西门子6ES7222-1HF22-0XA8诚信经营
1前言
造纸工业是国民经济的重要支柱产业之一。目前，碱法制浆是国内外造纸工业普遍采用的制浆方法，而碱回收是现代碱法制浆的重要组成部分。碱回收能为碱法制浆工厂提供蒸煮用碱，从而达到节能、降耗及保护环境的目的。由于越来越多的自动化设备如传感器、PLC等被应用到造纸工业控制，数据流高速传输的通信网络的实现就成为电气传动和控制系统的一个必不可少的组成部分。
2碱回收黑液蒸发过程控制策略
碱回收包括蒸发工段、燃烧工段及苛化工段。其中蒸发工段是将制浆车间送来的黑液通过多效蒸发器蒸发成燃烧工段所需的高浓度黑液，其蒸发的好坏直接影响燃烧工段浓黑液的燃烧效果，蒸发工段是碱回收系统的一个重要工段[1,2]。
碱回收蒸发工段的主要控制目标是稳定浓黑液的浓度和降低蒸汽的消耗，必须着重控制下列参数：进效稀黑液的浓度和liuliang；进效新鲜蒸汽的压力和liuliang；出效浓黑液的浓度；末效的二次蒸汽的真空度；出效黑液及冷却水液位；冷凝器清水的温度等。
针对蒸发工段过程参数多和控制回路结构复杂的特点，为了达到可靠、灵活的控制要求，对其控制适宜采用DCS，即集散控制系统[3]。
3系统硬件组态
硬件设备选取时，应根据碱回收蒸发工段的工艺要求和厂方提供的技术资料，确定监控AI、AO、DI、DO信号数量，从而合理配置系统的IO模块单元，配置DCS系统所需的主控单元、电源模块、操作站、工程师站、监控站、通信网络、打印机和UPS电源等。
根据蒸发工段控制要求及被控信号的特点，我们设计的DCS系统其硬件主要包括：主控单元（包括CPU、100M以太卡和DP主站卡等）、电源模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块、ProfiBus-DP重复器、端子模块等。
4通信网络结构
DCS系统通过硬件（包括控制器及I/O模块）采集并处理现场数据。为了将获得的这些数据用于上位机显示及参与控制调节，需要对这些用于采集数据的硬件进行网络配置。
在目前的工业控制网络通信中，常用的主要为ProfiBus现场总线和Ethernet（工业以太网）。
4.1ProfiBus现场总线技术
ProfiBus现场总线技术是由德国Siemens等13家公司和5家研究所联合制定的标准化规范。ProfiBus包括同一类、可互兼容的3个变种，即ProfiBus—FMS、PA、DP以适应不同领域的要求[4]。ProfiBus—FMS(现场总线技术信息规范)的设计旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信服务；ProfiBus—PA(过程自动化)的数据传输采用扩展的ProfiBus—DP协议，并描述了现场设备行为的PA行规，适用于过程自动化；ProfiBus—DP(分散型外围设备)用于现场层高速数据传送。
4.2Ethernet（工业以太网）
随着Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成。由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技术)网络，并能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架。
4.3通信网络结构选取
根据蒸发工段的工艺及对其进行灵活、可靠的控制要求，并考虑企业今后发展对生产管理信息化的需要，在我们的设计中将ProfiBus现场总线和Ethernet结合运用到蒸发工段通信网络中，并对主要的硬件采用冗余配置，其通信网络结构图如图1所示，其中企业管理级网络可根据企业未来管理的需要方便地进行拓扑。
图1蒸发工段DCS通信网络结构图
ProfiBus－DP为开放的系统协议，其传输速率为9.6Kbps～12Mbps，大传输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km，传输介质可采用双绞线。输入输出模块挂接在ProfiBus－DP线上，实现与控制柜主控单元进行信息传输。
主控单元内置CPU、100M以太卡和DP主站卡等，完成ProfiBus和Ethernet的数据交换。
上位机（主/冗余服务器）通过100MEthernet及100M冗余Ethernet采用TCP/IP协议与控制柜的主控单元进行信息传输，即将上位机发出的操作指令发向控制站，将现场采集来的信息发给上位机。传输速度为100Mbps的以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势。
