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1、浙江工业大学硕士学位论文面向城市水企业的SCADA系统方案规划姓名：董宵婷申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：乐孜纯20081101浙江工业大学硕士学位论文面向城市水企业的S C A D A 系统方案规划摘要基于城市水企业调度模式多样化、实时性需求高、分布式、集散型、网络化、现场环境复杂等特点，采用现代电子通信技术及综合自动化技术来改造生产流程的各环节和进行企业管理显得极为重要，稳定可靠的S C A D A 系统正是这样一种先进技术，能够解决企业生产过程自下而上的信号采集、传输和实现自上而下的控制与管理，帮助企业完成对生产过程的调度和指挥。论文正是从城市水企业的独有特点出发，力求为
2、其量身定做一套稳定可靠的S c A D A 系统方案，为广大企业的实际操作提供参考。论文立足以太网、现场总线技术、终端控制器等目前比较先进也比较成熟的技术和产品，进行S C A D A 系统的方案规划，主要完成了以下的任务：1 运用以太网、现场总线等技术，进行了S C A D A 系统的通信方式的规划；2 根据城市水企业生产工艺的流程和结构，进行了S C A D A 系统站点的规划，并设置了各站点的参数；3 分析了九溪水厂的自控系统，并对S C A D A 系统方案加以完善。总之，S C A D A 系统的应用，能够有效的实现了整个水处理过程的数据采集和管控一体化，这套完整的方案规划也具有一定
3、的借鉴意义，随着计算机网络技术和通讯技术的发展，相信有更多先进的技术被研发出来，去充实这套S C A D A 系统方案，为企业带来更大的效益。关键词：城市自来水综合自动化系统，以太网，现场总线系统，集散型控制系统，可编程控制器，远程终端控制系统浙江工业大学硕士学位论文T H EP R o G R A MP L A N N I N G o FS C A D AS Y S T E MT H A TF A C EC I T Y 陷口E RE N T E R P R I S EA B S T R A C TD i s p a t c h e st h ep a n e md i V e r S i f
4、 i c a t i o I l，m et i I I l e I yd e m a l l db 弱e d0 nt h I em 觚w a t e re r I t e r p r i h i g l l，d i s t r i b u t i o n a l，m ec o l l e c t i o n 觚dd i s t r i b 叭i o 玛t l l eI l e 铆o f I【t l l es c e n e既I v b 叩m 跖tc o m p l e x 雒d o nc k 吸H G t e r i S t i c s，l 塔e st l I em o d 锄e l e c
5、t r o I l i cc o m m u m c 撕o n st e C h I l o l o g y 锄dt I I es)r n t h e s i s 卸t o m a t i o nt e c h l o l o g y 衄l s f o m l st 1 1 ep d u c t i o np 1 o c c s sV a r i o 髑l i I l：I【sa n dc 枷髓o nt h eb l l s i n e s sm a l l a g e m e n ta p p e a r S 也eg r e a ti m p o r t a】e，m eS t a：b l ea
6、 n dr e l i a b l eS C 舳As y s t 咖i s 眦a d V 觚c e dt e c h r l o l o g y，c a I ls o l V ee n t e 印r i s ep r o d l l c t i o np r o c e s ss i 罂l a lg a t h 硪n gf b mb O t t o mt ot o p，订a n s I I l i t 锄dt 0r e a l i z em et o p-d o w nc o n t r o l 觚d 缸l em a n a g e m e n t，h e l p st 1 1 ee r l
7、t e r p r i t oc 0 1 1 1 p l e t et 0t h ep r o d u c t i o np r o c e s sd i S p a t c ha n dt h ed i r e c t i o n 1 1 l ep 印c ri sp r e c i s e l yi si ns o l ep o s s e s s i o no ft h ec h a r a c 矧s t i cf b mn l eu r b a nw a t e re n t e r p r i t oe m b a f km a k e se v e r ye 肋r tf 0 ri t
8、 sq 啪n t 时b o d yt om a k et 0o r d e ras e t0 fs 汕l e他l i a b l eS C A D As y S t 锄p l 孤，p r 0 V i d e s l c 仃i f l ef o rt h eg e n e r a le n t e 叩r i s e sa c t I l a lo p e r a t i o nm er e f e r e n c e T h ep 印e rf o o n l o I d 吒F i e l d b u S，t h et e m L i n a lc o I l t r o lu n i t 觚dS
