第9章 现场总线控制系统的设计与集成缩略稿.docx
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第9章现场总线控制系统的设计与集成缩略稿
第9章现场总线控制系统的设计与集成
时至今日，由于各种现场总线自身在技术上的局限性，人们期望的一种现场总线一统天下的局面并没有出现，现场总线国际标准的种类反而由2000年的13种，变成2007年的25种，其发展趋势至今也没有缓和的迹象，这让许多现场总线用户感到失望。
不过，这一现象本身也体现出现场总线技术发展强劲。
从用户角度来看，多种现场总线标准并存不是一件好事，这是由于每个具体应用中会涉及多种使用不同标准的现场仪表，需要解决不同标准系统之间的互连和互操作问题，必然会增加投资，也给系统的应用和维护带来不便。
另外，从信息集成的观点来看，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接，将底层信息集成到车间、企业级的数据库中，甚至通过Web方式浏览和交互控制。
因此，现场总线技术的发展势头不会终止，多种总线标准并存的局面还会持续相当长的一段时间。
通过前面几章的学习我们已经看到，现场总线是面向工业和工程应用的网络系统，有着广阔的应用空间，但由于其技术复杂性和标准多样性，现场总线的应用也是一项难度很高的任务。
为便于读者掌握现场总线的应用技术，本章将从企业信息网的角度探索现场总线控制系统设计、规划和应用的一般方法和过程。
9．1企业信息网的一般组成
随着信息技术的发展，现代企业中的生产、管理、营销等许多部门已经有了自己的局域网，但这些网络采用的通信协议多种多样，使得信息沟通存在一定困难。
Intranet就是为解决这个问题而建立的一种在企业内部运作的信息管理系统，又称为企业信息网或企业网。
9．1．1企业信息网的基本概念
1．Intranet
Intranet是InternalInternet的缩写，它通过在企业各部门现有网络上增加一些特定的软件，使企业已有网络连接起来，发挥它们的传输效能；同时还提供局域网与因特网的互连接口，使企业和广阔的外部信息世界连通，获取所需要的信息。
也就是说Intranet是通过因特网主干网组成的企业内部的虚拟专网。
与因特网相比，Intranet的网络规模有限，管理权限集中，可以有效地进行用户身份鉴别，安全性好，易于配置管理、内部信息管理等。
Intranet可以看成是因特网、局域网等技术的集成物。
能够提供文件共享、电子邮件、远程登录、文件传输以及企业的网络管理等功能。
可以连接到因特网上，利用因特网提供的丰富信息资源和各种服务。
在不需要的情况下，也可以与因特网断开，成为相对独立的网络。
2．企业网的网络操作系统
企业网的网络操作系统为所有运行在企业网上的用户或应用提供网络通信服务，实现网络协议。
目前常用的网络操作系统有WindowsNTserver、Unix、OS/2、LANManager等。
3．网络浏览器
网络浏览器是指在Intranet网络上为终端用户提供的应用界面管理软件，即用户端用于Web服务的软件。
网络浏览器为多种多样的应用平台提供统一的用户界面，用户通过浏览器，按指定地址（被访问的WWW地址），进入并漫游网络世界。
浏览器阅读用HTML语言书写的文件，解释其中所有的标记，并以正式的格式显示。
常用的浏览器有多种，其中包括Explorer、Navigator、和HotJava等。
4．企业网络应用软件
企业网应用软件是指任何支持TCP/IP协议族的软件。
⑴操作系统平台和Web服务器软件。
建立Web服务器，需要使用操作系统平台和Web服务器软件。
可供选择的Web服务器软件产品有很多，如NetscapeCommunicationServer、NetscapeCommerceServer等，它们都可利用WindowsNT、Unix作为操作系统平台。
⑵HTML。
Web服务器使用超文本标记语言（HTML，HyperTextMarkupLanguage）来描述网络资源，并以HTML数据文件的形式存放在Web服务器中。
