（交通信息工程及控制专业论文）基于西屋OVATION的DCS系统的应用软件设计与实现.pdf

保密2 年 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r 、t h e d e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o nb a s e do n w e s t i n gh o u s e o v a t i o nd c s s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o l o f t r a n s p o r t a t i o n e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g 一 一 m a j o r ：t r a f f i ci n f o r m a t i o na n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：c h e n gb a o s u p e r v i s o r ：p r o f d e c u nd o n g m a r c h ，2 0 0 8 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 妃：瓜 2 p 矿年1 月 1 e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名：勃镶 2 硝年1 月2 1 日 摘要 摘要 生产企业中由于不同的生产单元采用异构d c s ( 分散控制系统) 而使企业生产过 程的全局信息难以集成与综合，阻碍了企业综合自动化的实现。论文针对这一问题 首先提出了建立面向异构d c s 控制系统的通用数据接口的解决方案。这个通用数据 接口是企业生产信息的综合平台，它将企业的底层生产网络与上层管理信息系统连 接起来。数据接口向下采集、管理和存储不同d c s 控制系统、生产现场不同具体设 备不同格式的生产过程实时数据，并且能够屏蔽各个d c s 控制系统开发平台、网络 通讯协议以及数据格式的互异性为上层管理信息系统提供标准、及时、准确的实时 数据与历史数据，从而使得所有与生产运行有关的管理决策者、操作者及相关的应 用程序都可以很方便及时得获得当前生产过程的实时数据和历史纪录。 由于众d c s 系统一般都支持m o d b u s 协议、o p c 协议中的一种或多种，论文针对 上述两种标准协议进行了程序设计。经测试针对上述协议的程序能稳定可靠的运 行。 本论文在建立了通用数据接口的基础上分析了国内外众多d c s 系统的软硬件结 构特点。针对西屋的o v a t i o n 分散控制系统，面向d c s 控制的典型应用软件，进行 相关程序设计，满足控制需求，应用软件已长期稳定地在生产企业d c s 中运行。 关键词：分散控制系统，m o d b u s 协议，o p c 协议，通用数据接口，典型应用软件 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti st h ea d o p t i o no fi s o m e r o u sd c sf o ru n i t si nam a n u f a c t i n gf a c t o r yw h i c hm a k e s t h ei n f o r m a t i o no fp r o d u c t i o np r o c e s sa saw h o l ei nae n t e r p r i s ec a l ln o tb es y n t h e t i z e da n d i n t e g r a t e d w h i c hb l o c kt h ea 1 1 a r o u n da u t o m a t i o nt or e a l i z ei nt h ee n t e r p r i s e i na l l u s i o nt o p r o b l e m ，t h ep a p e rf o l l o w i n gp u t f o r w a r das o l u t i o ns c h e m eo fe s t a b l i s h i n gag e n e r a ld a t a i n t e r f a c ef a c i n gd c sc o n t r 0 1s y s t e m o nt h eb a s eo fw h i c h ，e s t a b l i s h i n gag e n e r a ld a t a i n t e r f a c ef a c i n gs o m ed c ss y s t e m ，a n dt h u sr e a l i z i n gt h es y n t h e s i sa n di n t e g r a t i o