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现场总线及其作用和地位
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现场总线(Fieldbus)这一名词产生于80年代初期,但应该说,自70年代中期分散型控 制系统(DCS)诞生后,现场总线的概念就开始出现了。在DCS中,监控站与分散在(或靠近) 现场的各控制站之间的高速数据公路可看作是现场总线;在一些计算机控制系统产品中, 计算机与分布在现场的远程I/O之间的串行数字通信总线也可看作是现场总线。但这些总 线都还是建立在计算机通信协议的基础上,既无法延伸到现场智能仪表,也满足不了自控 系统对数字通信的特殊要求,而且都是非开放性企业专有的。 80年代以来,陆续出现了不少开放的现场总线协议标准,有一些在国际上已得到一定 程度的推广应用,个别的还成为某个自动化领域内较公认的标准,如LonWorks在建筑自动 化系统中的应用。但至今为止,在自动化领域中,现场总线的应用还主要是在近20年来发 展起来的PLC控制系统(离散控制为主的系统)中得到推广并获得成功。而在最早需求现场 总线、其系统构成和控制要求最复杂的过程(流程)控制系统中,现场总线的应用却还处于 试点和起步阶段。本文重点介绍流程工业过程中现场总线的作用。 现场总线及其产生的必然性,现场总线是流程工业里用于现场仪表和控制室系统之间 的一种全数字化、双向、多站的通信系统。因为现场总线与现场仪表连接,因此,它处于 企业综合自动化系统的最底层,是企业信息系统向下(向现场)的延伸,使变送器、传感器 、执行机构、控制装置等工厂底层设备,通过它相互间或与监控设备间进行双向多参数全 数字通信。 现场总线是过程控制技术、自动化仪表工业技术和计算机网络技术这三大领域技术 发展至今走向结合的必然产物,它将使过程控制系统的体系结构以及自动化技术发生一次 根本性的变革。 过程控制技术的发展:由分立设备发展到共享设备,过程控制技术从控制手段(工具)来分 ,经历了四个发展阶段。 · 人工控制阶段; · 模拟仪表控制系统阶段(50年代开始); · 计算机集中监督控制系统阶段(60年代开始); · 分散控制系统(DCS)阶段(70年代中期开始)。 过程控制技术发展到DCS这一阶段,可以说是一次革命,但仍存在一些问题有待解决,如 : · 系统的开放性 要解决不同厂家软、硬件产品可集成为一个DCS系统的问题,关键是采 用通用的软、硬件产品。 · 系统向上与企业管理信息系统的连接 要采用计算机网络的通用技术开发接口。 · 系统与现场仪表的通信 要彻底解决设备共享问题。现场仪表仍然是分立设备,它的信 息仍未与其他设备共享。这大大制约了DCS功能的进一步发挥,影响到综合自动化系统的 完整性与可靠性。 自动化仪表工业技术的发展:由模拟仪表发展到智能仪表 70年代中期以前,自动化仪表都是模拟仪表,传输信号是标准模拟信号。大约70年代中后 期,在控制室仪表上应用了微处理器,诞生了应用可编程单、多回路调节器等数字/模拟技 术的仪表。这些仪表功能强,使用灵活,使用串行数字通信接口与计算机通信,但它与其他 仪表的接口仍然是标准模拟信号,因为现场仪表还是使用模拟信号传输。 1983年,美国霍尼威尔公司率先推出智能化现场仪表——Smart变送器。此后十几年中,世 界各大公司都推出了各自的智能化变送器,其他现场仪表也陆续智能化。霍尼威尔公司后 又推出了智能化温度传感器、智能电磁流量计、智能液位传感器、智能气体色谱分析仪 、智能调节阀,其产品基本上覆盖了现场仪表的主要类别。 智能化现场仪表,或叫"微机化的仪表",能适应被测参数的变化,在线联机改变量程,自动 检测自身工作状态并传递信息,以进行异常处理,自动进行指标判断与分选以及进行逻辑 操作、定量控制与程序控制,实现多参数测量,进行数字信号处理等。由于它的多功能,需 要人们为它提供一个有效的双向数据通信链路,以实现它们之间以及与控制室设备的多种 信息交换,单靠现在的4～20mA模拟信号通道是无论如何也满足不了它的要求的。不解决 这一问题,这些智能仪表就仍然是一台台被隔离在现场的孤立的表,它的智能无从发挥。 