事实上，HTML并不是一种程序设计语言，只是一些代码的集合，这些代码使文本能被浏览器以指定的方式显示出来，并能表明文件之间的链接关系。
浏览器能够解释HTML代码，并使用这些代码确定文档的结构、标题、段落等。
HTML提供了综合表达文字、声音、图像信息的强有力的手段，因此有人认为，WWW技术就是超文本技术和信息检索技术结合的产物。
⑶URL。
HTML利用统一的信息资源定位器（URL，UniformResourceLocator）实现超链接，即用URL标识出要链接的数据资源的位置，以便找到与因特网相连的主机上的任何可用的数据对象。
提供给URL一定的信息，就能通过因特网上的任何一台计算机访问与网络连接的其它机器上的可用的公共数据。
提供给URL的信息包括：
所使用的访问协议、数据所在的机器、通向数据源的路径、数据文件名称等。
这里所说的超链接包括超文本链接和超媒体链接。
URL能指向网络文件、超文本传输协议（HTTP）、文件传输协议（FTP）、远程登陆（Telnet）、News、BBS等电子信息资源。
⑷CGI。
公共网关接口（CGI，CommonGatewayInterface）软件为Web服务器定义了一种与外部应用程序共享信息的方法，用来实现服务器与外部程序、后台数据库管理软件的连接。
服务器收到某个客户机的请求时，按要求启动一个网关程序即CGI脚本，由CGI脚本对请求作出处理。
请求信息一般被综合在一个环境变量中，CGI脚本程序通过检查这些环境变量，找到响应请求所必需的信息。
CGI使用户可以编写与浏览器进行交互的程序，如创建新的WWW页面，处理HTML表格输入，架设因特网服务之间的沟通渠道等。
⑸Java。
Java语言是一种跨平台的、适于分布式计算的、面向对象的新型编程语言，特别适合用于因特网应用程序的开发。
广义的Java不仅是指编程语言本身，还包括客户机/服务器模式的开发和执行环境。
⑹数据库。
数据库用来存储和提取所需的信息，也是企业网支撑环境的重要组成部分，是信息沟通与交换的中心。
常用的数据库分为两种，即关系数据库和实时数据库。
可供选用的关系数据库类型有Sybase、SQLServer、Oracle、Informix等，实时数据库类型有InfoPlus、PI、ONSPEC等。
4．Intranet的用途
Intrannet在企业的应用通常包括企业内部主页、通讯处理、支持处理、产品规划处理、运行处理、市场和销售以及客户处理等。
⑴企业内部主页。
企业内部主页主要介绍企业的情况，如企业的历史、宗旨、规章制度、组织结构、服务、工具和资源等。
这些信息放在网络服务器上，供企业内部共享。
⑵通讯处理。
通讯处理包括组织机构之间的通讯和个人之间的通讯两大类。
前者处理公务合作部门之间的通讯，后者用于个人之间或工作小组内的通讯。
组织机构的通讯又分为三类：
①企业快报、公告栏、新闻等；②经营单位或部门通讯；③企业的信息库。
个人之间或小组内的通讯，最常用的工具是电子邮件，此外还有新闻组、谈话和视频会议系统。
⑶支持处理。
支持处理用于企业内部，包括人事处理、财务处理、信息系统和技术支持、法律事务及基础设施的规划和建设等。
⑷产品规划处理。
产品规划处理是企业经营的核心部分，它和企业经营的目标有关，同时也是企业专有的。
为了竞争需要，一般都属于内部使用，不被外界共享，其内容大致可分为研究规划和工程规划两部分。
⑸运行处理。
运行处理也是企业经营的核心，包括采购、电子数据交换、库存管理、制造以及专门的服务规划等。
⑹市场和销售处理。
市场和销售处理包括销售和市场策略、产品方向、市场研究信息、产品目录和说明、技术规范和需求、竞争能力信息、价格清单、促销计划等。
由于竞争的原因，这些信息一般也不提供外界共享。
⑺客户处理。
客户处理是通过企业的Web主页为客户提供信息，建立客户和产品规划者、产品服务部门的联系通道，以改善产品质量和售后服务质量；将企业内部数据库通过Intranet提供给客户使用。
9．1．2企业信息网的设计内容
