4、系统总线集成框架
现场总线系统集成框架
总体上,现场总线系统位于生产控制和网络结构底层的低带宽网络,可与局域网、Internet、Intranet相连,构成开放的网络。
现场控制层是系统集成的底层,由现场控制设备作为网络节点构成整个系统的控制网段,主要实现对生产过程的常规检测和基本控制,包括传感变送、PID调节等功能的集成。
过程监控层通常由担任监控任务的工作站、PC机或控制器作为网络节点构成局域网段,主要用于完成对控制系统的组态,执行对控制系统的监视、报警、维护,将采集到的现场信息植入实时数据库,进行优化计算和先进控制。
企业管理层是集成系统的最上层,由高性能计算机、工作站、PC机等网络节点构成,是实现企业信息集成和管控一体化的重要组成部分,主要用于企业的计划、销售、生产、库存以及企业经营等方面信息的传输,从而在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。
(二)现场总线的发展历程
随着信息与科学技术的迅猛发展,信息交换方式日新月异,并朝着全球化与数字化的方向发展,自动控制系统作为信息与科学技术发展的融合产物,自19世纪以来的近两百年里也发生了巨大变革。总的来说,一般可将其划分为5代:
现场总线的发展过程
(1)气动信号控制系统(PCS)
气动信号控制系统是于19世纪中期出现的基于5-13psi的第一代控制系统
(2)电动模拟仪表过程控制系统(ACS)
电动模拟过程控制系统出现于20世纪50年代,一出现便很快占据控制领域的主导地位它利用0-10mA或4-20mA的电流模拟信号进行现场级设备信号的采集与控制,是第二代控制系统但由于模拟信号精度较低并易受干扰,所以很快便被新的控制系统取代
(3)集中式数字控制系统(CCS)
随着数字计算机技术的发展和应用,20世纪70年代左右集中式数字控制系统(CCS)出现并占据主导地位,称为第三代控制系统。集中式数字控制系统能够根据现场情况进行及时控制和计算判断,并且在控制方式和时机的选择上能进行统一调度和统筹安排。另外,由于采用单片机等作控制器,数字信号的传输在控制器内部进行,这样不仅克服了ACS系统中模拟信号精度低的缺点,而且也提高了系统的抗干扰能力。但由于该系统对控制器本身有很高的要求,而当任务增加时,控制器的效率将明显下降,很难保证满足对控制器足够的处理能力和极高的可靠性的要求
(4)分散式控制系统(DCS)
20世纪80年代初,微处理机的出现和应用促使了第四代控制系统——分散式控制系统(DCS)的产生。DCS系统采用集中管理、分散控制,即将管理与控制相分离:上位机执行集中监视管理,下位机在现场进行分散控制,它们之间用控制网络相连实现信息传递。与之前几代控制系统不同,分散式的控制系统降低了系统中对控制器处理能力和可靠性的要求。
(5)现场总线控制系统(FCS)
20世纪80年代中后期,随着微电子技术和大规模以及超大规模集成电路的快速发展,顺应以上需求,国际上发展起来一种以微处理器为核心,使用集成电路实现现场设备信息的采集传输处理以及控制等功能的智能信号传输技术——现场总线,并利用这一开放的、具有可互操作性的网络技术将各控制器和现场仪表设备实现互连,构成了现场总线控制系统。该操作系统的出现引起了传统的DCS等控制系统结构的革命性变化,把控制功能彻底下放到了现场。
总体上来讲,现场总线控制系统FCS采用了现代计算机技术的网络技术、微处理器技术及软件技术,实现了现场仪表之间的数字连接及现场仪表的数字化,给工业生产带来了巨大的效益,降低了现场仪表的初始安装费用,节省了电缆、施工费,增强了现场控制的灵活性,提高了信号传递精度,减少了系统运行维护的工作量。现场总线技术的发展,促使工厂底层自动化系统及信息集成技术产生变革,新一代基于现场总线的自动化监控系统已初露端倪。可以预言,尽管目前是FCS与DCS并存,最终FCS将逐步代替DCS和PLC。