9、 00 ni sq u i t ea tp r e s e n ta d v a n c e da l S 0t：h eq u i t em a t u r ct e c l l I l o l o g ya n dt h ep r o d u c t，c a r r i e so n 廿l eS C A D As y s t e m sp r o g r a mp l a n I l i r 唱，m a i l l l yh 硒c o m p l e t e dt h ef O l l o、航n gt a s l【s：1 U s i I 培t e c h n o l o 西e sa n ds
10、 00 nE 烁：m 吒F i e l d b u s，h 铺c a r r i e d0 nt 1 1 eS C A D As y s t e m sm a i l i I 冯a d d r e s sp l a n；2 A c c o r d i l l gt 0n 圮u r b a nw a t e re m 即r i s et e c t 洫q u eo fp r o 山再c t i o n sn o wa n dt h es _ 蚋l c t l l r e，h a v ec a 玎i e do nS C A D At h eS y 蜘s t a I l dp l a n，a n d
11、l l a Se s t a b l i S h e dv a d o t l S 删sp a r 锄酏e r；3 H 弱锄m y z e dJ i u)【is 臼e 锄f a c t o D，a u t o n o m o u Ss y s t e m，觚dc o n s u I m m l t e st 0t l l eS C A D A盯s t e mp l a l l I I lb r i e t 1 1 cS C A D As y s t e m sa p p l i c a t i o n，c o u l de f r e c t i V er e a l i z et l l e
12、e n t i r ew a t e r 骶a n n e n tp r o c e s sd a 偬a C q l l i s i t i o na n d 廿l ec o n 缸1 0 li n t e 刚i o n 廿1 i ss e to fc o m p l e t ep r 0 铲a mm 锄I l i n ga 1 S 0h a dc e r t a i r l l yp r o f i t S 丘-0 mt l l es i g n i f i c a n c e，a l o n gw i l 廿1 ec 0 l p u t e rn e t w o r kt e c l l
13、l l o l o g y 绁l dm e c h a l l i c so fc o 舢 1 1 u l l i c a t i o n sd e v c l o p m e 咄b e l i e v e dt l l a th a dm o r ea d V 删t e c h n o l o g i e st 0浙江工业大学硕士学位论文r e s e a r C ha n dd e v e l o p，e n r i c h e sm i ss e to fS C A D As y s 勺e mp l a 玛b r o u g l l tab i g g e rb e n e f i tf
14、 o rm e即：c a 甲r i K 姆W b r d s：S C A D A，E t h e m e t，F C S，D C S，P L C，舢浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。储戳。秭醐瑚引硼学位论文版权使用授权书t 7 日本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文
15、的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密口。(请在以上相应方框内打“”)日期：泐3 年【p 月7 日日期：砌8 月日浙江工业大学硕士学位论文1 1引言第l 章综述当今现代电子通信技术飞速发展，它作为必不可少的工具，已逐步渗透到了各行各业，在不断发展革新的水行业更是少不了现代电子通信技术。对城市自来水公司而言，采用现代电子通信技术及综合自动化技术来改造生产流
16、程的各环节和进行企业管理是极其重要的，这是改变目前我国自来水企业被动局面的最切实可行的办法。城市自来水公司具备的主要特点有：调度模式多样化、实时性需求高、分布式、集散型、网络化、现场环境复杂等。为了能安全、稳定、可靠地管理好遍布全城的供水系统，必须要建立一个能满足其企业特点的、现代化的、先进的企业综合自动化系统。1 2 企业综合自动化系统的简介城市自来水综合自动化系统(S A S，S y n t h e s i z eA u t o m a t i cS y s t e m)是建立在I n t e r n e t网基础之上的，具有完全开放式的结构。该系统主要包括：信息管理中心系统(I M C
17、S，I n f o r 舱t i o nM a n a g e m e n tC e n t e rS y s t e m)，企业管理与经理决策支持系统(M I S D S S，M a n a g e e n tI n f o r m a t i o nS y s t e m D e c i s i o nS u p p o r tS y s t e m)，或称办公自动化系统(0 A S，O f f i c eA u t o l I l a t i cS y s t 鲫)，企业社会服务系统(C a l l c e n t e r)，它包含管网地理信息系统(G I S，G e o g r a p