若仪表进一步向高级智能方向发展,这个矛盾就更尖锐了。未来的现场仪表可能是综合功 能的仪表,必须有一个与外界畅通的通信道路与其配合,才能正常工作。 为解决当前现场智能仪表与DCS的通信问题,人们使用了折衷的办法,即在4～20mA模拟通 信线路上,叠加上双向数字通信信号,实现混合式通信。4～20mA信号表征参数值,而量程 及零点调整、工程量转换、运行方式的改变以及故障诊断则通过数字通信完成。这只是 当前采用的过渡方法,它没有解决一对一的布线问题,传输速率低,也不能使智能化现场仪 表的优越功能充分发挥,更无法实现智能化仪表之间的信息交换与运作。因此,智能化仪 表的出现,迫使人们必须解决它的通信问题。 计算机网络技术的发展:管理与控制信息网络技术发展到现场级网络技术实现企业综合自 动化系统的物质基础是计算机网络系统,人们靠计算机网络,把企业中分散、独立的部门 、机构、各种设备、自动化孤岛连接在一起。综合自动化系统计算机网络的典型模式是 三层结构。 · 高层是工厂级网络 连接财会、管理部门计算机和终端以及CAD/CAM工作站,实现工厂 级全面管理以及工程设计的信息交换。 · 中间层是车间级网络 实现对生产过程的监控、管理、故障诊断以及过程控制。 · 底层网络 是把现场变送器、传感器、执行器、阀门等联网,实现底层设备之间信息的 交换和向上传达,以及接受上层的指令,还要承担向现场设备供电以及防爆功能。这一层 网络的建立将实现基本控制任务自中间层向下迁移,也即控制任务下载,实现就地控制。 由于这一层网络连接的设备及其任务有别于高层与中层,又是在生产现场连接,因此,它的 通信协议与上两层应有很大的不同,不能套用上两层已较成熟的协议,而应要结合它的特 点,制定新的标准,使计算机网络向现场底层仪表及执行器延伸,为实现完整的综合自动化 系统打下基础。 由以上所述可以看出,当过程控制技术由分立设备向共享设备发展、自动化技术由模拟仪 表向智能仪表发展、计算机网络技术向现场延伸时,现场总线就成为了这三大技术发展的 交汇点,受到国际上自动控制学界、仪表产业界和计算机产业界的高度重视。现场总线将 为现场级设备接口的智能化、网络化、标准化、低成本化提供广阔的发展天地,以现场总 线为基础的第五代过程控制体系结构——现场总线控制系统(FCS)已是呼之欲出了。 现场总线的优点 · 消除了4～20mA信号传输的瓶颈现象。 · 现场总线替代了现场仪表到控制室的一对一布线 减少了连线、I/O卡件和隔离器数量 ,从而预计可减少至少66%以上的电缆配线、安装、调试、维修费用。 · 提高了检测精度和鲁棒性。 · 增强了控制系统的可靠性与自治性 由于智能现场仪表具有很强的运算处理功能,在有 了现场总线这一通信手段后,就可在现场装置内实现一般的控制策略,实现就地控制。 · 为用户提供更多的功能 用户可在控制室定期标定传感器,在故障情况下对其进行诊断 ,他们可以"看"到主控系统及所有挂接的装置及其相互作用等。这样,就大大方便了对系 统和现场装置的标定和在线诊断。 · 用户拥有产品选择权 采用统一标准现场总线后,产品匹配性解决了,用户可选择不同 厂家产品,优化组合,构成自己最满意的系统。 · 产生先进的新型现场仪表,赋于现场仪表许多新的先进功能 如多变量变送器、多变量 气动执行器。 · 调试维护方便,使用寿命长。 现场总线促使FCS的诞生 现场总线控制系统(FCS)的最大影响主要来自数字多站双向通信取代一对一模拟通信和控 制功能的下载。在当前的DCS产品或单、多回路调节器构成的控制系统中,控制任务是在 控制室设备中完成的,而现场总线的诞生使控制功能由现场仪表来承担,这意味着控制系 统体系结构的一次大变革。最早的就地控制系统是由基地式仪表完成的,经过几十年的发 展,现在控制功能又回到了现场,但却是以一个功能极为强大的开放控制系统FCS的面貌出 现的。DCS完成的控制功能下载后,它将只完成目前由上位计算机完成的优化、专家系统 统计过程等先进控制策略运算以及数据采集、存储等功能,同时,DCS控制站中原有的庞大 的I/O插件系统也将被极少量现场总线通信卡取代,也就是说,采用当前结构模式的DCS产 品将会"消失",而演化成一种新的控制系统体系结构FCS。