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現場總線控制技術特點及選用建議

作者: 時間:2016-12-14 來源:網絡 收藏
  1 引言
  現場總線(Fieldbus)技術是實現現場級控制設備數字化通信一種工業(yè)現場層網絡通信技術;是一次工業(yè)現場級設備通信數字化革命。計算機技術、通信技術、控制技術發(fā)展,使這種全數字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯(lián)網絡新一代現場總線控制系統(tǒng)(FCS)到長足發(fā)展。它與智能化現場設備相結合充分體現現場總線控制系統(tǒng)優(yōu)越性?,F場總線優(yōu)越性是無庸置疑,它各個行業(yè)應用也是來勢洶涌。我們關注它發(fā)展動態(tài),是很有意義。
  
  2 現場總線技術概念
  目前,公認現場總線技術概念描述如下:現場總線是安裝生產過程區(qū)域現場設備/儀表與控制室內自動控制裝置/系統(tǒng)之間一種串行、數字式、多點通信數據總線。其中,“生產過程”包括斷續(xù)生產過程和連續(xù)生產過程兩類。,現場總線是以單個分散、數字化、智能化測量和控制設備作為網絡節(jié)點,用總線相連接,實現相互交換信息,共同完成自動控制功能網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
  
  3 基于現場總線控制系統(tǒng)主要特點
  與傳統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)及其它現場總線儀表相比,現場總線及現場總線控制系統(tǒng)以下幾方面具有極大優(yōu)勢。
  3.1 系統(tǒng)結構大大簡化,降低系統(tǒng)及工程成本
  傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS)與模擬儀表間保持著一對一連接方式,每個現場儀表到控制系統(tǒng)都需要使用一對傳輸線,單向傳輸一個模擬信號。
  這種結構,現場需要使用I/O模塊、接線盒、電纜;控制室又要使用大量電纜、端子排。儀表到系統(tǒng)連接環(huán)節(jié)多,導致設備費用高,占用空間大,接線龐雜,安裝費用高,工程周期長,維護困難。
  現場總線儀表與控制系統(tǒng)之間采用是一對N連接方式,一對傳輸線可接N臺設備,雙向傳輸多個信號。這種結構節(jié)省大量電纜,無需使用I/O模塊、接線盒和大量端子排,使接線大大簡化,減少由接線點造成不可靠因素。設備占用空間小,安裝費用低,工程周期短,維護方便,系統(tǒng)擴展容易。
  3.2 真正分散控制
  現場總線控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制功能分散到現場儀表模塊中,現場設備和儀表就構成控制回路,不再如今日過程自動控制結構以DCS為中心,不再依賴于控制室,取消了I/O單元與控制站,實現徹底分散?,F場控制回路中,變送器具有信號變送、補償等功能,還有I/O、PID調節(jié)和運算功能;執(zhí)行機構具有信號轉換和執(zhí)行功能,還可內含輸出特性校驗和補償功能,也可以有PID控制和運算功能。各種功能都被模塊化做成功能塊,用戶可需要選用功能塊安裝現場設備和儀表中,控制功能塊可放變送器模塊中,也可以放執(zhí)行器模塊中,或二者均設置,實現冗余控制??刂葡到y(tǒng)仍可對過程進行遠程監(jiān)控,對現場儀表和設備進行線組態(tài)、調校等,同時還可用控制系統(tǒng)完成一些復雜控制和管理功能。這樣提高系統(tǒng)可靠性、自治性和靈活性。
  3.3 開放式、互操作性、可維護性、可集成性
  不同廠家產品使用同一總線標準,就具有互操作性、互換性,設備具有很好可集成性。系統(tǒng)為開放式,允許其它廠商將自己專長控制技術,如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去,,市場上將有許多面向行業(yè)特點監(jiān)控系統(tǒng)。同樣也增強了現場級信息集成能力,現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息,能夠更好滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡,它不單純取代4~20mA信號,還可實現現場級設備線故障診斷、報警、記錄功能,可完成現場設備遠程參數設定、修改等參數化工作,也增強了系統(tǒng)可維護性?;诂F場總線自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數字化通信技術,使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網絡,構成企業(yè)信息網絡底層,使企業(yè)信息溝通覆蓋范圍一直延伸到生產現場。
  CIMS系統(tǒng)中,現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備延伸,是支撐現場級信息集成技術基礎。
  3.4 對環(huán)境高度適應性
  現場總線是專為工業(yè)現場設計,它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無線方式來傳送數據,具有很強抗干擾能力。常用數據傳輸線是廉價雙絞線,并允許現場設備利用數據通信線進行供電,還能滿足本質安全防爆要求。
  3.5 規(guī)??勺兛刂葡到y(tǒng)和靈活網絡拓撲結構
  傳統(tǒng)DCS或PLC分大、中、小規(guī)模和型號,增加設備時要增加電纜、I/O接口及接線牌,增加控制器,對不同系統(tǒng)還要采用不同計算機語言等進行組態(tài),系統(tǒng)擴展給設計和施工帶來許多不便。
  現場總線控制系統(tǒng)采用完全分散式結構,系統(tǒng)功能單元模塊化,功能塊內嵌于現場總線設備和儀表或控制器中,現場設備和儀表作為節(jié)點平等掛接現場總線上,是相對理想狀態(tài),從幾個回路到幾百個回路均可。增加控制回路或單元,只需將設備掛接到網絡節(jié)點上,功能強大軟件可幫我們迅速組態(tài)現場設備,并投入運行,系統(tǒng)擴展十分簡單,故被稱為規(guī)??勺兛刂葡到y(tǒng)?,F場總線控制系統(tǒng)可以復雜現場情況組成不同網絡拓撲結構,如樹型、星型、總線型和層次化網絡結構等。
  可以說,開發(fā)性、分散性和低成本是現場總線最顯著三大特征。一些特殊行業(yè)、特殊要求下,現場總線對環(huán)境適應性以及采用靈活網絡結構是很有必要。比如危險區(qū)域,要求現場設備防爆;常規(guī)防爆方法會限制能量來避免電磁感應產生火花能量。這樣與現場總線主要優(yōu)點就有了抵觸,限制能量(運用本安方法),那么,每個總線分支上允許連接現場設備就會大大減少。又比如總線采用線狀結構,一條總線支路電纜斷了,這個支路就癱瘓了;采用網狀結構,斷了一兩條支路,信息還可以其他途徑傳遞,系統(tǒng)功能會下降,但不會癱瘓。
  