18、 h i cI n f o m a t i o nS y s t e m)和自动抄表收费系统(A M R，A u t o 髓t i cM e t e rR e a d i n g)，自来水管网优化系统，数据仓库，生产过程实时数据采集与监控系统(S C A D A，S u p e r v i s o r yC o n t r o lA n dD a t aA c q u i s i t i o n)。该系统的组成框图如图卜1 所示。一3 一浙江工业大学硕士学位论文图卜l 城市自来水综合自动化系统组成框图m企业综合自动化系统(S A S)的基础是企业生产过程实时数据采集与监控系统(S c A D
19、A)。顾名思义，一个完善的S C A D A 系统的建立，依托于高精度、智能化的一次仪表获取信息，准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。并通过终端的控制器，实际完成对现场数据的采集、传输和对现场设备的控制。1 3S C A D A 的应用意义供水系统一般是按成城市的最大需水量进行设计和配置，但也要考虑到需水量的递增和随机性，因此，在需水量大的时候，系统的供给能力可能不足，会造成缺水，而在需水量少的时候，系统的供给能力可能“剩余，会造成浪费。而S C A D A 系统是解决这一矛盾的有力工具，它应用现代信息技术对影响配水全过程各环节的主要设备、运行参数进行实时监测、分析，辅助给水
20、调度人员及时掌握水源、各净水厂送水量、配水管网特征点运行状态，提出调度控制依据或实施参考方案，根据预定配水需求计划方案进行生产调度。它的具体作用主要体现在两个方面。首先，水厂分控中心采集各站点的数据信息，并对这些信息进行存储、分析汇总或打印等处理。通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制站点设备的运行。其次，水厂分控中心同时将汇总数据传送到水司控制中心，以实现整个系统的调度和管理。在水厂内部还可根据生产管理的要求、生产工艺流程的复杂程度、信息量的大小和控制设备的多少来划分水厂监控分站，如：迸水泵房分站、加药间分站、滤池分站、出水泵房分站或水厂配电室分站。每一个监控分站采集现场数
21、据浙江工业大学硕士学位论文信息并上传至水厂分控中心，同时接受水厂分控中心发出的控制命令，控制现场的各种工业设备。此外，每一个监控分站都具有独立的操作系统，它们即可由水厂分控中心控制，也可独立工作脱离系统运行。系统的取水和供水管网监控站点也是如此。由于系统可实现信息的逐级传输和系统的逐级控制，各个站点又具有独立的工作能力，因此系统的灵活性和可靠性将大大提高。同时这种方式也适合于自来水行业现行的管理模式。因此稳定可靠的S C A D A 系统可以解决企业生产过程自下而上的信号采集、传输和实现自上而下的控制与管理，帮助企业完成对生产过程的调度和指挥。其具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功
22、能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。虽然S C A D A 系统所涉及到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等等，但是自上世纪9 0年代以来，这些领域的技术和计算机处理能力稳定飞速的发展使得S C A D A 系统的应用日趋成熟。尤其是计算机与通讯技术的突破性进展，以及系统通讯的数字化、网络化的形成，S C A D A 技术已被赋予了崭新的内涵。它的建立使得企业实现生产过程自动化、全厂信息集成以及企业上网等，均变得更加方便、灵活、容易和经济嘲。一5 一浙江工业大学硕士学位论文第2 章城市自来水S C A
23、 D A 系统的通信方式规划2 1 以太网以太网(E t h e r n e t)，指的是由X e r o x 公司创建并由X e r o x、I n t e l 和D E C 公司联合开发的基带局域网规范。它与I E E E 8 0 2 3 系列标准相类似，因此它不是一种具体的网络，而是是一种技术规范，并且是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用载波监听多路访问及冲突检测技术(C S M A C D，C a r r i e rS e n s eM u l t i p l eA c c e s s C 0 1 l i s i o nD e t e c t e d)技术，传输介质
24、多种多样，包括同轴缆、双绞线和光纤等。其中双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接，而光纤则主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上，同轴缆作为早期的主要连接介质已经逐渐趋于淘汰。2 1 1以太网的发展和分类嘲4 1(1)标准以太网标准以太网只有1 0 M b p s 的吞吐量，使用的是C S M A c D 的访问控制方法，主要以双绞线和同轴电缆为传输介质。所有的以太网都遵循I E E E8 0 2 3 标准，各种以太网络标准如表2 1 所示，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“M b p s，最后的一个数字表示单段网线长度(基准单位是1 0 0 m)，B a s e
25、表示“基带 的意思，B r o a d 代表“带宽。表2 1 标准以太网的标准以太网络标准传输介质最大网段长度传输方法1 0 B a s e 一5粗同轴电缆5 0 0 I I l基带传输1 0 B a s e 一2细同轴电缆1 8 5 m基带传输1 0 B a s e T双绞线电缆1 0 0 m基带传输1 B a s e 一5双绞线电缆5 0 0 m基带传输1 0 B r o a d 一3 6同轴电缆3 6 0 0 m宽带传输1 0 B a s e F光纤基带传输(2)快速以太网一6 一率sss；ss瘳胛叩旧矿胛卵输删叫叫m伽伽专1l1广11浙江工业大学硕士学位论文随着网络的发展，1 9 9
