【正文】 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒 論 選題背景及意義 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的控制規(guī)模不斷擴大，以計算機為基礎(chǔ)而構(gòu)成的控制、管理、決策系統(tǒng)起著越來越重要的作用。同時由于計算機硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了多微機的分布式控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System）。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展的狀況，分布式控制系統(tǒng)的本質(zhì)是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制，它是計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機接口技術(shù)相互發(fā)展、相互滲透的產(chǎn)物。 分布式控制系統(tǒng)是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng) , 又被稱為集散系統(tǒng)，與常規(guī)控制系統(tǒng)和集中式計算機控制系統(tǒng)相比，具有很多的優(yōu)點，諸如適應(yīng)性、擴展性、完善的控制能力。由于系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為：控制面向多元化、系統(tǒng)面向分散化。目前， DCS 的結(jié)構(gòu)可歸納為“三點一線”式結(jié)構(gòu)?！耙痪€”即 DCS計算機網(wǎng)絡(luò)；“三點”即連接到網(wǎng)絡(luò)上的三種不同類型的節(jié)點。這三種節(jié)點為：現(xiàn)場 I/O控制站、操作員站、工程師站?，F(xiàn)場 I/O 控制站是完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；操 作員站是處理與運行操作有關(guān)的人機界面功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對運行過程系統(tǒng)運行狀態(tài)、各種運行參數(shù)等進行控制，以保證生產(chǎn)過程的安全、高質(zhì)、高效。工程師站是對 DCS 進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)控制、維護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，及時調(diào)整系統(tǒng)配置及參數(shù)設(shè)定，使 DCS 系統(tǒng)在任何時候都處于最佳的工作狀態(tài)。這種分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸在計算機仿真中得到應(yīng)用和發(fā)展，成為設(shè)計培訓(xùn)仿真器的一種必備的可靠的手段。 在電子技術(shù)高速發(fā)展和計算機信息技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，以計算機為核心，操作控制盤臺為基礎(chǔ)所構(gòu)成的各種仿真訓(xùn)練器，已成為當(dāng)今重大生產(chǎn)或過程控制 設(shè)備運行人員上崗操作、監(jiān)控、養(yǎng)護訓(xùn)練的重要手段，受到國內(nèi)外高度重視，并在電力、石化、航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域廣泛使用。 伴隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，船舶工業(yè)也正以日新月異之勢不斷向前發(fā)展，從 60 年代中期開始，機艙實現(xiàn)了全面自動化，無人值班機艙已不再是神話。從 70 年代末、 80 年代初以來，在輪機自動化方面，普遍采用了計算機分散控制，把自動化機艙推向了一個嶄新的階段。自動化機艙是機艙內(nèi)各武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 種自動控制裝置的總和，這些自動控制裝置能部分或絕大部分代替輪機管理人員并對機艙內(nèi)各運行參數(shù)進行自動控制、監(jiān)視、顯示、記錄和報警， 以及對主要機器設(shè)備進行自動操作。自動化無人值班機艙不僅改善了輪機管理人員的工作條件，更重要的是增強了設(shè)備運行的可靠性、安全性和經(jīng)濟性，對降低船舶運行成本，提高船舶技術(shù)管理水平具有十分重要的意義。