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现场总线控制技术特点及选用建议

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供稿:中国工控网 2016/5/12 15:05:33

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  1 引言

  现场总线( Fieldbus) 技术是实现现场级控制设备数字化通信一种工业现场层网络通信技术;是一次工业现场级设备通信数字化革命。计算机技术、通信技术、 控制技术发展, 使这种全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络新一代现场总线控制系统( FCS) 到长足发展。它与智能化现场设备相结合充分体现现场总线控制系统优越性。现场总线优越性是无庸置疑, 它各个行业应用也是来势汹涌。我们关注它发展动态, 是很有意义。

  2 现场总线技术概念

  目前, 公认现场总线技术概念描述如下: 现场总线是安装生产过程区域现场设备/仪表与控制室内自动控制装置/系统之间一种串行、数字式、多点通信数据总线。其中, “生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。, 现场总线是以单个分散、数字化、智能化测量和控制设备作为网络节点, 用总线相连接, 实现相互交换信息, 共同完成自动控制功能网络系统与控制系统。

  3 基于现场总线控制系统主要特点

  与传统模拟仪表控制系统及其它现场总线仪表相比, 现场总线及现场总线控制系统以下几方面具有极大优势。

  3. 1 系统结构大大简化,降低系统及工程成本

  传统控制系统(如DCS) 与模拟仪表间保持着一对一连接方式, 每个现场仪表到控制系统都需要使用一对传输线, 单向传输一个模拟信号。

  这种结构, 现场需要使用I/O模块、接线盒、电缆; 控制室又要使用大量电缆、端子排。仪表到系统连接环节多, 导致设备费用高, 占用空间大, 接线庞杂, 安装费用高, 工程周期长, 维护困难。

  现场总线仪表与控制系统之间采用是一对N连接方式, 一对传输线可接N 台设备, 双向传输多个信号。这种结构节省大量电缆, 无需使用I/O模块、接线盒和大量端子排, 使接线大大简化, 减少由接线点造成不可靠因素。设备占用空间小, 安装费用低, 工程周期短, 维护方便, 系统扩展容易。

  3. 2 真正分散控制

  现场总线控制系统将传统控制系统控制功能分散到现场仪表模块中, 现场设备和仪表就构成控制回路, 不再如今日过程自动控制结构以DCS为中心, 不再依赖于控制室, 取消了I/O单元与控制站, 实现彻底分散。现场控制回路中, 变送器具有信号变送、补偿等功能, 还有I/O、P ID调节和运算功能; 执行机构具有信号转换和执行功能, 还可内含输出特性校验和补偿功能,也可以有P ID控制和运算功能。各种功能都被模块化做成功能块, 用户可需要选用功能块安装现场设备和仪表中, 控制功能块可放变送器模块中, 也可以放执行器模块中, 或二者均设置, 实现冗余控制。控制系统仍可对过程进行远程监控,对现场仪表和设备进行线组态、调校等, 同时还可用控制系统完成一些复杂控制和管理功能。这样提高系统可靠性、自治性和灵活性。

  3. 3 开放式、互操作性、可维护性、可集成性

  不同厂家产品使用同一总线标准, 就具有互操作性、互换性, 设备具有很好可集成性。系统为开放式, 允许其它厂商将自己专长控制技术, 如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去, , 市场上将有许多面向行业特点监控系统。同样也增强了现场级信息集成能力,现场总线可从现场设备获取大量丰富信息, 能够更好满足工厂自动化及CIMS系统信息集成要求。现场总线是数字化通信网络, 它不单纯取代4~20 mA信号, 还可实现现场级设备线故障诊断、报警、记录功能, 可完成现场设备远程参数设定、修改等参数化工作, 也增强了系统可维护性。基于现场总线自动化监控系统采用计算机数字化通信技术, 使自控系统与设备加入工厂信息网络, 构成企业信息网络底层, 使企业信息沟通覆盖范围一直延伸到生产现场。