  4 主要現場總線簡介
  現場總線發(fā)展迅速,現正處于群雄并起、百家爭鳴階段,目前已開發(fā)出40多種現場總線,具有影響力有4種。
  4.1 基金會現場總線FF(FoundationFieldbus)
  基金會現場總線是國際上幾家現場總線激烈競爭后形成一種現場總線,由現場總線基金會推出。與私有網絡總線協(xié)議不同,FF總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家。其總線體系結構是參照ISOOSI模型中物理層、數據鏈路層和應用層,并增加了用戶層而建立起來通信模型。FF到了世界上幾乎所有著名儀表制造商支持,同時遵守IEC協(xié)議規(guī)劃,與IEC現場總線國際標準和草案基本-致。FF總線提供了Hl和H2兩種物理層標準。Hl是用于過程控制低速總線,
  傳輸速率為31.25kbps,傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種(加中繼器可以延長),可用總線供電,支持本質安全設備和非本質安全總線設備。H2為高速總線,剛開始FF對H2構想為1Mbps(此時傳輸距離為750m)或2.5Mbps(此時傳輸距離為500m)。后來會議中決定改為以100Mbps以太網為基礎,并稱為高速以太網現場總線HSE(HighSpeedEthernetFieldbus)。H1和H2每段節(jié)點數可達32個,使用中繼器后可達240個,Hl和H2可網橋互連。FF突出特點設備互操作性、改善過程數據、更早預測維護及可靠安全性。目前,FF現場總線應用領域以過程自動化為主。如:化工、電力廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。
  4.2 過程現場總線Profibus
  Profibus是由Siemens公司提出并極力倡導,己先后成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170,是一種開放而獨立總線標準,機械制造、工業(yè)過程控制、智能建筑中充當通信網絡。
  Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA(ProcessAutomation)用于過程自動化低速數據傳輸,其基本特性同FFH1總線,可以提供總線供電和本質安全,并到了專用集成電路(ASIC)和軟件支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容,基本特性同FFH2總線,可實現高速傳輸,適用于分散外部設備和自控設備之間高速數據傳輸,用于連接Profibus-PA和加工自動化。Profibus-FMS適用于一般自動化中速數據傳輸,主要用于傳感器、執(zhí)行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用RS485通信標準,傳輸速率從9.6kbps到12Mbps,傳輸距離從1200m到100m(與傳輸速率有關)。介質存取控制基本方式為主站之間令牌方式和主站與從站之間主從方式,以及綜合這兩種方式混合方式。
  4.3 Lonwoks總線
  Lonworks現場總線全稱為LonworksNetWorks,即分布式智能控制網絡技術,希望推出能夠適合各種現場總線應用場合測控網絡。智能節(jié)點和LonTalk通訊協(xié)議是LonWorks現場總線基礎,前者支持分散化、智能化特征,后者滿足了現場智能節(jié)點之間無擁塞、快速安全通訊要求。它最大特點是全分散智能監(jiān)控,賦予現場智能節(jié)點更大自主權,大部分任務就完成,上位機只起系統(tǒng)建造、組態(tài)和維護作用。建立好系統(tǒng)可以脫離上位機正常運行,上位機成為“虛擬主機”。目前LONWORKS應用范圍廣泛,主要包括工業(yè)控制、樓宇自動化、數據采集、SCADA系統(tǒng)等。國內主要應用于樓宇自動化方面。
  4.4 CANBUS現場總線
  CANBUS現場總線已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準IOS11898(通訊速率小于1Mbps)和ISO11519(通訊速率小于125kbps)。它協(xié)議是工作站現場總線———智能現場設備兩層多主結構網絡。它具有標準通訊協(xié)議,開放性功能好;無損結構逐位仲裁方式進行總線優(yōu)先權訪問;強有力錯誤處理能力,故障節(jié)點自動脫離總線;有較強網絡抗干擾能力等特點。CANBUS主要產品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外電梯、醫(yī)療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。
  
