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

1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)中心蚌埠233013） 摘 要 隨著現(xiàn)場(chǎng)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(lái)越廣泛。本文介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線 技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和特點(diǎn)，說(shuō)明了這種技術(shù)對(duì)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(chǎng)總線技術(shù)基本特點(diǎn)應(yīng)用1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 隨著控制、計(jì)算機(jī)、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(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市 場(chǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)

2、信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線（fielbus）就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的 系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)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(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳 輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)

3、。簡(jiǎn)而言之，它把單個(gè)分散的測(cè)量控 制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了變化，正如眾多分散的計(jì)算機(jī)被網(wǎng)絡(luò)連 接在一起 ，使計(jì)算機(jī)的功能、作用發(fā)生變化?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)說(shuō)成是一個(gè)控 制技術(shù)新時(shí)代的開(kāi)端并不過(guò)份。2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基本特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)

4、的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依 賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底地分散控制。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線 系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)的開(kāi)放性 用戶可按自己的需要和考慮，把來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)相互替換。（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

5、現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。 現(xiàn)場(chǎng)總線將朝著開(kāi)放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)信號(hào)和數(shù)字化以及實(shí)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(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，嚴(yán)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(qiáng)烈要求形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，組成開(kāi)放互連網(wǎng)絡(luò)。把不同廠商提供的自動(dòng)化設(shè)備互連為系統(tǒng)。這里的開(kāi)放意味著對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)的共同遵從，意味著這些來(lái)自不同廠商而遵從相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可互連為一致的通信系統(tǒng)。自80年代末以來(lái)，有些現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。它們是：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，LonWorks，PROFIBUS，CAN，HART等。3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用3.1 儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng) 圖1表明了用現(xiàn)場(chǎng)總線儀表組成的儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)。采用3臺(tái)壓力變送器、1臺(tái)溫度變送器，可以計(jì)算出該罐儲(chǔ)液的以下幾個(gè)變量：總體質(zhì)量、密度、總體積、標(biāo)準(zhǔn)密度、液位、標(biāo)準(zhǔn) 體積。 圖2表明了儲(chǔ)罐

7、測(cè)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(gè)不同的計(jì)算功能塊。 由3個(gè)壓力變送器提供的測(cè)量信號(hào)可以計(jì)算出液位高度；由液位高度進(jìn)一步計(jì)算出儲(chǔ)液體積；由中部和底部的壓力信號(hào)計(jì)算出密度；再根據(jù)這個(gè)密度信號(hào)與體積信號(hào)計(jì)算出質(zhì)量；還可根據(jù)計(jì)算得到的密度信號(hào)與測(cè)量的溫度信號(hào)反算出相當(dāng)于它處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度值。3.2 機(jī)器人與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人由于工作性質(zhì)的不同可將其動(dòng)作分成幾種主要的動(dòng)作。分布式控制是常見(jiàn)的控制方式，采用CAN總線后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，共有8

8、個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于信號(hào)傳輸距離較近，工作頻率不高，傳輸介質(zhì)采用廉價(jià)的雙絞線即可。 2個(gè)完全相同的規(guī)劃級(jí)系統(tǒng)通過(guò)CAN總線與直接控制級(jí)相連。自動(dòng)方式時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，互為熱備份，同時(shí)，它們還需要能進(jìn)行自身的故障診斷。在正常情況下，兩機(jī)分別將規(guī)劃出的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳給直接控制級(jí)，直接控制級(jí)收到來(lái)自規(guī)劃級(jí)的“兩個(gè)”數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行比較，若相同，表明兩規(guī)劃級(jí)工作正常數(shù)據(jù)可靠，通過(guò)直接控制級(jí)的處理去控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)動(dòng)作；若兩數(shù)據(jù)不同，直接控制級(jí)馬上向兩個(gè)規(guī)劃級(jí)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，要求重新進(jìn)行規(guī)劃運(yùn)算并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，再次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如此卷回運(yùn)算3遍，若最后比 較的結(jié)果一致，表明剛才的故障為瞬時(shí)性的，

9、現(xiàn)已恢復(fù)正常，系統(tǒng)無(wú)需作切換動(dòng)作。否則，可認(rèn)為故障是永久性的，此時(shí)，直接控制級(jí)首先自檢，若本身無(wú)故障，便傳信息給兩規(guī)劃級(jí)，迫使它們進(jìn)入自身系統(tǒng)的故障診斷，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，切除故障機(jī)并顯示故障信息，只讓正常機(jī)工作。出于對(duì)系統(tǒng)可靠性的考慮，在機(jī)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(kuò)充或改型、便于容錯(cuò)設(shè)計(jì)；在軟件上通信更加靈活、實(shí)時(shí)性更好、糾錯(cuò)能力更強(qiáng)。因此，由實(shí)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(yǔ) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是新事物，但醞釀已有時(shí)日。它是電子、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的發(fā)展成果，是工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)的進(jìn)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(chǎng)總線使得現(xiàn)場(chǎng)儀表之間、現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、雙向、多變量數(shù)字通信，一改過(guò)去長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用的4200 A的模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，這就為整個(gè)工控系統(tǒng)全數(shù)字化運(yùn)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(dòng)化。為了工業(yè)自動(dòng) 化這一最終目的，