現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術(shù)相融合的發(fā)展

引 　言
工業(yè)生產(chǎn)的過程測控技術(shù)由分離設(shè)備向共享設(shè)備發(fā)展;自動化技術(shù)由模擬儀表向智能化儀表發(fā)展;計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向現(xiàn)場延伸。同時經(jīng)歷了五個發(fā)展階段:人工控制階段、模擬儀表控制系統(tǒng)階段、計算機(jī)集中式數(shù)字控制系統(tǒng)階段、集散式控制系統(tǒng)階段和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)階段。集散式控制系統(tǒng)(distributed control system ,DCS)是目前普遍使用的一種控制結(jié)構(gòu) ,它按照多級計算機(jī)分布控制系統(tǒng)的設(shè)計思想 ,采用功能分層方法 ,信息一方面自下而上逐漸集中 ,同時它又自上而下逐漸分散 ,構(gòu)成了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) ,分散控制為其最主要的特征;系統(tǒng)中信息的傳遞主要依賴于 4～20 mA 的模擬信號 ,采用點對點的通信方式。常見的集散式控制系統(tǒng)有美國和日本等某些公司的產(chǎn)品。隨著計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的發(fā)展和控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜化 ,集散式控制系統(tǒng)逐漸不能滿足發(fā)展的需求。現(xiàn)場總線技術(shù)為解決問題提供了途徑。

1.現(xiàn)場總線技術(shù)及其發(fā)展
現(xiàn)場總線技術(shù)將專用的微處理器植入傳統(tǒng)的測控儀表 ,使其具備了數(shù)字計算和通信的能力 ,采用連接簡單的雙絞線、同軸電纜、光纖等作為總線 ,按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議 ,在位于現(xiàn)場的多個微機(jī)化測控儀表之間、遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 ,形成適應(yīng)現(xiàn)場需要的控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)改變了以往使用電壓、電流模擬信號進(jìn)行測控信號變化慢、信號傳輸抗干擾能力差的特點 ,提高了信號的測控和傳輸準(zhǔn)確度 ,同時豐富了控制信息的內(nèi)容 ,也改變了集中式控制可能造成的全線癱瘓的局面。因此 ,現(xiàn)場總線替代4～20 mA 模擬總線是控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢 ,形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus cont rol system FCS) 。
現(xiàn)場總線技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物;是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò) ,它的關(guān)鍵標(biāo)志是支持全數(shù)字通信。它是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場 ,在微機(jī)化測控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ,同時還具有與 Internet 和Int ranet 直接連接的能力。因此現(xiàn)場總線可以被看作是信息系統(tǒng)的直接終端。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有以下的特點: ①開放式、互操作性、互換性、可集成性。不同廠家產(chǎn)品只要使用同一種總線標(biāo)準(zhǔn) ,就具有互操作性、互換性 ,因此設(shè)備具有很好的可集成性。開放性的控制系統(tǒng) ,允許其他廠商將自己專長的控制技術(shù) ,如控制算法、工藝方法、配方等集成到通用控制系統(tǒng)中 ,因此市場上將具有很多面向行業(yè)特點的控制系統(tǒng); ②系統(tǒng)內(nèi)部從傳感器、變送器到執(zhí)行器 ,傳遞的都是數(shù)字信號 ,可以很容易的處理更復(fù)雜、更精確的信號 ,通過采用數(shù)字通信的各種錯誤檢測與糾錯算法使系統(tǒng)內(nèi)部通信的可靠性得到提高; ③控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中 ,控制室內(nèi)儀表裝置和監(jiān)控計算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動化等功能; ④系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用總線連接方式代替一對一的 I/ O 連線,對于大規(guī)模系統(tǒng)來說 ,減少了由接點造成的不可靠因素。同時,系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警和記錄功能 ,也增加了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性; ⑤降低了系統(tǒng)及工程成本。對于大范圍大規(guī)模的 I/ O分布式系統(tǒng)來說,省去了大量的電纜、I/ O 模塊及電纜敷設(shè)費用,降低了系統(tǒng)及工程成本。
當(dāng)今典型的現(xiàn)場總線產(chǎn)品有: FF 現(xiàn)場總線、LonWorks現(xiàn)場總線、Profibus 現(xiàn)場總線、WorldFIP現(xiàn)場總線、 CAN 現(xiàn)場總線、 HART 協(xié)議

