“现场总线控制系统”课程的教材建设

凌志浩

(华东理工大学自动化系,上海200237)

现场总线控制系统作为企业信息化建设的底层工程网络,是当今控制装置与控制系统发展的先进技术。“现场总线控制系统”课程已成为自动化专业学生的主修课程之一。本课程主要介绍现场总线的发展和应用概况、现场总线控制网络的通信基础、支持现场总线控制网络的核心技术以及控制网络的开发过程等[1]。

1 教材内容规划

通过多年的现场总线技术教学实践以及对其课程体系的探索,在梳理课程线索、教学内容和教案设计的基础上,笔者编著了《DCS与现场总线控制系统》[2]教材。现将该教材中的内容,归纳为基本原理、相关知识和应用实践三个方面。

(1)基本原理:阐述现场总线产生原因、发展趋势和应用前景;对比现场总线控制系统与PLC、DCS等控制装置(或系统)的关系;探讨基于时间驱动或事件驱动的MAC层协议的特征及其实时性、可靠性等性能;分析现场总线控制网络与信息网络的差异;对比不同现场总线的特点和优势;介绍IEC61158 Ed3的10种标准现场总线的基本架构、实现技术、优势领域的应用案例和选型注意事项;讨论工业以太网的技术原理、发展趋势和e网的应用理念。

(2)相关知识:介绍现场总线控制网络、电信网络及因特网等三网合一的实施技术;讨论利用组态软件设计现场总线控制系统中监控软件的方法;探讨如何利用现场总线技术来沟通“自动化孤岛”的现实可能性,提供解决企业信息化建设中的信息集成和系统集成问题;分析无线传感器网络的组网技术及其对现场总线的拓展和补充。

(3)应用实践:以现场总线控制网络应用中所涉及的技术和工程问题,以LonWorks核心技术为依托,叙述通信节点、现场智能节点和网络互连设备等硬件的设计过程;分析网管软件、通信软件、驱动软件、DDE(或OPC)服务器软件和监控软件等的实现细节;讨论若干具有指导意义的现场总线应用案例。

2 教案内容选择和考虑

根据上述教材内容规划,笔者在教材编著过程中对现场总线的背景和教学案例选择作了如下的综合考虑。

1)现场总线的由来和发展

通过对传统仪表与智能仪表的对比,看到现场智能仪表与主机系统间传输的信息量急剧增加,需要现场智能仪表和主机系统之间应具有直接进行通信的能力,并具有统一的通信协议。也就是说,只需一根通信线缆就可将分散的现场设备连接起来,完成对现场设备的监控。由此可让学生知道嵌入式系统、通信技术等对现场总线这种新技术的需求由来,为以后关注通信协议芯片、掌握接口原理、设计所需的现场总线智能仪表起到激励作用。

2)与PLC和DCS的渊源和本身的功能特点

有一类现场总线技术是由PLC为基础的控制系统发展而来,它们以远程I/O技术为基础,通常不具备通过总线向现场装置供电和本质安全性能;另一类(如IEC和FF HSE)是由传统DCS发展而来,这类总线功能复杂和全面。通常,现场总线具有全数字化通信、开放型的互联网络、互可操作性与互用性、现场设备的智能化、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性等特点,其功能也比信息网络有更多的特点。

(1)高效、低成本地实现现场仪表及主控设备间的全数字化通信,以体现其经济性;

(2)解决现场仪表的总线供电问题,实现现场总线的本质安全规范,以体现其安全性;

(3)解决现场总线的环境适应性问题,如电磁干扰、环境温度、适度、振动等因素,以体现其可靠性;

(4)现场仪表要尽可能地就地处理信息,以体现现场总线技术实现信息处理现场化。

3)对企业信息化建设的支持

信息化带动工业化迫切需要企业加快信息化建设,而企业CIMS的基本框架需要得到现场总线控制网络的技术支持,它能直接延伸到生产现场,直接联通基础自动化这一信息孤岛,为实现企业的纵向信息集成提供了保障。

4)工业以太网标准

过去一直认为,以太网是为IT领域应用而开发的,它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距,在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上,这些问题正在迅速得到解决,国内对EPA(Ethernet for Process Automation)技术也取得了很大的进展。

水资源论证工作的各环节需进一步加强和规范。在报告书编制程序、编制格式，资质单位间的合作，报告书审查程序、审查形式、审查结论等方面还需严格和规范。缺少全面的水资源论证监督管理，对资质单位缺乏考核，对评审专家的监督管理和从业技术人员的培训不够，水资源论证市场缺乏有效的监管，存在无序竞争、随意压价等问题。公众参与机制还未建立，水资源论证与受影响取水用户的取水权益及公众的环境权益密切相关，在水资源论证制度的实施中，公众参与还比较薄弱，需要继续加强和完善。

随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用,可以预见以太网技术将会迅速进入工业控制系统的各级网络。以太网在工厂管理层和车间监控层将成为主流技术,与互连网技术结合是未来eManufactory技术基础;在没有严格时间要求的设备层也将获得一定的发展,但对一般工业网络要求实时性、安全性通信场合,现场总线技术还将处于主导地位。就目前而言,人们还必须正确面对一个多种网络技术并存的现实世界。

5)现场总线与局域网关联

(1)分析现场总线系统的实时通信需求,教材要给出描述协议性能的参数,描述现场总线控制网络的数据类型和时延模型,引用排队论等分析工具,对竞争类CSMA协议的原理及其性能进行了深入分析和仿真计算,得出相关参数(如节点数目、输入负载、数据帧长度和传播时延等)对性能影响的敏感程度。