这样，ProfiBus－DP网络实现主控单元与现场I/O单元的数据传递；Ethernet用于上位机及主控单元之间的信息传递。通过上位机（主/从服务器及监视器）和控制柜的主控单元实现对工业现场的实时监视与控制，并使蒸发工段的通信网络兼具了ProfiBus－DP高速数据传送和Ethernet向企业管理层拓扑便利的优点。
5软件组态
系统的软件组态及设置主要通过Helishi公司的ConMaker(控制器)软件和FacView(人机界面)软件实现。
ConMaker是用于开发控制方案的开发平台。根据蒸发工段的工艺控制要求，我们编写了MACS_PRG主程序及相关子程序。子程序主要包括：数据转化、I/O模块定义、常规PID控制算法、智能PID控制算法和主蒸汽liuliang控制等子程序。
利用FacView编辑可完成监视器显示所需的现场设备监控页面。整个蒸发工段包括的页面有：主菜单、蒸发工段I、蒸发工段II、硬件配置图、系统状态图、硬件报警、工艺报警、报警禁止、模拟量趋势、对比趋势、操作日志、报表输出等。
其后，便利用FacView通过标签变量与ConMaker建立联系，从而建立了基于SmartPro—FacView的实时监控系统，对现场设备进行监控。
6系统安全保护设计
为了保证蒸发工段安全、可靠地运行，我们在安全保护环节除了采用权限设置等软件保护，还进行了系统硬件机械保护设计。当系统发生异常时，蒸发工段仍保持在安全的控制状态。
系统安全保护设计主要包括：(1)通信电缆屏蔽：采用了通信电缆屏蔽设计，解决了ProfiBus－DP通讯不畅的问题。在实际施工中，尽量使ProfiBus－DP电缆远离强电区，以避免电磁干扰；(2)有效的隔离设计：所有的IO单元都采用可靠的光电隔离技术，使各单元之间和单元与上位机之间的CPU无任何电气联系，从而tigao系统的抗干扰能力、可靠性和安全性。在同一单元的不同通道间也提供了隔离措施，以消除由于现场地电位差对系统造成的损坏；(3)全面冗余设计：对主要的硬件部分，如控制器、Ethernet网络都采用冗余配置，当连续执行的诊断检测到重要硬件部分故障时，自动切换到备用部分将报警信息传送到操作站上报警。冗余配置的设备主要有：控制器（CPU）及其配套卡件、通信网络、供电单元和I/O卡件等。
7结束语
通过现场调试，基于ProfiBus－DP与Ethernet的通信网络的碱回收蒸发工段集散控制系统于2002年起先后在山东、河南等多家造纸厂运行投入使用。运行结果表明基于ProfiBus－DP与Ethernet的通信网络运行稳定，结构简单，维护方便，为在碱回收蒸发工段中实施常规PID控制及先进的智能控制提供了良好的基础。
1前言
轨道交通通信传输网是承载轨道交通各类信息的网络平台。目前上海已有3条轨道交通投入运营,计划在30 年分为语音、数据、视频等3 类业务(见表1) 。
(1) 语音业务:主要是指内部公务电话网和专用电话网的2 M 中继信息和部分64 kb/s通道。内部公务电话网主要提供内部工作人员的行政联络并能与外部公网相连接。专用电话网提供调度电话(包括行车调度电话、电力调度电话和防灾报警电话)、站间闭塞电话、站内集中电话和区间隧道内的轨旁电话(供列车司机和维修人员应急使用) 。语音业务占整个上海轨道交通业务量的90 %以上。
(2) 数据业务:是指为无线通信系统、广播系统、电视监控系统、防灾报警系统、信号(ATC) 系统、电力远动(SCADA) 系统和票务(AFC)系统的控制信息及相关数据提供通道,主要是一些低速数据和10 M 以太网,低速数据的接口类型较多(主要是2/ 4 线音频接口,V. 24、RS 232 、RS 485 、RS 422 等数据接口)。目前数据业务量不大且是低速,但随着轨道交通和各系统的技术发展,数据量将大量增加,传输速率和带宽要求也会大大tigao。数据业务量在整个轨道交通业务量的比重也将随之tigao。
(3)视频业务:电视监控系统所提供的各站图像是为调度所调度员、车站行车人员和列车司机了解车站客运和行车情况服务的,而这些图像的传输目前是模拟视频传输和数字视频传输。但随着技术的发展,城市轨道交通中的视频信号的传送必将逐步实现模拟信号数字化。这就要求传输系统能支持数字视频的传输,传输网也要有更高的带宽和更高的传输质量。
2 组网规划原则