在FCS系统构成中,除现场仪表 外,软件所占的比重将大大增加,系统将具有更灵活的组合性和更高的开放性,系统还将提 供对现场仪表工作状况的监视与维护功能。 随着FCS的出现,企业综合自动化系统终于可以实现从最高决策层到最底设备层的综合管 理与控制,形成一个完整的系统。 现场总线出现的意义可概括为: · 将开辟过程控制新纪元; · 将对传统的控制系统结构带来革命; · 目前所做出的有关现场总线的决策将在今后几十年中影响控制领域; · 将大大改变我们现有的实现控制和设备维护的全部方法。 在以PLC为基础的离散控制系统中,现场总线一般仅延伸到现场I/O装置,而无需直接连接 以开关(数字)信号为主的现场传感或执行器件。但在过程控制系统中,由于连接的对象为 现场智能仪表,并且在一个系统中的现场仪表往往由不止一家生产制造商提供,因此,对现 场总线标准的统一及不同厂商的产品间可互操作的能力,提出了较严格的要求。这也就是 为何现场总线在此领域的应用远落后于离散控制系统的原因。目前,现场总线尚没有国际 标准,但随着通信技术的发展,随着过程控制系统中现场总线应用的开展,总会形成统一的 总线标准,只是还需要一定的时间罢了。 现场总线控制系统及应用 2、现场总线控制系统的基本概念 1． 访问方法 （Media Access）- 指在总线上通讯的权利。有三种主要的类型 ： 主控（Master Control）- 一个高级别的节点控制所有的信号传输，顺序和时间。除非 主节点要求，其他节点不能通讯。Profibus-DP在主站和从站之间采用这种访问方法。 令牌方式（Token Passing）-一种信息转移的方法，每次循环每个节点有一次机会通讯 。Profibus-DP在主站和主站之间采用这种访问方法。 CSMA-一种访问方法，允许每一节点通讯，只要该节点有信息要发布并且没有其他节点占 用通讯线。当以真正的CSMA 方式操作时，有可能两个节点同时通讯。有两种主要的方法 处理可能存在的冲突： （1）CD- 冲突监测（collision detection）- 所有的发送器必须同时是接收器。如果 两个节点同时开始通讯，它们将听到发生了冲突，都停止通讯，等待一个任意长的时间 ，重新再通讯。以太网采用这种访问方法。 （2）BA- 逐位仲裁（Bitwise arbitration）-地址最低的节点，优先级最高，享有继续 通讯的权力，而另一个节点则停止通讯。DeviceNet采用这种访问方法。 2．总线拓扑结构--拓扑结构是描述总线的专用术语，指通讯线连接各节点的方法。 线状结构（Bus）--简单的直线式拓扑结构称作线状结构。Profibus-DP、DeviceNet主要 都采用这种结构。 分支结构（Branch）--通常总线可以有分支，有时分支可以继续有分支。不同的总线有 不同的的规定，有的总线分支被限制在几厘米之内，有的总线允许有任意的拓扑结构， 仅限制通讯线的累计长度。 星型结构（Star）--另外一种拓扑结构是星型结构。这种方法流行于计算机主机结构。 主机按照这种结构连接外围设备，如磁带储存器，打印机和终端。现在，星型结构有了 更广泛的意义，有源或无源的多端口分接器都象一个星型结构，但在内部是一种带多个 分支的公用总线，用于一个小区域范围的连接。 环状结构（Ring）--环状结构通常是一种理论上的拓扑结构，尽管真正的环状结构存在 。真正的环状结构中每个节点也是一个中继器。信息进入一个节点，该节点读取信息， 并加入新的信息发送给下一个节点。如具有更先进的协议和附加的硬件，当环断掉或一 个节点中继器损坏，节点可以重新循环信息。 现场总线控制系统及应用 5、现场总线控制系统的应用 现场总线技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的 技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保 护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。 应用的总线协议主要包括PROFIBUS、DeviceNet、Foundation、Fieldbus、Interbus_S 等。 