nf o rr e a l t i m ed a t a t h i sg e n e r a ld a t ai n t e r f a c eb e i n ga p p l i e du n i v e r s a l l ys oi st h a te l e c t r i cp o w e r e n t e r p r i s ep r o d u c e ss y n t h e t i c a li n f o r m a t i o np l a t f o r m ，i t sn e t w o r kl i n k su p t h ee l e c t r i c p o w e re n t e r p r i s eb o t t o mp l a t f o r ma n du p p e rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m t h ed a t a i n t e r f a c ec o l l e c t sr e a ld a t ad o w n w a r d ，m a n a g i n ga n ds t o r i n gt h ed i v e r s i t yb e i n gu n l i k e d c ss y s t e m t h i sw i l ld oa l ld e c i s i o n m a k e r , h a n d l ep e r s o na n dp e r t i n e n ta p p l i c a t i o n r e l e v a n tt ot h ep r o d u c t i o nc a m p a i g na l lc a nb es ot i m e l ya st og a i nc u r r e n tp r o c e d u r eo f p r o d u c t i o nr e a lt i m ed a t aa n dh i s t o r yd a t av e r yc o n v e n i e n t l y s u p p o r tt h em o d b u s ，o p ca g r e e m e n ts i n c en u m e r o u sd c ss y s t e mi sg e n e r a l ；t h e t h e s i sh a sb e e ni np r o g r e s ss p e c i f i c a l l yf o ra b o v e - m e n t i o n e dt w ok i n d so fs t a n d a r d s a g r e e m e n tp r o g r a m m i n g i tc a n s t a b i l i z er e l i a b l eo p e r a t i o na sar e s u l to ft e s t i n gt h e p r o c e d u r es p e c i f i c a l l yf o ra b o v e - m e n t i o n e da g r e e m e n t t h et h e s i sh a sa n a l y s e dt h en u m e r o u ss y s t e m a t i cd c ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i cd e t a i l e d l y , a n dt h ea n g l eg e t t i n gr i c hf r o mi n k s t o n eh a ss u m m e du p c o m m u n i c a t i o ns u p p o r t e db yn u m e r o u ss y s t e m b a s e do nt h ew e s t i n gh o u s eo v a t i o n d c s ，w i t ht h et h e o r yo fb a s i cd c sa p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，ih a v ed o n et h ep r o g r a m m i n g d e s i g n t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c hid i d ，h a v ea l r e a d yb e e nw e l la p p l i c a t e di nt h e m a n u f a t i n gf a c t o r y k e yw o r d s ：d c s ，m o d b u sp r o t o c o l ，o p c ，g e n e r a l d a t ai n t e r f a