企业信息网的设计是以实现企业建设和发展的战略目标为原则的。
美国著名的IT分析公司GartnerGroup根据企业发展和企业对供应链管理的需求提出了企业资源规划（ERP，EnterpriseResourcePlanning）的概念。
ERP将供应商和企业内部的采购、生产、销售以及客户紧密联系起来，集成了企业内部的其它管理功能如人力资源、质量管理、决策支持等，可对供应链上的所有环节进行有效管理，并支持国际互联网（Internet）、企业信息网和电子商务（E-Business）等，实现对企业的动态控制以及多种资源的集成与优化，达到企业资源合理、高效利用的目的。
ERP系统的成功运用涉及复杂的软件技术和网络技术。
企业在建立ERP系统时，既要根据经济现状、企业内外部环境和自身经营状况，选择合适的ERP模式，同时又要考虑企业网建设。
企业网作为ERP的主要支撑系统，其设计、规划与实现应当反映企业现代化、信息化的发展方向。
FCS的应用能为ERP的实施提供来自企业和工程最底层的实时信息和生产过程的状态数据，为企业实现ERP战略奠定了基础。
尽管企业业务的需要不同，企业信息网的层次却大同小异，其组成一般包括三个部分（见图9-1），从低到高依次为：
现场设备层、监控调度层和信息管理层。
1985年以前，企业信息网主要是信息系统和办公自动化系统，以信息管理和服务为主，也可称为服务网。
在这一时期，生产过程的检测和控制基本上独立于企业信息网之外。
现场总线技术的问世，建立了生产过程的基本控制设备（即现场级设备）之间，以及更高层次的自动控制设备（即车间级设备）之间的联系，使得上层管理与底层控制的信息可以直接联系。
这就使得测量与控制也可成为企业信息网的一个有机组成部分。
现场总线有许多优点，但并不存在一个单一的国际标准，现有的多种现场总线的标准各有特点，要用一种总线组成的网络完成控制系统的测量、控制、优化等功能存在较大困难。
根据已经存在的现场总线的能力，可用功能强大的工业以太网组成监控主干网，允许各类现场总线与其互连，还可实现高层次调度与先进控制功能，如协调控制、优化控制等。
而满足工业现场不同应用需要的其它各种总线，主要完成现场设备的接入与互连。
综上所述，企业信息网的一般结构如图9-2所示，各层的功能及设计内容如下：
1．现场控制层
现场控制层由现场设备和控制网段组成，对应现场级通信。
按照IEC标准，现场总线支持多种类型的网络拓扑结构，现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，由带有功能块的现场总线设备完成对生产过程的控制。
低速总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速总线H2仅支持总线型拓扑结构。
H1、H2总线的用户层包括大量的功能块，可通过联结分布在各个现场设备中的功能块来实现控制系统结构设计。
在同时使用多种总线时，要达到多种总线标准共存，可在不同网络协议的现场总线之间加入协议转换器（网关），识别并解释不同格式的数据包，并在不同的网络之间转发。
现场总线固然能给用户带来效益，但它终究仅处于企业信息网的最低层，若管理不当，局部效益同样不能提高企业的整体效益。
2．监控调度层
中间的监控调度层主要用于监控、优化与调度，它在企业信息网络中起到承上启下的作用，因而非常重要，在进行企业综合自动化时必须给予充分的重视。
监控调度层由高速以太网以及连接在总线上的担任监控任务的工作站或显示操作站组成，对应车间级通信。
现场控制层通过现场总线接口与监控层相连，监控站可以完成对控制系统的组态设计和下装，执行对现场控制系统的监视、操作、趋势分析、报警、维护及各种人机交互功能。
除上述功能之外，监控层还为实现先进控制和过程操作优化提供支撑环境。
3．信息管理层
最上一层是企业信息管理层主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理及决策等。
信息管理层网络由各种服务器和客户机组成，对应整个企业的管理。
