探討現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用
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1 引言
abb dcs是瑞士asea brown boveri公司（簡稱abb公司）設(shè)計開發(fā)的集散控制系統(tǒng)，它適用范圍廣泛，既可應(yīng)用于離散制造業(yè)，如：機床、汽車、飛機制造等工業(yè)，更可應(yīng)用于大中小型連續(xù)性生產(chǎn)的流程工業(yè)，如：石油、化工、火電機組、煉鋼、建材等工業(yè)。abb dcs系統(tǒng)從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計，通信都采用國際標準。abb dcs的軟件編程語言ampl是控制系統(tǒng)的一種編程模式，本文介紹abb dcs的體系結(jié)構(gòu)及其現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。
2 abb dcs分布式工業(yè)控制計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
abb dcs集散控制系統(tǒng)采用先進的微處理器（33mhz的motorola 68020和33mhz的intel80386、80486芯片）、crt圖形顯示技術(shù)、高速安全通信技術(shù)和現(xiàn)代控制理論，形成了以現(xiàn)場控制站（mp200、ac410、ac450系列和本地、遠程i/o系列）、操作員站（as500 系列）、工程師站（master aid系列）、信息管理系統(tǒng)站（advant station系列）、計算機和網(wǎng)絡(luò)接口站（master gate 系列）、計算機網(wǎng)絡(luò)（master bus系列）和其它計算機通信設(shè)備為基礎(chǔ)的，物理位置分散、系統(tǒng)功能分散、控制功能分散以及操作顯示管理集中的過程控制、過程決策管理的大型智能網(wǎng)絡(luò)。abb dcs的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分三層：（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示）。
圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
3 集散控制系統(tǒng)的特點
（1）、系統(tǒng)構(gòu)成靈活。從總體上看，DCS就是由各個工作站通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組網(wǎng)而成的。你可以把他現(xiàn)象成“因特網(wǎng)”。根據(jù)生產(chǎn)需求，你可以隨時加入或者撤去工作站。系統(tǒng)組態(tài)很靈活。
（2）、操作管理便捷。DCS的人機反饋都是通過CRT跟鍵盤、鼠標等實現(xiàn)的。你可以想象成在因特網(wǎng)沖浪一樣，你可以監(jiān)視生產(chǎn)裝置乃至整個工廠的運行情況。
（3）、控制功能豐富。原先用模擬控制回路實現(xiàn)的復(fù)雜運算，通過高精度的微處理器來實現(xiàn)。
（4）、信息資源共享。你可以把工作站想象成因特網(wǎng)上的各個網(wǎng)站，只要你在DCS系統(tǒng)中，并且權(quán)限夠大，你就能了解到你要的任何參數(shù)。
（5）、安裝、調(diào)試方便。相比原先的模擬控制系統(tǒng)，那么多的飛線頭，一大堆類似頭發(fā)絲的電線。DCS系統(tǒng)算是很方便了。
（6）、安全可靠性高。
4 信息管理網(wǎng)絡(luò)層
可下聯(lián)9個控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由類型為mb300的總線組成，總線傳輸速率達10mbps。
5 控制網(wǎng)絡(luò)層
控制網(wǎng)絡(luò)層由9個類型為mb300的總線組成。一個控制網(wǎng)絡(luò)可包括99個站（包括在局部控制網(wǎng)絡(luò)中的站）。在控制網(wǎng)絡(luò)中的每個mp200/1或ac450站都可下聯(lián)一個局部控制網(wǎng)絡(luò)。一個局部控制網(wǎng)絡(luò)可包括9個類型為mb300的總線。mb300是一個高性能、串行、同步、半雙工的大數(shù)據(jù)量高速總線。它采用ieee 802.2邏輯鏈路控制（llc）協(xié)議和ieee 802.3帶沖突檢測的載波幀聽多路存?。╟sma/cd）的介質(zhì)存取控制（mac）協(xié)議，屬于ethernet型局域網(wǎng)，總線可帶載45個節(jié)點。在不使用中繼器時，最大通訊節(jié)點距離為500m;使用3個同軸段、4個中繼器和2個點對點鏈路時最大通訊節(jié)點距離為2500m,總線傳輸速率為10mbps。