(1)轨道交通通信传输网的规划应符合当前通信技术发展的趋势特别是传输技术的发展方向,符合我国产业导向和相应行业标准、规范的要求。
(2)轨道交通通信传输网应统一规划和统一管理。根据上海城市轨道交通30 年内要建成17条线路的发展规划,其通信传输网应实现统筹安排、分线分期实施以及逐步全线联网的原则。单线应充分考虑本线的业务要求,还应根据总体规划的要求预留必要的光纤、电路及接口,以便与其它线互联互通,实现信息交换和进行统一的管理。无论以后的轨道交通运营模式如何,信息资源的共享和高效的管理都是必需的。
(3)轨道交通通信传输网建立应立足满足近期多业务的需求,但还应考虑未来数据和数字视频业务的增长,系统容量应预留一定余量。当今通信传输技术迅速发展,系统还应具有可扩展性、可兼容性,以保护前期投资。
(4)轨道交通通信传输网传输轨道交通的各类信息,直接影响轨道交通的运营安全和票务结算的资金安全,要求网络具有很高的安全性和可靠性。网络拓扑结构要有自愈功能,技术要求成熟和可靠。
(5)轨道交通通信网络还应具有较好的经济性,不仅表现为在建设时降低建设成本,应考虑建成后的运营维护成本,包括运营维护的人员成本。制造商的良好售后服务和技术支持也是必需的。
3 网络总体设计方案
目前上海投入运营的3条城市轨道交通线,由于是分线分期建设且时间跨越10 年,这三线所采用的通信传输系统的制式不同(见表2),且这三线的传输网相互独立自成网络。根据规划,上海在30年内要形成庞大的城市轨道交通网络,这就决定了传输网建设也是分线分期进行的。根据这个特点,可以将整个通信传输网划分成骨干网和支线网(见图1)。
支线网:指单条轨道交通线的传输网,承载本线内的业务传输。
骨干网:由各支线网的一个或多个骨干节点组成,实现跨线的业务传输。随着轨道交通线的逐一完成,可以将该线的骨干节点并入骨干网。
图1 城市轨道交通通信传输网总体示意图
1)骨干网
骨干网传输技术有3种。目前在通信界关于这3 种(SDH 、ATM 和宽带IP) 技术的争论比较激烈。随着Internet的迅速普及和所有的业务都将基于IP( 即所谓的everything on IP) , 而承载IP 的有SDH 、ATM 和宽带IP三种技术,从性能、价格和发展趋势综合考虑,宽带IP 是。但轨道交通通信网属于专用网的范畴,通过上述业务类型分析,目前除票务计算机系统基于IP 外,其它业务为非IP 业务,并且总的业务量不大;加之宽带IP 路由器覆盖范围还十分有限,宽带IP目前不适合在骨干网传输中使用。但随着将来信息系统、票务系统和数字视频的大量使用,宽带IP 不失为一种较佳的选择。
SDH具有同步复用、标准光接口、强大网管和自愈功能、与现有网络兼容、能接纳各种新的电信业务等特点。ATM是为宽带业务综合数字网而研制开发的技术。ATM 相比SDH 主要有以下劣势: 其一是价位偏高;其二是网络体系结构复杂且重复,网络管理复杂。现在通信界人士普遍对其持观望态度,厂家基本上已不对其进行研发及生产。针对城市轨道交通多业务的特点,SDH也较为适合: 对于2M 业务可直接进入SDH , 对于数据和多媒体业务可使用IP over SDH ,SDH 也能接纳ATM信元。
OTN(OpenTransport Network) ,是SIEMENS公司为专用通信网开发的传输系统。该系统提供的业务接口丰富,符合轨道交通多业务的需求,但目前产品中高速率为600M ,无后续产品,不利于骨干网不断扩容的需求。OTN 没有一个相关的存在,不确定因素较多,不利于招投标。
从各方面要求和组网规划原则来看,目前的佳选择应是SDH , 即在骨干网建设SDH 环路。
2)支线网(单条轨道交通线的传输网)
从以上对轨道交通业务种类的分析可知,支线网要满足多业务接入和传输的需求,不仅要考虑目前的话音、数据、图像业务,还要为将来的IP业务的接入考虑。
在支线网传输技术中,对于技术的考虑要做到先进性和成熟性的统一。SDH对于电话语音业务是一个既先进又成熟的技术,对于数据业务,传输效率却不高。ATM 技术过于复杂、成本过高。IP 虽发展迅猛,但QoS问题仍需改进。目前出现了一种全新的设备形态MSTP(多业务传输平台),国内已有多家设备制造商推出了该类设备。MSTP 具有以下特点:① 可以兼容传统的网络体系,支持多种物理接口。MSTP系统能提供各种物理接口来满足不同终端接入用户的设备要求,能够提供多业务灵活接入。②支持多种协议。可以实现对新业务的灵活支持,避免对新业务的新设备投资。多业务主要有: IP 、ATM 、SONET/ SDH、Ethernet/ Fast Ethernet/ Gigabit Ethernet 、TDM 、FDDI 、ESCON、FibreChannel 。③ 传输的高可靠性和自动保护恢复功能。