但另一方面，自動化無人值班機艙對輪機管理人員的技術(shù)素質(zhì)、管理水平提出了更高要求，他們不但要有扎實的理論基礎(chǔ)知識，更應(yīng)具備較強的綜合分析判斷和應(yīng)變處理能力。這就給培養(yǎng)新一代航海人才的航海教學(xué)單位提出了新的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)現(xiàn)代輪機管理工程的需要，培養(yǎng)高水準的輪機管理人才，輪機仿真訓(xùn)練器應(yīng)用而生。利用計算機仿真技術(shù)，在校園內(nèi)展 現(xiàn)船舶的實時運行狀態(tài)，為學(xué)員提供各種操作訓(xùn)練。 由武漢理工大學(xué)系統(tǒng)仿真及控制技術(shù)研究中心自行研制的 WMS 系列遠洋船舶輪機模擬器是 運用于輪機系統(tǒng)仿真的典型的分布式控制系統(tǒng)，采用計算機圖形技術(shù)設(shè)計仿真模擬器操作界面，用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)各操作臺以及其它功能臺間的通訊。輪機仿真訓(xùn)練器是基于 DCS 的實時仿真系統(tǒng)，它由現(xiàn)場設(shè)備、 I/O 接口系統(tǒng)與計算機設(shè)備以及通訊設(shè)備組成。仿真主計算機是仿真訓(xùn)練器最主要設(shè)備，用來存放仿真對象的數(shù)學(xué)模型及控制程序，以及控制整個仿真系統(tǒng)的實時運行。系統(tǒng)輔助計算機通過網(wǎng)絡(luò)與仿真主計算機連接，實現(xiàn)諸如教練員工作站、控制系統(tǒng)操作站、工程師站、環(huán)境仿真等功能。 I/O接口系統(tǒng)實現(xiàn)接口計算機和盤臺等硬件間的數(shù)字量 /模擬量的相互轉(zhuǎn)換和傳輸，是實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的重要設(shè)備，它的技術(shù)性能和指標將直接影響到仿真系統(tǒng)的實時性和逼真度。 I/O 接口系統(tǒng)形成了多微處理器結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，因為其連接的外部設(shè)備種類繁多、特性各異而數(shù)據(jù)傳輸速度相對較慢，采用分布式、智能化結(jié)構(gòu)，將減輕接口計算機微處理器的負荷，提高系統(tǒng)實時響應(yīng)能力，分散系統(tǒng)功能和故障。目前， WMS20xx 輪機模擬器以 UNIX 操作系統(tǒng)為核心， I/O 接口系統(tǒng)主控器智能通訊 卡的驅(qū)動程序界面為 UNIX 界面。仿真中心新研制的仿真模擬器正在從 UNIX系統(tǒng)下仿真支持平臺向 WINDOWS系統(tǒng)仿真支持平臺過渡。 WMS20xx 輪機模擬器在國內(nèi)享有很高的聲譽，但 WMS20xx 系列輪機模擬器的智能化分布式輸入 /輸出接口系統(tǒng)是采用外購的 I/O 接口系統(tǒng)設(shè)備。該 I/O 接口系統(tǒng)雖已成功使用在多臺電站和船舶輪機仿真器中，實時響應(yīng)也較好，但是這套 I/O 接口系統(tǒng)價格比較貴，抗干擾性能也不是太好，而且由于技術(shù)資料及其它一些原因，使得維護也比較困難。因此，有必要對整個接口系統(tǒng)的板卡作改型設(shè)計。由仿真中心自主開發(fā) 的 MSCIS（ Marine 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 Simulation amp。 Control Interface System）智能化接口控制系統(tǒng)的研制工作已開始進行， MSCIS 接口系統(tǒng)的智能通信卡、控制卡及 DIO 卡的樣卡已調(diào)試成功。 MSCIS 接口系統(tǒng)將在挖泥船疏浚作業(yè)仿真系統(tǒng)中與自主研發(fā)的實時仿真支持平臺軟件配合運行，實現(xiàn)完全自主開發(fā)船舶仿真訓(xùn)練器。目前進一步完善、改進 MSCIS 接口系統(tǒng)板卡的工作集中在輸入 /輸出接口系統(tǒng)應(yīng)用的模擬量輸入 /出卡（ AI/AO）等方面。 根據(jù) MSCIS 接口系統(tǒng)發(fā)展 需要，在模擬量輸出卡（ AO）上采用高性能 的 16 位 INTEL 80C196 系列單片機作為 CPU，并優(yōu)化其電路設(shè)計，提高抗干擾能力。 MSCIS 接口系統(tǒng)的開發(fā)對 提高我校 WMS系列 船舶仿真訓(xùn)練器的技術(shù)水平及自主知識產(chǎn)權(quán) ，具有重大社會、經(jīng)濟意義。 