26、3 年l O 月，G r 8 n dJ u n c t i o n 公司推出了世界上第一台快速以太网集线器F a s t c h l 0 1 0 0 和网络接口卡F a s t N I C l o o；1 9 9 5 年3 月，I E E E 宣布了I E E E 8 0 2 3 u1 0 0 B A S E T 快速以太网标准(F a s tE t h e r n e t)，这些动作标志着快速以太网时代的到来。快速以太网致力于满足1 0 M b p s 以上的网络数据流量，并努力将成本控制在最小。快速以太网与原来在l o o M b p s 带宽下工作的光纤分布式数据接口(F D D I，F
27、 i b e rD i s t r i b u t i n gD a t aI n t e r f a c e)相比最主要优点体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5 类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。但快速以太网仍采用C S M A c D 技术，当网络负载较重时，会造成效率的降低，当然这可以使用交换技术来弥补。l O O 鼢p s 快速以太网标准又分为：1 0 0 B A S E T X、1 0 0 B A S E F X、1 0 0 B A s E T 4 三个子类。具体情况如表2 2 所示。其中，1 0 0 B A S E F X 特
28、别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或高保密环境等情况下的适用。技术特点双绞线使用编码方式信号频率布线标准连接器使用最大网段长度表2 2 快速以太网的标准1 0 0 B A S E T X1 0 0 B A S E F X1 0 0 B A S E T 4可使用5 类数据级无屏蔽使用光缆，可使用单可使用3、4、5 类无屏蔽双绞线双绞线或屏蔽双绞线模和多模光纤(最大或屏蔽双绞线距离分别为5 5 0 m 和3 0 0 0 m)两对，用于发送和接收数支持全双工的数据传四对，三对用于在3 3 姗z 的频率据(全双工模式)输上传输数据，(半双工模式)，4 B 5 B1 2 5 M H zE I A
29、5 8 6 的5 类布线标准，I B M 的S P，I 1 类布线标准R J 一4 5 连接器1 0 0 米(3)千兆以太网4 B 5 B1 2 5 删z一对用于C S M A C D 冲突检测8 B 6 T2 5 M H zE I A 5 8 6 结构化布线标准M I C F D D I 连接器、S TR J 一4 5 连接器连接器或S C 连接器1 5 0 m、4 1 2 m、2 0 0 0 m1 0 0 米或更长至1 0 公里浙江工业大学硕士学位论文千兆以太网采用了与1 0 M 以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面
30、应用、操作系统，因此可与1 0 M 或1 0 0 M 的以太网很好地配合工作。即使是由原来的技术升级，也不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地投资保护。千兆以太网的标准分为I E E E 8 0 2 3 z 和I E E E 8 0 2 3 a b，具体分类如表2 3 所示。表2 3 千兆以太网的标准光纤类型光纤直径工作波长传输距离I E E E 8 0 2 3 z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准，定义了基于光纤和短距离铜缆的l o o O B a s e X，采用8 B 1 0 B 编码技术，信道传输速度为1 2 5 G b i t s，去耦后实现1 0 0 0 M
31、b i t s 传输速度。1 0 0 0 B a s e S X只支持多模光纤6 2 5 u m 或5 0 u m7 7 0 一8 6 0 n m2 2 0-5 5 0 m1 0 0 0 B a s e L X多模光纤6 2 5 姗或5 0 u m1 2 7 0 1 3 5 5 硼5 5 0 m单模光纤9 u m 或1 0 u m1 2 7 0 1 3 5 5 姗约5 k m1 0 0 0 B a s e _ c X1 5 0 欧屏蔽双绞线2 5 m(S T P)I E E 鹋0 2 3 a b制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准，定义基于5 类U T P 的1 0 0 0 B a s e
32、 T 标准，其目的是在5 类U T P 上以1 0 0 0 M b i t s速率传输1 0 0 I I l。意义：(1)保护用户在5 类U T P 布线系统上的投资。(2)1 0 0 0 B a s e T 是1 0 0 B a s e T 自然扩展，与1 0 B a s e T、1 0 0 B a s e-T 完全兼容。(4)万兆以太网万兆以太网规范包含在I E E E8 0 2 3 标准的补充标准I E E E8 0 2 3 a e 中，它扩展了I E E E8 0 2 3 协议和M A C 规范使其支持1 0 G b s 的传输速率。除此之外，通过w A N 界面子层(w I S：W
33、A NI n t e r f a c eS u b l a y e r)，1 0 千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率，这就允许1 0 千兆位以太网设备与同步光纤网络(S O N E T)S T S 一1 9 2 c 传输格式相兼容。1 0 G B A S E-S R 和1 0 G B A S E S W 主要支持短波(8 5 0n m)多模光纤(埘F)，光纤距离为2 m 到3 0 0m。1 0 G B A S E S R 主要支持“暗光纤(d a r kf i b e r)，暗光纤是指没有光一8 一浙江工业大学硕士学位论文传播并且不与任何设备连接的光纤。l O G B A S E S W
