采用现场总线等技术的综合网络建设

摘  要：首先对当前企业综合自动化的发展方向和具代表性的过程控制系统进行了简要的介绍，而后着重讨论了工业控制计算机技术、数据通信及网络技术的应用情况，最后提出了当前构建企业综合信息网的可行解决方案。
   关键词：过程控制;现场总线;工业控制计算机;Internet;企业综合信息网
   一、引言
   　　计算机技术、微电子技术、网络技术和通信技术的快速发展，推动了过程控制、MIS系统和Internet的广泛应用。如何将原来相互独立的过程控制、MIS系统、OA系统和Internet集合在一起构建成企业综合信息网，避免控制系统成为“信息孤岛”，充分利用实时资源，实现管控一体化。这是企业综合自动化发展的必然趋势，也是目前许多企业面临的问题。在现场总线等大量新技术及新产品愈发成熟的基础上，如何将控制系统与管理信息网联结起以实现企业的最佳效益，在此笔者提出了对此情况的解决方案。
   二、具代表性的过程控制系统
   　　目前，正在企业中运行着的过程控制系统，大部分是从80年代中开始建设的，其中90年代初中期建立的系统是较具有代表性的。这一阶段，随着计算机应用的开始普及，工业控制计算机技术水平和产品性能的不断提高，智能化测控仪表的大量出现，我国许多企业纷纷建立了采用计算机工业控制技术和现代电子传感技术的生产过程控制系统。这些系统具有以下特点：
   　　1、系统结构
   　　系统多是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。系统结构框图如下：（图1）
   
   　　2、系统设备
   　　（1） 上位机多为286或386级的工业控制计算机，下位机为STD总线8088或ISA总线286级工控机，操作系统大部分还是老式的MS-DOS。
　　（2）监测、执行设备的选用由现场实际情况而定。
　　（3）上位机与下位机之间多采用BITBUS方式进行通信。
   三、当前的相关技术
   　　近年来，现代电子技术、计算机技术、网络技术和通信技术的迅速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早期的286、386发展到了目前的PIII、P4，性能是越来越强，从系统总线上可大致划分为：ISA 总线、STD总线、PCI总线三大类。
   　　（1）ISA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。90年代流行的IPC机多属于这一类， 为了满足现场工作的环境要求，这类IPC机在结构上都做了相应处理。此种机器扩展不易，操作系统与PC计算机完全相同。此类机型目前正被PCI机型逐步替代。
   　　（2）STD总线工控计算机。STD总线计算机是一种多功能、模块化、可靠的小型标准的体系结构，在80年代中后期，它在工业控制市场上曾占据过重要地位。此种机器一般采用嵌入式结构，拥有丰富的I/O功能，扩展、组合及维护非常容易，但是需要使用STD总线专用板卡。目前其处理器最高为586级别以上。
   　　（3）PCI总线工控计算机。这类IPC机系采用Intel Pentium芯片（80586 CPU）或以上和PCI总线构成。PCI总线现已成为高性能PC计算机的总线标准，其总线宽度大，传输速率高，主机速度及在机与外设间的交换速度被提高到一个新的档次，而且PCI总线与CPU的无关性使其具有很好的兼容性。目前PCI总线已大量应用于工控计算机上，此种计算机可借助于PC机的强大资源而具有很强的数据处理、图形显示和网络通信能力。
   　　2、数据通信及网络技术。
   　　（1）RS-232-C和RS-422/485通信总线在过程控制中均有着广泛使用。RS422/485的直接传送距离和传送速率都比RS-232-C要好，且抗干扰能力强，接收灵敏度好，可用于PC机之间、PC机与单片机之间及网络仪表之间构成远程多机通信网络。虽然，计算机普遍提供的是RS-232-C接口，但现在的智能仪表一般都提供为RS422/485接口，它们之间的通信可通过RS-232-C与RS422/485转换器。
   　　（2）BITBUS通信总线在短距离传输时，传输速率较快，并可连接250个结点，但总线上只能有一个主节点，系统可靠性较差。但在此总线基础上的软件开发相对RS-232-C和RS-422/485总线容易。BITBUS在90年代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为代表的网络技术目前广泛用于构建计算机管理数据通信网络，实现资源共享。由于过程控制是面向生产现场，是控制底层，故控制网络必须做到高实时性、高准确性、高容错性、高可靠性、高安全性，要求网络协议实用简单，网络结构高度分散等特点。因此管理信息网络与控制网络在物理上是属不同的结构层次。通过基于TCP/IP协议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，可实现控制网络与管理信息网络的集成及资源共享。
   　　（4）FIELDBUS即现场总线是工业控制技术的必经之路，是一种应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现开放式的双向、串行、多节点、数字化通信的底层控制网络系统，是当今工业过程控制领域技术发展的热门话题并受到广泛关注。要实施此项技术，首先要求现场控制设备具有微处理器和数字计算、逻辑判断、数字通信和智能功能。将这些现场智能设备用于生产对象就构成一个现场控制设备。其二应采用相应规格的导线（普通电缆、双绞线、光纤等）按照公开、规范、统一的通信协议，将各现场控制设备和监控测量设备连接组合成控制网络。在此，现场控制设备就成为网络中的节点，它们即可以单独又可以节点与节点之间、节点与过程监控计算机及至Internet网之间的数据传输、信息交换、远程登录和远程访问（与网络技术相结合）等任务。现场总线适应了工业控制系统向全分散、全开放、数字化、网络化、智能化发展的方向，对实现面向设备的自动化系统起到巨大的推动作用，导致了工业自动化产品的又一次更新换代，将企业综合信息网延伸到了控制现场。现场总线目前具有多种标准，尚无统一的国际标准。
   　　3、测控设备。
   　　这是过程控制系统的底层设备，即信息获取及指令执行设备。由于现场总线的快速兴起更加快了测控设备向着数字化、智能化方向的发展趋势。
   四、如何构建企业综合信息网
   　　我们的目标首先是将原来各自独立的过程控制系统、企业管理信息系统、OA系统等集成为企业综合信息网。在实现目标的前提下，既要保证系统的资源共享和先进性，还应保证系统的可开发性和升级能力。
   　　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：采用现场总线技术。系统结构简图如下：
   　　方案中，取消了原系统中的上位机。
   
