現(xiàn)場總線控制技術特點及選用建議

　　1　引言
　　現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設備數(shù)字化通信一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術;是一次工業(yè)現(xiàn)場級設備通信數(shù)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(shù)字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡新一代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)到長足發(fā)展。它與智能化現(xiàn)場設備相結合充分體現(xiàn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)優(yōu)越性。現(xiàn)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(xiàn)場總線技術概念
　　目前,公認現(xiàn)場總線技術概念描述如下:現(xiàn)場總線是安裝生產(chǎn)過程區(qū)域現(xiàn)場設備/儀表與控制室內(nèi)自動控制裝置/系統(tǒng)之間一種串行、數(shù)字式、多點通信數(shù)據(jù)總線。其中,“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。,現(xiàn)場總線是以單個分散、數(shù)字化、智能化測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點,用總線相連接,實現(xiàn)相互交換信息,共同完成自動控制功能網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
　　
　　3　基于現(xiàn)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(xiàn)場總線儀表相比,現(xiàn)場總線及現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場儀表模塊中,現(xiàn)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(xiàn)徹底分散?，F(xiàn)場控制回路中,變送器具有信號變送、補償?shù)裙δ?還有I/O、PID調(diào)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)冗余控制。控制系統(tǒng)仍可對過程進行遠程監(jiān)控,對現(xiàn)場儀表和設備進行線組態(tài)、調(diào)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(chǎn)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(xiàn)場級信息集成能力,現(xiàn)場總線可從現(xiàn)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?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡,它不單純?nèi)〈?～20mA信號,還可實現(xiàn)現(xiàn)場級設備線故障診斷、報警、記錄功能,可完成現(xiàn)場設備遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化工作,也增強了系統(tǒng)可維護性。基于現(xiàn)場總線自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)字化通信技術,使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡,構成企業(yè)信息網(wǎng)絡底層,使企業(yè)信息溝通覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。
　　CIMS系統(tǒng)中,現(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場級設備延伸,是支撐現(xiàn)場級信息集成技術基礎。
　　3.4　對環(huán)境高度適應性
　　現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)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(shù)據(jù),具有很強抗干擾能力。常用數(shù)據(jù)傳輸線是廉價雙絞線,并允許現(xiàn)場設備利用數(shù)據(jù)通信線進行供電,還能滿足本質(zhì)安全防爆要求。
　　3.5　規(guī)?？勺兛刂葡到y(tǒng)和靈活網(wǎng)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(xiàn)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(nèi)嵌于現(xiàn)場總線設備和儀表或控制器中,現(xiàn)場設備和儀表作為節(jié)點平等掛接現(xiàn)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(wǎng)絡節(jié)點上,功能強大軟件可幫我們迅速組態(tài)現(xiàn)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(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以復雜現(xiàn)場情況組成不同網(wǎng)絡拓撲結構,如樹型、星型、總線型和層次化網(wǎng)絡結構等。
　　可以說,開發(fā)性、分散性和低成本是現(xiàn)場總線最顯著三大特征。一些特殊行業(yè)、特殊要求下,現(xiàn)場總線對環(huán)境適應性以及采用靈活網(wǎng)絡結構是很有必要。比如危險區(qū)域,要求現(xiàn)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(chǎn)生火花能量。這樣與現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)場總線簡介
　　現(xiàn)場總線發(fā)展迅速,現(xiàn)正處于群雄并起、百家爭鳴階段,目前已開發(fā)出40多種現(xiàn)場總線,具有影響力有4種。
　　4.1　基金會現(xiàn)場總線FF(FoundationFieldbus)
　　基金會現(xiàn)場總線是國際上幾家現(xiàn)場總線激烈競爭后形成一種現(xiàn)場總線,由現(xiàn)場總線基金會推出。與私有網(wǎng)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(zhì)安全設備和非本質(zhì)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(wǎng)為基礎,并稱為高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線HSE(HighSpeedEthernetFieldbus)。H1和H2每段節(jié)點數(shù)可達32個,使用中繼器后可達240個,Hl和H2可網(wǎng)橋互連。FF突出特點設備互操作性、改善過程數(shù)據(jù)、更早預測維護及可靠安全性。目前,FF現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸,其基本特性同F(xiàn)FH1總線,可以提供總線供電和本質(zhì)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F(xiàn)FH2總線,可實現(xiàn)高速傳輸,適用于分散外部設備和自控設備之間高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhì)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(xiàn)場總線全稱為LonworksNetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡技術,希望推出能夠適合各種現(xiàn)場總線應用場合測控網(wǎng)絡。智能節(jié)點和LonTalk通訊協(xié)議是LonWorks現(xiàn)場總線基礎,前者支持分散化、智能化特征,后者滿足了現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應用于樓宇自動化方面。
　　4.4　CANBUS現(xiàn)場總線
　　CANBUS現(xiàn)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(xiàn)場總線———智能現(xiàn)場設備兩層多主結構網(wǎng)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(wǎng)絡抗干擾能力等特點。CANBUS主要產(chǎn)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(xiàn)場總線建議
　　(1)是否選用現(xiàn)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(chǎn)品?？涩F(xiàn)場總線標準日益細化,現(xiàn)場總線系統(tǒng)產(chǎn)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(xiàn),選擇使用現(xiàn)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(nèi)如PLC、DCS落后于國外,根本原因是國外少數(shù)幾家大公司為保證其壟斷經(jīng)營位對其工控產(chǎn)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?，F(xiàn)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(xiàn)場總線產(chǎn)品,開創(chuàng)中國自己國際工控產(chǎn)品名牌。
　　(2)選擇標準?，F(xiàn)現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)驗技術標標準。
　　(3)選擇總線產(chǎn)品。目前國際上現(xiàn)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(xiàn)場總線技術和產(chǎn)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(shù)據(jù)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(chǎn)品應用基礎好公司產(chǎn)品,這些公司現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(diào)“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(xiàn)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(xiàn)場總線時,要制定出自己要點,選擇適用現(xiàn)場總線標準和產(chǎn)品。