c e ，b a s i ca p p l i c a t i o n s o f t w a r e i i ， 目录 目录 第一章绪论1 1 1 生产企业综合自动化概述l 1 2 西屋o v a t i o n 系统简介2 1 3 论文的选题背景及意义3 1 4 论文的主要工作和研究的问题4 第二章面向d c s 的应用软件设计5 2 1 生产过程d c s 应用软件的发展与现状5 2 2 问题的提出与解决方案5 2 2 1 信息孤岛问题5 2 2 2 通用数据接口6 2 2 3 应用软件需求分析7 第三章基于m o d b u s 协议与d c s 数据交换1 0 3 1m o d b u s 协议1 0 3 1 1 协议简介1 0 3 1 2 在m o d b u s 网络上传输1 1 3 1 3 在其它类型网络上传输1 2 3 1 4 查询一回应周期1 2 3 1 5 两种传输方式1 3 3 1 6m o d b u s 消息帧1 4 3 1 7m o d b u s 域1 5 3 1 8 字符的连续传输1 6 3 1 9 错误检测方法1 7 3 2m o d b u s 协议实现与o v a t i o n 系统的数据交换2 0 3 3o v a t i o n 系统侧应用软件的实现2 2 第四章基于o p c 协议与d c s 数据交换2 7 4 1o p c 技术规范2 7 4 1 1o l e 技术2 7 4 1 2c o m d c o m 技术2 7 4 2o p c 接口方式2 9 4 2 1 自动化接口的通信机制3 0 4 2 2 自动化对象模型3 0 i l l 目录 4 3o p c 数据访问方式3 1 4 3 1 同步访问方式3 1 4 3 2 异步访问方式3 2 4 3 3 订阅访问方式3 2 4 4o p c 技术规范3 3 4 4 1o p c 数据存取规范3 3 4 4 2o p c 报警与事件规范3 7 4 4 3o p c 历史数据存取规范3 7 4 4 4o p c 批处理规范3 7 4 4 5o p c 安全规范3 8 4 4 6o p c 数据交换规范3 8 4 5o p c 接口实现3 8 4 5 1 开发环境准备3 8 4 5 2 应用程序实现3 9 4 5 3 客户端详细设计4 0 4 6 小结4 6 第五章基于o v a t i o n 的应用软件4 8 5 1 过程监视程序4 8 5 2 过程控制计算程序：5 3 5 3 公共应用程序5 7 5 3 i 历史站的特点5 8 5 3 2 数据归档过程5 8 5 3 3 数据收集过程6 1 5 3 4 收集历史数据产生报表6 2 第六章结论与展望6 4 6 1 结论6 4 6 2 进一步工作方向6 4 致谢6 5 参考文献6 6 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果6 8 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 生产企业综合自动化概述 在现存的大中型企业中，随着生产过程规模的大型化，生产装置的多元化， 生产工艺的复杂化使得各生产环节之间的相互衔接，紧密配合就显得越来越重 要。 企业的生产、经营、管理分布越来越广，厂区跨越不同的地域，要想以现代 化的模式有效地组织、管理生产经营，就需要及时共享企业内部大量的信息资 源。生产过程中的原料、产品、能源等的调度已成为影响企业经济效益的重要因 素。电子信息技术( i t ) 的发展也极大地促进了工业自动化技术的发展，工业检 测与数据通信、生产过程自动化以及人工智能技术得到广泛的应用，形成了综合 自动化信息系统，从而进一步引发了传统产业的技术进步，大大提高了企业的竞 争力。 企业综合自动化是企业在自动化方面的整体解决方案，它通过对企业的生产 信息和管理信息的综合分析与处理为企业的生产调度和经营决策提供依据，从而 产生最优的经济效益。当前计算机技术与网络通讯技术的发展使得企业综合自动 化的实现成为可能。企业综合自动化系统借助于计算机网络通讯技术，实现了企 业内部各检测点信号到装置运行工况，生产流程的协调，各生产车间的调度，企 业的经营管理以及从企业到市场的信息的集成，一直到企业的优化决策，整个系 统是一种由下至上的的层次结构。如下图1 1 所示： 企业决簧支持系统( d s s ) 生产管理信息系统( m is ) 生产调度优化系统 数据接口 过程设备与系统 图1 1 企业综合自动化层次结构 可见，企业综合自动化系统实现的关键在于信息的集成化和有用信息的集成 程度。不但要基于物理层集成各种信息设备、通讯网络、应用软件和系统软件组 成的系统。更重要的是信息集成使得信息成为继人、财、物、设备之后企业的又 第一章绪论 一主要资源。 1 2 西屋o v a i 10 n 系统简介 o v a t i o n 系统是美国西屋过程控制有限公司继其c l a s s i c ，w e s t a t i o n 后推出 的新一代过程控制系统，也是一种先进的企业综合自动化系统。 