隨著現(xiàn)場總線（ Field Bus）技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線具有諸如綜合性、開放性、經(jīng)濟性等更為突出的特點， I/O 接口系統(tǒng)的設(shè)計從集散控制系統(tǒng)逐漸向現(xiàn)場總線和 VXI 總線方向發(fā)展，現(xiàn)場控制系統(tǒng) FCS（ Field Control System）應(yīng)運而生， FCS 具有信號傳輸全數(shù)字化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全分散式，現(xiàn)場設(shè)備有互操作性， 通信網(wǎng)絡(luò)全互連式，技術(shù)和標準全開放式等特點。用新一代的 FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng) DCS，實現(xiàn)智能儀表，通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成，是實現(xiàn) I/O 接口系統(tǒng)擴展設(shè)計的技術(shù)發(fā)展方向。 目前 MSCIS 接口系統(tǒng)中的各個板卡包括基于 CAN 總線智能通信卡（ CCOM）和控制卡（ CCTR），模擬量輸入卡（ AI），模擬量輸出卡（ AO）及數(shù)字量輸入 /輸出卡（ DIO）的樣卡都已調(diào)試成功，并測試運行正常，達到設(shè)計要求，基本實現(xiàn) MSCIS 接口系統(tǒng)研制開發(fā)目標。 國內(nèi)外微電子技術(shù)發(fā)展 微控制器技術(shù)發(fā)展 [1][3][26][27] 20 世紀 80 年代以來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機制造技術(shù)的進步，微控制器 (MCU， Microcontroller Unit),也稱為單片微型計算機 （ single chip puter） 得到蓬勃發(fā)展，它使計算機從海量數(shù)值計算進入智能化控制領(lǐng)域。由于微控制器具有集成度高、控制功能強、體積小、價格低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在工業(yè)自動化控制、智能化儀器儀表等應(yīng)用中越來越廣泛，在控制系統(tǒng)領(lǐng)域引起一場技術(shù)革命。微控制器發(fā)展已經(jīng)逐步走向成熟，逐步向性能更高、功能更多的 16 位、 32 位微控制器發(fā)展。從我 國乃至目前世界應(yīng)用范圍來看，單片微型計算機應(yīng)用的主流品種仍然是 Intel 公司的 MCS51 系列及其兼容品種、 MCS96 系列， Motorola 公司的 MC68 系列，以及 Philips公司的 51LPC 系列等。一直走在世界前列的 Intel 公司最初發(fā)展了 16 位單武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 片微型計算機，其中 8098 芯片在我國應(yīng)用十分廣泛； Intel 公司推出的 16位微處理器 MCS96 系列已經(jīng)發(fā)展到第四代產(chǎn)品 80C196 系列。國內(nèi)目前的應(yīng)用大多集中在 Intel 80C196KB/KC/MC 等品種的單片微型計算機上。更高性能的 32 位單片微型 計算機還少有應(yīng)用，一方面是由于目前高性能的 8 位、 16位單片微型計算機已能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場合需要；另一方面，這類單片機編程難度較大，沒有提供優(yōu)良的性價比，使這類單片機的潛能未能真正發(fā)揮。 Intel 公司從 1983 年起推出的 MCS96 系列 16位單片機是一種特別適合于高速控制場合的高性能的微控制器，在高技術(shù)工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有許多 8 位單片機所無法比擬的優(yōu)點。由于它高性能的寄存器－寄存器結(jié)構(gòu)，可以很好地運用于實時控制應(yīng)用場合。 80C196KB 是 Intel 公司九十年代初期性能較強的第二代 CMOS 芯片，它屬于帶有高速輸入 /輸出的 HSIO系列。其數(shù)據(jù) /地址總線均為 16位，使用 MCS96 家族共享指令系統(tǒng)，集成了時鐘發(fā)生器、 I/O 端口、 A/D 轉(zhuǎn)換、 PWM 輸出、串行口、定時 /計數(shù)器、監(jiān)視定時器 WATCHDOG、高速輸入 /輸出器 HIS/O 等。特別的是 80C196KB 在串行口功能上除了支持異步串行通訊之外，還增加了同步串行口，可以支持多種標準的同步串行傳輸協(xié)議。同時隨著芯片制造技術(shù)的發(fā)展，該芯片的價格也較低。因此，本課題選用功能強、速度快、抗干擾性能好、性價比高的 80C196KB單片機來設(shè)計這個系統(tǒng)，既能滿足 實時仿真控制系統(tǒng)的要求，又有很好的經(jīng)濟性。 