用MSTP设备构建网络可以接入TDM 业务、ATM 业务、IP 业务,且能高效传输,多种业务还可以进行交叉和交换。MSTP能较好满足支线网的要求(既能兼容目前大量的电话语音业务,又可满足将来快速增长的数据业务),且采用了成熟的SDH组网和保护技术,又结合了ATM 和IP 自身所具有的保护属性。
用MSTP构建支线网较为合适。国内几大制造商如贝尔、华为、中兴、大唐都有该类设备,在建设新的支线网时,可以作比选
引言：
目前为先进的嵌入式工业计算机PCl04，以其优良的品质、高可靠性及模块化的特点，而被广泛应用于工业控制、航空航天、军事、医疗、智能仪器仪表等领域。PC104中的MSM486SV模块是一个基于PC/104而成的高可靠性、高集成度的ALL-IN-ONECPU模块；它在PC/104的标准尺寸上集成了计算机的所有功能(包括bbbA和LCD接口)；板上除了包含标准PC的一般接口,还为适应嵌入式的应用，而对MSM486SV单板进行一系列附加特性设计，使得板上功能更为完善。
光电计时仪是我们研制的一种适用于恶劣环境下测量某一时刻及测量时间间隔的专用设备，由于PC104中的MSM486SV模块的优越性能，我们选用其作为光电计时仪的控制计算机。在实际运行中为实现上位PC机与PC104之间进行数据交换，我们采用串行通信的通信方式。串行通信具有使用方便、传输可靠、信号线数量少等优点，它在传输数据量不大、要求速度不高而传输距离较远的通信场合得到广泛的应用。本文结合光电计时仪实例，介绍了PC104串口通信在工程中的应用。
1.串口通信的基本原理
串行端口的基本功能是实现CPU和串行设备间的编码转换，当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位；在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。PC系列及其兼容机为了实现串行通讯，都配置了一个大规模集成通讯组件-----通用异步接收发送器(简称UART)；UART有一系列的内部寄存器，通过这些内部寄存器操作来实现通讯功能。
对于可编程的异步串行通信芯片UART，我们可根据协议的要求对其进行初始化。初始化后，当要发送一个数据字符时，如果UART发送保持寄存器为空，可用CPU的输入输出指令把该数据输出到UART的发送保持寄存器。UART按初始化时设置的要求，把相应的起始位，奇偶位和停止位加到来自CPU的8位数据上，按设置的波特率把这个二进制位串发送到串行通信线上；同样UART能自动从通信线上接收串行数据，并取出有效的数据位，转换成数据字符存入接收数据寄存器。
2.利用串口实现远程控制
在仪表、工控领域，采用嵌入式PC是自动化设备和测量装置开发的一个方向。嵌入式PC装置安装在设备中，一般安装很少的外设甚至不需安装键盘、显示器、软驱等外设；当需要更新、交换其中的应用程序和数据文件时，常规方法是将嵌入式PC从设备上拆下来，再利用外挂键盘、显示器和软驱来进行文件管理，实际操作起来十分不便。注意到嵌入式PC上一般带有串口、并口和USB口等通讯接口，我们可以利用上述通讯接口外接一台普通的PC机，采用客户机／服务器模式和仿真终端来进行嵌入式PC装置的文件更新和管理。基于这种想法，本文论述了在某型光电计时仪的设计中利用串口来实现远程连接/调试功能的两种方法，一种是将PC机的外设定向为嵌入式PC104的外设，另一种是将嵌入式PC104的物理驱动器镜像为PC机的驱动器，具体方法如下：
方法1：仿真终端模式
MSM486SV模块在系统BIOS中特别安装了512K的“远程连接/调试”扩展。我们可以重新定向"显示""键盘""硬盘"或"软驱"。这样，当我们将MSM486SV通过串行口与一台计算机(HOST)相连后（如图1），MSM486SV上没有连接任何外设，我们仍然可以对MSM486SV进行操作。我们在HOST上运行"REMHOST.EXE"实用程序，我们对指定的"HOST"的外设重新定向，这样"HOST"上的"键盘""显示器"或"软驱"就变成了MSM486SV的外设，我们就可以对MSM486SV进行调试或程序更新了。这一点对那些“黑”模式的现场嵌入式应用有特殊意义------我们只要一台“笔记本"作为HOST即可。
方法2：驱动器镜像模式
