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      北京晨鑫設備技術有限公司

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      解決方案

      現場總線技術與計算機控制

        現場總線技術與計算機控制

      1 引言 

          在計算機控制系統出現以后,工程實踐中廣泛使用模擬儀表系統中的傳感器、變送器和執行機構。其信號傳送一般采用4-20mA的電流信號形式,一個變送器或執行機構需要一對傳輸線來單向傳送一個模擬信號。這種傳輸方法使用的導線多,現場安裝及調試的工作量大,投資高,傳輸精度和抗干擾能力較低,不便維護。主控室的工作人員無法了解現場儀表的實際情況,不能對其進行參數調整和故障診斷,所以處于最底層的模擬變送器和執行機構成了計算機控制系統中最薄弱的環節,即所謂DCS系統的發展瓶頸?,F場總線正是在這種情況下應運而生。 

      2 現場總線技術及其特點 

          現場總線技術是在80年代后期發展起來的一種先進的現場工業控制技術,它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段,從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字一模擬信號控制的局限性,構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統?,F場總線則是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡,其基礎是智能儀表。分散在各個工業現場的智能儀表通過數字現場總線連為一體,并與控制室中的控制器和監視器一起共同構成現場總線控制系統(Fieldbus Control System,FCS)。通過遵循一定的國際標準,可以將不同廠商的現場總線產品集成在同一套FCS中,具有互換性和互操作性。FCS把傳統DCS的控制功能進一步下放到現場智能儀表,由現場智能儀表完成數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能?,F場儀表的數據(包括采集的數據和診斷數據)通過現場總線傳到控制室的控制設備上,控制室的控制設備用來監視各個現場儀表的運行狀態,保存各智能儀表上傳的數據,同時完成少量現場儀表無法完成的高級控制功能。另外,FCS還可通過網關和企業的上級管理網絡相連,以便企業管理者掌握第一手資料,為決策提供依據。所以現場總線具有以下突出特點:   
          2.1  開放性 
          現場總線控制系統(FCS)采用公開化的通信協議,遵守同一通信標準的不同廠商的設備之間可以互連及實現信息交換。用戶可以靈活選用不同廠商的現場總線產品來組成實際的控制系統,達到最佳的系統集成。 

          2.2 互操作性 
          互操作性是指不同廠商的控制設備不僅可以互相通信,而且可以統一組態,實現同一的控制策略和“即插即用”,不同廠商的性能相同的設備可以互換。 

          2.3 靈活的網絡拓撲結構 
          現場總線控制系統可以根據復雜的現場情況組成不同的網絡拓撲結構,如樹型、星型、總線型和層次化網絡結構等。 

          2.4 系統結構的高度分散性 
          現場設備本身屬于智能化設備,具有獨立自動控制的基本功能,從而從根本上改變了DCS的集中與分散相結合的體系結構,形成了一種全新的分布式控制系統,實現了控制功能的徹底分散,提高了控制系統的可靠性,簡化了控制系統的結構?,F場總線與上一級網絡斷開后仍可維持底層設備的獨立正常運行,其智能程度大大加強。 

          2.5 現場設備的高度智能化 
          傳統的DCS使用相對集中的控制站,其控制站由CPU單元和輸入/輸出單元等組成?,F場總線控制系統則將DCS的控制站功能徹底分散到現場控制設備,僅靠現場總線設備就可以實現自動控制的基本功能,如數據采集與補償、PID運算和控制、設備自校驗和自診斷等功能。系統的操作員可以在控制室實現遠程監控,設定或調整現場設備的運行參數,還能借助現場設備的自診斷功能對故障進行定位和診斷。 

          2.6 對環境的高度適應性 
          現場總線是專為工業現場設計的,它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無線的方式來傳送數據,具有很強的抗干擾能力。常用的數據傳輸線是廉價的雙絞線,并允許現場設各利用數據通信線進行供電,還能滿足本質安全防爆要求。 

          由于現場總線的諸多優點,所以近十年來出現了多種有影響的現場總線,如基金會現場總線FF、Profibus、CAN、LONworks、HART等,并得到了廣泛的應用。下面僅對前兩種現場總線予以簡要介紹。 

          3 主要現場總線簡介 

          3.1 基金會現場總線FF(Foundation Fieldbus) 
          基金會現場總線是國際上幾家現場總線經過激烈競爭后形成的的一種現場總線,由現場總線基金會推出。與私有的網絡總線協議不同,FF總線不附屬于任何一個企業或國家。其總線體系結構是參照、ISO的OSI模型中物理層、數據鏈路層和應用層,并增加了用戶層而建立起來的通信模型。FF得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持,同時遵守IEC的協議規劃,與IEC的現場總線國際標準和草案基本-致,加上它在技術上的優勢,所以極有希望成為將來的主要國際標準。 

          FF總線提供了Hl和H2兩種物理層標準。Hl是用于過程控制的低速總線,傳輸速率為31.25Kbps,傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種(加中繼器可以延長),可用總線供電,支持本質安全設備和非本質安全總線設備。H2為高速總線,其傳輸速率為1Mbps(此時傳輸距離為750m)或2.5bps(此時傳輸距離為為500m)。H1和H2每段節點數可達32個,使用中繼器后可達240個,Hl和H2可通過網橋互連。FF的突出特點在于設備的互操作性、改善的過程數據、更早的預測維護及可靠的安全性。 

