基于現場總線技術的先進控制系統(tǒng)
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計算機數字通信技術及信息技術的發(fā)展,推動了自動化技術的進步;特別是近10年來興起的現場總線技術(Fieldbus),是計算機數字通信技術向工業(yè)自動化領域的延伸,它的發(fā)展將促使自動化系統(tǒng)結構發(fā)生重大變革,是傳統(tǒng)的基于PLC及DCS控制技術系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿。
現場總線技術的一個顯著特點是其開放性,允許并鼓勵不同廠家按照現場總線技術標準,自主開發(fā)具有特點及專有技術的產品。依照現場總線技術規(guī)范,不同廠家產品可以方便完成組態(tài)與集成,構成面向行業(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品制造商自主開發(fā)并推出自主知識產權的自動化系統(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)應用的成套技術和自動化系統(tǒng)提供了機會。
現場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優(yōu)點,必然成為未來自動化技術發(fā)展的主流?;诂F場總線技術的控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System -FCS)與人們預想的一樣,對傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預測、一種設想,而是實實在在的作為先進控制系統(tǒng)產品出現在市場上。本文將描述傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)向基于現場總線控制系統(tǒng)的演變過程,以現場總線PROHBUS為背景,描述一個基于現場總線控制系統(tǒng)的結構組成,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:基于現場總線技術的控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System -FCS)
現場設備:指現場級檢測及執(zhí)行設備,如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執(zhí)行機構、指示及顯示設備、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網絡為基礎的分布式控制系統(tǒng)。
控制器:現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)向基于現場總線控制系統(tǒng)的演變
現場總線技術的一個顯著特點是其開放性,允許并鼓勵不同廠家按照現場總線技術標準,自主開發(fā)具有特點及專有技術的產品。因此,現場總線技術引入自動化控制系統(tǒng),促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構演化,逐步形成基于現場總線的控制系統(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、機架為同一系列產品,有一致的物理結構設計。典型的結構是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線(公司設計產品而自定義總線)連接。機架擴展也是自定義總線的擴展。這些產品的連接技術是封閉的,第3方面想開發(fā)兼容產品必須得到廠家允許。

?。?)基于現場總線的控制系統(tǒng)中,控制器與現4場設備(I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅動器等)連接是通過標準的現場總線,因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產品(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場總線接口的現場設備與控制器集成。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:
(1)開放性、標準化 系統(tǒng)軟件與控制器硬件不再維持捆綁關系,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據文件格式可以兼容。
?。?)價格 通用的工業(yè)PC容易形成規(guī)模經營,因此,價格比PLC便宜。
?。?)性能指標高、產品更新?lián)Q代快 通用的工業(yè)PC搭乘PC機技術發(fā)展快車,技術指標高、產品更新?lián)Q代快。
?。?)向上連接計算機管理網絡(如IEC802.3TCP/IP)技術成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術與管理數據庫連接。
1.2從PLC的I/O模塊到現場總線分布式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品,而是第3方廠家的產品;廉價的、專用的、具有特殊品質的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控制的現場設備到具有現場總線接口的現場設備
現場設備如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執(zhí)行機構等;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或開關量(如24VDC)控制監(jiān)測現場設備。在FCS系統(tǒng)中,現場設備具有現場總線接口,控制器通過標準的現場總線與現場設備連接。
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、現場設備等硬件捆綁,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;通過現場總線連接各種現場設備,這便是基于現場總線的先進控制系統(tǒng)的基本組成。下面以現場總線PROFIBUS為例,虛構一個基于現場總線PROFIBUS的先進控制系統(tǒng)一ACSBPB(Advanced Control System Based on PROFIBUS technology),說明基于現場總線的先進控制系統(tǒng)組成。
2.1現場總線(PROFlBUS)概況
現場總線PROFIBUS技術于1987年,由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機構聯(lián)合提出:1989年批準為德國標準DIN192450經應用完善后,于1996年6月批準為歐洲現場總線標準EN50170V.2。目前,根據國際IEC標準委員會達成的關于現場總線國際標準的妥協(xié)方案,PROFIBUS現場總線標準已成為國際現場總線標準IEC61158的一個組成部分。
目前國際上有250多家企業(yè),生產1600多種符合PRORBIjS標準的產品。在不闊的應用領域中已有200多萬個設備安裝運行。應用涉及到工業(yè)自動化的各個主要領域,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、開關裝置)。PROFIBUS標準產品在歐洲現場總線產品市場占有率第一,超過40%。
PROFIBUS用戶組織已建立了質量認證程序,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現場總線PROFlBUS技術概要
?。?)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專為過程自動化設計,并有本征安全技術規(guī)范。 PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網絡,是一個令牌結構、實時多主網絡。
?。?)PROFIBUS協(xié)議結構PROFIBUS協(xié)議結構是根據IS07498國際標準,以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網絡(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)以及不同設備可調用的應用功能,定義了現場設備行為的行規(guī)。
?。?)PROFIBUS傳輸技術PROFIBUS提供了4種數據傳輸類型: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)設備類型2類主站(DPM2)指可進行編程、組態(tài)、診斷的設備。1類主站(DPM1)是可編程序控制器,如PLC、PC等。從站是指帶開關量或模擬量的現場設備,如驅動器、閥門等。
?。?)電子設備數據文件(GSD)為了將不同廠家生產的PROFIBUS產品集成在一起,廠家必須提供GSD文件(電子設備數據庫文件),描述產品的功能參數。 PROFIBUS組態(tài)工具可根據將廠商提供的GSD文件將其設備集成在同一總線系統(tǒng)中。
2.3基于現場總線(PROF18US)的先進控制系統(tǒng)的結構及組成
基于現場總線(PROHBUS)的先進控制系統(tǒng)ACSBPB是一個面向制造業(yè)自動化、現場及車間級自動化控制系統(tǒng)。
(1)系統(tǒng)網絡結構ACSBPB由2級網絡結構組成:底層是基于PROFIBUS-DKPA的現場級設備層控制系統(tǒng);上1層是基于PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網及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絡接口及通信驅動和數據庫接口。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的通信;可支持點對點、總線及環(huán)形光纖網。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?;诂F場總線(PROFIBUS)的先進控制系統(tǒng)ACSBPB系統(tǒng)網絡結構圖。
?。?)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?,F場總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網卡(自主開發(fā))。系統(tǒng)控制器或主站應具備雙機熱備、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操作系統(tǒng)內核,并為系統(tǒng)提供以下功能:

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