在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的汽车生产线和旧 的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统 已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。 而国内的应用仍大多集中在生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然 会逐步扩展其应用领域。 [ Last edited by 幻影无痕 on 2006-11-17 at 08:19 ] |
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目前，已在汽车行业应用现场总线控制技术的项目包括： 1. 上海通用汽车别克轿车生产线的总装车间、焊装车间、发动机车间、冲压车间全面采 用PROFIBUS-DP协议，从单台的冲压机床、焊接机器人，到生产部件的输送。 2. 一汽大众AUDI C5V6生产线的总装车间、焊装车间采用DevicenNet协议。AB-PLC5作为 主控器，现场模块采用TURCK的现场总线产品。 3. 张家港牡丹汽车厂涂装车间采用PROFIBUS-DP协议控制车间的自行小车；焊装车间采 用DeviceNet协议。 4. 一汽轿车厂红旗轿车生产线油漆车间滑橇输送系统的改造采用PROFIBUS-DP协议。 现场总线控制系统及应用 现场总线控制系统是从八十年代中期发展起来的。经历了十几年的时间，现场总线控制 技术已经被广泛应用于汽车、造纸、纺织、烟草、机械、石油化工、电力、楼宇自控等 各个控制领域。现场总线控制技术由于其巨大的技术优势，被认为是工业控制发展的必 然趋势，将逐步取代传统的PLC点对点接线的控制方法。 1.现场总线控制系统的结构及其特点 现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即 现场级设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间 的联系。 下图是一个简单的现场总线控制系统的实例。该系统主要包括一些实际应用的设备，如 PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系统也可以包括变频器、起码流调 速装置、人机界面等。 主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口整个系统进行管理和控制。 总线接口，有时可以称为扫描器，可以是分别的卡件，也可以集成中PLC中。总线接口作 为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为 主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。总线接口的缺省地址通常设为"0" 电源，是网络上每个节点传输和接收信息所必须的。通常输入通道与内部芯片所用电源 为同一个电源，习惯称为总线电源。而输出通道使用独立的电源，称为辅助电源。 输入输出节点，在该实例中第一个节点是8通道的输入节点。虽然输入有许多不同的类型 ，在应用中最常用的是24V直流的2线、3线传感器或机械触点。该节点具有IP67的防护等 级，有防水、防尘、抗振动等特性，适合于直接安装在现场。另一个节点是端子式节点 ，独立的输入/输出端子块安装在DIN导轨上，并连接着一个总线耦合器。该总线直流耦 合器是连接总线的网关。这种类型的节点是开放式的结构，其防护等级为IP20，它必须 安装在机箱中。端子式输入/输出系统包含有许多种开关量与模拟量输入/输出模块，以 及串行通讯、高速计数与监控模块。端子式输入/输出系统可以独立使用也可以结合使用 。 节点地址3，是一个输出站。连接一个辅助电源，该电源用于驱动电磁阀和其他的电器设 备。通过将辅助电器与总线电源分开可以极大地降低在总线信号中的噪音。另外大部分 总线节点可以诊断出电器设备中的短路状态并且报告给主控器，即使发生短路也不会影 响整个系统的通讯。 