现场总线与上位站通信分析报告

...11/11科技学院分散控制系统与现场总线技术研究报告(2011--2012年度第一学期)名称：分散控制系统与现场总线技术课题：基于现场总线技术的智能仪表与上位站通信设计分析院系：动力工程系班级：学号：学生：指导教师：大中老师成绩：日期：2011年12月30日《分散控制系统与现场总线技术》课程设计任务书一、目的与要求1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以与组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5．报告原则上要求依据相应工程技术规进行设计、制图、分析和撰写等。二、主要容1．每个学生依据个人情况选择课程设计题目；2．分散控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施综述；3．分散控制系统工程应用方案设计分析；4．现场总线技术发展应用综述；5．基于现场总线技术的工程应用方案设计分析；6．分散控制系统差错、容错控制技术设计分析；7．工程师站、操作员站功能应用综述；8．现场控制站工程应用控制方案设计分析；8．SOE、事故追忆技术分析综述；9．分散控制系统接地系统设计与可靠性分析；10．分散控制系统电源安全供电系统配置方案综述。三、进度计划序号设计容完成时间备注1选择课程设计题目，查阅相关文献资料12月26日2文献资料的学习根据所选题目进行方案设计12月27日3与指导教师讨论设计容、修改设计方案12月28日4撰写课程设计报告12月29日5课程设计答辩12月30日四、设计成果要求1．针对所选题目的国外应用发展概述；2．课程设计正文容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以与综述、分析等；3．课程设计总结或结论以与参考文献；4．要求设计报告规完整按照《华北电力大学课程设计标准格式》撰写。五、考核方式《分散控制系统与现场总线技术》课程设计成绩评定依据如下：1．课程设计报告；2．独立工作能力与设计过程的表现；3．答辩时回答问题情况。成绩综合评定分为优、良、中、与格、不与格五个等级。学生：指导教师：大中2011年12月30日1总线技术简介基金会现场总线FF（FieldbuseFoundation）以ISO/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性与操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以与构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。编辑本段背景基金会总线（FF，FoundationFieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WorldFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规具有一定的权威性。编辑本段两种通信速率基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31．25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电防爆环境。H2的传输可为1Mbps和2．5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158－2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。编辑本段主要技术容基金会现场总线的主要技术容，包括FF通信协议、用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈（CommunicationStack）?犛糜诿枋錾璞柑卣鳌⒉问?、属性与操作功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件以与构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。1996年在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金组织实施，首次向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，展现了基金会现场总线的基本概貌。现场总线技术与上位站通信设计概括现场总线控制系统被认为是DCS的有力取代者．由于现场总线的协议众多。不同协议的兼容性问题一直困扰工业界。为此许多现场总线组织(或生产厂家)提出基于以太网的控制系统标准。目前，各生产厂家的作法都是在自身的现场总线设备基础上．增加高速以太网HSE(HighSpeedEthemet)连接器或相应转换设备。同样存在不同生产厂家设备的互换性问题；到目前为止还没有完全基于高速以太网的自动化仪表(变送器和执行器)。本文设计的智能仪表并不仅是一个变送器或执行器，而是具备必备的上层控制功能．能够完成必要的控制过程，相当于将现有DCS控制功能分散于各个底层设备中。而上层设备只有相当于DCS的工程师站和操作员站。结合通用组态软件可以完成控制系统的组态、下载．形成底层的智能自动化仪表和高层的智能系统软件。为控制系统实现分散化、智能化、协调性、集成方式打下基础。1．总体方案1．1系统功能系统主要功能是实现工业中的智能仪表的数据和上位机之问高速以太网的传输。通过仪表的智能前端把智能仪表的数据采集起来，智能前端利用部的TCMP协议．通过高速以太网以数据包的形式发送给上位机中。在上位机将适当的控制算法模块联结起来之后。将它形成一个组态文件，下载到智能仪表中运行．调用相应的算法．从而来完成特定的控制功能。本设计系统图的对比如下。1．2分层结构描述相邻控制关联密切的在同一交换机下．形成一个相对独立的控制子网．整个控制可以有几个到几十个甚至上百个控制子网。子网间由上层核心交换机完成(必要时可以使用多个)．子网间只通信必要的信息。核心交换机可以连接数据服务器与工程师站和操作员站。