其主要目的是在分布式网络环境下，集成企业的各种信息，实现与Internet的连接。
首先要将监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样管理层用户能随时查询网络运行状态以及现场设备工况，对生产过程进行实时远程监控。
赋予一定权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在企业网范围内实现底层测控信息的实时传递。
目前，远程监控的实现途径是通过Internet，主要方式是利用公众数据网或者租用DDN专线。
由于涉及实际生产过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证及密钥管理等。
9．1．3企业信息网的数据库系统
数据集成环境建设是企业信息化的基础。
建设高水平的数据环境，可使企业信息资源得到充分开发和利用。
依据信息资源管理要求，由简单数据文件和应用数据库形成的低水平数据环境必须进一步发展到以数据仓库为主的高水平数据环境。
分析企业对数据环境建设的总体要求，有助于建立一个高水平的数据仓库环境体系。
1．企业数据环境分类
依据信息技术在企业内的发展状况，企业的数据环境可分为四类：
⑴数据文件。
数据文件是指由系统分析员和程序员根据应用需要设计的各种文件。
在数据库技术得到广泛应用的今天，这类数据环境在企业信息系统中所占比例较少。
⑵应用数据库。
这类数据环境使用了数据库管理系统（DBMS），数据有了一定的独立性，但并不真正独立于具体的应用。
当有新的应用需求时，就会产生新的数据库，这就必然使数据存储出现极大的冗余，数据的一致性和完整性也难以得到保证，最终可能导致数据管理的混乱。
许多大中型企业的应用信息系统已有十几年历史，现有的信息系统大都由原先单个应用项目扩充而来，没有进行总体数据规划，企业为了进一步发展，对这种数据环境进行改造是必要的。
也有部分企业，他们通过与科研机构合作，已经实施了CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）工程。
在总体规划的基础上，他们建立起了生产车间管理信息系统、质量管理系统、物资管理系统、生产计划调度系统和办公管理系统等信息系统，具备了很高的信息化水平。
⑶主题数据库。
这类数据环境独立于具体的应用，数据类型不频繁变化，而数据的使用方法可以经常变化。
对于新的应用项目，不再需要建立新的数据库，而是从共享数据库中提取所需要的信息，因此，数据的一致性和完整性得到较好保证。
由于建成这种数据库需要经过严格的数据分析和数据建模，实施时间较长，但维护成本很低。
一旦投入使用之后，可以大大加快应用项目的开发速度和用户与数据库的交互，是企业进行信息系统集成化建设必须重点建立的数据环境。
⑷数据仓库。
数据仓库是面向主题的、集成的、稳定的、取自不同时间的数据集合，也可认为是主题数据库的集成。
这类数据环境主要用于支持经营管理中的决策制定过程，属于企业级应用，涉及范围和建设成本非常之大。
正因为数据仓库投入高、且进度一般较慢，促成了数据集市的产生。
数据集市是一种更小、更集中的数据仓库，它为企业提供了一条部门级的分析数据的廉价途径。
数据集市具有规模小、面向特定应用、面向部门、快速实现、投资规模小、易使用、全面支持异种机平台等特点。
第⑶和第⑷类数据环境水平较高，又称为高级数据环境。
一个高效率的企业应该具有这两类数据环境，以保证良好的数据基础。
但是，主题数据库和数据仓库并不是信息的堆积，而是信息资源的深入开发。
在具体企业的生产车间通用信息集成系统中，一个鲜明特点就是生产过程中产生了大量的实时数据，这些数据被存放在实时数据库中加以管理，通过建立起实时数据库和关系数据库之间的交互（见图9-1），可使基础自动化数据和企业上层的信息系统结合起来。
2．企业数据库体系化环境建设
企业数据库体系化环境是指一个企业内，由各种面向事务处理的OLTP（OnLineTransactionProcess）数据库及各级面向主题的数据仓库所组成的数据环境。