节点地址4连接的是一个带有总线通讯接口的智能型光电传感器。这说明，普通传感器等 现场装置可以通过输入输出模块连接到现场总线系统工程中，也可以单独装入总线通讯 接口，连接到总线系统中。 总线电缆和终端电阻。总线电缆一般分为主干缆和分支电缆。各种总线协议对于总线电 缆的长度都有所规定，不同的通讯波特率，对应不同的总线电缆长度。同时，分支电缆 的长度也是有所限制的。 网络的最后部分是终端电阻。在一些总线系统中。这个终端电 阻只是连接到两数据线的简单电阻。它是用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。 从 上面的现场总线控制系统的实例中可以看出，与传统的PLC点对点的控制方法相比，现场 总线控制系统具有无可比拟的优势。其特点包括： 1． 具有较高的性能价格比。系统综合成本及时性安装费用减少40%。 导线、连接附件的大幅度的减少。由原来的几百根，甚至几千根控制电缆减少到一根总 线电缆，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少。 设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少，维护和改造的停工时间减少60%。原来 繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行；标准接插件快速、简便的安装，使人力、物 力大量的减少；强大 的故障诊断能力，使系统的调试和维护变得轻松和愉快。 2． 系统性能大幅度的提高，使控制系统的档次跨越了一个台阶 可靠的数据传输，快速的数据响应，强大的抗干扰能力。许多总线在通讯介质、信息检 验、信息纠错、重复地址检测等方面都有严格的规定，从而确保总线通讯快速、完全可 靠的进行。 自动诊断、显示故障位置。诊断包括总线节点的通讯故障、电源故障，以及现场装置和 连接件的断路、短路故障，从而迅速地发现系统的各种故障位置和状态。 采用数字信号通讯，有效提高系统的测量和控制精度。各种开关量、模拟量信号就近转 变为数字信号，避免了信号的衰减和变形。 许多总线节点具有IP67的防护等级，具有防水、防尘、抗振动的特性。可以直接安装于 工业设备上，大量减少了现场接线箱，使系统美观而实用。 本质安全型总线。更加适合直接安装于石油、化工等危险防爆场所，减少系统发生危险 的可能性。 现场总线控制系统及应用 ３、几种主要现场总线协议的特点 现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线的协议，如AB公司的DeviceNe t,TURCK公司的Sensoplex,Honeywell公司的SDS，Phoenix公司的InterBus-S，以及Seri plex,ASI等。经过十几年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一，针对制造业自动化， DeviceNet在北美和日本用的比较普遍，PROFIBUS-DP在欧洲用的比较普遍。针对过程自 动化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占据大部分市场。其他的总线协议如ASI、I nterBus-S、Sensoplex在某些特殊的领域也有一些市场，下面分别介绍各种总线的一些 特点。 1.PROFIBUS，最快的总线，世界范围的标准。 PROFIBUS是在1987年，由德国科技部集中了13家公司和5家科研机构的力量，按照ISO/O SI参照模型制订的现场总线的德国国家标准。 最近，在欧洲通过投票，成为欧洲的标准 EN50170。主要由拥有400多个公司成员的PROFIBUS用户组织（PNO）进行管理。 PROFIBUS由三部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。其中，FMS 主 要用于非控制信息的传输，PA主要用于过程自动化的信号采集及控制。