基于FCS的分布交互仿真系统的设计与实现.doc

基于FCS的分布交互仿真系统的设计与实现关键词：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(DistributedInteractiveSimulation,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IEC61131-35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WindowsNT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ISOOSI模型7层体系结构中的第一、二、七层，即物理层(PhysicalLayer)、链路层(DataLinkLayer)、应用层(ApplicationLayer)，外加一个第八层，即用户层(UserLayer)，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(DeviceDescriptionLanguage)和对象字典OD(ObjectDictionary)，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