西屋公司以控制系统就是信息系统的新理念，对于任何技术的投资必须考虑 它与未来科技的发展的兼容性的设计方针的指引下，放弃以前的专利化道路。在 作为d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 最核心的网络部分，o v a t i o n 采用适 用于实时过程控制的通讯网络，具有最快的速度和最大的容量。采用全冗余容错 技术的o v a t i o nc o n t r o ln e t w o r k 严格遵循i e e e 的标准。o v a t i o n 网络与通讯介 质无关，既可采用光纤，也可采用u t p 。其采用的硬件极易在市场上购得，而且 取消了对特殊网关和接口的要求，能够与企业内部l a n ，w a n 和i n t r a n e t 的完全 连通，如下图1 2 所示典型的o v a t i o n 网络结构。 图1 2o v a t i o n 典型网络结构 o v a t i o n 系统采用工业标准的p e n t i u m 处理器。由于使用开放的工业标准， o v a t i o n 控制器在工厂过程控制中功能强大。采用i n t e l 奔腾处理器增强了控制 的灵活性，并能够节省成本。控制器把快速发展的微处理器技术方便地组织在系 统中，提供在优先任务计划下的实时多任务、p c 兼容操作系统等功能，使用户在 控制器软件上投资最经济。o v a t i o n 控制器执行简单或复杂的调节、逻辑控制、 数据采集，提供与o v a t i o n 网络和i o 子系统的接口。控制器内部使用标准p c 结 构并提供无源p c i i s a 总线接口，可以和即插即用( p l u ga n dp l a y ) 的标准p c 产品相兼容。o v a t i o n 控制器所使用的操作系统不同于其它操作系统如u n i x ，它 只使用于兼容p o s i x 的r t o s 核心部分。该操作系统内嵌于o v a t i o n 的控制器中。 2 第一章绪论 为了保障实时控制和通讯功能，r t o s 通过t c p i p 提供抢占式多任务调度和网络 通讯。网络通讯通过商用的网络适配器，执行物理和媒介层处理的通讯功能。诸 如路径确定、站到站的连接等通讯协议中的高级功能以及文件的传输，都由控制器 软件处理。o v a t i o n 网络执行t c p i p 协议仅仅是r t o s 功能中的一种，它也兼容 其它实时操作系统和m i c r o s o f tw i n d o w s 、u n i x 。 o v a t i o n 系统不仅是一个分布式控制系统，而且是一个能支持任何商业应用 的开式计算平台，它本身就可以算是一个企业级信息系统，具有实时任务临界过 程控制能力。 1 3 论文的选题背景及意义 电子技术的日新月异使得企业综合自动化系统的发展取得了长足有效的进 展。根据企业综合自动化系统的功能分类，自动化控制系统一般可分为： 生产过程巡回检测和数据处理系统； 直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，简称d d c ) ； 监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，简称s c c ) ； 分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 。简称d c s ) d c s 系统以微处理机为核心，实现位置和功能上分散控制，又通过高速数据 通道把各个分散在不同位置的控制点的信息集中起来，进行集中的监视和操作， 并实现高级复杂规律的控制。 不同生产单元采用异构d c s ( 分散控制系统) 而使企业生产过程的全局信息难 以集成与综合，从而阻碍了企业综合自动化的实现的实际问题。 首先在d c s 的应用软件中需要解决的是通用数据接口问题。通用数据接口是 企业生产信息的综合平台，它将企业的底层生产网络与上层管理信息系统连接起 来，是d c s 应用软件能否高性能地发挥作用的基础。 数据接口向下采集、管理和存储不同d c s 控制系统、生产现场不同具体设备 不同格式的生产过程实时数据，并且能够屏蔽各个d c s 控制系统开发平台、网络 通讯协议以及数据格式的互异性为上层管理信息系统提供标准、及时、准确的实 时数据与历史数据，从而使得所有与生产运行有关的管理决策者、操作者及相关 的应用程序都可以很方便及时的获得当前生产过程的实时数据和历史纪录。并且 这个通用数据接口可以作为不同d c s 系统之间的数据交换的中介，实现不同d c s 系统的数据共享。这样应用软件的实现才有其实际意义。 其次d c s 应用软件主要包括过程监视程序( 例如巡回检测、数据处理、上下 限检查和越限报警以及操作台服务程序等) 、过程控制程序( 主要是指描述生产过 程和控制规律以及控制动作的一整套程序) 和公共服务程序( 如服务子程序库、 3 第一章绪论 数据库、制表、打印、显示等) 等多种子程序。在整个软件系统中，应用软件需 要满足用户最基础的需要上进行功能完善，使程序执行更高效。 