PROFIBUS-DP是制 造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通讯的最佳方案，每秒可传输12兆位 。扫描1000个I/O点的时间少于1ms。 PROFIBUS是世界范围的标准，取得了很大的成功：至少1，000，000套设备投入运行 ，超过600家成员公司，超过1100种PROFIBUS产品。 2.DeviceNet通用型、低价位的总线 DeviceNet（设备网）是一种低价位的总线，它可连接自动化生产系统中广泛的工业设备 。在制造业领域，设备网遍及全球，尤其是北美和日本。最初是由AB公司设计，现在已 经发展成为一种开放式的现场总线的协议，其管理组织ODVA由全球多家公司组成，提供 设备网的产品，支持设备网规范的进一步开发。DeviceNet能够降低设备的安装费用和时 间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距 离通讯。并且能够提高设备级的诊断能力。相对于PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更强大 的通讯功能，支持除了主-从方式之外的，多种通讯方式，可以更灵活地应用于控制系统 中。 3.Foundation Fieldbus ，高级过程控制现场总线 Foundation Fieldbus 针对过程自动 化而设计，它是通过数字、串行、双向的通讯方法来连接现场装置的。Foundation Fie ldbus通讯不是简单的数字4-20mA信号，而是使用复杂的通讯协议，它可连接能执行简单 的闭环算法（如PID）的现场智能装置。一个通讯段可配置32个现场装置，通讯速度为每 秒31.25kb,每段最大距离为1900米。 4.Sensoplex 2重工业控制网络，强大的抗干扰能力 Sensoplex 2 是TURCK设计应用于重工业自动化领域的网络 Sensoplex 2 是采用先进的频率偏移技术进行通讯的，对于易引起通讯故障的强电磁场 有较强的抗干扰能力，优于其它现场总线。已广泛应用于世界上主要的汽车制造厂。它 通过一根电缆通讯及供电，其固定的传输速度为188K，使用中继器的最大传输距离为40 0米，可接入512个I/O点，通过主站可连接多种PLC和现场总线，如PROFIBUS和DeviceNe t，Modbus Plus,Siemens S5/S7,Modicon,GEC,AB PLC等。 5.AS-i总线，最简单的总线 AS-i 代表着执行器、传感器接口。使用两线为设置与输入传送数据及电源。线圈输出等 需使用附加的两芯电缆供电。AS-i区别于其它工业总线，使用扁平电缆通讯，将连接齿 嵌入电缆。也可使用传统的IP67/、NEMA6 eurofast 连接件。AS-i系统包括一个主站接 口，供电电源，最多31个子站。整个系统长度不能超过100米，但可以自由分布，没有分 支规则和终端。AS-i适合于不需要昂贵总线的小型网络。当需要简单的主-从总线连接分 散的信息和I/O装置，并且数据不是很重要时，AS-i是最经济的方案。 6.Interbus_S总线，简单网络 Interbus_S网络可以简单的安装与配置。网上的节点类似简单的移位寄存器，位流经过 节点则发生翻转。Interbus_S启动网络并自动配置，不需要节点地址。使用一根电缆， 符合IEEE802.5令牌环的规定。一个网络上最多可有64个装置，速度可达500KB/S，最长 距离为25600米，移动节点间距离为400米。 7.Seriplex总线产品 Seriplex是比较早的开放式总线，它使用五线，一根数据线，一根时钟线，一根屏蔽线 ，两根电源线。输出一般使用辅助电源供电。使用操作模式一，系统可以作为没有主站 的高速长距离点对点网络。输出节点映射输入节点，并可简单的编程。 8.Smart Distributed System总线，CANbus的变形 Smart Distributed System与DeviceNet都使用CANbus。由于芯片、信号水平和应用环境 的局限，工业应用的需要比较少。 |
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