  CIMS系统中, 现场总线是工厂计算机网络到现场级设备延伸, 是支撑现场级信息集成技术基础。

  3. 4 对环境高度适应性

  现场总线是专为工业现场设计, 它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线方式来传送数据, 具有很强抗干扰能力。常用数据传输线是廉价双绞线, 并允许现场设备利用数据通信线进行供电, 还能满足本质安全防爆要求。

  3. 5 规模可变控制系统和灵活网络拓扑结构

  传统DCS或PLC分大、中、小规模和型号, 增加设备时要增加电缆、I/O接口及接线牌, 增加控制器, 对不同系统还要采用不同计算机语言等进行组态, 系统扩展给设计和施工带来许多不便。

  现场总线控制系统采用完全分散式结构, 系统功能单元模块化, 功能块内嵌于现场总线设备和仪表或控制器中, 现场设备和仪表作为节点平等挂接现场总线上, 是相对理想状态, 从几个回路到几百个回路均可。增加控制回路或单元, 只需将设备挂接到网络节点上, 功能强大软件可帮我们迅速组态现场设备, 并投入运行, 系统扩展十分简单, 故被称为规模可变控制系统。现场总线控制系统可以复杂现场情况组成不同网络拓扑结构, 如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。

  可以说, 开发性、分散性和低成本是现场总线最显著三大特征。一些特殊行业、特殊要求下, 现场总线对环境适应性以及采用灵活网络结构是很有必要。比如危险区域, 要求现场设备防爆; 常规防爆方法会限制能量来避免电磁感应产生火花能量。这样与现场总线主要优点就有了抵触, 限制能量(运用本安方法) , 那么, 每个总线分支上允许连接现场设备就会大大减少。又比如总线采用线状结构, 一条总线支路电缆断了, 这个支路就瘫痪了; 采用网状结构, 断了一两条支路,信息还可以其他途径传递, 系统功能会下降,但不会瘫痪。

  4 主要现场总线简介

  现场总线发展迅速, 现正处于群雄并起、百家争鸣阶段, 目前已开发出40多种现场总线, 具有影响力有4种。

  4. 1 基金会现场总线FF( Founda tion Fieldbus)

  基金会现场总线是国际上几家现场总线激烈竞争后形成一种现场总线, 由现场总线基金会推出。与私有网络总线协议不同, FF总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照ISOOSI模型中物理层、数据链路层和应用层, 并增加了用户层而建立起来通信模型。FF到了世界上几乎所有著名仪表制造商支持,同时遵守IEC协议规划, 与IEC现场总线国际标准和草案基本- 致。FF总线提供了Hl和H2两种物理层标准。Hl是用于过程控制低速总线,

  传输速率为31. 25 kbp s, 传输距离为200 m、450m、1 200 m、1 900 m四种(加中继器可以延长) ,可用总线供电, 支持本质安全设备和非本质安全总线设备。H2为高速总线, 刚开始FF对H2构想为1Mbp s (此时传输距离为750 m) 或2. 5 Mbps(此时传输距离为500 m) 。后来会议中决定改为以100Mbp s以太网为基础, 并称为高速以太网现场总线HSE (High Speed Ethernet Fieldbus) 。H1和H2每段节点数可达32个, 使用中继器后可达240个, Hl和H2可网桥互连。FF突出特点设备互操作性、改善过程数据、更早预测维护及可靠安全性。目前, FF现场总线应用领域以过程自动化为主。如: 化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。

  4. 2 过程现场总线Prof ibus

  Profibus是由Siemens公司提出并极力倡导,己先后成为德国国家标准D IN19245 和欧洲标准EN50170, 是一种开放而独立总线标准, 机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。


  Profibus由Profibus - PA、Profibus - DP和Profibus- FMS三个系列组成。Profibus - PA ( Process Automation) 用于过程自动化低速数据传输, 其基本特性同FFH1总线, 可以提供总线供电和本质安全, 并到了专用集成电路(ASIC) 和软件支持。Profibus - DP与Profibus - PA兼容, 基本特性同FFH2总线, 可实现高速传输, 适用于分散外部设备和自控设备之间高速数据传输, 用于连接Profibus - PA和加工自动化。Profibus - FMS适用于一般自动化中速数据传输, 主要用于 传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用RS485 通信标准, 传输速率从9. 6 kbp s到12 Mbp s, 传输距离从1 200 m 到100 m (与传输速率有关) 。介质存取控制基本方式为主站之间令牌方式和主站与从站之间主从方式, 以及综合这两种方式混合方式。

