基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络

汤同奎，郑之开，邵惠鹤

　　摘要：　提出基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络结构。首先分析了CIPS计算机网络应该具有的特点，然后介绍了LONWORKS作为CIPS底层的优点，接着介绍了基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络的各层功能及通信。该网络的特点是底层采用LONWORKS现场总线网络，上层采用以太网络，是LONWORKS与以太网的有机结合，对CIPS计算机网络的实现具有一定指导意义。
　　关键词：　CIPS；现场总线；计算机网络；LONWORKS
　　中图分类号：TP393.02 　文献标识码：B 　文章编号：1000-3932(1999)06-0042-03

1　引　言
　　CIPS是计算机综合自动化系统的简称，它的含义是采用计算机技术、通信技术、自动化技术及生产技术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合自动化系统，把全厂或全企业与经营、管理和生产活动有关的信息集成起来，实现决策、管理和控制各功能的一体化，达到提高生产柔性，提高企业适应能力的目的。CIPS技术是工业生产自动化的发展方向。
　　近年来，现场总线技术有了很大发展，尽管目前还没有形成统一的国际标准，但许多大公司依靠自身的技术实力及行业背景，开发出了不同的现场总线规范，其中包括基金现场总线FF(Foundation Fieldbus)、Echelon公司的LONWORKS、西门子公司的Profibus、奔驰公司的CAN(Control Area Network)等。根据IEC/ISA的定义^［2］，现场总线是指连接测量、控制仪表和设备，如传感器、执行器和控制设备的全数字化、串行、双向式的通信系统。现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)与传统DCS相比具有许多优点，它必将带来现场控制系统的一场革命，为CIPS的实施提供良好的物质基础。
　　本文结合国家“九五”攻关项目“现场总线网络控制系统的集成”，研究了基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络，提出了基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络方案。

2　CIPS计算机网络的特点
　　CIPS计算机网络是CIPS得以运行的物质基础，它负责企业内部和外部的各个部门之间的信息流通，实现各个自动化孤岛之间的信息交换，保证高效地处理信息^［3］。CIPS计算机网络应该具有以下特点：
　　(1)网络规模应当能覆盖整个企业，一般应是异构的、异种机型和异种操作系统的网络。考虑到CIPS既面向控制又面向管理，因此，CIPS网络的底层应是现场总线网络，上层采用以太网。
　　(2)网络应能支持企业内部的各种活动，即包括生产、管理和控制。网络应能支持不同类型网络服务，采用不同的通信协议和不同的通信平台。
　　(3)网络涉及的机型不同，控制方面要求用工控机，数据存储和处理要求其它小型机或者高性能微机，因此，网络可能涉及多种类型的计算机和操作系统。
　　(4)网络实时性要求。除了支持一般的文件传输、虚拟终端、电子邮件等服务，还应当能与现场控制设备交换数据和指令。实时性要求差异很大，如办公自动化对实时性要求不高，但数据量很大；控制方面虽然数据量小，但要求响应速度较高。
　　(5)网络的可扩展性。CIPS属于企业行为，而企业本身常常处于发展和变化之中，从而也对网络的要求发生变化，因此，CIPS网络应具有相当的灵活性、可扩展性和开放性。

3　LONWORKS作为CIPS底层的优点
　　基于现场总线的CIPS计算机网络具有成本低、精度高、可靠性好、功能强、使用方便、可构成多机冗余系统等优点，最大限度地发挥和调度现场级设备的智能处理功能，管理级能更好地将控制命令下载到现场级设备。以LONWORKS现场总线系统作为CIPS基础控制层有以下优点：
　　(1)由于采用统一LONWORKS的标准，不同厂家的产品在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容，可以互换和联用，因而使系统具有开放性，这对用户使用、操作、维修、扩展都是十分有利的。
　　(2)许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，使过程控制基本分散到现场，而控制室内的仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理等自动化功能。
　　(3)网络结构则可以实现数据共享，各个子系统可享有更丰富、更快捷的信息，从而使得现场级将更多、更有效的信息传递给监控级，而监控级能更好地将控制命令下载到现场级设备。
　　(4)带动产品的更新换代和产业的技术进步。可开发一大批数字化、智能化的LONWORKS节点，例如实现非线性补偿和故障诊断，量程设定和零点调整以遥控方式进行，安装调试费用可大大节省。

4　基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络
　　基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络应包括生产管理层、高级控制与优化层、基础控制层三个部分，可实现CIPS的生产规划、生产调度、过程优化、高级控制、过程监控及基础控制等功能。虽然网络总体上都是由LONWORKS现场总线和以太网构成，但考虑到高级控制与优化层与基础控制层的不同连接方式，方案1为以太网与LONWORKS总线组合形式的CIPS计算机网络，如图1所示；方案2为单纯以LONWORKS总线形式的CIPS计算机网络，如图2所示。

图1　基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络
(以太网与LONWORKS总线组合形式)

图2　基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络
(单纯LONWORKS总线形式)

