现场总线控制网络模型与网络集成

现场总线控制网络模型与网络集成
Fieldbus Control Network Model and Integration Between Control Network and Infor2 mation Network
清华大学自动化系(100084)　程晓琳　徐用懋
【摘要】现场总线技术已成为工业控制领域研究的热点,分散化、网络化是控制系统发展的新方向。

本文介绍了现场总线条件下控制网络模型的层次结构特点及关键技术,并依照模型的要求,探讨了控制网络与信息网络集成的问题。

关键词:现场总线,网络模型,集成
Abstract:Fieldbus is the focus of industrial control area now.C ontrol system is becoming distributed and netw orked. Hierarchy of fieldbus control netw ork m odel and its critical technologies are presented.Integration between control net2 w ork and in formation netw ork is discussed with consideration of requirement the m odel.
K ey w ords:fieldbus,netw ork model,integration
计算机与通信技术相结合产生了计算机网络;计算机网络与控制系统相结合产生了现场总线控制系统。

现场总线是一种连接现场设备和控制室设备的全数字、双向、多点、开放式的通信系统,它使现场控制和管理的集成成为可能。

现场总线是对DCS(集散控制系统)的拓展,突破了DCS相对封闭的限制。

DCS并不是完全意义上的分散控制系统,I/O和控制站都集中在中央控制室,现场仪表通过一对一的4～20mA电流信号与上位机传递信息,而且各厂家的协议标准不统一,导致不同DCS系统之间不能互操作。

现场总线将测控任务分散到现场设备中,上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制功能。

现场总线是工厂底层信息与数据传递的主体,在整个工厂的信息网络中,现场总线处于重要的基础地位。

较之传统的DCS,现场总线有以下一些突出的优点:
①总线式结构。

一对传输线(总线)挂接多台现场设备,双向传输多个数字信号。

这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单,安装费用低,维护简便;
②开放互操作性。

现场总线采用统一的协议标准,是开放式的互联网络,对用户是透明的。

在传统的DCS中,不同厂家的设备是不能互相访问的。

而FCS 采用统一标准,不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络,集成在同一控制系统中进行互操作,因此简化了系统集成;
③彻底的分散控制。

现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中,做到彻底的分散控制,提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性,减轻了DCS控制站CPU的计算负担;
④可靠性高。

FCS采用数字信号传输数据,提高了数据的精度和抗干扰性。

将控制功能放到现场设备中,使危险分散,系统的可靠性提高;
⑤信息综合,组态灵活。

通过数字化传输现场数据,FCS能获取现场仪表的各种状态、诊断信息,实现实时的系统监控和管理。

此外,FCS引入了功能块的概念,通过统一的组态方法,使系统组态简单灵活,不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路。

1　现场总线控制网络模型
现场总线本质上是一种控制网络,因此网络技术是现场总线的重要基础。

和Internet、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、数据完整性和可用性[1]。

为满足这些特性,现场总线对标准的网络协议做了简化,一般只包括IS O/OSI七层模型中的三层:物理层、数据链路层和应用层。

此外,现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交互和传递。

综合自动化是现代工厂自动化的发展方向,在完整的企业网架构中,现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程。

基于上述考虑,统一的现场总线控制网络模型应具有三层结构[2](如图1所示)。

底层是现场智能设备层。

依照现场总线的协议标准,智能设备采用功能块的结构,通过组态设计,完成
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现场总线控制网络模型与网络集成
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图1　现场总线控制网络模型的体系结构数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PI D控制以及阀位补偿等各种功能。

智能转换器对传统检测仪表电流电压信号进行数字转换和补偿。

此外,总线上应有P LC接口,便于连接原有的系统。

现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上,为保证节点之间实时、可靠的数据传输,现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。

常见的现场总线网络拓扑结构有以下几种[3]:
①环形(令牌)网:其特点是时延确定性好,重载时网络效率高,但轻载时等待令牌产生不必要的时延,传输效率下降;
②总线网:其特点是节点接入方便,成本低。

轻载时时延小,但网络通信负荷较重时时延加大,网络效率下降。

此外传输时延不定;
③树型网:其特点是可扩展性好,频带较宽,但节点间通信不便;
④令牌总线网:结合环形网和总线网的优点,即物理上是总线网,逻辑上是令牌网。

这样网络传输时延确定无冲突,同时节点接入方便,可靠性好。

基金会现场总线FF采用令牌总线网,通过LAS 在总线上发布令牌进行集中管理和调度,协调网络中周期性报文和非周期性报文的传输。

现场设备层的关键技术:现场设备必须采用统一的协议标准,实现标准化,并达到不同厂家产品的完全互操作。

标准化的现场设备应具备以下特征[2]:
①全数字双向通信;
②实施标准的功能块功能;
③多变量传输,包括状态信息和诊断信息等;
④集成自诊断、报警和趋势分析等先进功能;
⑤本质安全,便于现场安装。

为实现现场设备的标准化,需要制定统一的协议标准和制造标准。

由于当前存在多种现场总线协议标准,
需要在采用不同网络协议的现场
总线之间加入协议转换器(网
关),识别并解释不同格式的数据
包,并在不同的网络之间转发。

中间层是基于SC ADA(super2
vis ory control and data acquisition)
的现场总线监控层。

这一层从现
场设备中获取数据,完成各种控
制、运行参数的监测、报警和趋势
分析等功能,另外还包括控制组
态的设计和下装。

监控层的功能
一般由上位计算机完成,它通过
扩展槽中网络接口板与现场总线
相连,协调网络节点之间的数据通信,充当LAS的角色;或者通过专门的现场总线接口(转换器)实现现场总线网段与以太网段的连接,这种方式使系统配置更加灵活。