(2)简述LonTalk协议各层次的功能,分析其MAC子层协议(时隙可预测P-坚持CSMA协议)的特点,剖析时隙可预测P-坚持CSMA协议的实施策略,描述时隙可预测P-坚持CSMA协议的实现算法,并结合应用例子分析该算法在不同通信服务方式下的效果和影响,给出信道效率分析方法和相关模型。

(3)针对现场总线与监控服务器的接口问题,设计和实现智能通信节点,采用排队论对其部件性能进行探讨;通过对通信系统的M/M/1建模,对网络测控数据的传输实时性进行综合分析,推断出网络节点个数、数据帧长度、服务率、服务强度和概率等参数之间的关系。

(4)给出低成本控制网络的定义和设计目标,描述基本节点的类型和作用,分析智能节点的基本功能,给出智能节点的设计和应用实例;提出在现场智能节点和通信节点上实现即插即用技术的方法,并对组网原则、数据通信方式选择、节点安装方式以及物理网络的安装设计等组网策略进行了全面讨论[3]。

(5)介绍C/S模式下现场总线控制系统的软件组成,描述网络管理、通信驱动、数据管理和维护等软件功能。围绕信息集成问题,探讨OPC技术及其规范,给出OPC服务器设计的实施技术和步骤,实现基于数据存取规范的OPC服务器;另外,还对支持数据库管理和操作的ODBC技术及其应用方面的问题作了研究和实践。

6)典型应用案例选择

通常,现场总线控制网络主要由PC机、现场智能节点、网络适配器和通信介质等组成,由现场总线担任现场过程与安装在控制室中的PC机之间的串行数字通信链路。由于现场总线是基于数字通信的,因此在现场与控制室之间,能实现多变量双向通信。其中,控制室PC机主要实现网络管理方面的各种功能,监视和管理所连子网及所有现场智能节点,包括登录节点、诊断节点、监视节点的运行状态、管理显示屏幕、实现对某些节点的手动操作或控制等[4]。网络适配器是控制网络与PC机、具有数据通信功能的仪表之间相互连接的接口。网络信息可以通过该网络适配器进、出PC机,现场智能节点是一些带有 Neuron芯片的,能进行现场数据(开关量、模拟量)采集和处理的,且具有可靠网络通信功能的现场智能装置,它们提供数据测量、数据处理、过程监视和过程控制等功能,可以直接与如传感器和执行器等相连,进行数据采集或输出控制信息。

通过引出有关智能网络适配器、现场智能节点以及相关软件的设计原理和实现过程,着重完成支持不同标准总线的智能网络适配器的硬件电路设计,寻址方式和冲突仲裁考虑,通信管理软件的设计,网络接口软件功能和实现方式和PC机与网络接口之间的数据交换策略等;并以远程数据采集装置的设计为具体案例,剖析MAX186 A/D芯片与支持LON总线的Neuron芯片的接口、数据采集程序、报文组建过程和数据通信软件。通过此案例,可让学生了解从单个节点局部到控制网络整体的实施步骤。

(2)选择典型的应用案例实施案例教学

在应用实践方面须以案例教学为主,分析一些来自实际应用并对各行各业具有指导意义的现场总线应用案例。如用于热能计量的现场总线控制网络将现场总线应用与InT ouch组态软件有机地相结合,让学生熟悉监控软件的组态方法,掌握在网络环境中利用DDE或OPC服务器实现数据交换和获取的方法;又如分布式电子考勤系统将1-Wire技术、数据库技术综合到现场总线技术的应用系统之中,让学生从中能接收到新知识和新技术,并逐渐学会综合运用相关知识的方法;采用现场总线与公共电话网的远程监控系统结合MODEM的工作原理和应用技术,将现场总线网络与电信网二网合一,使学生能对这些适用于远程监控系统的技术和应用有所体验,并对其用于地理位置分散的大气环境监测、水质监测等远程监控系统的实现方法有所领悟;另外,结合工业以太网的热点,给学生探讨 LON现场总线与以太网的集成技术,通过对其系统结构、协议栈、套接字、LON-Ethernet网络接口设计、嵌入式TCP/IP网络协议的实现、通信软件等方面的分析以及某测控系统应用实例的介绍,让学生能体会到基于以太网的远程监控系统的组成和实现手段,了解LON(或其它)现场总线与工业以太网的信息集成方法。

3 结语

现场总线作为目前自控领域的新技术,具有开放性、互操作性和全分布等优势。本文介绍的面向工程教育的教材,通过对现场总线基本原理、通信协议、网络结构和应用成果等方面的阐述,展现现场总线技术的基本概貌。教材顾及了工程教育和案例教学的基本需求,对引导工科学生学以致用、体现其实用性和指导性具有一定效果。笔者希望通过该教材编写和教学实践,不断总结经验教训,力争实现一个好大纲、一本好教材及一套好课件的目标,使“现场总线控制系统”课程的教学更上一个台阶。

[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.8

[2] 凌志浩等.DCS与现场总线控制系统[M].上海:华东理工大学出版社,2008.9

[3] 凌志浩.现场总线与工业以太网[M].北京:机械工业出版社,2006.11

[4] 凌志浩.从神经元芯片到控制网络[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.2