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现场总线技术及其应用

2004/12/9    来源:PLC&FA    作者:吴道虎      
关键字:现场总线  现场总下内控制系统  DCS  
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点,将带来控制系统的一大变革。

    1 引言

    随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展,作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线(FieldBus)技术也得到了发展迅速、影响巨大,引起了工程技术界的普遍兴趣与重视,使计算机控制系统逐步从集散控制系统(Distributed Control System DCS)走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统(Fieldbus Control System,FCS),被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。

    2 被誉为自动化领域的计算机局域网

    2.1 现场总线及其特点

    (1)什么是现场总线?

    根据国际电工委员会(IEC)和美国仪表协会(ISA)的定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络,它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯,具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。

    国际电工协会(IEC)的SP50委员会对现场总线有以下三点要求:

    (1)同一数据链上过程控制单元(PCU)、PLC等与数字1/0设备互连;
    (2)现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取;
    (3)通信媒体安装费用较低。

    SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是:

    ●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线
    ●总线型总线数据传输距离长、速率高,采用点对点、点对多点和广播式通信方式

    2.2 现场总线技术特征

    现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成,具有以下几项技术特征。

    (1)现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备,彼此通过传输媒体(双绘线、同轴电缆或光纤)以总线拓扑相连;
    (2)网络数据通信采用基带传输(即数字数据数字传输),数据传输速率高(为Mbit/s或10Mbit/s级),实时性好,抗干扰能力强;
    (3)废气了集散控制系统(DCS)中的I/O控制站,将这一级功能分配给通信网络完成;
    (4)分散的功能模块,便于系统维护、管理与扩展,提高可靠性;
    (5)开放式互连结构,既可与同层网络相连,也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连;
    (6)互操作性,在遵守同一通信协议的前提下,可将不同厂家的现场设备产品统一组态,构成所需要的网络。

    3 现场总线控制技术

    3.1 现场总线控制系统

    现场总线控制系统FCS是集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术,是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域,将成为现代计算机控制系统的主流。

    3.2 FCS对计算机控制系统的影响

    传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中,对现场信号需要进行点对点的连接,并且I/0端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中,而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆,布线复杂,既费料又费时,信号容易衰减并容易被干扰,而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成,结构复杂,成本高。而且DCS不是开放系统,互操作性差,难以实现数据共享。而基于FCS的控制系统则完全克服了这些缺点。

    (1)FCS借助于现场总线技术,所有的I/O模块均放在工业现场,而且所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准数字信号,只需一根电缆(两线或四线)就可把所有的现场子站连接起来,进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上,减低了成本,又便于安装和维护,同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。
    (2)FCS具有开放性。在FCS中,软件和硬件都遵从同样的标准,互换性好,更新换代容易。程序设计采用IEC11314五种国际标准编程语言,编程和开发工具是完全开放的,同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。
    (3)系统的效率高。在FCS中,一台PC可同时完成原来要用两台设备才能完成的PLC和NC/CNC任务。在多任务的Windows NT操作系统下,PC中的软PLC可以同时执行多达十几个PLC任务,既提高了效率,又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能,极大地改善了编程环境。
    (4)在FCS中,系统的基本结构为:工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或NC/CNC实时多任务控制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据报表组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面,并真正实现控制集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。

    3.3 IEC61158国际标准规定的8种总线及其特点

    (1)Profibus主要由德国西门子公司支持,是按照ISO/OSI参考模型制订的现场总线德国国家标准。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,是满足用户快速通信的最佳方案,传输速度为12Mb/s。扫描1000个I/O点的时间少于1ms。
    (2)基金会现场总线FF(H1,IEC技术报告)是针对过程自动化而设计,它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。FF通信不是简单的数字4-20mA信号,而是使用复杂的通信协议,它可连接能执行简单的闭环算法(如PID)的现场智能装置。一个通信段可配置32个现场装置,通信速度为31。25kb/s ,每段最大通信距离为1900m。
    (3)Interbus主要由德国Phoenix Contact公司支持,其网络简单,且易于安装与配置。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的规定。一个网络上最多可有64个装置,速度可达500K/s,最长距离为25600m,移动节点间距离为400m。
    (4)ControlNet主要由美国Rockwell公司支持,具有非常高的实时性能,界于设备级总线(像DeviceNet)与工厂级总线(通常基于Ethernet)之间。在相同的通信链路上提供了适合于I/O控制设备的带宽、实时联锁响应、对等信息和程序传输,为断续和连续过程控制系统应用提供了确定性和重复性功能;并且允许多控制器处理I/O控制设备,提供了输入数据和对等数据两者之间的多点传送、通信传输媒体的冗余和本征安全的选择、灵活的网络拓扑结构选择(总线、树型、星型)和媒体传输介质(同轴电缆、光纤等)。
    (5)WorldFIP主要由法国的Alstom公司支持,支持双重冗余总线运行方式,总线上可以连接PLC、I/O现场设备、控制器、HMI系统等。通过双重冗余总线,能够完全确保控制系统不会因为控制电缆损坏等原因造成其他控制系统被迫停机的事故。

