現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用
時(shí)間:2006-10-17 09:41:00來源:huyl
導(dǎo)語:?從圖中可以看出系統(tǒng)從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開始分為現(xiàn)場(chǎng)控制層、中央監(jiān)控層和經(jīng)營(yíng)管理層。
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信系統(tǒng),是開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的低層控制網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場(chǎng)總線是在20世紀(jì)年代中期發(fā)展起來的?,F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是將專用的微處理器植入傳統(tǒng)的測(cè)控儀表,使其具備了數(shù)字計(jì)算和通信能力,采用連接簡(jiǎn)單的雙絞線、同軸電纜、光纖等作為總線,按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議,在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)控儀表之間、遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,形成適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要的控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)改變了以往采用電流、電壓模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)控信號(hào)變化慢,信號(hào)傳輸抗干擾能力差的缺點(diǎn),也改變了集中式控制可能造成的全線癱瘓的局面。由于微處理器的使用,使得現(xiàn)場(chǎng)總線有了較高的測(cè)控能力,提高了信號(hào)的測(cè)控和傳輸精度,同時(shí)豐富了控制信息內(nèi)容,為遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。
現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向,一出現(xiàn)便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn),受到全世界的普通遍關(guān)注?,F(xiàn)場(chǎng)總線導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革,形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)。
一、現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用的一對(duì)一的設(shè)備連線模式,而采用了總線通信方式,因而控制功能可不依賴控制室計(jì)算機(jī)直接在現(xiàn)場(chǎng)完成,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分散控制,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)如圖1所示。
1、增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的信息采集能力
現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息,能夠很好地滿足工廠自動(dòng)化乃至CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?,F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化的通信網(wǎng)絡(luò),它不單純?nèi)〈?~20mA信號(hào),還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障和參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制,還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。
2、開放式、互操作性、互換性、可集成性
不同廠家產(chǎn)品只要使用同一種總線標(biāo)準(zhǔn),就具有互操作性、互換性,因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式,允許其他廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù),如控制算法、工藝方法、配方等集成到通用控制系統(tǒng)中,因此,市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控制系統(tǒng)。
3、系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O連線,對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說,減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí),系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警和記錄功能,可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作,也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
4、降低了系統(tǒng)及工程成本
對(duì)于大范圍、大規(guī)模I/O分布式系統(tǒng)來說,省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用,降低了系統(tǒng)及工程成本。
二、幾種代表性現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
目前國(guó)際上現(xiàn)有總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下200種,具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的總線有如下幾種:
1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)
其前身以美國(guó)Fisher-Rosemout公司為首,聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、SIEMENS等80多家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首,聯(lián)合歐洲等地150多家公司制定的World FIP協(xié)議,在1994年兩大集團(tuán)合并成立FF基金會(huì)?;饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1通信速率31.25Kbps,通信距離1900m,H2通信速率可為1M和1.5Mbps兩種,通信距離分別為500m和750m。目前,F(xiàn)F總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動(dòng)化為主。如:化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。
2、Lonworks總線
由Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo),于1990年正式公布。其通信速率從300kbps到1.5Mbps不等,直接通信距離可達(dá)2700m。Lonworks總線應(yīng)用廣泛,主要包括樓宇自動(dòng)化,家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化。
3、Profibus總線
Profibus總線1996年3月被批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn),由Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS組成Profibus系列。DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸,適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用;FMS即現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范,適用于紡織、樓宇、電力等;PA適用于過程自動(dòng)化。Profibus總線技術(shù)由德國(guó)SIEMEMS為主的10多家公司共同推出。傳輸速率為9.6Kbps到12Mbps,傳輸距離12Mbps為100m,1.5Mbps為400m。
4、CAN總線
CAN總線是控制局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱,最早由德國(guó)BOSCH公司推出,用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信。由于得到Motorola、Intel、Philip、Siemens、NEC等公司支持,廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域,通信速率最高可達(dá)1Mbps/400m,直接傳輸距離最遠(yuǎn)10km/5Kbps,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
5、HART總線
HART總線是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的英文縮寫。其最早由Rosemount公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持,于1993年成立HART通信基金會(huì)。這種通信協(xié)議的特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程的過渡產(chǎn)品。
三、現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用
1、選擇合適的現(xiàn)場(chǎng)總線及其產(chǎn)品
從用戶角度來講,面對(duì)如此眾多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)如何作出選擇,筆者提出一點(diǎn)建議供用戶參考。
(1)標(biāo)準(zhǔn)
從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的歷史看,誰的技術(shù)將發(fā)展為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),或在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定過程中有較大的發(fā)言權(quán),取決于這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得的成就,取決于這項(xiàng)技術(shù)及產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上所占份額。
(2)選擇總線
用戶應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用工程特點(diǎn)出發(fā),選擇在本行業(yè)中具有較好運(yùn)行業(yè)績(jī)的總線,因?yàn)椋瑳]有任何一種可包羅萬象、適合所有應(yīng)用領(lǐng)域的線場(chǎng)總線技術(shù)??芍攸c(diǎn)考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo):通信速率——系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求,通信距離——網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地域大小、抗干擾能力及容錯(cuò)能力等。
(3)選擇產(chǎn)品
毫無疑問,我們應(yīng)選擇國(guó)際知名的、擁有用戶多的、產(chǎn)品應(yīng)用基礎(chǔ)好的產(chǎn)品。
2、現(xiàn)場(chǎng)總線的典型應(yīng)用
在現(xiàn)代社會(huì)中,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)不再是一個(gè)孤立的系統(tǒng),而是與企業(yè)信息管理系統(tǒng)(MIS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、閉路監(jiān)視系統(tǒng)(CCTV)等有機(jī)地結(jié)合,形成一個(gè)綜合的企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng),典型的系統(tǒng)配置如圖2所示。
從圖中可以看出系統(tǒng)從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開始分為現(xiàn)場(chǎng)控制層、中央監(jiān)控層和經(jīng)營(yíng)管理層。各層間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享,從而構(gòu)成完整的企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場(chǎng)控制層由HART、PROFIBUS等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段組成是企業(yè)信息網(wǎng)的底層,它把現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)信息送到中央控制室適時(shí)數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和顯示,而經(jīng)營(yíng)管理層則由辦公自動(dòng)化、財(cái)務(wù)、人事和生產(chǎn)等數(shù)據(jù)庫連同中央控制室數(shù)據(jù)庫構(gòu)成企業(yè)最上層的網(wǎng)絡(luò)頂端。
四、結(jié)束語
現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向,使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。