LonWorks現(xiàn)場總線采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法 ,通過使用網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信簡化為參數(shù)設(shè)置,外部設(shè)備使用LonWorks現(xiàn)場總線通信只需對Lon2Works的神經(jīng)元芯片的 I/ O 口進(jìn)行編程;WorldFIP現(xiàn)場總線的特點是具有單一的總線 ,可用于過程控制及離散控制 ,而且沒有任何網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān) ,低速與高速部分的銜接用軟件的辦法來解決 ,已有較完整的系列產(chǎn)品 ,不像 FF現(xiàn)場總線目前只有低速部分 H1的產(chǎn)品;CAN 現(xiàn)場總線的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個 ,因而傳輸時間短 ,受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點發(fā)生嚴(yán)重錯誤時 ,具有自動關(guān)閉的功能 ,以切斷該節(jié)點的信息; HART 協(xié)議的特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品 ,因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強(qiáng)的市場競爭能力 ,得到了較快發(fā)展。
2000 年 IEC 公布了 IEC 61158 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),該國際標(biāo)準(zhǔn)容納了8 種互不兼容的協(xié)議,每種協(xié)議及其系列產(chǎn)品背后都有一定的跨國公司支持,多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)并存成為事實 ,過多的標(biāo)準(zhǔn)給用戶選用帶來了很大的困惑和不便。近年來由于以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,以太網(wǎng)正逐漸應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。

2.虛擬儀表技術(shù)及其應(yīng)用
虛擬儀表是利用現(xiàn)有的計算機(jī)加上特殊的儀表硬件和專用軟件 ,形成既有普通儀表的基本功能 ,又有一般儀表所沒有的特殊功能的新型儀表。用戶通過顯示器上各處虛擬的按鍵、開關(guān)、旋扭 ,去使用儀表的各種功能 ,控制儀表的運行。從顯示器上的虛擬顯示屏、數(shù)碼顯示器和指示燈 ,了解儀器的狀態(tài),讀取測試結(jié)果。虛擬儀表以計算機(jī)為基礎(chǔ) ,配合各種數(shù)據(jù)采集卡、輸入/輸出設(shè)備 ,完成普通儀表的信號采集與控制功能。普通儀表的另外兩個主要功能:信號分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出 ,則主要由計算機(jī)內(nèi)運行的專用軟件實現(xiàn)。
虛擬儀表性能價格比高具體表現(xiàn)在: ①基于通用計算機(jī)的虛擬儀表可以使多種儀表共享計算機(jī)資源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備 ,從而大大增強(qiáng)了儀表的功能和降低了成本; ②虛擬儀表是一個開放性、模塊化系統(tǒng) , 用戶能根據(jù)各自具體的測試任務(wù)、通過各種標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的軟件模塊和硬件板卡組成自己的測試儀表 , 儀表的升級也可以通過簡單的軟件模塊重組完成 ,在多數(shù)情況下甚至無需更換硬件; ③虛擬儀表智能化程度高 , 普通儀表的信號分析與處理、輸入與輸出控制在虛擬儀表中都由計算機(jī)軟件完成,充分利用了軟件強(qiáng)大的運算分析和邏輯判斷能力。[next]
近年來 ,世界各國的虛擬儀表公司開發(fā)了不少虛擬儀表開發(fā)平臺軟件 ,其中最早和最具影響的開發(fā)軟件 ,是 NI 公司采用圖形化編程方案的 LabVIEW軟件?？蒲腥藛T和工程師只需選用 LabVIEW中合適的信號分析處理模塊和顯示控件 ,通過簡單的連線和參數(shù)設(shè)置即可組成各種不同組態(tài)的虛擬儀表。在硬件方面,虛擬儀表產(chǎn)品主要以各種數(shù)據(jù)采集卡為主,輔以各種標(biāo)準(zhǔn)總線組成虛擬儀表系統(tǒng)。
在實際應(yīng)用方面 ,國外已有一些應(yīng)用虛擬儀表的例子。美國 Geomatics公司于采用虛擬儀器開發(fā)平臺軟件開發(fā)而成的自動灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行在 Macintosh 計算機(jī)上 ,以星型結(jié)構(gòu)連接一系列的土壤溫度計、壓力與流量傳感器、電磁閥、水泵等,現(xiàn)場處理器配置有模擬量輸入通道、鎖存器、繼電器 ,并通過 RS232 接口與主機(jī)實行串行通信。國內(nèi)也開發(fā)出基于虛擬儀表的原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