4.1　基础控制层
　　基础控制层主要由LONWORKS现场总线和LONWORKS节点组成，它们构成LONWORKS现场总线网络控制系统。模拟被控对象的各种输出信号就近连至LONWORKS节点。LONWORKS节点将传感器送来的模拟信号如温度、压力或流量等转换成数字信号，并完成数字滤波、标度变换等功能，同时这些节点还可以完成一些简单的控制任务如开关量控制、PID控制和模糊控制等，把运算得到的控制量转换成合适的电信号送给执行机构，从而实现现场就地控制。此外，这些LONWORKS节点还将各种必要的数据以网络变量的形式送给现场监控计算机，存入实时数据库，这些实时数据为软测量、高级控制、过程在线优化、生产调度和计划等提供了充分的信息。
　　基础控制层的通信采用LONTALK协议，使用双绞线作为传输介质，通信速率可达78.125kbps。LONWORKS现场总线不同子网或不同介质之间可通过网桥或路由器连接，使用路由器不但可以兼容不同通信介质间的电气规则，还能改善网络的响应时间和安全性能。
4.2　高级控制与优化层
　　高级控制与优化层由监控计算机、冗余监控计算机、MCC控制计算机、高级控制计算机、在线优化计算机、软测量计算机及故障诊断计算机等组成。监控计算机利用工控平台实现工业现场的监督和控制，监控计算机所需完成的任务包括从LONWORKS总线读取现场数据，对过程现场进行监视，对LONWORKS控制节点中的各个控制参数进行设定，恰当地显示各类现场信息等；过程优化计算机用于过程优化，在不修改工艺流程、不增加生产设备的情况下，仅通过调整操作参数，使整个生产过程处于最优运行状态，它是CIPS工程实现的关键环节之一；高级控制计算机可针对流程工业生产过程的动态对象的特点，实现各种高级控制功能，如推理控制、预测控制、智能控制等，具体算法可采用模型预测控制、动态矩阵控制、模型算法控制等；针对有些过程变量难以测量或测量设备昂贵，该网络配置了软测量计算机，运用神经网络等技术，实现过程变量的软测量，这对提高控制水平、保证产品质量具有重要意义。
　　高级控制与优化层的通信有两种方式。方案1中现场监控计算机和冗余的现场监控计算机既作为现场总线网络节点，又作为以太网节点，而其它计算机不作为现场总线网络中的智能节点，只作为以太网的节点。该层其它各计算机相互之间的数据交换通过以太网进行，它们所需的现场信息也通过以太网从监控计算机的实时数据库中读取，运算结果也通过以太网送到监控计算机的实时数据库，然后再由监控计算机送至现场总线节点。冗余监控计算机与主监控计算机采用双机并联的方式，提高监控计算机的可靠性。
　　方案2中优化计算机、高级控制计算机、多变量约束控制计算机、软测量计算机、监控计算机直接连到LONWORKS现场总线，作为LONWORKS虚拟节点，直接对LONWORKS智能节点读写现场数据，并在本机建立各自的数据库，从而在高级控制与优化层形成分布式实时过程数据库。这些计算机既是现场总线网络节点，同时也是以太网的节点，它们相互之间的数据交换通过以太网进行。
4.3　生产管理层
　　CIPS的生产管理层主要由决策计划、经营管理、生产调度系统组成，这些系统在计算机网络系统、数据库系统的支持下，集成经营决策层所需要的信息。决策信息主要来自三个方面，即上级政策及指令、市场信息(包括原材料、成品的价格及市场供需情况等)、生产动态信息和企业生产/经营综合信息等。在提供较为完备的集成决策信息的基础上，通过辅助决策支持系统，给决策者提供决策支持，即对企业重大经营战略、规划、计划指令进行决策分析，提出方案供决策者选择。在决策支持系统的支持下，形成企业的经营决策，包括企业的中长期发展决策、企业年度生产/经营决策和企业超短期决策。从而达到加强企业基础数据管理，改进企业管理的信息服务，提高企业的管理水平，加速原料、成品的储运周转，加快资金的流动，从而提高企业的劳动生产率和综合经济效益。该层设立的数据库为关系数据库，采用Client/Server模式。
　　生产管理层的网络通信采用以太网，协议采用TCP/IP协议。远程主机可通过Internet网访问CIPS网络，也可通过拨号上网来访问。

5　结束语
　　本文结合国家“九五”攻关项目及211工程实验室的建设，对基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络进行了研究，提出了基于LONWORKS现场总线的CIPS计算机网络方案。尽管两个方案从理论上来讲都是可行的，但我们认为方案1更为优越，可少用多块LONTALK网卡，节省投资，而且可以更多地利用现有以太网成熟技术。我们在211工程实验室建设中采用了方案1，并已完成了网络建设的大部分工作。基础控制层的大部分采用自行开发的节点，生产过程对象采用计算机模拟，监控平台主要基于FIX工控软件，成功地将自行开发的多变量约束控制、在线优化、软测量软件集成到该系统，从控制角度来说，已基本实现CIPS功能。所不足的是，生产计划及调度还没有集成进来，这正是我们目前的努力方向。

基金项目：国家“九五”攻关项目内容。
作者单位:上海交通大学 自动化系，上海 200030

参考文献

［1］　徐用懋.流程工业CIMS讲座(第一讲)［J］.化工自动化及仪表,1997,24(4):58-62.
［2］　庄建国等.现场总线控制系统(FCS)［J］.化工自动化及仪表,1998,25(增刊):1-5.
［3］　吴国新.CIMS计算机网络［M］.北京:机械工业出版社,1997.
［4］　钱　俊.小波神经网络建模研究与现场总线控制系统的集成［A］.上海交通大学博士论文［C］,1999.

收稿日期：1999－05－17