          3.2 過程現場總線Profibus 
          Profibus由Siemens公司提出并極力倡導,己先后成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170,是一種開放而獨立的總線標準,在機械制造、工業過程控制、智能建筑中充當通信網絡。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA (Process Automation)用于過程自動化的低速數據傳輸,其基本特性同FF的H1總線,可以提供總線供電和本質安全,并得到了專用集成電路(ASIC)和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容,基本特性同FF的H2總線,可實現高速傳輸,適用于分散的外部設備和自控設備之間的高速數據傳輸,用于連接Profibus-PA和加工自動化。Profibus-FMS適用于一般自動化的中速數據傳輸,主要用于傳感器、執行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用RS485通信標準,傳輸速率從9.6kbps到12Mbps,傳輸距離從1200M到l00m(與傳輸速率有關)。介質存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式,以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibus是一種比較成熟的總線,在工程上的應用十分廣泛。 

          4、FCS對計算機控制系統的影響 

          傳統的計算機控制系統一般采用DCS結構。在DCS中,對現場信號需要進行點對點的連接,并且I/O端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中,而不是放在現場。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜,布線復雜,既費料又費時,信號容易衰減并容易被干擾,而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成,結構復雜,成本高。而且DCS不是開放系統,互操作性差,難以實現數據共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點。 

          (1)在FCS中,借助于現場總線技術,所有的I/O模塊均放在工業現場,而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現場被轉換成標準數字信號,只需一根電纜就可把所有的現場子站連接起來,進而把現場信號非常簡捷地傳送到控制室監控設備上,降低了成本,又便于安裝和維護,同時數字化的數據傳輸使系統具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。 

          (2)FCS具有開放性。在FCS中,軟件和硬件都遵從同樣的標準,互換性好,更新換代容易。程序設計采用IEC1131-3五種國際標準編程語言,編程和開發工具是完全開放的,同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。 

          (3)系統的效率大為提高。在FCS中,一臺PC可同時完成原來要用兩臺設備才能完成的PLC和NC/CNC任務。在多任務的Windows NT操作系統下,PC中的軟PLC可以同時執行多達十幾個PLC任務,既提高了效率,又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調試和仿真功能,極大地改善了編程環境。 

          在FCS中,系統的基本結構為:工控機或商用PC、現場總線主站接口卡、現場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實時多任務控制軟件包、組態軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統組態、數據庫組態、歷史庫組態、圖形組態、控制算法組態、數據報表組態、實時數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控制運算調節、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個方面,并真正實現控制集中、危險分散、數據共享、完全開放的控制要求。 

          5 結束語 

          由前面的討論可以看出,FCS的技術關鍵是智能儀表技術和現場總線技術。智能儀表不僅具有精度高、可自診斷等優點,而且具有控制功能,必將取代傳統的4-20mA模擬儀表。連接現場智能儀表的現場總線是一種開放式、數字化、多接點的雙向傳輸串行數據通路,它是計算機技術、自動控制技術和通信技術相結合的產物。結合PC豐富的軟硬件資源,既克服了傳統控制系統的缺點,又極大地提高了控制系統的靈活性和效率,形成了一種全新的控制系統,開創了自動控制的新紀元,成為自動控制發展的必然趨勢。

       

       

       

       

      第二部分

      現場總線是從控制室連接到現場設備的雙向全數字通信總線,簡單理解就是通信總線一直延伸到現場設備。它是一個開放互聯模型,可與以太網結合,通過Internet實現遠程監視、控制、調試、診斷等。 

        現場總線是計算機、通信、控制技術的融合,優點來源于三大特點:一是數字化,意味著數據傳輸更為便利,信息傳輸量增加,提供數據的可共享性;二是標準統一開放,利于共享,為不同網絡互聯掃清道路,提供互操作性;三是控制分散,簡化網絡體系結構,使互聯更加便利。 

        信號傳輸數字化是所有現場總線的基本特點,它使系統精度提高;現場設備的信息增加幾十倍,可用于自診斷、系統調試和管理,提高系統的有效性;同一電纜掛接多臺現場設備,可節省電纜70%~90%及施工量。但節省電纜只不過是現場總線技術表層的優點,因為DCS/PLC遠程I/O也可達到類似效果,而從現場設備獲得豐富的信息才是現場總線技術獨有的本質優越性。 

        標準統一開放是所有現場總線必需的特點,也是它與許多原來“專有”的通信總線的關鍵區別之一。它給用戶帶來的本質優點是打破了個別廠商的壟斷,給技術以強大的支持群體,促進公平競爭,促進技術進步。DCS只做到操作站以上開放,控制層不可能開放,而FCS則做到系統從上到下全開放。不同總線開放的程度和難度都有所區別,簡單的I /O總線開放的難度較低,而控制用的系統總線的開放互操作就很難。 

        控制徹底分散是現場總線具有的突出特點。它給用戶帶來的實質優點是由高度智能的現場設備來分散完成DCS控制器的功能,弱化甚至省去了集中控制器的層次,可降低設備費用,使控制風險徹底分散,提高系統控制的自治性和可靠性。 
        當然,現場總線也有難以發揮其優勢的場合。在很長時期內,包括 DCS/PLC在內的許多控制系統和現行標準都會與現場總線共存,這和DCS 出現后乃至今天許多原有控制設備依然存在的局面相似。

       

       

       

       

       

       

       

       

       

      北京中科棣控智能科技有限公司

      2014年8月26日

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