1 4 论文的主要工作和研究的问题 在撰写该论文的过程中，需要主要关注以下一系列的相关问题。 1 了解国内外相关课题的发展现状建立研究方向与目标。 2 了解企业综合自动化的概念内容即实施意义。 3 熟悉o v a t i o n 分散控制系统的结构原理及软硬件特点。 4 熟悉o v a t i o n 分散控制系统数据通讯网络的原理和机制。 5 进行总体分析确定通用数据接口的软硬件结构与所要实现的功能。 6 详细研究d c s 系统通用的通讯协议m o d b u s ，o p c 协议。 7 编程实现d c s 系统与数据接口机的数据传输。 8 编程实现d c s 应用软件中监视程序、过程控制程序和公共服务程序等多 种典型子程序。 9 对采集到的实时数据进行综合处理，使其能为上层管理信息系统透明方便地访 问。 4 第二章面向d c s 的应用软件设计 第二章面向d o s 的应用软件设计 2 1 生产过程d o s 应用软件的发展与现状 控制系统应用软件是人( 系统用户) 与控制系统之间进行交流的媒介，是应用 软件将用户与计算机所控制的现场实际工作设备联系在一起，同时它又将计算机 控制的设备信息及时反馈给用户，以便用户分析并作出决策。d c s ( 分散控制系 统) 是融合自动控制技术、计算机技术与通信技术为一体的高科技控制系统，是 用于生产管理、数据采集和各种过程控制的处于新技术前沿的新型控制系统。 对于d c s 系统的应用软件也随着计算机操作系统的逐步人性化而不断发展进 步，已经从简单的图形、图表、数据表格等简单的信息形式，发展到立体化图形 丰富的颜色、生动的多媒体动画等。同时还有大量的信息，采用事件驱动的方法 用窗口的方式直观、准确的提示用户。目前，作为控制和监视用的计算机功能越 来越强大，一台普通的台式机的运算速度、内存容量和硬盘容量等指标已经超过 了早期的小型机。因此，实现复杂的应用软件在资源上也得到了充分的保证。 2 2 问题的提出与解决方案 2 2 1 信息孤岛问题 d c s 的出现极大的推动了企业综合自动化的发展，但新的问题由此产生：许 多采用d c s 控制系统的时候，处于安全、经济等多方面的考虑，往往不同实际应 用项目未必采用相同d c s 制造商提供的产品。在我国目前的d c s 市场中，实际应 用的d c s 就有十多种，主要几种的具体情况如下表2 1 所示： 表2 1d c s 类型及通信方式 d c s 类型通信方式 新华x d p s 4 0 0m o d b u s 主站、t c p i p 协议 西门子m o d b u s 协议、t c p i p 协议 l n 2 0 0 0 o d b c ，t c p i p 协议 f o x b o r o ( i a )d d e 、o d b c 、a p i 、o p c 西屋( o v a t i o n )m o d b u s 从站 a b b ( s y m p h o n y ) s e m a p i 、o p c 横河 m o d b u s p a s - 3 0 0 n io p c 、m o d b u s 由于采用不同的d c s 控制系统，而不同制造商提供的d c s 产品在结构设计，标 5 第二章面向d c s 的应用软件设计 准等方面自成体系，互不兼容，集成性差，控制器层的网络协议和i 0 通道总线各 厂家技术标准互不公开使得不同d c s 之间的接口基本上难以实现。各d c s 制造 商虽然都对数据库的访问提供一定的支持，但由于它们大多采用专用的实时数据 库，因而访问方法和机制各不相同。针对特定控制系统的实时数据库接口的开发有 一定基础，但这种开发过分依赖于特定控制系统的独特应用，使用不灵活，软件 可重用性差，与上层管理信息系统之间的数据交换必须逐一解决。这些相互独立 的d c s 之间互不沟通。大量冗余信息重复存在于各系统中，而管理者和领导者作 决策用的关于生产全局的综合信息则无法从各个系统中单独获得，不利于全局最 优的实现。 2 2 2 通用数据接口 为使生产过程中的实时数据能及时、安全、全面地传输到厂局域网以至互联 网以使厂级管理决策人员和更高一级的决策者根据当前生产的全局信息做出最合 理，最符合经济效益的决策，有必要建立这样一个能面向异构d c s 控制系统的通 用数据接口，将底层的各个d c s 控制系统与上层管理系统连接起来，只有在通用 数据接口的支持下，各个d c s 控制系统的应用软件才能很好的发挥自身的作用。 这个数据接口将来自生产现场的各个系统的所有数据集中统一存储管理并向 外发送，这可保证数据的一致性，完整性和可靠性。所有使用相关数据的人员或 应用程序可以访问同样的数据而用于不同的目的，即从不同的视角来看相同的信 息，生产中不同系统不同设备的数据的管理和集成使管理和控制形成一个有机的 整体。形成一个自下而上的逐级数据采集，存储、管理的完整系统，并通过企业 的网络系统和互联网向上一级管理信息系统发送，对上层管理信息系统而言，可 以通过这个数据接口很方便地获得所需的底层不同控制设备与系统的生产过程实 时数据，而没有必要去关心这个底层系统应用软件的开发平台、运行环境、通讯 协议和数据格式，从而使得所有与生产管理有关的人员和所有相关应用程序均可 很方便地获得当前的生产过程实时数据，从而做出正确的操作与决策。 