34、主要用于连接S o N E T 设备，它应用于远程数据通信。l o G B A s E-L R 和1 0 G B A S E 一墉主要支持长波(1 3 l O 硼)单模光纤(S M F)，光纤距离为2 m 到1 0 k m(约3 2 8 0 8 英尺)。l O G B A S E L W 主要用来连接S O N E T 设备时，l O G B A S E L R则用来支持“暗光纤。l O G B A s E-E R 和l O G B A S E-明主要支持超长波(1 5 5 0 衄)单模光纤(S M F)，光纤距离为2 m 到4 0 k m(约1 3 1 2 3 3 英尺)。1 0 G B A
35、 S E E W 主要用来连接S o N E T 设备，l O G B A S E E R则用来支持“暗光纤(d a r kf i b e r)。l 雠E-L X 4 采用波分复用技术，在单对光缆上以四倍光波长发送信号。系统运行在1 3 1 0 姗的多模或单模暗光纤方式下。该系统的设计目标是针对于2 m 到3 0 0m 的多模光纤模式或2 m 到1 0 k m 的单模光纤模式。2 1 2 拓扑结构以太网的拓扑结构主要是两种，总线和星型啼1。总线型所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。早期以太网多使用总线型的拓扑结构，采用同轴缆作为传输介质，连
36、接简单，通常在小规模的网络中不需要专用的网络设备，但由于它存在的固有缺陷，已经逐渐被以集线器和交换机为核心的星型网络所代替。星型管理方便、容易扩展、需要专用的网络设备作为网络的核心节点、需要更多的网线、对核心设的可靠性要求高。采用专用的网络设备(如集线器或交换机)作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上，这就形成了星型结构。星型网络虽然需要的线缆比总线型多，但布线和连接器比总线型的要便宜。此外，星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。2 1 3 接口的工作模式以太网卡可以工作在两种模式下：半双工和全双工。半双
37、工传输模式实现以太网载波监听多路访问冲突检测。传统的共享L A N 是在半双工下工作的，在同一时间只能传输单一方向的数据。当两个方向的数据同时传输时，就会产生冲突，这会降低以太网的效率。全双工传输是采用点对点连接，这种安排没有冲突，因为它们使用双绞线中两个独立的线路，这等于没有安装新的介质就提高了带宽。在双全工模式下，冲突检测电路不可用，因此每一9 一浙江工业大学硕士学位论文个双全工连接只用一个端口，用于点对点连接。标准以太网的传输效率可达到5 0 6 0的带宽，双全工在两个方向上都提供l o o 的效率嘲。2 1 4 以太网的工作原理以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问(C S 姒C D)
38、机制忉。所谓载波侦听(C a r r i e rS e n s e)，意思是网络上各个工作站在发送数据前都要侦听总线上有没有数据传输。若干数据传输，信道处于忙状态，则不发送数据；若无数据传输，信道处于空闲状态，立即发送准备好的数据。所谓多路访问(M u l t i p l ea c c e s s)意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。所谓冲突(C 0 1 l i s i o n)，意思是，若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称数据冲突又称碰撞，此时，以太网选择退避算法。因此，为了
39、减少冲突发生后的影响，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测(C o】i s i o nD e t e c t e d)。2 2现场总线技术现场总线(F i e l d b u s)，是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它遵循I S o o S I 开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议。其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项技术综合了智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术，
40、它的相关产品已在不同程度上被开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要求；还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同于上层高速数据通信网的特点。2 2 1 现场总线系统的发展现场总线系统(F c S，F i e l d b u sC o n t r 0 1S y s t e r m)是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。在工厂网络的分级中，它既作
41、为过程控制(如P L C，L c 等)和应用智能仪表的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能。一1 0 浙江工业大学硕士学位论文现场总线系统经历了五个发展阶段：5 0 年代前的气动信号控制系统(P c S，P n e u m t i cC o n t r 0 1S y s t e m)被称作第一代；4 2 0 m A 等电动模拟信号控制系统被称为第二代：数字计算机集中式控制系统被称为第三代；7 0 年代中期以来的集散式分布控制系统(D C S，D i s t r i b u t e dC o n t r o lS y s t e m)被称作第四代；现在人们所说的现场总线系统是指第五代控制