mb300通過每一個結(jié)點實現(xiàn)對上位機的聯(lián)接以及與mp200等plc系統(tǒng)的通信。它一般遵循543規(guī)則，即由5段組成，4個中繼器（repeater）聯(lián)接，其中3段可以掛接設(shè)備，必須注意的是，只有在電纜的標記處方可通過收發(fā)器（tranceiver）掛接設(shè)備，不同的設(shè)備聯(lián)結(jié)又采用不同的聯(lián)結(jié)電纜，如到pu510操作站用tk526電纜，而到控制站則選用tk576電纜。tranceiver 只能安裝在主干電纜段上的2.5米標志處，在兩個線接頭間同軸電纜段上的tranceiver 間距應(yīng)為25米的整數(shù)倍，其聯(lián)接方式如圖2所示：
圖2 mb300網(wǎng)絡(luò)連接圖
t1、t2為終端電阻，其中只要一端接地，終端電阻為50歐姆，mb300總線為同軸電纜，具體又分為粗纜、細纜和光纜，作用各不相同，敷設(shè)同軸電纜時，需注意與其它信號電纜的隔離，如距離信號電纜30cm以外，距離380v低壓電纜50cm以外，距離高壓電纜5m以外。mb300總線選用cs513接口卡，上面的3個撥碼開關(guān)s1、s2、s3分別用于對網(wǎng)絡(luò)號、節(jié)點號、協(xié)議號的設(shè)置，其中的s1低四位用于設(shè)置主/從站的選擇，高四位用于設(shè)置協(xié)議號，s2用于設(shè)置節(jié)點號，s3用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號。當需要修改或通過故障信息找出故障原因，可以進入工程師站進行數(shù)據(jù)修改或通過故障代碼知道mb300總線的故障所在。了解影響mb300的通訊因素，針對這些因素逐一分析。
6 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)層
6.1 mfb（master field bus）總線
mfb總線屬于現(xiàn)場局域網(wǎng)總線，它聯(lián)系于mp200、mp90、s400i/o、opc（小型控制站）及傳動系統(tǒng)之間。 mfb通訊總線采用同軸電纜、雙絞線，它聯(lián)接ci520/ci525/ci526通訊接口模塊與dstc452 modem ，每根雙絞線線端必須隔離開，其中一個端頭的屏蔽層必須接地，mfb的通訊速率為375kb/s，其電阻為75歐姆，其硬件配置圖如圖3所示。mfb的相關(guān)系統(tǒng)信息從工程師站獲得，大體順序為時間、信息型號、代碼、任務(wù)號、順序號、數(shù)據(jù)，主要它表現(xiàn)有以下幾種狀態(tài)。
代碼20 :cpu通信接口接觸丟失 [next]
代碼39 :device/station ok
代碼72 :device/station 地址ok
代碼120 :過程故障
代碼-1 :執(zhí)行錯誤
代碼-4 :系統(tǒng)錯誤
代碼-5 :小系統(tǒng)站點錯誤
代碼-6 :通訊故障
代碼-9 :災(zāi)難性總線故障
代碼-10 :冗余電纜中斷
圖3 硬件配置圖
6.2 af100（advant field）/mb90（master bus）總線
af100/mb90的目的是提供在多個apc站點之間或在apc站點與abb工業(yè)系統(tǒng)設(shè)備之間的通訊，mb90支持兩個不同類型的通訊、數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)送，數(shù)據(jù)集是動態(tài)的數(shù)據(jù)，用來監(jiān)視和控制某個處理過程，這個過程是服務(wù)信息用作參數(shù)化法，程序安裝、診斷。af100/mb90是一個高性能的區(qū)域總線，能夠最多連接79個apc站點。mb90最長可達300米，而如果裝備了適當?shù)男盘栯娎|和信號中繼器，并且在單個傳動設(shè)備之間長距離的配置是可用的，最長可達2000米?？偩€的技術(shù)特點：
（1） 通訊速率1.5mbit/s
（2） 衰減總線長度＜300m，增殖延遲2000m