应用DOS6.22的intersever功能来实现远程连接/调试。PC104作为服务器，PC机作为客户端。
步骤如下：
1.将PC104通过串行口与PC机相连（如图1）；
2.两台计算机均在DOS同一版本下启动；
3.在服务器端：在AutoExec中启动intersve.exe；
4.在客户端：启动interbbbb.exe；
5.如果联机正确，Dos操作系统自动将sever（服务器）中的物理驱动器镜像到客户端，比如服务器中的C盘，被映射到客户端的G盘，这时在客户端操作G盘就是对服务器的C盘进行操作。
在应用中，PC104如果没有任何外设，但却需要现场操作调试，方法1无疑是佳选择。
在我们研制的光电计时仪中，PC104接有矩阵键盘和显示屏，没有安装软驱。平时PC104单独进行工作控制，当我们需要改写模拟电子硬盘上用户程序时，我们可以利用串口来实现。在此情况下，上述两种方法都可以使用。但第二种方法就相对简单一些，它不用设置BIOS和装载REMHOST.EXE，只需要一张DOS小系统的启动盘即可。
3.利用串口传送文件
光电计时仪在完成测量工作后，需要及时地将测量结果上传到上位机，以便进行实时处理和判断。在测量文件比较小（1K左右）、传输距离短的情况下，串口通信是佳的传输方式，我们在测量程序中设计了一种简单的文件发送程序来实现这种功能。我们将主控室的计算机作为上位机接收文件，将系统的PC104计算机作为下位机发送文件，采用双向通信方式；串行通讯的波特率为4800BPS、8位数据位、1个停止位，采用奇校验的方法。
3．1下位机（PC104）文件发送的软件程序设计
软件程序设计采用C语言，运行环境为DOS6.22平台系统，它的可读性好，并且能够方便可行的移植到其他平台。
在DOS系统下有好多种的串口编程方法，结合实际，我们采用直接读写UART内部寄存器的方法，通过使用C语言提供的基本输入输出函数inportb()，outportb()实现了PC104模块的异步串行通信。对于串口连接，我们采用了简单的三线制连法。对于无硬件握手信号的处理，我们采用了一种比较简单的方法进行软件握手，即在发送一组数据字符前，先发送一个联络信号（约定字符），等待对方的应答信号，在收到对方的应答信号后，就认为对方在近一段时间内是准备好的；在此之后的发送就总是认为对方是准备好的。这种方法简单可行，缺点是波特率不能设置过高：因为必须确保对方能及时的处理掉发送出去的字符。对我们只有1K左右文件的传输，在波特率为4800时，也不会耗时很长。程序流程如图2所示。
3．2上位机（PC机）接收的软件程序设计
上位PC机工作在bbbbbbs下，我们采用VisualC++6.0语言编程。在bbbbbbs下用Visual C++ 6.0开发串行通信程序时主要有两种方法：① 利用Visual C++6.0提供的MSComm控件来编程；②利用专门的bbbbbbs的SDK提供的API函数来编程。利用MSComm控件实现串口通信的编程方法原理上比较简单，容易实现，但编程的灵活性较差，传输速率受到限制；利用API函数实现串口通信的编程方法功能强大，灵活性好，但原理比较复杂，需要编程人员对硬件的工作原理有深入的了解。实际应用时为了满足大容量数据传输的需要以及增加系统的灵活性，我们采用第二种方法。程序流程图如图3所示。
在32位的bbbbbbs系统中，串口和其他通信设备是作为文件处理的。串口的打开、关闭，读取和写入所用的函数与操作文件的函数完全一致。这方面的文献和教材很多，在这里我们就不再叙述。
4串口的硬件设计
目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），当通信距离较近时(<12m)，适合采用电缆线直接连接标准RS232端口。若距离较远，则需附加调制解调器（MODEM）。为简单且常用的是采用3线制RXD、TXD、GND软握手的零MODEM方式，即将PC机和PC104的发送数据线TXD与接收数据RXD交叉连接，二者的地线GND直接相连(如图4所示)，采用软件握手方式，其它信号线（如握手信号线）均不使用。这样既可以实现预定的任务，又可以简化电路设计、节约成本。
结束语：
本文较全面介绍了PC104的串口通信原理在光电计时仪中的应用，主要阐述了利用串口进行文件发送的程序设计的方法。光电计时仪的运行实践证明了利用串口改写模拟电子盘上的用户程序的方法方便可行；表明用本文中提及的串口程序来传送文件方法简单、效果稳定。这种方法也可以广泛应用在其它传输文件小、波特率要求不高的场合。