基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的先進(jìn)控制系統

0、概述

　　計算機數字通信技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步；特別是近10年來(lái)興起的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)（Fieldbus），是計算機數字通信技術(shù)向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的延伸，它的發(fā)展將促使自動(dòng)化系統結構發(fā)生重大變革，是傳統的基于PLC及DCS控制技術(shù)系統發(fā)展的必然歸宿。
　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是其開(kāi)放性，允許并鼓勵不同廠(chǎng)家按照現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準，自主開(kāi)發(fā)具有特點(diǎn)及專(zhuān)有技術(shù)的產(chǎn)品。依照現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)規范，不同廠(chǎng)家產(chǎn)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(diǎn)的自主控制系統。這一特點(diǎn)為更多的自動(dòng)化產(chǎn)品制造商自主開(kāi)發(fā)并推出自主知識產(chǎn)權的自動(dòng)化系統提供了可能。也為自動(dòng)化系統集成商開(kāi)發(fā)面向行業(yè)應用的成套技術(shù)和自動(dòng)化系統提供了機會(huì )。
　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)以其先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、開(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)，必然成為未來(lái)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流?；诂F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的控制系統（Fieldbus Control System -FCS）與人們預想的一樣，對傳統的PLC、DCS系統形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預測、一種設想，而是實(shí)實(shí)在在的作為先進(jìn)控制系統產(chǎn)品出現在市場(chǎng)上。本文將描述傳統PLC控制系統向基于現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的演變過(guò)程，以現場(chǎng)總線(xiàn)PROHBUS為背景，描述一個(gè)基于現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的結構組成，并分析系統的市場(chǎng)前景。

　　本文中提到的一些名詞及縮寫(xiě)：
　　FCS：基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的控制系統（Fieldbus Control System -FCS）
　　現場(chǎng)設備：指現場(chǎng)級檢測及執行設備，如傳感器、變送器、開(kāi)關(guān)設備、驅動(dòng)器、執行機構、指示及顯示設備、人機操作接口等。
　　基于PLC的控制系統：指以PLC、遠程I/O及PLC網(wǎng)絡(luò )為基礎的分布式控制系統。
　　控制器：現場(chǎng)總線(xiàn)中的一個(gè)主站節點(diǎn)。至少具備總線(xiàn)通信與管理、邏輯執行等功能。

1、傳統控制系統向基于現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的演變

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是其開(kāi)放性，允許并鼓勵不同廠(chǎng)家按照現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準，自主開(kāi)發(fā)具有特點(diǎn)及專(zhuān)有技術(shù)的產(chǎn)品。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)引入自動(dòng)化控制系統，促使傳統控制系統結構演化，逐步形成基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統FCS。

　　1．1從PLC到通用工業(yè)PC
　?。?）在傳統控制系統中，控制器（或稱(chēng)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(chǎn)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(guò)機架背板上的總線(xiàn)（公司設計產(chǎn)品而自定義總線(xiàn)）連接。機架擴展也是自定義總線(xiàn)的擴展。這些產(chǎn)品的連接技術(shù)是封閉的，第3方面想開(kāi)發(fā)兼容產(chǎn)品必須得到廠(chǎng)家允許。



　?。?）基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統中，控制器與現4場(chǎng)設備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅動(dòng)器等）連接是通過(guò)標準的現場(chǎng)總線(xiàn)，因此沒(méi)有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產(chǎn)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(chǎng)總線(xiàn)接口的現場(chǎng)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(lèi)PC機。近年來(lái)嵌入式控制器（如PC/104產(chǎn)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做控制系統控制器優(yōu)點(diǎn)如下：
　?。?）開(kāi)放性、標準化 系統軟件與控制器硬件不再維持捆綁關(guān)系，專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化軟件廠(chǎng)家可以獨立開(kāi)發(fā)不依賴(lài)于控制器品牌的FCS系統軟件?；赪indows/NT的操作系統平臺，具有大量的標準的軟件工具和數據文件格式可以兼容。
　?。?）價(jià)格 通用的工業(yè)PC容易形成規模經(jīng)營(yíng)，因此，價(jià)格比PLC便宜。
　?。?）性能指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快 通用的工業(yè)PC搭乘PC機技術(shù)發(fā)展快車(chē)，技術(shù)指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快。
　?。?）向上連接計算機管理網(wǎng)絡(luò )（如IEC802.3TCP/IP）技術(shù)成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術(shù)與管理數據庫連接。

　　1．2從PLC的I/O模塊到現場(chǎng)總線(xiàn)分布式I/O
　　在FCS系統中，插在控制器機架上的I/O模塊將被連接到現場(chǎng)總線(xiàn)上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠(chǎng)家的捆綁產(chǎn)品，而是第3方廠(chǎng)家的產(chǎn)品；廉價(jià)的、專(zhuān)用的、具有特殊品質(zhì)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(chǎng)。FCS的控制器與傳統PLC配置方式的比較見(jiàn)圖1。

　　1．3從PLC I/O控制的現場(chǎng)設備到具有現場(chǎng)總線(xiàn)接口的現場(chǎng)設備
　　現場(chǎng)設備如傳感器、變送器、開(kāi)關(guān)設備、驅動(dòng)器、執行機構等；傳統PLC系統使用I/O連接與PLC I/O模塊連接，PLC通過(guò)模擬量4-20mA或開(kāi)關(guān)量（如24VDC）控制監測現場(chǎng)設備。在FCS系統中，現場(chǎng)設備具有現場(chǎng)總線(xiàn)接口，控制器通過(guò)標準的現場(chǎng)總線(xiàn)與現場(chǎng)設備連接。