在这个数据环境中，企业可以进行从联机事务处理到企业管理决策的各项工作。
数据库体系化环境的构成是广泛的。
除需要建立各级数据库和数据仓库外，还要对面向应用的数据库之间、各级数据仓库之间、数据库与数据仓库之间的界限和相互联系做出合理划分和明确描述；对不同数据库或数据仓库中数据的处理和应用做出明确的定义和划分；对软硬件资源及管理人员的配置做出明确规定等。
以使这个体系化环境成为一个结构清晰、层次分明、联系明确、有序运行的有机整体。
从总体上看，操作型数据环境存放的是当前的细节性数据，用于支持高性能的事务处理，是分析型数据环境的数据源。
分析型数据环境除了要存储大量的历史数据外，还存有各种级别的导出数据，用于支持企业内的各种分析处理。
数据分析方法是千变万化的。
不可能要求一个单一层次的数据仓库完全符合各种各样的分析需求，数据仓库的主题需要不断完善，不断调整，导出数据的内容和形式也要灵活多变。
另外，随着数据不断载入，数据仓库将越来越大，分析工作若完全基于单一层次的数据仓库，性能会十分低下，因而对于分析型数据环境，需要建立多层次的数据仓库。
全局数据仓库存储的是操作型数据环境集成而来的、面向主题组织的、历史的、细节的和适度综合的数据，它独立于任何应用逻辑，负责为其它各级数据仓库的多维数据库提供集成的、一致的数据。
部门数据仓库按照部门或业务领域分析的需要，从全局数据仓库抽取数据，数据组织一般与分析应用逻辑结合起来，这样有利于提高分析效率，部门数据仓库能够支持企业中一个或几个相关部门的业务分析、控制和决策。
个人数据仓库按照分析需要，从全局数据仓库、部门数据仓库临时抽取和组织数据，企业中的高层管理人员，可使用个人数据仓库完成企业战略决策所需的复杂分析工作。
企业信息网的数据库组成如图9-3所示。
3．企业数据仓库建设实施方案
企业开发数据仓库首先需要统筹规划。
规划阶段的主要工作是选择数据仓库的拓扑结构。
数据仓库的拓扑结构一般分为4种：
集中式企业级数据仓库、独立型部门级数据集市、分布式数据仓库、数据仓库与数据集市混合。
这里将以大型企业的通用信息集成系统为例，研究企业数据仓库的建设方案。
由于大型企业数据丰富，物流复杂，数据来源广泛，因此这类企业一般选择数据仓库与数据集市混合的拓扑结构。
利用这种结构可以保证先建立起各个相对简单的数据集市，然后在此基础上搭建起数据仓库，选择适当的开发策略。
常用的开发策略包括自顶向下、自底向上、自顶向下和自底向上相结合3种类型。
自顶向下开发策略首先在原始数据源基础上导出数据，建立企业数据仓库，然后根据需要导出部门数据仓库和个人数据仓库。
在这种情况下，面向主题的数据仓库和面向应用的数据环境共存，构成一个多层次的体系化环境，可以实现所有的应用。
该策略自上而下进行总体设计和实施，有利于保证各级数据仓库的一致性，但是周期长、费用多、难度大。
自底向上的开发策略，其核心思想是从最迫切的部门（或主题、区域等）需求出发建立数据集市，以最小的投资在最短的时间获得所需的回报。
在此基础上，不断进行扩充、完善，最后实现企业级的数据仓库。
在建立数据集市时要有全局观念，便于以后集成。
数据集市的快速开发特性是快捷又节省投资的方案，但数据集市的简单堆积并不能构成企业级数据仓库。
因为如果没有全局的组织规划和数据集市建模，设计时不考虑跨部门的信息需求，则所建立的数据集市之间将产生零散且模式不一致的数据，这将妨碍跨部门信息的应用开发。
因此，企业可利用自顶向下的策略规划整个企业的数据仓库，利用自底向上的策略快速开发数据集市，也就是自顶向下和自底向上相结合的方法。
在总体规划时，一旦确定了总方向和目标，必须选定一个能快速为企业带来效益的有限实现范围，即确定最初的实现范围。
如某个炼油化工有限公司就可根据实际情况，选择生产数据作为数据仓库主题。
因为该主题是信息系统集成的基础，有了它才有进一步的应用。
生产数据表中积累性质的数据具备统计意义，操作型数据（瞬时数据）具备分类意义。
4．FCS为企业数据库提供实时生产数据
