基于現(xiàn)場總線技術(shù)的先進控制系統(tǒng)

0、概述

　　計算機數(shù)字通信技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，推動了自動化技術(shù)的進步；特別是近10年來興起的現(xiàn)場總線技術(shù)（Fieldbus），是計算機數(shù)字通信技術(shù)向工業(yè)自動化領(lǐng)域的延伸，它的發(fā)展將促使自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，是傳統(tǒng)的基于PLC及DCS控制技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿。
　　現(xiàn)場總線技術(shù)的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現(xiàn)場總線技術(shù)標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術(shù)的產(chǎn)品。依照現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范，不同廠家產(chǎn)品可以方便完成組態(tài)與集成，構(gòu)成面向行業(yè)、適合行業(yè)特點的自主控制系統(tǒng)。這一特點為更多的自動化產(chǎn)品制造商自主開發(fā)并推出自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化系統(tǒng)提供了可能。也為自動化系統(tǒng)集成商開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的成套技術(shù)和自動化系統(tǒng)提供了機會。
　　現(xiàn)場總線技術(shù)以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優(yōu)點，必然成為未來自動化技術(shù)發(fā)展的主流。基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System -FCS）與人們預(yù)想的一樣，對傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預(yù)測、一種設(shè)想，而是實實在在的作為先進控制系統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。本文將描述傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變過程，以現(xiàn)場總線PROHBUS為背景，描述一個基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并分析系統(tǒng)的市場前景。

　　本文中提到的一些名詞及縮寫：
　　FCS：基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System -FCS）
　　現(xiàn)場設(shè)備：指現(xiàn)場級檢測及執(zhí)行設(shè)備，如傳感器、變送器、開關(guān)設(shè)備、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、指示及顯示設(shè)備、人機操作接口等。
　　基于PLC的控制系統(tǒng)：指以PLC、遠程I/O及PLC網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)。
　　控制器：現(xiàn)場總線中的一個主站節(jié)點。至少具備總線通信與管理、邏輯執(zhí)行等功能。

1、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現(xiàn)場總線技術(shù)標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術(shù)的產(chǎn)品。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)引入自動化控制系統(tǒng)，促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化，逐步形成基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS。

　　1．1從PLC到通用工業(yè)PC
　?。?）在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，控制器（或稱CPU、或處理器）與I/O模塊及其它功能模塊、機架為同一系列產(chǎn)品，有一致的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計。典型的結(jié)構(gòu)是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線（公司設(shè)計產(chǎn)品而自定義總線）連接。機架擴展也是自定義總線的擴展。這些產(chǎn)品的連接技術(shù)是封閉的，第3方面想開發(fā)兼容產(chǎn)品必須得到廠家允許。



　　（2）基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)中，控制器與現(xiàn)4場設(shè)備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅(qū)動器等）連接是通過標準的現(xiàn)場總線，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產(chǎn)品（這與插在PLC機架上的I/O模塊的配置方法不同），可使用任何一家的具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設(shè)備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標準的、通用的硬件平臺一工業(yè)計算機（Industrial Compact Computer），如Intel/Windows類PC機。近年來嵌入式控制器（如PC/104產(chǎn)品）的發(fā)展和WINDOWS-CE的推出，使用嵌入式控制器硬件和WINDOWS-CE軟件作為控制器平臺。
　　采用通用的工業(yè)PC做控制系統(tǒng)控制器優(yōu)點如下：
　?。?）開放性、標準化 系統(tǒng)軟件與控制器硬件不再維持捆綁關(guān)系，專業(yè)自動化軟件廠家可以獨立開發(fā)不依賴于控制器品牌的FCS系統(tǒng)軟件?；赪indows/NT的操作系統(tǒng)平臺，具有大量的標準的軟件工具和數(shù)據(jù)文件格式可以兼容。
　　（2）價格 通用的工業(yè)PC容易形成規(guī)模經(jīng)營，因此，價格比PLC便宜。
　?。?）性能指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快 通用的工業(yè)PC搭乘PC機技術(shù)發(fā)展快車，技術(shù)指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快。
　?。?）向上連接計算機管理網(wǎng)絡(luò)（如IEC802.3TCP/IP）技術(shù)成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術(shù)與管理數(shù)據(jù)庫連接。

　　1．2從PLC的I/O模塊到現(xiàn)場總線分布式I/O
　　在FCS系統(tǒng)中，插在控制器機架上的I/O模塊將被連接到現(xiàn)場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產(chǎn)品，而是第3方廠家的產(chǎn)品；廉價的、專用的、具有特殊品質(zhì)的I/O模塊（如高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等）將具有廣闊市場。FCS的控制器與傳統(tǒng)PLC配置方式的比較見圖1。

　　1．3從PLC I/O控制的現(xiàn)場設(shè)備到具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設(shè)備
　　現(xiàn)場設(shè)備如傳感器、變送器、開關(guān)設(shè)備、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)等；傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)使用I/O連接與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量4-20mA或開關(guān)量（如24VDC）控制監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備。在FCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場設(shè)備具有現(xiàn)場總線接口，控制器通過標準的現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設(shè)備連接。