　　1．4系統軟件
　　在傳統PLC系統中，系統軟件（包括PLC系統軟件和編程軟件）與PLC硬件聯(lián)系緊密，技術(shù)上對外是封閉的。在FCS系統中，控制器采用通用工業(yè)PC平臺，系統軟件不再與控制器、I/O、現場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)的先進(jìn)控制系統組成

　　以工業(yè)PC機及Windows/NT為平臺，加載FCS系統軟件做控制器；通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接各種現場(chǎng)設備，這便是基于現場(chǎng)總線(xiàn)的先進(jìn)控制系統的基本組成。下面以現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS為例，虛構一個(gè)基于現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS的先進(jìn)控制系統一ACSBPB（Advanced Control System Based on PROFIBUS technology），說(shuō)明基于現場(chǎng)總線(xiàn)的先進(jìn)控制系統組成。

　　2．1現場(chǎng)總線(xiàn)（PROFlBUS）概況
　　現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS技術(shù)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(jīng)應用完善后，于1996年6月批準為歐洲現場(chǎng)總線(xiàn)標準EN50170V.2。目前，根據國際IEC標準委員會(huì )達成的關(guān)于現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的妥協(xié)方案，PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)標準已成為國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準IEC61158的一個(gè)組成部分。
　　目前國際上有250多家企業(yè)，生產(chǎn)1600多種符合PRORBIjS標準的產(chǎn)品。在不闊的應用領(lǐng)域中已有200多萬(wàn)個(gè)設備安裝運行。應用涉及到工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)主要領(lǐng)域，包括：制造業(yè)自動(dòng)化（汽車(chē)制造、裝瓶系統、倉儲系統）樓宇自動(dòng)化（供熱、空調系統）、交通管理自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化（清洗工廠(chǎng)、化工和石化工廠(chǎng)、造紙和紡織品工業(yè)）、電力工業(yè)和電力輸送（發(fā)電廠(chǎng)、開(kāi)關(guān)裝置）。PROFIBUS標準產(chǎn)品在歐洲現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率第一，超過(guò)40%。
　　PROFIBUS用戶(hù)組織已建立了質(zhì)量認證程序，在德國和美國建立了測試實(shí)驗室，包括硬件測試和一致性、互操作性測試。

　　2．2現場(chǎng)總線(xiàn)PROFlBUS技術(shù)概要
　?。?）PROFIBUS由3個(gè)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與分散式I/O的通信。PROFIBIJS-PA專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，并有本征安全技術(shù)規范。 PROFIBUS-FMS用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)令牌結構、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò )。
　?。?）PROFIBUS協(xié)議結構PROFIBUS協(xié)議結構是根據IS07498國際標準，以開(kāi)放式系統互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型。 PROFIBUS-DP、FMS、PA定義了第12、7層和用戶(hù)接口。第3到6層未加描述。用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備可調用的應用功能，定義了現場(chǎng)設備行為的行規。
　?。?）PROFIBUS傳輸技術(shù)PROFIBUS提供了4種數據傳輸類(lèi)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。
　?。?）設備類(lèi)型2類(lèi)主站（DPM2）指可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設備。1類(lèi)主站（DPM1）是可編程序控制器，如PLC、PC等。從站是指帶開(kāi)關(guān)量或模擬量的現場(chǎng)設備，如驅動(dòng)器、閥門(mén)等。
　?。?）電子設備數據文件（GSD）為了將不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，廠(chǎng)家必須提供GSD文件（電子設備數據庫文件），描述產(chǎn)品的功能參數。 PROFIBUS組態(tài)工具可根據將廠(chǎng)商提供的GSD文件將其設備集成在同一總線(xiàn)系統中。

　　2．3基于現場(chǎng)總線(xiàn)（PROF18US）的先進(jìn)控制系統的結構及組成
　　基于現場(chǎng)總線(xiàn)（PROHBUS）的先進(jìn)控制系統ACSBPB是一個(gè)面向制造業(yè)自動(dòng)化、現場(chǎng)及車(chē)間級自動(dòng)化控制系統。
　?。?）系統網(wǎng)絡(luò )結構ACSBPB由2級網(wǎng)絡(luò )結構組成：底層是基于PROFIBUS-DKPA的現場(chǎng)級設備層控制系統；上1層是基于PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng)及TCP/IP的車(chē)間級監控系統。監控層計算機向上支持工廠(chǎng)管理級網(wǎng)絡(luò )接口及通信驅動(dòng)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(zhì)的通信；可支持點(diǎn)對點(diǎn)、總線(xiàn)及環(huán)形光纖網(wǎng)?？刂破骺膳渲贸呻p機熱備及冗余通信模式，用于對可靠性要求很高的場(chǎng)合，詳見(jiàn)圖2?；诂F場(chǎng)總線(xiàn)（PROFIBUS）的先進(jìn)控制系統ACSBPB系統網(wǎng)絡(luò )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(chǎng)總線(xiàn)接口一般采用PCI總線(xiàn)的PROFIBUS網(wǎng)卡（自主開(kāi)發(fā)）。系統控制器或主站應具備雙機熱備、冗余通信系統功能。
　?。?）ACSBPB系統軟件ACSBPB系統軟件基于WIN/NT系統軟件平臺。它包含一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統內核，并為系統提供以下功能：