現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展 [30][33] 隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線 （ Fieldbus）就是在這種背景下發(fā)展起來的新技術(shù)。 1984 年，美國儀器儀表學(xué)會 ISA/SP50 開始制定現(xiàn)場總線標準。 1992 年，國際電工委員會 IEC 批準了 SP50 物理層標準。 1992 年，由 Siemens、 Foxboro、Rosemount、 ABB 等公司成立 ISP 組織，以德國 Profibus 為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場總線標準。 1993 年，成立 ISP 基金會 ISPF。同年由中國儀器儀表學(xué)會等組織牽頭成立 ISPF 中國分會， 成為 ISPF 成員之一。其間還有一些影響頗大的公司和機構(gòu)牽頭成立現(xiàn)場總線組織 World FIP、 HCF等。由于存 在著技術(shù)和商業(yè)利武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 益的多種問題，各大組織和公司集團各持己見、互不相讓，延誤了現(xiàn)場總線的研究開發(fā)和總線標準的產(chǎn)生。在這種情況下， 1994 年 ISPF 和 World FIP握手言和，聯(lián)合成立了現(xiàn)場總線基金會 FF（ Fieldbus Foundation） 。該基金會聚集了世界著名儀表，集散系統(tǒng)制造商，研究機構(gòu)和大型用戶，已有成員 120多家，以及幾十家最終用戶組成的顧問委員會。 FF 和 IEC 在現(xiàn)場總線標準技術(shù)問題上取得一致意見，大大促進了現(xiàn)場總線標準的制定工作。在現(xiàn)場總線物理層已獲 IEC 批準的情況下，于 1996 年 1 季度完成了 低速總線 H1 的最后工作，安裝了示范系統(tǒng)，開始了運行考核階段，并可提供標準化產(chǎn)品。高速總線 H2 也完成了部分測試試驗和其它工作?，F(xiàn)有的幾個總線組織和大公司已經(jīng)推出了一些現(xiàn)場總線，如 CAN 、 LONWORKS、 PROFIBUS、 HART、 FF，但最終將統(tǒng)一到一個標準之下是必然的。 按 IEC 和現(xiàn)場總線基金會的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式，雙向傳輸，多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。有通信就必須有協(xié)議，從這個意義上講，現(xiàn)場總線就是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的標準。進一步說，現(xiàn)場總線不單單是一種通信技術(shù)， 關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場控制系統(tǒng)FCS 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散系統(tǒng) DCS，實現(xiàn)智能儀表，通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成?，F(xiàn)場總線是儀器儀表和自動化領(lǐng)域的一次新的革命。 FCS 具有信號傳輸全數(shù)字化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全分散式，現(xiàn)場設(shè)備有互操作性，通信網(wǎng)絡(luò)全互連式，技術(shù)和標準全開放式的特點。同傳統(tǒng)的集散系統(tǒng) DCS 相比， FCS 的優(yōu)點與現(xiàn)場總線的原理密切關(guān)聯(lián)，有如下優(yōu)點： （ 1）經(jīng)濟性，一對 N 結(jié)構(gòu)，一對傳輸線，連接 N 臺儀表雙向傳輸多個信號，節(jié)省電纜費用可觀，且安裝簡單，維護容易； （ 2）可靠性，現(xiàn)代數(shù)字信號傳輸技術(shù)抗干擾能力強，精度高； （ 3）可控性，操作員在控制室既可了解現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其進行參數(shù)調(diào)整； （ 4）綜合性，現(xiàn)場總線儀表（簡稱現(xiàn)場儀表）具備智能和綜合能力，可檢測，變換，補償，又有控制和運算功能，實現(xiàn)一表多用，既方便，又節(jié)??； （ 5）互換性和互操作性，打破了傳統(tǒng) DCS自成體系，互相封鎖的局面；現(xiàn)場總線允許選用各制造商性能價格比最高的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”，即對不同品