同时，建立一个通用的数据接口还可以避免底层的生产系统之间与上层管理 信息网络相连。只有建立了一个通用的数据接口才能使得d c s 的应用软件能更好 的发挥作用。通用数据接口的具体结构如图2 1 所示： 6 第二章面向d c s 的应用软件设计 图2 1 通用数据接e l 具体结构 2 2 3 应用软件需求分析 应用软件的设计是实际工程中，工程技术人员需要不断遇到和解决的实际问 题。评判一种应用软件的成功与否主要取决于用户的反应情况，操作的方便性、数 据结构的合理性、程序反应速度的灵敏性都是实际设计过程中需要考虑的问题。同 时针对不同公司的不同版本的系统升级也是在应用软件设计与实现中需要不断关注 的问题。 现代生产过程的应用软件一般根据生产工艺的需要可分为如下的应用软件子程 序： ( 1 ) 生产过程监视程序。 ( 2 ) 生产过程控制计算程序。 ( 3 ) 紧急事故处理程序。 ( 4 ) 服务公共应用程序。 同时也可以按照d c s 功能设计需要分为 ( 1 ) 人机界面程序。 ( 2 ) 生产过程控制逻辑程序。 ( 3 ) 数据存储程序。 ( 4 ) 对外数据接口程序。 无论我们用何种方式划分应用软件子程序，其在d c s 系统中的重要性是显而易 见的。用户首先关注的是与其交流的操作界面，操作界面应用于各个子程序中，应 用软件的子程序首先需要确定的是操作界面的数据结构，从而整定整个d c s 系统的 应用软件风格。 d c s 操作界面主要显示生产的工艺流程，即生产产品更新换代的方式、方法及 生产过程。一个工艺流程一般由一个总貌图显示系统设备的概况信息和多幅画面显 7 第二章面向d c s 的应用软件设计 示该系统中每个具体设备的详细信息。系统界面的组织一般采用树状的数据结构， 分级布置，也就是每个子系统又包括几个子系统，系统有一个主菜单，操作人员通 过这个主菜单可以到相应的系统画面上。如图2 2 ： 图2 2 树状数据结构 同时对树状结构的组织形式进行修改，对树结构中的同级结点增加相关连接， 形成网状的数据结构，如图2 3 ： 图2 3 网状数据结构 给每个画面分配一个编码，同时还对子系统中包括的画面形成索引。对于同一 个子系统中的画面，采用双向链表数据结构来组织。如图2 4 酣元c 圆 图2 4 双向链表数据结构 用图2 3 及图2 4 的数据结构来组织画面，操作人员有多少选择方式到达所要 去的画面，满足不同的操作习惯。同时，在子系统画面集合中，使用双向链表数据 结构可以把比较分散的画面单元有机的结合起来，将画面组织成一个系统，对于系 统画面的粒度比较小、分散性大的情况下，使用这种结构更方便合理。 8 第二章面向d c s 的应用软件设计 在建立成熟的操作界面的基础上，一种好的d c s 应用软件需要强大的数据库的 支持。基于西屋o v a t i o n 系统附带的o r a c l e9 i 数据库我们可以进行方便的文本和 表格编辑，用对应数据库中的相关关键控制字符进行适当添加操作，来完成需要的 测点建立。测点的建立需要分析用户的使用习惯，使用方法及其想在从测点中得到 的相关信息。在充分了解用户的需求后，我们进行相应的测点数据库文本建立工 作，来满足用户需求，也为生产过程控制逻辑程序的建立打下良好坚实的基础。 生产过程控制逻辑程序是d c s 应用软件的精髓，用户实实在在所应用的就是生 产过程控制逻辑程序。其在生产进行过程中起着相当重用的作用，帮助生产人员获 取运行设备状态，进行远程控制操作、数值调整、程序调节等设备日常运行动作。 是我们应该深入研究，仔细分析的重点。 9 第三章基于m o d b u s 协议与d c s 数据交换 第三章基于m o d b u s 协议与d c s 数据交换 3 1m o d b u s 协议 3 1 1 协议简介 m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相 互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标 准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控，连成 工业网络。 此协议定义了二个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络 进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设 备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 当在一m o d b u s 网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地 址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生 成反馈信息并用m o d b u s 协议发出。