WorldFIP现场总线分布式控制系统的研究与开发

论文摘要

现场总线控制系统是近年控制系统的一个重要发展方向。WorldFIP是现场总线IEC61158国际标准中的第七种类型,适用于工业控制现场。国内外在Wor1dFIP现场总线应用主要集中在监控层,而在现场总线控制系统方面的应用研究方面还是一片空白。因此,开发基于Wor1dFIP技术的现场总线分布式控制系统,走出一条自主研发、自主创新的现场总线国产化道路有着非常现实和积极的意义。论文首次研发了一整套拥有自主知识产权的WorldFIP现场总线控制系统产品原型,详细讨论了关键技术和难点问题的解决方案与新方法。具体研究内容及取得的主要成果体现在以下四个方面:(1)基于WorldFIP协议提出了用户层和总线访问子层(FAS)通信协议,开发了整套WorldFIP协议软件。FAS定义了报文规范和上层服务接口。用户层的研究工作包括功能块和功能块应用进程。开发了系统管理软件模块,给出了具体实现方案,包括设备存在与地址分配,时间同步、功能块调度等。确立了以XML语言为基础的WorldFIP设备描述技术,设计了描述文件解析软件模块。(2)完成了WorldFIP智能主设备的研发。提出了以ARM9和VxWorks为软硬件平台、具有快速以太网接口的WorldFIP智能主设备的设计方案。用CPLD解决了硬件模块间的时序匹配问题。描述了整体软件结构,开发了设备所特有的总线系统管理软件模块,包括总线仲裁器、设备工厂、功能块交互中心等。(3)完成了WorldFIP总线仪表通用平台和四款代表性的总线仪表的开发。提出了ARM7和VxWorks为基础的通用平台的详细设计方案,进而研发了WorldFIP总线万能输入变送器、FI转换器、电力参数测量仪以及差压变送器四款仪表。在仪表开发过程中,提出了几项新颖的测量技术:多路隔离的万能输入模块、基于FPGA的自同步整周期交流采样技术和电容膜盒压力传感器的数字化测量电路。(4)研发了一款面向功能块技术的WorldFIP总线控制系统组态软件。组态软件采用了三层C/S整体架构。中间件服务器FipServer通过FAS协议访问总线设备,采用DLL技术开发。组态软件客户端为单文档多视图的Windows桌面软件,由七个模块构成,重点开发的模块包括系统管理、功能块参数组态、控制策略的图形组态、简单下载和实时监控等。基于上述研发成果,组建了一个WorldFIP现场总线控制系统,并将其在一个实际的过程控制系统中进行了实验与试用。整个系统顺利完成了多项测试,能够可靠稳定地运行,达到了预期的设计目标,具有良好的产业化前景。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 过程控制系统的发展
• 1.1.2 现场总线技术的发展历程
• 1.2 课题相关领域发展现状
• 1.3 国内外WorIdFIP 技术及基于WorIdFIP 技术的分布式控制系统的应用与研发现状
• 1.4 课题的意义
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 WorldFIP 现场总线分布式控制系统的总体设计
• 2.1 以WorldFIP 总线为现场层网络的综合自动化系统
• 2.2 WorldFIP 现场总线分布式控制系统体系结构
• 2.2.1 WorldFIP 总线网络
• 2.2.2 WorldFIP 主设备（网关）
• 2.2.3 WorldFIP 基本设备
• 2.2.4 人机接口设备
• 2.3 WorldFIP 通信模型
• 2.3.1 物理层
• 2.3.2 数据链路层
• 2.3.3 应用层
• 2.3.4 总线访问子层
• 2.3.5 用户层
• 2.4 系统管理
• 2.5 本章小结
• 第三章 用户层和总线访问子层协议关键技术
• 3.1 功能块应用进程
• 3.1.1 功能块结构
• 3.1.2 功能块参数
• 3.1.3 功能块的工作模式
• 3.1.4 功能块的执行步骤
• 3.1.5 PID 功能块的设计与开发
• 3.1.6 功能块通信
• 3.1.7 功能块服务
• 3.1.8 功能块壳
• 3.2 系统管理
• 3.2.1 可预约定时器管理模块
• 3.2.1.1 定时链表管理模块
• 3.2.1.2 定时器管理模块
• 3.2.1.3 物理定时器
• 3.2.2 宏周期时间和应用时间同步管理
• 3.2.3 设备识别和地址分配
• 3.2.3.1 原理描述
• 3.2.3.2 设计与实现
• 3.2.4 功能块的调度
• 3.3 WorldFIP 设备描述技术
• 3.3.1 基于XML 设备描述文件的基本结构
• 3.3.2 设备描述文件的解析
• 3.3.3 设备描述文件在组态软件中的应用
• 3.4 本章小结
• 第四章 WorldFIP 智能主设备
• 4.1 主设备的核心地位与设计需求
• 4.2 主设备的硬件设计
• 4.2.1 嵌入式主板
• 4.2.2 WorldFIP 通信接口板
• 4.2.3 主板与通信板之间的连接
• 4.3 主设备的软件设计
• 4.3.1 FDM 库在VxWorks 下的移植
• 4.3.2 以太网服务器软件组件的设计
• 4.3.3 WorldFIP 总线系统管理软件组件的设计
• 4.3.3.1 设备工厂
• 4.3.3.2 总线仲裁器
• 4.3.3.3 功能块交互中心
• 4.4 本章小结
• 第五章 WorldFIP 现场总线仪表
• 5.1 WorldFIP 现场总线仪表通用平台
• 5.1.1 仪表硬件平台
• 5.1.2 仪表软件平台
• 5.1.2.1 板级支持包（BSP）
• 5.1.2.2 MicroFIP 驱动软件
• 5.2 WorldFIP 万能输入变送器
• 5.2.1 万能输入变送器的性能指标
• 5.2.2 万能输入变送器硬件设计
• 5.2.2.1 仪表电源配电
• 5.2.2.2 通道保护隔离电路
• 5.2.2.3 信号调理电路
• 5.2.2.4 A/D 转换电路
• 5.2.3 万能输入变送器软件设计
• 5.2.3.1 四通道数据采集程序的设计
• 5.2.3.2 转换块的设计
• 5.3 WorldFIP 总线-电流（FI）转换器
• 5.3.1 FI 转换器的技术参数
• 5.3.2 FI 转换器硬件设计
• 5.3.3 FI 转换器软件设计
• 5.4 WorldFIP 电力参数测量仪
• 5.4.1 电力参数测量仪技术参数
• 5.4.2 电力参数测量仪硬件设计
• 5.4.3 电力参数测量交流采样算法
• 5.5 WorldFIP 差压变送器
• 5.6 本章小结
• 第六章 面向功能块技术的WorldFIP 现场总线控制系统组态软件
• 6.1 组态软件的框架设计
• 6.2 中间件FipServer 的设计
• 6.3 组态软件客户端程序设计
• 6.3.1 关键类结构
• 6.3.2 功能块应用进程图形组态的设计与实现
• 6.4 本章小结
• 第七章 系统实验
• 7.1 #1 储水罐的温度控制回路介绍
• 7.2 设备存在与地址修改测试
• 7.3 系统时间同步测试
• 7.4 系统运行实验
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作