这一层处于以太网中,因此其关键技术是以太网与底层现场设备网络之间的接口,主要负责现场总线协议与以太网协议的转换,保证数据包的正确解释和传输。

监控层除上述功能之外,还为实现先进控制和过程操作优化提供支撑环境。

上层是基于Internet的远程监控层。

其主要目的是在分布式网络环境下,构建一个安全的远程监控系统。

首先要将中间监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中,这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工况,对生产过程进行实时的远程监控。

赋予一定的权限后,还可以在线修改各种设备参数和运行参数,从而在广域网范围内实现底层测控信息的实时传递。

目前,远程监控的实现途径就是通过Internet,主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。

由于涉及实际的生产过程,必须保证网络安全,可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。

在这方面,W orldFIP现场总线技术具有优势。

W orldFIP的报文比较灵活,兼容TCP/IP,可以无缝连接Internet,同时又不影响实时数据的传送,因此整个控制网络可以采用统一的协议标准。

此外,W orldFIP的现场设备中有内嵌的Web服务器,因此用户可以直接通过Internet访问现场设备中的信息,无需中间的协议转换器。

在整个现场总线控制网络模型中,现场设备层是整个网络模型的核心,只有确保总线设备之间可靠、准确、完整的数据传输,上层网络才能获取信息以实现其监控功能。

当前对现场总线的讨论多停留在底层的现场智能设备网段,但从完整的现场总线控制网络模型出发,应更多地考虑现场设备层与中间监控层、Internet
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应用层之间的数据传输与交互问题,即实现控制网络与信息网络的紧密集成。

2　控制网络和信息网络的集成
控制网络的通信技术不同于以传输信息和资源共享为目的的信息网络,其最终目标是实现对被控对象中能量和物质转移的有效控制,使系统安全稳定地运行。

因此要求具有协议简单、安全可靠、容错性好、成本低等特点。

其网络负载稳定,多为短帧传送,信息交换频繁[4]。

实现控制网络与信息网络的紧密集成是建立企业综合实时信息库的基础,为企业的优化控制、调度决策提供依据;通过控制网络与信息网络的结合,可以建立统一的分布式数据库,保证所有数据的完整性和互操作性;现场设备与信息网络实时通信,使用户能通过信息网络中标准的图形界面随时随地了解生产情况;控制网络和信息网络的紧密集成也便于实现远程监控、诊断和维护功能。

控制网络与信息网络的集成,可以通过以下几种方式实现:
(1)在控制网络和信息网络之间加入转换接口。

这种方式通过硬件来实现,即在底层网段与中间监控层之间加入中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备,使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。

硬件设备可以是一台专门的计算机,依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换;对于多网段的应用,它还可以在不同网段之间存储转发数据包,起到网桥的作用。

此外,硬件设备还可以是一块智能接口网板,Fisher2R osem ount的DeltaV系统就通过一块机柜中的H1接口卡,完成现场总线智能设备与以太网中监控计算机之间的数据通信。

转换接口的集成方式功能较强,但实时性较差。

信息网络一般是采用TCP/IP的以太网,而TCP/IP没有考虑数据传输的实时性,当现场设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时,转换接口都将成为实时通信的瓶颈。

(2)在控制网络和信息网络之间采用DDE技术[4]。

当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工作站时,可以采用动态数据交换DDE(dynam2 ic data exchange)方式实现二者的集成,其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息。

中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站,另外也是信息网络中工作站。

其中运行两个程序,其一是接受、校验实时信息的通信程序,为信息网络数据库提供实时数据信息;另一个是数据库访问应用程序接口,它接受DDE服务器实时数据并写入数据库服务器中,供信息网络实现信息处理、统计分析等功能。

DDE方式具有较强的实时性,而且比较容易实现,可以采用标准的Windows技术。

但是涉及到复杂的协议转换时,DDE方式的软件开销比较大。

因此这种集成方式适合配置简单的小型系统。

(3)控制网络和信息网络采用统一的协议标准。

这种方式将成为控制网络和信息网络完全集成的最终解决方案。

由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准,因此二者集成时总需要某种数据格式的转换机制,这将使系统复杂化,也不能确保数据的完整性。

如果信息网络的协议标准提高其实时性,而控制网络的协议标准提高其传输速度,二者的兼容性就会提高,二者合二而一,这样从底层现场设备到远程监控系统,都可以使用统一的协议标准,不仅确保了信息准确、快速、完整的传输,还可极大地简化系统设计。

上面提到的W orldFIP协议就兼容TCP/IP,因此可以方便地实现与以太网和Internet的集成,使控制网络和信息网络紧密地结合在一起,最终实现统一的网络结构。

当前多种现场总线标准并存,信息网络协议也不尽相同,所以要实现控制网络与信息网络采用统一的协议标准,还有很多具体问题需要解决。

3　结束语
网络是企业综合自动化的基础。

在整个企业的网络体系结构中,现场总线处于基础地位,因此构建完整的现场总线控制网络模型具有重要的意义。

这种模型延伸至控制领域的最高层,即管理决策层,因此要求控制网络和信息网络紧密结合,保证从底层现场设备到顶层生产管理之间正确的数据传输和数据转换。

从长远来看,控制网络和信息网络终将归为一体,其间现场总线将起到沟通生产过程数据流和信息网络数据流的桥梁作用。

参考文献
1　缪学勤.工业控制系统用现场总线.自动化仪表,1998(11)
2　孙宏桥,谢剑英.现场总线模型及其标准化问题1世界仪表与自动化,1998(12)
3　郑文波等.现场总线的网络结构.工业控制计算机,1998(6)
4　王璐璐,章白里.控制网络与控制系统.世界仪表与自动化,1998(2)
(收稿日期:2000-04)□
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