（3） 電報長度2,4,6,8，…32字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。
（4） 識別編碼（電報編碼）范圍１…4000
（5） 周期時間2,4,8,16,32,64,128…2048或4096ms
af100/mb90依靠一個集中的總線管理器，總線管理器功能是比較復(fù)雜的，要求也較多，例如：apc站點不能用作總線管理器，它們不包含總線管理器的功能。為使通過af100/mb90的apc之間的如何通訊變?yōu)榭赡埽總€解決方案（獨立和嵌入）都可用來安排af100/mb90的總線主機，當apc開始執(zhí)行它們的應(yīng)用程序，總線主機必須是可操作的，否則，當本地配置的數(shù)據(jù)集在規(guī)定時間限制內(nèi)沒有被總線管理器確認，在apc支內(nèi)的數(shù)據(jù)集功能塊將進入錯誤狀態(tài)。，如果系統(tǒng)只有apc站點，沒有masterpiece與mb90或ac450與af100相連，應(yīng)安裝一個獨立的總線管理器。
abb dcs與傳動系統(tǒng)（如acv700／dcv700）的通訊是依靠圖4所示drrtra（drive transmit）元素和drrec（drive reciver）元素來實現(xiàn)的。
圖4 通訊元素
drrtra（drive transmit）元素用來傳給abb傳動控制器給定的數(shù)據(jù)集和選擇傳動信號的控制字和命令字信號的定義在應(yīng)用傳動軟件說明給出。drrtr元素能產(chǎn)生由傳動通訊協(xié)議支持的周期信息的不同類型，發(fā)送信號的目的地由傳動信號選擇，drrtr元素也可以寫參數(shù)，在正常階段，drrtr的過載可以被檢測出來。
drrec（drive reciver）元素用來接收來自abb傳動控制器的信號和控制字值這些信號的定義在應(yīng)用傳動軟件說明給出。drrec元素只是用傳動連接協(xié)議支持的周期信息，接收數(shù)據(jù)源是通過元素輸入?yún)?shù)確定傳動信號和信號索引來選擇的。drrec元素也能夠訪問參數(shù)，當配置階段drrec的過載可以被檢測到。
7 現(xiàn)場總線集成于dcs系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢
盡管用戶對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進表示歡迎，但他們并不希望對他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)做大的改動。
目前在現(xiàn)場總線的發(fā)展初期，大多數(shù)用戶更傾向于對他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)進行逐步的增添和替換；另一方面，dcs系統(tǒng)及其儀表的消失或完全被取代，對于費用或人力而言也都是不合理的?，F(xiàn)階段最可行的方案是考慮如何使現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)的dcs系統(tǒng)盡可能地協(xié)同工作，這種集成方案能夠得到靈活的系統(tǒng)組態(tài)，以適用于更廣泛的、富于實用價值的應(yīng)用。
8 結(jié)束語
信息站、操作員站、mb300總線、af100（mb90）總線與控制站的相互聯(lián)接，則具體形成了的abb網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)投入運行以來，工作穩(wěn)定可靠，大大減少了原控制系統(tǒng)的現(xiàn)場布線，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，值得推廣應(yīng)用。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)將廣泛地應(yīng)用到過程工業(yè)控制中，通過對過程控制系統(tǒng)進行一些必要的修改，將現(xiàn)場總線技術(shù)引入到dcs中，將會給用戶帶來大量的收益；另一方面，即使大多數(shù)的連續(xù)控制環(huán)路將由現(xiàn)場總線系統(tǒng)來完成，dcs系統(tǒng)仍將在許多諸如實時要求較高的控制場合扮演重要的角色。現(xiàn)階段現(xiàn)場總線與dcs系統(tǒng)的共存將使用戶擁有更多的選擇，以實現(xiàn)更合理的控制系統(tǒng)。
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