有采用。在实际应用中通过此两种总线与测量仪表的二次表（变送器）相连，实现数据通信。RS-422的直接传送距离和传送速率都比RS-232-C好。但是，由于计算机普遍提供RS-232-C接口，所以RS-232-C比RS-422使用更广泛。  

② BITBUS通信总线在传输距离1200M时，传输速率为62.5KB/S，在传输距离300M时，传输速率为375KB/S，可连接250个结点。在此总线基础上的软件开发相对RS-232-C和RS-422总线容易。ISA总线、STD总线、PCI总线均提供BITBUS接口板。所以，BITBUS广泛应用于过程控制系统中的计算机之间的数据通信。  

③ 以Ethernet和Internet为代表的网络技术广泛用于构建计算机数据网络，实现数据共享。由于过程控制面向生产现场，控制网络必须实时、准确、容错、安全、可靠，具有网络协议实用简单，网络结构高度分散等特点。因此数据网络与控制网络属不同的结构层次。通过基于TCP/IP的计算机网络互联与扩展技术；基于共享存储器的动态数据交换技术；基于开放数据库连接（ODBC）的数据库访问技术等，可实现控制网络与数据网络的集成。[page]  

④FIELDBUS即现场总线技术是当今工业过程控制领域热点技术。现场总线是一种数字化、双向、开放式、多点通信系统。通过此系统，过程控制系统中的变送器、传感器、执行机构、控制装置相互之间或与监控设备间能够实现双向多参数的数字通信。此项技术的实施，首先要求现场控制装置具有微处理器和数字通信能力。第二遵照公开、规范、统一的协议，采用普通电缆、双绞线、光纤等将各现场控制设备和监控设备组合成控制网络。在此，现场控制设备成为网络中的结点，它们即可以单独又可以共同完成某项控制任务。此项技术与网络技术相结合，可实现对现场装置的远程操纵。它还支持总线供电，因此具有本质安全性。现场总线适应了分散化、网络化、智能化的过程控制发展方向，将企业综合信息网延伸到了控制现场。现场总线目前具有若干种标准，尚无统一的国际标准。  

3、监测、执行设备。  

这是控制系统的两端设备，即信息获得和指令执行设备。总的趋势还是朝着数字化、智能化方向发展，特别是由于现场总线的兴起更加快了这种发展。  

四、构建综合信息网  

首先，我们的目标是：将原来相互独立的过程控制网、企业管理息网结合在一起形成企业综合信息网。在实现目标的前提下，除了保证系统的先进性，还应保证系统的开放性。  
以前面介绍的系统为基础，我们可以设想以下方案： 

1、方案1：采用现场总线。系统结构图如下： 在此方案中，取消了原系统中的上位机。  
工控机：考虑运行Windows 95或Windows NT，选用586级处理器、PCI总线的IPC，内存储器32M以上，按需要配置控制接口板，加装网卡。  

通信：通信线路按现场总线要求重新铺设，如工作环境需本质安全，考虑通过总线供电。现场总线协议可选择基金会现场总线（FOUNDATION FIELDBUS）。  

现场设备：在最大可能保留原来监测仪表和执行部件的基础上，增加现场总线变送器、转换器和隔离设备。这部分工作主要是针对原执行部件进行。  

网络接口：在工控计算机中安装以太网卡，协议可选择TCP/IP。根据工控机与管理网服务器距离较远（大于100M）的特点，可借助电话线路通过Modem连接或采用光缆连接。  
软件：操作系统应由原来的DOS转换为Windows 95 或Windows NT，监控系统可选择商品化的组态软件。开发与管理网相连接的连接程序。  

2、方案2： 

在此方案中，基本保留原系统结构。现场仪表、执行装置保持不变，通信方式保持不变，下位机仍然采用STD总线，将系统板由8088升级为486以上，显示卡由EGA方式升级为VGA方式，增加硬盘驱动器。上位机更换为PCI总线586以上级别的IPC，内部安装BITBUS卡和网卡。上位机与下位机之间仍然采用BITBUS总线连接。上位机与管理网之间的网络接口协议可选择TCP/IP。可借助厂内电话线路通过Modem或采用光缆与管理网服务器连接。上位机操作系统应由原来的DOS转换为Windows 95 或Windows NT，下位机可继续使用DOS操作系统及原监控程序和通信程序，也可转换为Windows 95 或Windows NT操作系统，重新开发监控程序和通信程序。  

3、两种方案比较。  

高性能、低成本是我们追求的目标。具体方案的选择则需要根据不同的基础综合考虑。  
在这两种方案中，方案1采用现场总线技术，此方案在技术上是先进的，运行、维护成本较低，是新建系统的首选方案。如在原有系统上实施，需大量更新、增加设备，要重新进行安装调试，原有控制软件也需重新设计，此方案造成较多的重复投资，对生产将造成较大影响。  

方案2是在原有控制系统上构建综合网的理想解决办法。该方案保留了原系统的系统结构，即便是重新开发监控程序，生产可先在原程序控制下照常进行。因此，此方案对生产基本没有影响。此方案更换、新增设备不多，资金投入比第一方案少许多。另一个要考虑的问题是职工的培训，使之掌握系统维护、系统操作。方案2基本不需再培训。方案1使职工完全放弃原已熟悉的操作方式，因而要进行重新培训。  

五、结束语  

本文以特定的控制系统为基础，针对计算机和和过程控制的新技术，提出了构建企业综合信息网的解决方案。