这样就使得控制功能彻底分散到底层智能仪表中。上层完成数据存储管理、工程师站、操作员站功能。网络都是冗余系统。同时每个智能仪表采用双网卡结构，必要时仪表可以采用双CPU冗余设计。1．3智能仪表控制功能的实现每个智能仪表完成部分乃至全部的控制策略．在组态过程中可以将整个系统的智能仪表看作_个整体进行组态、下装。控制功能实现可以由仪表间进行远程调用。控制可由智能仪表间协作完成，可采用如(DCOM、COORBRA)或采用群Agent的方法。控制功能可以在子网迁移，协作完成整个控制任务。整个控制功能可以在线互为备份。2．硬件结构2．1系统结构智能仪表的智能前端通过TCP，IP网络协议连接到交换机上。我们对每个智能仪表分配一个IP地址．上位机通过不同的IP地址．从而实现对特定仪表的通讯。当数据传输距离增大时．可以通过增加交换机来实现远距离传输。2．2智能前端的硬件结构智能前端主要由基于ARM核的微处理器AT9lRM9200，100M以太网控制器芯片RTL8100，串口电平转换芯片MAX232以与RS232串口与RJ45接口组成。结构如图所示．匾M强篙戡跞2．3以太网接口电路与实现方法以太网接口硬件电路使用的芯片主要有微处理器AT91RM9200、RTLSl00、AM29I、V002B、74Lvl38等。其中AM29L、V002B是Flash存储器。主要用来存放程序，由于A四1RM9200微处理器带16kB的SRAM和126k的BootROM，足够存放数据。故此方案无需扩展RAM。TS7023是个隔离滤波器。RJ45为100BaseT的以太网接口连接器。74LVl38提供RTL8100的片选信号。9346是采用4线SPI串行接口的EEPROM．容量为墩B(64x16bit)主要保存RTL8100的配置信息。00H。03H的地址空同用于l字储舢100配置寄存器CONFIGI～CONFIG4的上电初始化值：地址04H～llH存储网络节点地址即物理地址：地址12H。7FH存储即插即用的配置信息。RTL8100通过引脚EECS、EESK、EEDI控制9346的CS、SK、DI引脚，通过EEDO接收9346的DO引脚状态。RTL8100复位后读取9346的容并设置部寄存器的值。舢100是性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控制器。它的主要特性包括：符合EtherenetU与IEEE802．3标准；全双工，收发可同时达到lOOMbitYs的速率；置16kB的SRAM，用于收发缓冲。降低对主处理器的要求；支持U四，AUI，BNC自动检测。还支持对lOOBaseT拓扑结构的自动极性修正。RTL8100部有两块RAM区一块16kB．地址为0x4000～0x7髓；一块32字节，地址为0x0000,-．Ox001f。RAM按页存储，每256字节为一页。本方案中将RTL8100的RAM的前12页(0x4000-4)x4bff)作为发送缓冲区．后52页渤幽00。ox7m)作为接收缓冲区．第O页只有32个字节，用来存储以太网的物理地址。RTL8100具有32个输出／输入地址，地址偏移量为00H。1FH。其中00H，0FH共16个地址为寄存器地址．寄存器分为pageO、pagel、page2、page3，由RTL8100中的命令寄万方数据2010年第26期科技曩向导

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存器CR中的PSl和PSO位来决定要访问的页。复位端口包括18H一1FH共8个地址，用予RTL8100的复位。3．软件结构linux作为支撑系统，所有程序均采用基于GGC的C语言编写．而且它具有可读性强、容易移植、开发简单、调试方便的优点。3．1hnux简介“nllx是由LinusBenedictTorvalds等众多软件高手共同开发的．是一种能运行于多种平台(如PC与其兼容机、Alpha工作站、SUNSpare工作站)、源代码公开、免费、功能强大、遵守POSIX标准、与Unix兼容的操作系统。Linux运行的硬件平台起初是Intel386、486、Penfium、PentiumPro等。现在，还包括A1pha,PowerPC、Spare等。Linux不但支持32位，还支持64位如Alpha。Linux不但支持单CPU，还支持多CPU。3．2以太网接口程序设计。编写控制以太网接口程序的步骤为。3．2．1用C语言库函数作为源文件加入项目中．将用到的头文件包含进项目中。3．2．2RTL8100初始化：控制ARM对RTL8100复位引脚re8t迸行复位，启动RTLSl00工作。设置接收状态寄存器RCR和发送状态寄存器TcR。划分接收缓冲区和发送缓冲区．并使之处于接收状态。3．2．3传输数据包：发送过程是通过执行远程DMA写操作进行，给要发送数据加上以太网首部，即目的地址、源地址和类型字段，使之符合以太网帧格式，传至RTL8loo发送缓冲区，启动包发送命令即可。3．2．4接收数据包：RTL8100通过DMA方式读写数据。首先查询状态寄存器CURR判断是否有数据分组到达。如果有则启动远程DMA读．接收数据，并根据接收数据的状态值判断数据包是否完好．以便继续读取其它数据．进而根据所读以太网首部中的协议类型．转向相应的协议处理程序。4．结束语本系统采用了一种新颖的嵌入式控制器．在产品性能上有了很大的提高，价格便宜。可以在工业控制中使用。并且为控制系统实现分散化、智能化、协调性、集成方式打下基础。同时建立具有我国自主知识产权的技术体系。采用这样的控制系统可以大量节省控制设备投资．简化控制系统设计．整体提高控制系统的可靠性。打破国外对现场总线控制技术的垄断，为我国控制技术设备在一个高层次上发展提供很好的技术支持。2智能仪器仪表的简介2.1智能仪器仪表简介仪器仪表（英文：instrumentation）仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表，和电动调节仪表，以与集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。2.2智能仪器仪表的作用科学技术是第一生产力，仪器是科学技术发展的重要“工具”。