在其它网络上，包含了m o d b u s 协议的消息转 换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地 址、路由路径及错误检测的方法。 m o d b u s 应用层 基于t c p 的m o d b u s t c p i p m o d b u s + h d l c 主从以太网i i ，8 0 2 3 物理层e i a 厂r i a 2 3 2 或4 8 5以太网物理层 图3 1 o d b u s 层次结构 m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备( 或广播) 地址、功能代码、所有 要发送的数据、错误检测域。设备( 或广播) 地址提供从机地址，从机根据地址判 别是否接收请求，以做出相应响应，用户必须设置每台从机的地址。功能代码告诉 1 0 第三章基于m o d b u s 协议与d c s 数据交换 从机该完成何种动作。数据区的内容就必须包括从机的寄存器地址，需要读的寄存 器的个数。错误校验域用于校验信息是否正确传输，采用循环冗长检测方法，c r c 域附加在消息的最后，添加时先是低字节然后是高字节。故c r c 的高字节是发送信 息的最后一个字节。 3 1 2 在m o d b u s 网络上传输 标准的m o d b u s 协议使用r s - 2 3 2 c 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电 缆、信号位、传输波特率、奇偶校验等。控制器能直接或经由m o d e m 组网。 m o d b u s 协议将通讯参与者规定为“主 ( m a s t e r ) 和“从”( s l a v e ) 。主设备可 单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信，而从设备之间不能通信。 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通 信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。 m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备( 或广播) 地址、功能代码、所有要发 送的数据、错误检测域，图3 2 描述的就是这样一种过程。 主从 初始请求卜 _ - _ - 一- 进行动作 功能码数据请求 初始化回应 功能码数据回应 接收回应 图3 2 主设备与从设备通信 从设备回应消息也由m o d b u s 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数 据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误或从设备不能执行其命令， 从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去，如图3 3 。 第三章基于m o d b u s 协议与d c s 数据交换 主从 初始请求卜 、- 发生错误 功能码数据请求 初始化错误 。 异常功能码错误数据 接收回应 图3 3 主设备与从设备通信发生错误 主从设备之间通信的报文形式为请求响应帧方式，在同一m o d b u s 网络中仅1 台主设备能初始化传输( 查询) ，从设备根据主设备查询提供的数据( 功能码) 作出 相应反应，不需要握手。如果单独通信，从设备返回一个消息作为回应，如果是以 广播方式查询的，则不作任何回应。 3 1 3 在其它类型网络上传输 在其它网络上，设备使用对等技术通信，故任何设备都能初始和其它设备的 通信。这样在单独的通信过程中，设备既可作为主设备也可作为从设备。提供的 多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 在消息位，m o d b u s 协议仍提供了主一从原则，尽管网络通信方法是“对 等 。如果一设备发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同 样，当从设备接收到消息，它将建立从设备回应格式并返回给发送的主设备。 3 1 4 查询一回应周期 查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了 从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码0 1 是要求从设备读c o i l 寄存 器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读 及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的 方法。 