42、系统，也称作F c S 现场总线控制系统1。D C s 和F C s 两个系统，在如今的市场中都有着广泛的应用。相对而言，现场总线控制系统F C s 作为新一代控制系统，已从过去的集中式工厂控制方式改变为现场完全分散控制方式，突破了D c S 系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；同时把D C S 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。因此，F C S 比D c S 更为优越，开放性、分散性与数字通讯就是它最显著的特征。现场总线技术至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有：F o
43、 u d a t i o n F i e l d b u s(F F)、L o n w o r k s、P r o f i b u s、H A R T、C A N、D u p l i n e 等。它们具有各自的特色，并在不同应用领域形成了自己的优势。2 2 2 集散式分布控制系统D c S 是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(C o m p u t e r)、通讯(C o 哪u n i c a t i o n)、显示(C R T)和控制(C o n t r 0 1)等4 c 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。它具
44、有以下特点嗍：(1)高可靠性由于D C S 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。(2)开放性D c S 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。(3)灵活性浙江工业大学硕士学位论文通过组态软件根据不同的流程应用对
45、象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。(4)易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。(5)协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。(6)控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算
46、法。2 2 3 现场总线控制系统的特点n 0 1(1)系统的开放性开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成一套完善的系统。(2)标准化网络结构的简单性以P r o f i b u s 现场总线为例，如图2 一l 所示。浙江工业大学硕士学位论文管理计冀
47、杌图2 1 现场总线(P r o f i b u s)的通信系统图中，P r o f i b u s F M S 是总线报文规范，P r o f i b u s D P 为现场设备总线协议，P r o f i b u s P A 是P r o f i b u s D P 向现场的延伸，所不同的是它在物理层采用了I E C l l 5 8 2 传输技术，使测量变送器和执行机构也能够在易爆危险区域远距离地同中央自控仪表系统通信，且可通过现场总线反馈。C N C(C o m p u t e rN u m e r i c a lC o n t r 0 1)即数控技术。P r o f i b u s 总
48、线访问协议是一种混合协议，主站之间使用令牌传递方式(T o k e nP a s s i n g)，主站与从站之间采用主从方式(M a s t e r S 1 a v e)。其传输技术应用N R Z 码、R S 4 8 5，传输介质采用双绞线、双线电缆或光缆。通讯速率可从9 6 K b s 达到1 2 M b s。网络拓扑结构可为总线型、星型、环型。布线方式改变过去的串行为并行，取消了常规布线的配线架、电源隔离器和现场分线箱，网络结构更加简单。(3)互可操作性与互用性互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类
49、似的设备可进行互换而实现互用。(4)现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。而现场仪表的布线可采用并行布线方法，能节省大量的信号电缆，安装简便，使工程费用降低。一1 3 浙江工业大学硕士学位论文(5)系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有D C S 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。(6)系统传输信号的优选性系统用可靠的数字信号取代4 2 0
50、I I l A 模拟信号。以H A R T 总线为例，它使用串行传输方法，采用数字信号通信，它对普通的模拟信号加以调制，以1 2 0 0 H Z 的“O”信号和2 2 0 0 H Z的“1 信号两种频率的正弦波传输，能耗低，干扰少，效率高n 幻。(7)对现场环境的适应性工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。2 2 4 现场总线控制系统的优点n 0 匐由于现场总线的这些特点，特别是其系统的结构简化使得控制系统的设计、安装、投