   　　工控机：考虑运行Windows NT或Windows 2000，选用PIII或P4级处理器、PCI总线的IPC，内存储器256M以上，按需要配置数据采集、控制接口板，装上以太网卡。
   　　通信：通信线路按现场总线要求重新铺设，现场总线协议可选择Profibus、基金会现场总线（FF）或CAN等。
   　　现场设备：在最大可能保留原来测控设备基础上，增加现场总线所需各种设备。这部分工作主要是针对原过程控制系统进行，目的是资源的最大利用。
   　　网络接口：通信协议选用TCP/IP。根据工控机一般与企业管理网服务器距离较远的特点，可借助电话线路通过Modem连接或采用光纤电缆来连接。
   　　软件：操作系统由原来老式的MS-DOS更换为Windows 98、 Windows NT或Windows 2000，监控系统则可选用商品化的组态软件（如国外Interllution公司的iFIX、国内北京亚控的“组态王”等）。开发与管理网相连接的连接程序。
   　　2、方案2：系统结构简图————如（图1）
   　　在此方案中，基本保留原控制系统结构。现场的测控设备保持不变，通信方式也保持不变 。上位机系统板由8088或286升级为586以上。上位机可更换为PCI总线PIII以上级别的IPC，内部安装网卡和BITBUS卡。上位机与下位机之间通信仍然采用BITBUS总线连接。上位机与企业管理网之间的网络接口协议软件可选择TCP/IP。可借助企业内电话线路通过Modem或采用光纤电缆与管理网服务器连接。上位机操作系统也应由原来的MS-DOS转换为Windows NT或Windows 2000，下位机可继续使用MS-DOS操作系统及原监控程序和通信程序，也可转换为Windows 98或 Windows NT操作系统，则需重新开发监控程序和通信程序。
   　　3、两种方案比较
   　　我们集成系统追求的目的是以较低的成本获得较高的性能，而具体方案的选择要算细帐、看投资、比效果后需要根据企业各自不同的基本情况及市场发展来综合考虑再决定。
   　　在这两种方案中，方案1采用现场总线技术，此方案在技术上是当前先进的，而且运行、维护成本较低，开放性高，是新建系统则是最佳的首选方案。如是在原有系统上实施，则需大量更换、新增设备，重新进行安装调试，原有控制软件也需要重新设计，这样会造成较多的重复投资，费用较大，对现有生产也会造成一定的影响，但性能水平大为提高，以后的升级、扩展也很方便。
   　　方案2是在原有控制系统上构建企业综合网的低成本解决办法。该方案基本保留了原系统的结构，更新、增加设备不多，对生产影响不大。虽然投入费用比第一方案少许多，但相对来说性能提升不大，由于当今技术飞速发展，集成综合信息网后将来有可能成为发展瓶颈。
   五、结束语
   　　本文以企业控制系统为基础，针对计算机、网络和过程控制出现的新技术、新趋势，提出了企业管控一体化、构建综合信息网的解决方案。
   参考文献：
   　　（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
   　　（2）凌澄 PC总线工业控制系统精粹（M） 北京：清华大学出版社，1998
   　　（3）张常年等 计算机通信与工业控制（M） 北京：化学工业出版社，2002