    另外还有三种:主要由Fisher-Rosemount公司支持的FF HSE,美国波音公司支持的swift Net以及由丹麦Process。

    3.4 其他几种被工业控制领域广泛采用的几种总线

    (1)CANBUS(Controller Area Network):是德国Bosch公司于1983年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络,属于现场总线(FieldBus)的范畴。1993年11月,ISO正式颁布了控制器局域网CAN国际标准(ISO11898),CAN总线的通讯介质可采用双绞线,同轴电缆和光导纤维。通讯距离与波持率有关,最大通讯距离可达10km,最大通讯波持率可达1Mdps。CAN总线仲裁用11位(CAN2.0A协议)和29位(CAN2.0B协议)标识和非破坏性位仲裁总线结构机制,可以确定数据块的优先级,保证在网络节点冲突时最高优先级点不需要冲突等待。CAN结构模型取ISO/OSI模型的第1、2、7层协议,即物理层、数据链层和应用层。CAN总线采用了多主竞争式总线结构,具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次,因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证,技术比较成熟,控制的芯片已经商品化,性价比高,特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。
    (2)CC-Link是Control&Communication Link(控制与通信链路系统)的简称,是三菱电机于1996年推出的开放式现场总线,其数据容量大,通信速度多级可选择,而且它是一个复合的、开放的、适应性强的网络系统,能够适用于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。CC-Link是一个以设备层为主的网络,一般情况下,CC-Link整个一层网络可由一个主站和六十四个从站组成。CC-Link具有高速的数据传输速度,最高可达10Mbps,其底层通信协议遵循RS-485。2 CC-Link的数据通信方式可分为2种方式:循环通讯和瞬时传送。信息从主站传递到从站,信息数据将以150字节为单位分割,并以每批150字节传递。若从站传递到主站或其他从站,每批信息数据最大为34字节。瞬时传送需要由专用指令来完成。瞬时传送不会影响循环通信的时间。
    (3)Leo Works总线:是美国ECHELON公司开发,并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。Lon Works技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的Lon Works的Lon Talk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能,称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器,运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器,作为前两者的中介,它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。Lon Works支持多种物理介质并支持多种拓扑结构,组网方式灵活。Lon Works应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等,在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。

    3.5 现场总线控制系统的通讯标准

    FCS采用ISO的OSI模型7层体系结构中的第1、2、7层,即物理层(Physical Layer),链路层(Data Link Layer),应用层(Application Layer),外加一个第八层,用户层(User Layer)构成其总线通讯标准。用户层是现场总线标准在OSI层模型之外增加的一层,它使该标准超过一项通讯标准而成为一项系统标准,是FCS开放性与互操作性的关键。用户层定义了29个标准功能模块,用于数据处理和组成控制算法,标准功能模块的数量少于一般的DCS,它允许用户自己定义算法模块,另外还定义了两个工具,即设备描述语言DDL(Device Description Language)和对象字典OD(Object Dictionary),用以登记网络上的"可见对象",以实现可互操作性。

    4 小结

    当前,各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域,Lon works 和CAN具有一定的优势;在过程自动化领域,主要有CAN、基金会现场总线FF以及PROFIBUS协议。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性,传统DCS的退出将是一个渐进过程。在一段时间内,会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是,发展共同遵从的统一的标准规范,真正形成开放式互连系统,是大势所趋。

责任编辑:石端桥
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