  4. 3 Lonwoks总线

  Lonworks现场总线全称为Lonworks NetWorks,即分布式智能控制网络技术, 希望推出能够适合各种现场总线应用场合测控网络。智能节点和LonTalk通讯协议是LonWorks现场总线基础, 前者支持分散化、智能化特征, 后者满足了现场智能节点之间无拥塞、快速安全通讯要求。它最大特点是全分散智能监控, 赋予现场智能节点更大自主权, 大部分任务就完成, 上位机只起系统建造、组态和维护作用。建立好系统可以脱离上位机正常运行, 上位机成为“虚拟主机”。目前LONWORKS应用范围广泛, 主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA 系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。

  4. 4 CANBUS现场总线

  CANBUS现场总线已由ISO /TC22技术委员会批准为国际标准IOS 11898 (通讯速率小于1 Mbp s) 和ISO 11519 (通讯速率小于125 kbp s) 。它协议是工作站现场总线———智能现场设备两层多主结构网络。它具有标准通讯协议, 开放性功能好;无损结构逐位仲裁方式进行总线优先权访问;强有力错误处理能力, 故障节点自动脱离总线;有较强网络抗干扰能力等特点。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。

  5 如何选择现场总线建议

  (1) 是否选用现场总线。任何领域, 没有实际使用过“新鲜事物”, 人们往往抱着一种怀疑和谨慎态度, 更先前使用是一种比较成熟技术或产品。可现场总线标准日益细化, 现场总线系统产品逐渐完善, 使它风险分散、控制层开放、成本下降等各方面优越性日益突现, 选择使用现场总线厂家和项目逐渐增多。

  另, 历史原因, 我国工控行业内如PLC、DCS落后于国外, 根本原因是国外少数几家大公司为保证其垄断经营位对其工控产品采用封闭式结构, 我国对其关键核心技术引进消化后方可掌握。现场总线技术开放性策略无疑为我国工控界国际市场上发展带来了一个千载难逢平等竞争机遇。我们应当紧紧抓住这一契机, 率先推出有中国自己现场总线产品, 开创中国自己国际工控产品名牌。

  (2) 选择标准。现现场总线标准比较多样化, 与各个行业习惯不同有关。我们应该选择本行业里占有份额比较大、实际应用中取良好成果标准。这样将来国际标准化组织科学技术飞速发展现状及厂商用户对标准制定要求,对标准制定及批准手续作出相应改变, 并承认存所谓事实上标准———即那些市场中已占有较大份额、具有很大用户成功应用经验技术标标准。


  (3) 选择总线产品。目前国际上现场总线

  群雄并起局面下, 用户应从实际应用工程特点出发去选择。没有一种可包罗万象、适合所有应用领域现场总线技术和产品。应着重考察这种总线本行业中应用业绩。如制造业自动化、电力自动化及过程控制自动化三个领域, 数据实时响应要求方面就大不一样。当然用户可尽量选择国际知名度大、拥有用户多、产品应用基础好公司产品, 这些公司现场总线技术被国际标准采纳可能性大, 售后服务好, 及无缝升级产品机会大。

  针对船舶行业要求安全性高、实用性强、监控点多、监控物理量类型多等特点, 多年实际应用基础和前辈推荐, 一般采用LonWorks或CANBUS现场总线结构是比较合适。

  针对海洋平台应用中过程控制连续运转能力要求, 及其系统设计中强调“故障—安全”性和惯用总线标准, 一般采用FF或ProfiBus这两种总线结构。

  6 结束语

  现场总线技术克服了模拟仪表和传统控制系统(如DCS: 集散控制系统) 技术上和应用中各种缺陷, 带来了传统控制技术所无法比拟长期效益。选用现场总线时, 要制定出自己要点, 选择适用现场总线标准和产品。

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