3.現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術(shù)相融合的發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展 ,特別是計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的日益推廣和普及 ,生產(chǎn)過程中的各種傳感器、智能儀表和智能變送器正呈現(xiàn)出越來越明顯的分布式發(fā)展趨勢 ,這對虛擬儀表的分布性和網(wǎng)絡(luò)化提出了發(fā)展的要求?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用滿足了虛擬儀表這種發(fā)展的要求。現(xiàn)場總線的雙向數(shù)字通信、連接簡單可靠、成本低廉正是日趨復(fù)雜和網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀表系統(tǒng)所必需的特性。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中 ,控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中 ,控制室內(nèi)儀表裝置和監(jiān)控計算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動化等功能。而虛擬儀表系統(tǒng)中通過現(xiàn)場總線連接起來的各種傳感器也可以充分利用監(jiān)控計算機(jī)強(qiáng)大的計算分析和邏輯判斷能力 ,提供統(tǒng)一、友好的人機(jī)交互界面 ,與控制系統(tǒng)更緊密的融合在一起。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)適應(yīng)了工業(yè)界對數(shù)字通信和自動控制的要求 ,而且使控制網(wǎng)絡(luò)與 Internet 互連 ,構(gòu)成不同層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)成為可能 ,代表了今后工業(yè)控制體系發(fā)展的一個方向。虛擬儀表技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) ,將使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)成為企業(yè)的信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一部分。企業(yè)的信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過虛擬儀表系統(tǒng)收集生產(chǎn)過程中的各種信息 ,為企業(yè)的經(jīng)營策略和生產(chǎn)調(diào)度提供支持;同時 ,各種生產(chǎn)調(diào)度信息也可以直接通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)傳送到生產(chǎn)現(xiàn)場的各國內(nèi)外已開始有將現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術(shù)相融合的測控系統(tǒng)面世。如國內(nèi)的大慶三維公司于2001 年 8 月推出的 HMI/ SCADA 平臺 ,采用了LonWorks現(xiàn)場總線作為現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò) ,借鑒了 LabVIEW的虛擬儀表思想和技術(shù)形成了其組態(tài)控制策略編輯器。

4.結(jié)束語
應(yīng)用現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術(shù)相融合的測控系統(tǒng)將會充分發(fā)揮這兩種技術(shù)的優(yōu)勢 ,形成互補(bǔ)。借助于現(xiàn)場總線技術(shù)的虛擬儀表系統(tǒng)將能實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)化 ,充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備強(qiáng)大的計算分析和邏輯判斷能力。融合虛擬儀表的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將能提供統(tǒng)一、友好的人機(jī)界面 ,適應(yīng)當(dāng)代多網(wǎng)合一的發(fā)展要求。在完成廣州市重點攻關(guān)項目“現(xiàn)代溫室的網(wǎng)絡(luò)化人機(jī)協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)及開發(fā)應(yīng)用”中融合運用了現(xiàn)場總線和虛擬儀表技術(shù) ,在目前正在進(jìn)行的研究工作中取得了較好的效果?？梢灶A(yù)見 ,現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術(shù)的融合將是工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢之一。