著名科学家王大珩先生指出，“机器是改造世界的工具，仪器是认识世界的工具”。仪器是工业生产的“倍增器”，是科学研究的“先行官”，是军事上的“战斗力”，是现代社会活动的“物化法官”。不言而喻，仪器在当今时代推动科学技术和国民经济的发展具有非常重要的地位。1.仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障。人类发展史上任何一次大的飞跃都是基于工具的巨大创新和根本变革驱动的，作为“工具”的科学仪器的发展和创新往往是催生科技创新的重要要素。2.仪器是经济发展和国防安全的重要保障。仪器是保障经济发展、国家安全不可或缺的重要基础条件。首先，著名科学家钱学森先生指出：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础”。3.仪器是推进和谐社会建设的重要力量。目前，全球的资源枯竭、环境污染等问题成为社会健康发展的瓶颈；食品安全问题、公共突发事件、疾病诊断、易燃易爆化学危险品等给人民的生活带来了严重影响，这些重大问题的解决都离不开先进的检测技术和手段。2.3应用效果1、集中管理各地客户资源，统一客户信息的平台。2、提高工作效率，并对现有资源进行整合、共享。3、使业务人员的行为更加有效，了解业务员的行动状态。4、梳理现在的业务状态，实现销售的过程化管理。2.4智能仪器智能仪器是把一个微型计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中而构成的独立式仪器。嵌入的计算机系统可以是芯片级，如单片机、数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)等，模板级如PC-4。也可以是系统级，如微型计算机系统，可编程单芯片系统(SystemonaProgrammableChip,SOPC)等。智能仪器在结构上自成一体，有的仪器部还带有专用的微型计算机系统和通用接口总线(GeneralPurposeInterfaceBus,GPIB)接口，能独立完成测试。智能仪器由于引入了计算机，功能强大，性能优异，使用灵活、方便，是现阶段高档电子仪器的主体。如离子污染测试仪，上PIN机，双盘研磨机，剥离强度测试仪，拉脱强度测试仪等都采用智能技术的现代化精密检测仪器，又比如纳米智能机器人。随着新技术、新工艺和嵌入式系统技术的不断进步，智能仪器还在不断发展，不断推出新，不断提高智能水平。2．5发展主流随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高，中国仪器仪表行业也将发生新的变化并获得新的发展。仪器仪表产品的高科技化，必将成为日后仪器仪表科技与产业的发展主流。世界近20年来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术和生物技术等高新技术得到了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向仪器仪表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、检测微损甚至无损、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。尤其需要指出：近10年来，由于包括纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以与高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在的一大批当代最新技术成果的竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革。通过分析可以看出，高科技化不但是现代仪器仪表的主要特征，而且是振兴仪表工业的必由之路，也是新世纪仪器仪表与其产业的发展主流。2.6性能衡量仪器仪表性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。精确度表示仪表测量结果与被测量真值的一致程度。仪器仪表的精确度常用精确度等级来表示，例如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等。0.1级表仪表总的误差不超过±1.0%围。精确度等级数小，说明仪表的系统误差和随机误差都小，也就是这种仪表精密。灵敏度表示当被测的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比，它反映仪表能够测量的最小被测量。响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95%时的时间为准。此外，还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。科学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。仪器仪表的发展趋势是不断利用新的工作原理和采用新材料与新的元器件，例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现仪器仪表的小型化，减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能，提高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用，而且可能过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来，组成各种测试控制管理综合系统，满足更高的要求。仪器仪表仪器仪表元器件“十五”与2010年前，尽快开发出一批适销对路、市场效果好的产品，品种占有率达到70%～80%，高档产品市场占有率达60%以上；通过科技攻关、新品开发，使产品质量水平达到国际20世纪90年代末水平，部分产品接近国外同类产品先进水平。信息技术电测仪器主要发展电测仪器软件化、智能化技术，总线式自动测试技术，综合自动化测试系统，新型元器件测量技术与测试仪器，在线测试技术，信息产业产品测试技术，多