淺談現(xiàn)場總線及其對自動化領域的影響

1、淺談現(xiàn)場總線及其對自動化領域的影響何 勁 (帕克環(huán)保技術(shù)(上海有限公司,上海 101203摘 要 : 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在信息集成能力不強、可靠性不高、維護性差等不足?，F(xiàn)場總線是一種用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和 控制室之間的通信系統(tǒng),具有全分散、全數(shù)字化、智能化等特點。研究表明:現(xiàn)場總線系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能 力強、通信速率快,且系統(tǒng)的安全符合環(huán)境保護的要求。關(guān)鍵詞:現(xiàn)場儀表 數(shù)字化 智能化0 引言過去,工業(yè)過程控制儀表一直采用標準的 420 mA模擬信號。由于工業(yè)控制過程對現(xiàn)場信號的采集、傳輸 和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提出了更高的要求,隨著數(shù)字通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和微處理技術(shù)的迅猛發(fā)展,使傳統(tǒng)的數(shù)字信號和

2、 模擬信號混合而變成全數(shù)字信號系統(tǒng)成為可能。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信為主要內(nèi)容的綜合 技術(shù)導致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設備的深刻變革,并在國際上得到越來越多的推廣和應用。1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中,位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室 的控制器之間的連線采用 I/O連接方式,控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)之間均為點對點連接。如圖 1所示。 這種傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)所具有的主要缺點是:信息集成能力不強,靠點對點的 I/O連線來獲取信息量極為有限, 難以實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換, 使自控系統(tǒng)成了工廠中

3、的信 息孤島;系統(tǒng)不開放,系統(tǒng)軟硬件通常只能使用一家產(chǎn)品;不同廠商的產(chǎn)品缺乏互操作性和互換性;可靠性不 高,大量的 I/O電纜及敷設施工不僅增加成本,也增加了系統(tǒng)的故障點;可維護性差,現(xiàn)場級設備信息不全, 很難完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等功能。 圖 1傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 2 基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PLC(Profibus DP(Profibus DP基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng),如圖 2所示,由于采用了智能現(xiàn)場設備,把原先位于控制室的控制功能 模塊和各輸入輸出?？熘苯又糜诂F(xiàn)場的智能設備之中,實現(xiàn)了徹底的分散控制;采用數(shù)字信號替代模擬信號, 可

4、用一條電纜將帶有通信接口的智能化現(xiàn)場設備連接起來,傳輸多個信號,包括多個現(xiàn)場設備的運行參數(shù)值、 設備狀態(tài)、故障信息;現(xiàn)場設備以外不再需要 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣不僅簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),而且節(jié) 約了大量連接電纜和安裝維護費用。2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點現(xiàn)場總線通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)是根據(jù)國際標準化組織 ISO 的開放互連系統(tǒng)模型 OSI 來制定的。它結(jié)合工業(yè)控制 的需要, 對 OSI 的體系結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化組合, 主要包括物理層 (the physical layer 、 數(shù)據(jù)鏈路層 (the data link layer 、 應用層(the application layer 、用戶層(th

5、e user layer 4個部分。這種優(yōu)化保證了通信的速度。2.1 系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各不同廠家的設備之間可互連為系統(tǒng)并實現(xiàn)信息交換。這里的開放是指對相 關(guān)標準的一致性、公開性,強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng),是指它可以與世界上任何地方遵守相同 標準的其它設備或系統(tǒng)連接。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)必須是開放的。開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán) 利交給了用戶,用戶可按自己的需要把來自不同廠商的性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng),實現(xiàn)即插 即用。2.2 互可操作性與互用性1這里的互可操作性是指實現(xiàn)互連設備間和系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,對不同品牌的現(xiàn)場設備統(tǒng)一組態(tài),構(gòu) 成

6、所需要的控制回路;而互用性則意味著對不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可進行更換而實現(xiàn)相互替換。 2.3 現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成,僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動 控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性現(xiàn)場總線構(gòu)成了一種新的全分散性自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu), 從根本上改變了現(xiàn)有 DCS 集散控制體系, 簡化 了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它的信號傳輸實現(xiàn)全數(shù)字化,極大地提高了信號轉(zhuǎn)換的精度和可靠性,避免了模擬信號傳輸過程 中所存在的信號衰減、精度下降、干擾信號的引入等長期難以解決的問題。3 結(jié)束語現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性是不可置疑的。今后的工業(yè)自動控制系統(tǒng)向開放型體系結(jié)構(gòu)發(fā)展是大趨勢,由 現(xiàn)場總線 I/O器件為主構(gòu)成的分散型控制系統(tǒng)將會改變自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。新型的全數(shù)字控制系統(tǒng)的出現(xiàn), 將充分發(fā)揮上層系統(tǒng)調(diào)度、優(yōu)化、決策的功能,有利于企業(yè)實施綜合自動化策略?，F(xiàn)場總線的開放性結(jié)構(gòu)和相 互可操作性,使用戶方便地組成低成本、高可靠和可重組的系統(tǒng),即組成電氣控制、儀表控制和計算機控制一 體化控制系統(tǒng)?？傊?以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字化網(wǎng)絡控