1 2 第三章基于m o d b u s 协议与d c s 数据交换 回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的 功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：寄存器值或状态。如果有错 误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描 述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用n 射。 3 1 5 两种传输方式 o v a t i o n 控制器能设置为两种传输模式( a s c i i 或r t u ) 中的任何一种在标准 的m o d b u s 网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数( 波特率、校验方 式等) ，在配置每个控制器的时候，在一个m o d b u s 网络上的所有设备都必须选择 相同的传输模式和串口参数。 a s c i i 模式 r t u 模式 所选的a s c i i 或r t i j 方式仅适用于标准的m o d b u s 网络，它定义了在这些网络 上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。 当控制器设为在m o d b u s 网络上以a s c i i ( 美国标准信息交换代码) 模式通 信，在消息中的每个8 b i t 字节都作为两个a s c i i 字符发送。这种方式的主要优点 是字符发送的时间间隔可达到1 秒而不产生错误。 代码系统 十六进制，a s c i i 字符o 9 ，a f 消息中的每个a s c i i 字符都是一个十六进制字符组成 每个字节的位 1 个起始位 7 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位( 有校验时) ，2 个b i t ( 无校验时) 错误检测域 l r c ( 纵向冗长检测) 当控制器设为在m o d b u s 网络上以r t u ( 远程终端单元) 模式通信，在消息中 的每个8 b i t 字节包含两个4 b i t 的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同 样的波特率下，可比a s c i i 方式传送更多的数据。 代码系统 1 3 第三章基于m o d b u s 协议与d c s 数据交换 8 位二进制，十六进制数0 9 ，a f 消息中的每个8 位域都是一个两个十六进制字符组成 每个字节的位 1 个起始位 8 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位( 有校验时) ，2 个b i t ( 无校验时) 错误检测域 c r c ( 循环冗长检测) 3 1 6m o d b u s 消息帧 两种传输模式中( a s c i i 或r t u ) ，传输设备已将m o d b u s 消息转为有起点和终 点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪 一个设备被选中( 广播方式则传给所有设备) ，判知何时信息已完成。部分的消息 也能侦测到，并且错误能设置为返回结果。 使用a s c i i 模式，消息以冒号( ：) 字符( a s c i i 码3 a h ) 开始，以回车换行 符结束( a s c i i 码o d h ，o a h ) 。其它域可以使用的传输字符是十六进制的 o 9 ，a f 。网络上的设备不断侦测“： 字符，当有一个冒号接收到时，每个 设备都解码下个域( 地址域) 来判断是否发给自己的。 消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1 秒，否则接收的设备将认为传输 错误。一个典型消息帧如下图3 4 所示： 起始位 9 设备地址 功能代码 l数据 。r c 校验 l 结束符 1 个字符 1 2 个字符 2 个字符 ln 个字符 2 个字符1 2 个字符 图3 4a s c i i 消息帧 使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。在网络 波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的( 如下图3 5 的t 1 - t 2 - t 3 - t 4 所 示) 。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的 0 9 ，a f 。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域 ( 地址域) 接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传 输字符之后，一个至少3 5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息 可在此停顿后