生产和工程现场提供的实时数据是企业管理生产过程、实现市场目标的基础。
由于建立了FCS，生产过程的工艺参数、实时状态、生产进度和设备运行状态都可以有效地进行统计，这使得过去不能进行的高级优化、工程管理、故障诊断得以进行，极大地提高了生产的可靠性和经济效益。
近年来，由于FCS的应用，企业保存了大量的实时数据和历史数据，迫切需要将这些数据转换成有用的信息和知识。
数据挖掘技术的发展满足了这方面的需要。
获取的知识已广泛应用于商务管理、生产控制、市场分析、工程设计和科学探索等方面。
9．2现场总线控制系统的一般设计应用过程
现场总线的应用范围广泛，规模和结构灵活多样。
设计人员在面对FCS的设计任务时，怎样根据实际生产过程，给出合适的控制解决方案，同时又兼顾系统成本、功能和效益等多种因素，也是一项复杂的任务。
在这一节里，我们将探讨这些问题的一般性解决方法。
9．2．1现场总线控制系统的设计原则
1．保证系统运行的可靠性
相对其它网络环境而言，现场总线的运行环境比一般信息管理系统的环境复杂、恶劣，对系统运行的安全性要求更高。
因此，FCS的设计必须考虑可靠性。
在特殊的应用场合，FCS有时需要采用屏蔽、防爆等措施，甚至要求使用冗余设计。
2．保证系统的实时性和分布式特性
FCS是为了满足生产过程的监控、调度、维护、管理和决策需要而设计的。
其设计中需要仔细规划实现这些任务的网络基础，如网络节点数、节点的位置分布、传输速率等。
3．保证系统中设备的互连、互操作和互换性
FCS要把生产过程的测量信息和控制指令传送到不同的设备中去，设备之间必须互连并且能够互操作、互通信，总线段上的设备应遵从相同的协议，传递相互可理解的数据。
系统的网络要具有可扩展性，以便于网络升级。
为方便设备维护和更新，系统中的所有设备应具有互换性。
4．充分考虑监控和通信软件的功能
在网络结构确定之后，系统功能的实现主要依赖于系统软件。
大多数情况下，控制系统的制造厂家可以提供FCS软件，因此确定这些软件是否满足实际需要是非常重要的。
这些软件将提供系统监控、组态、维护和更新任务。
5．兼顾设计先进性和经济实用性
从现阶段的实际情况看，现场总线设备的价格比常规设备高很多，而且多数设备依赖跨国公司的进口产品。
从长远发展的角度看，现场总线设备的价格呈现降低趋势。
因此，设计实际控制系统时，最好在系统先进性和经济实用性之间折衷考虑。
9．2．2FCS的网络设计和控制实现
当我们明确了FCS的设计原则之后，就可以开始系统的网络设计和控制功能设计。
1．网络设计中要考虑的因素
现场总线网络是FCS的主要组成部分，在其设计过程中，通常需要依次确定以下内容：
⑴现场测量仪表、变送器和执行器的测量控制点分布情况；
⑵控制任务执行设备的选择及其安装地点；
⑶服务器、工作站的选择和设置地点；
⑷传输线的走向、长度、拓扑结构和介质类型等与布线工作有关的因素；
⑸选择现场总线通信协议，着重考虑当前的应用要求而不是总线技术的高低，通常与实际连接设备一起考虑；
⑹选择通信网络的模块和部件，如通信控制模块、网络I/O转换模块。
尽管每种现场总线都声称是开放的、互可操作的，事实上，要做到真正的互可操作，在确定使用的某种模块和部件之前必须进行测试。
另外，设计过程中还要考虑生产过程的环境要求，如温度、湿度、电磁特性和施工安装限制等。
2．综合布线系统
结构化综合布线系统采用模块化设计和分层星型拓扑结构，能适应任何大楼或建筑物的布线需要，包括建筑与建筑群综合布线系统（PDS）、智能大楼布线系统（IBS）和工业布线系统（IDS）。
它们的原理和设计方法基本相同，差别是PDS以商务和办公自动化环境为主；IBS以大楼环境控制和管理为主；IDS则以传输各类特殊信息和适应快速变化的工业通信为主。
⑴建筑与建筑群综合布线系统（PDS）结构。
一般采用模块化设计和物理分层星型拓扑结构，传输语音、数据、图像以及各类控制信号。
PDS结构可分成6个独
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