本文作者李玉华女士，中国船舶工业总公司第710研究所高级工程师；吴山尧先生，工程师；吴道虎先生，华中科技大学博士后；郭江先生，博士。 关键词：FCS　仿真　系统设计　硬件/软件 一 设计背景 随着虚拟现实和计算机网络技术的发展，当前世界各国，特别是军事大国在研制武备产品时，广泛采用仿真技术和模拟训练仿真系统进行研制方案论证以减少研制费用，并且大多采用分布交互仿真系统(Distributed Interactive Simulation, DIS)结构，即采用虚拟现实、现场总线和计算机网络技术，为武备产品研制提供一个分布、交互、实时的网络支撑环境，先进的实时仿真建模环境，实时视景仿真，分布交互仿真开发环境，多媒体虚拟现实仿真演示环境，虚拟显示模拟训练环境，以及虚拟现实培训系统环境，其特征是把分布的仿真节点同网络连接构成统一、协调的综合仿真环境，允许人的参与和行为表现。 为满足上述DIS仿真系统的设计要求，必须有一套真正的分布式网络控制系统作为硬件平台。目前，在工业控制领域应用比较成功的当属现场总线控制系统(FCS)。本文主要从此角度出发，介绍基于FCS的分布交互仿真系统的设计与实现。
二 现场总线控制技术 1. 现场总线控制系统 FCS集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体，是一种全分散、全数字、全开放的当代最先进的计算机控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将成为现代计算机控制系统的主流。现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，节省了系统的硬件和布线费用，方便了用户对系统的组态、管理和维护。 2. FCS对计算机控制系统的影响 传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中，对现场信号需要进行点对点的连接，并且I/O端子与PLC或控制仪表一起被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆，布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而且DCS不是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。而基于FCS的控制系统则完全克服了这些缺点。 (1)FCS借助于现场总线技术，所有的I/O模块均放在工业现场，而且所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准化数字信号，只需一根电缆(两线或四线)就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上，降低了成本，又便于安装和维护，同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。 (2)FCS具有开放性。在FCS中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性好，更新换代容易。程序设计采用IEC61131-3 5种国际标准编程语言，编程和开发工具是完全开放的，同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。 (3)系统的效率高。在FCS中，一台PC可同时完成原来要用两台设备才能完成的PLC和NC/CNC任务。在多任务的Windows NT操作系统下，PC中的软PLC可以同时执行多达十几个PLC任务，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能，极大地改善了编程环境。 (4)在FCS中，系统的基本结构为:工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或NC/CNC实时多任务控制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据库组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等方面，并真正实现管理集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。 3. 现场总线控制系统的通信标准 FCS采用ISO OSI模型7层体系结构中的第一、二、七层，即物理层(Physical Layer)、链路层(Data Link Layer)、应用层(Application Layer)，外加一个第八层，即用户层(User Layer)，构成其总线通信标准。用户层是现场总线标准在OSI层模型之外增加的一层，它使该标准超出一项通信标准而成为系统标准，是FCS开放性与互操作性的关键。用户层定义了29个标准功能模块，用于数据处理和组成控制算法，标准功能模块的数量少于一般的DCS，它允许用户自己定义算法模块，另外还定义了两个工具，即设备描述语言DDL(Device Description Language)和对象字典OD (Object Dictionary)，用以登记网络上的“可见对象”，以实现可互操作性。 三 设计应用 1. 系统组成 本仿真系统由于涉及到保密等方面的缘故，因此仅介绍采用Profibus现场总线的设计部分，其结构如图所示。 在本系统中，数据服务器和生产在线服务器作为双主控制器，而PLC和工业控制计算机在实际中作为下位机用，但是在原理上四者是对等关系，无主次之分，上述的划分仅从控制的要求以及它们在系统中的作用的角度来考虑的。也就是说车间级的网络采用双层网络结构，其中局域网部分采用Profibus-FMS方式，用于各个从站之间和从站与主站之间的信息传输，主站或从站与现场执行机构之间采用Prifibus-DP方式通信，获取设备的控制信号，由于仿真交互环境比较分散，在各个站之间放置了网络放大器，用以提高网络的传输速率，这样就大大减少了I/O模块，降低了系统的成本，这正是采用FCS的初衷。数据服务器主要作车间级服务器用，用作重要数据的存储、管理以及设备管理等，在数据服务器上安装Windows NT为操作系统，SQL Server 7.0为数据库管理系统，Power Building 7.0为开发平台。生产在线服务器主要起仿真环境的流程控制作用，管理现场的两个工程师站，并协调他们工作。两个服务器之间的数据交换采用高速Ethernet。 2. 现场总线选择的理由 Profibus是当今世界应用最广泛的总线技术，主要包括最高波特率可达12M的高速总线Profibus-DP(H2)和用于过程控制的低速总线Profibus-PA(H1)。DP和PA的完美结合使得Profibus在结构和性能上优于其他现场总线。Profibus既适合于自动化系统与现场信号单元的通信，也可用于连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其他现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一根双绞线替代了传统的大量传输电缆，节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。根据统计，使用Profibus可以使工程总造价降低20~40%。 3. 硬件系统设计 由于两台服务器作为车间级的服务器，同时为了实现各分系统的互通互联，考虑到实际应用成本和各分系统之间数据传输速率的要求，采用分层控制，构造基于现场级的DP网络和基于监控级的S7网络。两台服务器选用通用的商用计算机，主要配置为：Pentium III 1.0G、256M RAM、30G硬盘以及带32M RAM的显示适配器。现场控制单元选用3台Siemens S7-315-2DP PLC以控制执行机构的启停、开关等，充分发挥PLC的逻辑输入/输出功能，和两台工业控制计算机，并内插数据采集和模拟输出模块，用以采集仿真对象的环境场所特征值，给变频器提供模拟信号等，以发挥数字计算机模拟信号处理的能力，配置为：Pentium III 850M、128M RAM、20G硬盘以及带32M RAM的显示适配器。在两台服务器以及两台工业控制计算机内分别配有一块用以连接Profibus S7网络的适配卡CP5613，在PLC中同时配有一块CP542-5卡。其中CP5613是一块具有Profibus现场总线协议的通信卡，用以组成一个真正意义上的分布式控制系统，CP5613的通信协议采用的是Profibus，但其物理层采用的是RS-485标准通信规范，即还是采用双绞线RJ45方式传输数据，传输介质采用A类双绞线。 4. 软件系统设计 a. PLC软件设计 对PLC编程采用Siemens公司的SIMATIC STEP7 BASIS 5.0软件平台，完成硬件的组态、地址和站址的分配以及控制程序的开发。采用基本顺序指令和步进指令两种编程方式，系统软件设计采用常规的梯形图形式，由PLC内部的计数器、计时器和步进逻辑来实现控制逻辑能按试验仿真要求逐步完成。在运行状态中，状态之间的切换做到无扰动切换，保证仿真过程的平稳过渡。 b. 现场控制单元的软件设计 现场控制单元主要用于仿真环境特性信号的收集和处理、模拟信号的输出以及与数据和生产在线服务器之间的通信，考虑到系统的实时性，采用Windows 98SE为操作系统，Visual C++为开发平台，并采用多线程技术以保证系统的实时性。多线程技术主要有主线程、数据采集线程、模拟输出线程、Profibus通信线程、数据处理线程等。程序采用面向对象的设计方法，主要模块有通信模块、初始化模块、数据接收模块、数据传输模块、数据实时处理模块、数据采集分析模块、模拟输出模块、线程管理模块、数据存储模块等。 c. 服务器程序设计 服务器程序在W