　　1．4系統(tǒng)軟件
　　在傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件（包括PLC系統(tǒng)軟件和編程軟件）與PLC硬件聯(lián)系緊密，技術(shù)上對外是封閉的。在FCS系統(tǒng)中，控制器采用通用工業(yè)PC平臺，系統(tǒng)軟件不再與控制器、I/O、現(xiàn)場設(shè)備等硬件捆綁，可運行在通用標準的工業(yè)PC+WINDOWS/NT平臺上。

2、基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)組成

　　以工業(yè)PC機及Windows/NT為平臺，加載FCS系統(tǒng)軟件做控制器；通過現(xiàn)場總線連接各種現(xiàn)場設(shè)備，這便是基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)的基本組成。下面以現(xiàn)場總線PROFIBUS為例，虛構(gòu)一個基于現(xiàn)場總線PROFIBUS的先進控制系統(tǒng)一ACSBPB（Advanced Control System Based on PROFIBUS technology），說明基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)組成。

　　2．1現(xiàn)場總線（PROFlBUS）概況
　　現(xiàn)場總線PROFIBUS技術(shù)于1987年，由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機構(gòu)聯(lián)合提出：1989年批準為德國標準DIN192450經(jīng)應(yīng)用完善后，于1996年6月批準為歐洲現(xiàn)場總線標準EN50170V.2。目前，根據(jù)國際IEC標準委員會達成的關(guān)于現(xiàn)場總線國際標準的妥協(xié)方案，PROFIBUS現(xiàn)場總線標準已成為國際現(xiàn)場總線標準IEC61158的一個組成部分。
　　目前國際上有250多家企業(yè)，生產(chǎn)1600多種符合PRORBIjS標準的產(chǎn)品。在不闊的應(yīng)用領(lǐng)域中已有200多萬個設(shè)備安裝運行。應(yīng)用涉及到工業(yè)自動化的各個主要領(lǐng)域，包括：制造業(yè)自動化（汽車制造、裝瓶系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)）樓宇自動化（供熱、空調(diào)系統(tǒng)）、交通管理自動化、過程自動化（清洗工廠、化工和石化工廠、造紙和紡織品工業(yè)）、電力工業(yè)和電力輸送（發(fā)電廠、開關(guān)裝置）。PROFIBUS標準產(chǎn)品在歐洲現(xiàn)場總線產(chǎn)品市場占有率第一，超過40%。
　　PROFIBUS用戶組織已建立了質(zhì)量認證程序，在德國和美國建立了測試實驗室，包括硬件測試和一致性、互操作性測試。

　　2．2現(xiàn)場總線PROFlBUS技術(shù)概要
　?。?）PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUSPA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。PROFIBIJS-PA專為過程自動化設(shè)計，并有本征安全技術(shù)規(guī)范。 PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。
　?。?）PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)IS07498國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型。 PROFIBUS-DP、FMS、PA定義了第12、7層和用戶接口。第3到6層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，定義了現(xiàn)場設(shè)備行為的行規(guī)。
　?。?）PROFIBUS傳輸技術(shù)PROFIBUS提供了4種數(shù)據(jù)傳輸類型：用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IEC1158-2傳輸及光纖、紅外傳輸。
　　（4）設(shè)備類型2類主站（DPM2）指可進行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。1類主站（DPM1）是可編程序控制器，如PLC、PC等。從站是指帶開關(guān)量或模擬量的現(xiàn)場設(shè)備，如驅(qū)動器、閥門等。
　　（5）電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件（GSD）為了將不同廠家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，廠家必須提供GSD文件（電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件），描述產(chǎn)品的功能參數(shù)。 PROFIBUS組態(tài)工具可根據(jù)將廠商提供的GSD文件將其設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。

　　2．3基于現(xiàn)場總線（PROF18US）的先進控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成
　　基于現(xiàn)場總線（PROHBUS）的先進控制系統(tǒng)ACSBPB是一個面向制造業(yè)自動化、現(xiàn)場及車間級自動化控制系統(tǒng)。
　?。?）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ACSBPB由2級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：底層是基于PROFIBUS-DKPA的現(xiàn)場級設(shè)備層控制系統(tǒng)；上1層是基于PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng)及TCP/IP的車間級監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控層計算機向上支持工廠管理級網(wǎng)絡(luò)接口及通信驅(qū)動和數(shù)據(jù)庫接口。底層PROHBUS-DP支持9.6k~12M的通信速率和中繼器（REPEATER）的擴展功能。底層PROFIBUS-DP還支持基于光纖傳輸介質(zhì)的通信；可支持點對點、總線及環(huán)形光纖網(wǎng)。控制器可配置成雙機熱備及冗余通信模式，用于對可靠性要求很高的場合，詳見圖2。基于現(xiàn)場總線（PROFIBUS）的先進控制系統(tǒng)ACSBPB系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
　?。?）控制器或主站控制器基于通用工業(yè)PC機、Windows/WT軟硬件平臺。現(xiàn)場總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網(wǎng)卡（自主開發(fā)）。系統(tǒng)控制器或主站應(yīng)具備雙機熱備、冗余通信系統(tǒng)功能。
　　（3）ACSBPB系統(tǒng)軟件ACSBPB系統(tǒng)軟件基于WIN/NT系統(tǒng)軟件平臺。它包含一個實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，并為系統(tǒng)提供以下功能：