  5 如何選擇現場總線建議
  (1)是否選用現場總線。任何領域,沒有實際使用過“新鮮事物”,人們往往抱著一種懷疑和謹慎態(tài)度,更先前使用是一種比較成熟技術或產品??涩F場總線標準日益細化,現場總線系統(tǒng)產品逐漸完善,使它風險分散、控制層開放、成本下降等各方面優(yōu)越性日益突現,選擇使用現場總線廠家和項目逐漸增多。
  另,歷史原因,我國工控行業(yè)內如PLC、DCS落后于國外,根本原因是國外少數幾家大公司為保證其壟斷經營位對其工控產品采用封閉式結構,我國對其關鍵核心技術引進消化后方可掌握。現場總線技術開放性策略無疑為我國工控界國際市場上發(fā)展帶來了一個千載難逢平等競爭機遇。我們應當緊緊抓住這一契機,率先推出有中國自己現場總線產品,開創(chuàng)中國自己國際工控產品名牌。
  (2)選擇標準。現現場總線標準比較多樣化,與各個行業(yè)習慣不同有關。我們應該選擇本行業(yè)里占有份額比較大、實際應用中取良好成果標準。這樣將來國際標準化組織科學技術飛速發(fā)展現狀及廠商用戶對標準制定要求,對標準制定及批準手續(xù)作出相應改變,并承認存所謂事實上標準———即那些市場中已占有較大份額、具有很大用戶成功應用經驗技術標標準。
  (3)選擇總線產品。目前國際上現場總線
  群雄并起局面下,用戶應從實際應用工程特點出發(fā)去選擇。沒有一種可包羅萬象、適合所有應用領域現場總線技術和產品。應著重考察這種總線本行業(yè)中應用業(yè)績。如制造業(yè)自動化、電力自動化及過程控制自動化三個領域,數據實時響應要求方面就大不一樣。當然用戶可盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產品應用基礎好公司產品,這些公司現場總線技術被國際標準采納可能性大,售后服務好,及無縫升級產品機會大。
  針對船舶行業(yè)要求安全性高、實用性強、監(jiān)控點多、監(jiān)控物理量類型多等特點,多年實際應用基礎和前輩推薦,一般采用LonWorks或CANBUS現場總線結構是比較合適。
  針對海洋平臺應用中過程控制連續(xù)運轉能力要求,及其系統(tǒng)設計中強調“故障—安全”性和慣用總線標準,一般采用FF或ProfiBus這兩種總線結構。
  
  6 結束語
  現場總線技術克服了模擬儀表和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS:集散控制系統(tǒng))技術上和應用中各種缺陷,帶來了傳統(tǒng)控制技術所無法比擬長期效益。選用現場總線時,要制定出自己要點,選擇適用現場總線標準和產品。


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