盧恒亮 廣東省計(jì)算技術(shù)應(yīng)用研究所
在國內(nèi),隨著工業(yè)領(lǐng)域建設(shè)技術(shù)水平越來越完善,現(xiàn)場總線也成為了其領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)課題,分散化、網(wǎng)絡(luò)化是控制系統(tǒng)改革的新目標(biāo)?,F(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種最新的開放式的可控通信系統(tǒng),可以有效地將現(xiàn)場控制和管理相融合,并且將其延伸為DCS擴(kuò)展形式?,F(xiàn)場總線對(duì)初始封閉的 DCS狀態(tài) 進(jìn)行了改變,DCS 不是嚴(yán)格意義上的分散控制系統(tǒng),中央控制室內(nèi)掌握著全部的 I/O 和控制站,現(xiàn)場儀表會(huì)利用獨(dú)立的上位機(jī)傳輸信息,其電流信號(hào)多為4 ~20 m A,由于廠家協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一化,致使 DCS系統(tǒng)之間無法進(jìn)行互相操縱。在這種情況下,需要進(jìn)行現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型與網(wǎng)絡(luò)集成的研究,引起了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注,也成為了很多專家和學(xué)者研究的焦點(diǎn)課題。
在組建現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型過程中,現(xiàn)場總線能夠?qū)y控任務(wù)分散給多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備,上位計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控較為復(fù)雜的控制功能。將現(xiàn)場總線作為企業(yè)底層信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕糠?,在企業(yè)整體信息網(wǎng)絡(luò)中,現(xiàn)場總線也是最關(guān)鍵的部分。現(xiàn)場總線源于控制網(wǎng)絡(luò),所以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是其核心集成。相對(duì)于Internet、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于,控制網(wǎng)絡(luò)需要和生產(chǎn)過程相呼應(yīng),所以要求具有較高的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)完整性及其可用性。為了和這些特性相匹配,現(xiàn)場總線簡化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,通常SO/OSI 七層模型可以分為三層即數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。此外,最上層工廠信息系統(tǒng)需要和現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和傳輸。在一個(gè)整體的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,現(xiàn)場控制模型需要和底層網(wǎng)絡(luò)和上層信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將其現(xiàn)場的設(shè)備層定位為底層信息網(wǎng)絡(luò),以現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),采用功能塊結(jié)構(gòu)作為智能設(shè)備,以組態(tài)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行多種功能的開發(fā),利用智能轉(zhuǎn)換器和常規(guī)檢測儀表電流電壓信號(hào)完成數(shù)字轉(zhuǎn)換,利用PLC 接口和原有的系統(tǒng)進(jìn)行連接。
現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)要具有規(guī)范的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其設(shè)備要以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的模式表述在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中,為了保障節(jié)點(diǎn)間會(huì)進(jìn)行正常、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸,可以將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為以下幾種:
①環(huán)形(令牌)網(wǎng):
最大特點(diǎn)在于時(shí)延較為穩(wěn)定,在重新加載網(wǎng)絡(luò)時(shí)有較高的效率,但是負(fù)載較輕時(shí),等待令牌會(huì)形成沒有必要的時(shí)延,此時(shí)傳輸效率有所下降。
②總線網(wǎng):
主要特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)銜接穩(wěn)定、成本小。輕載的狀態(tài)下時(shí)延低,但網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷較大時(shí),時(shí)延有所加大,網(wǎng)絡(luò)效率較低,其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較差
③樹型網(wǎng) :
基本的特點(diǎn)在于擴(kuò)展性加強(qiáng),頻帶寬闊,節(jié)點(diǎn)間通信質(zhì)量差。
④令牌總線網(wǎng):
將環(huán)形網(wǎng)和總線網(wǎng)絡(luò)的相融合,這樣的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延沒有大的沖突,其節(jié)點(diǎn)接入可靠,穩(wěn)定性較好。
在現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型與網(wǎng)絡(luò)集成的探究中,將硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案分為下述幾種:
①購入現(xiàn)有的開發(fā)產(chǎn)品。
②采用單片機(jī)來進(jìn)行自行研究開發(fā)。
③購買專門的芯片,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。
在選取網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)時(shí),需要衡量其工業(yè)應(yīng)用具有的特點(diǎn),開發(fā)成本,性價(jià)比,周期,穩(wěn)定性及其可擴(kuò)展性。因此,在上述方案中,第一類方案雖然開發(fā)周期短,魯棒性強(qiáng),但是其價(jià)格頗為昂貴,成本太大,用戶難以大量使用。第二類方案的開發(fā)周期較為漫長,難道較大,魯棒性無法獲得保障,尤其是TCP/IP協(xié)議的研發(fā),所以第三種類型,購買專門芯片。進(jìn)行二次開發(fā)是好的選擇,專用芯片價(jià)格較為合適,集中了很多片內(nèi)設(shè)備供給開發(fā)使用,降低了開發(fā)的難度,提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的融合,可以通過下述方式來實(shí)現(xiàn),即是在底層網(wǎng)段和中間監(jiān)控層間添入中繼器、網(wǎng)橋、路由器等多種硬件設(shè)備,將控制網(wǎng)絡(luò)定義為信息網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和之緊密合成:
①在控制網(wǎng)絡(luò)和其信息網(wǎng)絡(luò)中添入DDE 技術(shù)
在控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)中具有共享存儲(chǔ)器工作時(shí),利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 DDE(dynam-ic data exchange)方式體現(xiàn)二者合成。
②控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)利用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
該方式成為控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)集成的最優(yōu)解決方案。
為了更好地組建自動(dòng)化企業(yè)系統(tǒng),給出現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型與網(wǎng)絡(luò)集成進(jìn)行探究。
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