現(xiàn)場總線技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、現(xiàn)場總線技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 現(xiàn)場總線技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 馬莉 徐杰 （蚌埠坦克學(xué)院實驗中心蚌埠233013） 摘 要 隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的日益成熟，它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越廣泛。本文介紹了現(xiàn)場總線 技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和特點，說明了這種技術(shù)對于當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要作用。 關(guān)鍵詞 現(xiàn)場總線技術(shù)基本特點應(yīng)用1 現(xiàn)場總線技術(shù) 隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠 的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市 場。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)

2、信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線（fielbus）就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的 系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳 輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)

3、。簡而言之，它把單個分散的測量控 制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控 任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。它給自動化領(lǐng)域帶來了變化，正如眾多分散的計算機被網(wǎng)絡(luò)連 接在一起 ，使計算機的功能、作用發(fā)生變化?，F(xiàn)場總線則使自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了通信 能力，把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。因此把現(xiàn)場總線技術(shù)說成是一個控 制技術(shù)新時代的開端并不過份。2 現(xiàn)場總線技術(shù)的基本特點及其發(fā)展趨勢 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。由于它采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先D CS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場

4、的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依 賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底地分散控制。因此，現(xiàn)場總線 系統(tǒng)具有如下特點：（1）系統(tǒng)的開放性 用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。（2）互可操作性與互用性 互可操作性是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。（3）現(xiàn)場設(shè)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(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

5、現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。 現(xiàn)場總線將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標準的方向發(fā)展。這些以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能 儀表，為現(xiàn)場信號和數(shù)字化以及實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標準不統(tǒng)一，嚴重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。從用戶到設(shè)備制造

6、商都強烈要求形成統(tǒng)一的標準，組成開放互連網(wǎng)絡(luò)。把不同廠商提供的自動化設(shè)備互連為系統(tǒng)。這里的開放意味著對同一標準的共同遵從，意味著這些來自不同廠商而遵從相同標準的設(shè)備可互連為一致的通信系統(tǒng)。自80年代末以來，有些現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應(yīng) 用 領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢。它們是：基金會現(xiàn)場總線，LonWorks，PROFIBUS，CAN，HART等。3 現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用3.1 儲罐計量系統(tǒng) 圖1表明了用現(xiàn)場總線儀表組成的儲罐計量系統(tǒng)。采用3臺壓力變送器、1臺溫度變送器，可以計算出該罐儲液的以下幾個變量：總體質(zhì)量、密度、總體積、標準密度、液位、標準 體積。 圖2表明了儲罐

7、測量系統(tǒng)的功能塊組態(tài)。 圖2中T1表示溫度變送器，P1，P2，P3分別表示壓 力變送器1，2，3；AI為模入功能塊；C1-C5分別表示5個不同的計算功能塊。 由3個壓力變送器提供的測量信號可以計算出液位高度；由液位高度進一步計算出儲液體積；由中部和底部的壓力信號計算出密度；再根據(jù)這個密度信號與體積信號計算出質(zhì)量；還可根據(jù)計算得到的密度信號與測量的溫度信號反算出相當(dāng)于它處于標準狀態(tài)下的密度值。3.2 機器人與計算機控制系統(tǒng) 在工業(yè)生產(chǎn)中，機器人由于工作性質(zhì)的不同可將其動作分成幾種主要的動作。分布式控制是常見的控制方式，采用CAN總線后，計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，共有8

8、個節(jié)點。由于信號傳輸距離較近，工作頻率不高，傳輸介質(zhì)采用廉價的雙絞線即可。 2個完全相同的規(guī)劃級系統(tǒng)通過CAN總線與直接控制級相連。自動方式時，兩節(jié)點都進行機器人運動軌跡規(guī)劃，互為熱備份，同時，它們還需要能進行自身的故障診斷。在正常情況下，兩機分別將規(guī)劃出的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給直接控制級，直接控制級收到來自規(guī)劃級的“兩個”數(shù)據(jù)后，首先進行比較，若相同，表明兩規(guī)劃級工作正常數(shù)據(jù)可靠，通過直接控制級的處理去控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)動作；若兩數(shù)據(jù)不同，直接控制級馬上向兩個規(guī)劃級發(fā)送遠程幀，要求重新進行規(guī)劃運算并發(fā)回數(shù)據(jù)，再次對數(shù)據(jù)進行比較，如此卷回運算3遍，若最后比 較的結(jié)果一致，表明剛才的故障為瞬時性的，

9、現(xiàn)已恢復(fù)正常，系統(tǒng)無需作切換動作。否則，可認為故障是永久性的，此時，直接控制級首先自檢，若本身無故障，便傳信息給兩規(guī)劃級，迫使它們進入自身系統(tǒng)的故障診斷，根據(jù)檢測結(jié)果，切除故障機并顯示故障信息，只讓正常機工作。出于對系統(tǒng)可靠性的考慮，在機器人的控制系統(tǒng)中采用了CAN總線技術(shù)，它較傳統(tǒng) 的串行通信及Bit-BUS等總線，在硬件上可減少走線、易于系統(tǒng)擴充或改型、便于容錯設(shè)計；在軟件上通信更加靈活、實時性更好、糾錯能力更強。因此，由實踐可以證明，CAN總線 是分布式控制系統(tǒng)的理想總線。4 結(jié)語 現(xiàn)場總線技術(shù)是新事物，但醞釀已有時日。它是電子、儀器儀表、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的發(fā)展成果，是工業(yè)自動化事業(yè)的進展需要，也是技術(shù)發(fā)展的必然。在工業(yè)生產(chǎn)中，現(xiàn)場總線使得現(xiàn)場儀表之間、現(xiàn)場儀表和控制室設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)，實現(xiàn)全數(shù)字化、雙向、多變量數(shù)字通信，一改過去長時間運用的4200 A的模擬信號標準，這就為整個工控系統(tǒng)全數(shù)字化運行奠定了基礎(chǔ)。工業(yè)現(xiàn)代化，很大程度上意味著工業(yè)生產(chǎn)的自動化。為了工業(yè)自動 化這一最終目的，