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現場總線技術與計算機控製1

發表時間: 2020-05-12 10:58:54

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現場總線技術與計算機控製1

1 引言

    在計算機控製系統出現以後,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,傳輸精度和抗幹擾能力較低,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,所以處於最底層的模擬變送器和執行機構成了計算機控製系統中最薄弱的環節,即所謂DCS系統的發展瓶頸。現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年代後期發展起來的一種先進的現場工業控製技術,它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控製技術、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製的局限性,構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控製系統。現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,並與控製室中的控製器和監視器一起共同構成現場總線控製系統(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的控製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、控製運算和數據輸出等功能。現場儀表的數據(包括采集的數據和診斷數據)通過現場總線傳到控製室的控製設備上,控製室的控製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製功能。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
    現場總線控製系統(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製系統,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製設備不僅可以互相通信,而且可以統一組態,實現同一的控製策略和“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
    現場總線控製系統可以根據複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
    現場設備本身屬於智能化設備,具有獨立自動控製的基本功能,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製系統,實現了控製功能的徹底分散,提高了控製系統的可靠性,簡化了控製系統的結構。現場總線與上一級網絡斷開後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使用相對集中的控製站,其控製站由CPU單元和輸入/輸出單元等組成。現場總線控製系統則將DCS的控製站功能徹底分散到現場控製設備,僅靠現場總線設備就可以實現自動控製的基本功能,如數據采集與補償、PID運算和控製、設備自校驗和自診斷等功能。系統的操作員可以在控製室實現遠程監控,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,具有很強的抗幹擾能力。常用的數據傳輸線是廉價的雙絞線,並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。

    由於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,並得到了廣泛的應用。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後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總線不附屬於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,並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製造商的支持,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-緻,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是用於過程控製的低速總線,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,使用中繼器後可達240個,Hl和H2可通過網橋互連。FF的突出特點在於設備的互操作性、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公司提出並極力倡導,己先後成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170,是一種開放而獨立的總線標準,在機械製造、工業過程控製、智能建築中充當通信網絡。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA (Process Automation)用於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,並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,適用於分散的外部設備和自控設備之間的高速數據傳輸,用於連接Profibus-PA和加工自動化。Profibus-FMS適用於一般自動化的中速數據傳輸,主要用於傳感器、執行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。後兩個系列采用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)。介質存取控製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對計算機控製系統的影響

    傳統的計算機控製系統一般采用DCS結構。在DCS中,對現場信號需要進行點對點的連接,並且I/O端子與PLC或自動化儀表一起被放在控製櫃中,而不是放在現場。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜,布線複雜,既費料又費時,信號容易衰減並容易被幹擾,而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控製站等組成,結構複雜,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。而基於PC的FCS則完全克服了這些缺點。

    (1)在FCS中,借助於現場總線技術,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,隻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製室監控設備上,降低了成本,又便於安裝和維護,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幹擾能力。

    (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,一台PC可同時完成原來要用兩台設備才能完成的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實時多任務控製軟件包、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、曆史庫組態、圖形組態、控製算法組態、數據報表組態、實時數據顯示、曆史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控製運算調節、報警處理、故障處理、通信控製和人機接口等各個方面,並真正實現控製集中、危險分散、數據共享、完全開放的控製要求。

    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,而且具有控製功能,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、自動控製技術和通信技術相結合的產物。結合PC豐富的軟硬件資源,既克服了傳統控製系統的缺點,又極大地提高了控製系統的靈活性和效率,形成了一種全新的控製系統,開創了自動控製的新紀元,成為自動控製發展的必然趨勢。


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