現場(chǎng)總線(xiàn)與虛擬儀表技術(shù)相融合的發(fā)展

引 　言
工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程測控技術(shù)由分離設備向共享設備發(fā)展;自動(dòng)化技術(shù)由模擬儀表向智能化儀表發(fā)展;計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)向現場(chǎng)延伸。同時(shí)經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段:人工控制階段、模擬儀表控制系統階段、計算機集中式數字控制系統階段、集散式控制系統階段和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統階段。集散式控制系統(distributed control system ,DCS)是目前普遍使用的一種控制結構 ,它按照多級計算機分布控制系統的設計思想 ,采用功能分層方法 ,信息一方面自下而上逐漸集中 ,同時(shí)它又自上而下逐漸分散 ,構成了系統的基本結構 ,分散控制為其最主要的特征;系統中信息的傳遞主要依賴(lài)于 4～20 mA 的模擬信號 ,采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。常見(jiàn)的集散式控制系統有美國和日本等某些公司的產(chǎn)品。隨著(zhù)計算機集成制造系統的發(fā)展和控制系統的日益復雜化 ,集散式控制系統逐漸不能滿(mǎn)足發(fā)展的需求。現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為解決問(wèn)題提供了途徑。

1.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其發(fā)展
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將專(zhuān)用的微處理器植入傳統的測控儀表 ,使其具備了數字計算和通信的能力 ,采用連接簡(jiǎn)單的雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖等作為總線(xiàn) ,按照公開(kāi)、規范的通信協(xié)議 ,在位于現場(chǎng)的多個(gè)微機化測控儀表之間、遠程監控計算機之間實(shí)現數據共享 ,形成適應現場(chǎng)需要的控制系統。它的出現改變了以往使用電壓、電流模擬信號進(jìn)行測控信號變化慢、信號傳輸抗干擾能力差的特點(diǎn) ,提高了信號的測控和傳輸準確度 ,同時(shí)豐富了控制信息的內容 ,也改變了集中式控制可能造成的全線(xiàn)癱瘓的局面。因此 ,現場(chǎng)總線(xiàn)替代4～20 mA 模擬總線(xiàn)是控制系統發(fā)展的必然趨勢 ,形成了新型的網(wǎng)絡(luò )集成式全分布控制系統即現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(fieldbus cont rol system FCS) 。
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物;是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò ) ,它的關(guān)鍵標志是支持全數字通信。它是應用在生產(chǎn)現場(chǎng) ,在微機化測控設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的網(wǎng)絡(luò )系統 ,同時(shí)還具有與 Internet 和Int ranet 直接連接的能力。因此現場(chǎng)總線(xiàn)可以被看作是信息系統的直接終端。
現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統具有以下的特點(diǎn): ①開(kāi)放式、互操作性、互換性、可集成性。不同廠(chǎng)家產(chǎn)品只要使用同一種總線(xiàn)標準 ,就具有互操作性、互換性 ,因此設備具有很好的可集成性。開(kāi)放性的控制系統 ,允許其他廠(chǎng)商將自己專(zhuān)長(cháng)的控制技術(shù) ,如控制算法、工藝方法、配方等集成到通用控制系統中 ,因此市場(chǎng)上將具有很多面向行業(yè)特點(diǎn)的控制系統; ②系統內部從傳感器、變送器到執行器 ,傳遞的都是數字信號 ,可以很容易的處理更復雜、更精確的信號 ,通過(guò)采用數字通信的各種錯誤檢測與糾錯算法使系統內部通信的可靠性得到提高; ③控制功能分散到現場(chǎng)設備中 ,控制室內儀表裝置和監控計算機主要完成數據處理、監督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調控制和管理自動(dòng)化等功能; ④系統可靠性高、可維護性好?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統采用總線(xiàn)連接方式代替一對一的 I/ O 連線(xiàn),對于大規模系統來(lái)說(shuō) ,減少了由接點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí),系統具有現場(chǎng)級設備的在線(xiàn)故障診斷、報警和記錄功能 ,也增加了系統的可靠性和可維護性; ⑤降低了系統及工程成本。對于大范圍大規模的 I/ O分布式系統來(lái)說(shuō),省去了大量的電纜、I/ O 模塊及電纜敷設費用,降低了系統及工程成本。
當今典型的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品有: FF 現場(chǎng)總線(xiàn)、LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)、Profibus 現場(chǎng)總線(xiàn)、WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)、 CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)、 HART 協(xié)議

LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)采用了面向對象的設計方法 ,通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò )變量把網(wǎng)絡(luò )通信簡(jiǎn)化為參數設置,外部設備使用LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)通信只需對Lon2Works的神經(jīng)元芯片的 I/ O 口進(jìn)行編程;WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)是具有單一的總線(xiàn) ,可用于過(guò)程控制及離散控制 ,而且沒(méi)有任何網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān) ,低速與高速部分的銜接用軟件的辦法來(lái)解決 ,已有較完整的系列產(chǎn)品 ,不像 FF現場(chǎng)總線(xiàn)目前只有低速部分 H1的產(chǎn)品;CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)的信號傳輸采用短幀結構,每一幀的有效字節數為 8 個(gè) ,因而傳輸時(shí)間短 ,受干擾的概率低。當節點(diǎn)發(fā)生嚴重錯誤時(shí) ,具有自動(dòng)關(guān)閉的功能 ,以切斷該節點(diǎn)的信息; HART 協(xié)議的特點(diǎn)是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信,屬于模擬系統向數字系統轉變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品 ,因而在當前的過(guò)渡時(shí)期具有較強的市場(chǎng)競爭能力 ,得到了較快發(fā)展。
2000 年 IEC 公布了 IEC 61158 現場(chǎng)總線(xiàn)標準,該國際標準容納了8 種互不兼容的協(xié)議,每種協(xié)議及其系列產(chǎn)品背后都有一定的跨國公司支持,多種現場(chǎng)總線(xiàn)標準并存成為事實(shí) ,過(guò)多的標準給用戶(hù)選用帶來(lái)了很大的困惑和不便。近年來(lái)由于以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,以太網(wǎng)正逐漸應用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

2.虛擬儀表技術(shù)及其應用
虛擬儀表是利用現有的計算機加上特殊的儀表硬件和專(zhuān)用軟件 ,形成既有普通儀表的基本功能 ,又有一般儀表所沒(méi)有的特殊功能的新型儀表。用戶(hù)通過(guò)顯示器上各處虛擬的按鍵、開(kāi)關(guān)、旋扭 ,去使用儀表的各種功能 ,控制儀表的運行。從顯示器上的虛擬顯示屏、數碼顯示器和指示燈 ,了解儀器的狀態(tài),讀取測試結果。虛擬儀表以計算機為基礎 ,配合各種數據采集卡、輸入/輸出設備 ,完成普通儀表的信號采集與控制功能。普通儀表的另外兩個(gè)主要功能:信號分析與處理、結果的表達與輸出 ,則主要由計算機內運行的專(zhuān)用軟件實(shí)現。
虛擬儀表性能價(jià)格比高具體表現在: ①基于通用計算機的虛擬儀表可以使多種儀表共享計算機資源和數據采集設備 ,從而大大增強了儀表的功能和降低了成本; ②虛擬儀表是一個(gè)開(kāi)放性、模塊化系統 , 用戶(hù)能根據各自具體的測試任務(wù)、通過(guò)各種標準化、模塊化的軟件模塊和硬件板卡組成自己的測試儀表 , 儀表的升級也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件模塊重組完成 ,在多數情況下甚至無(wú)需更換硬件; ③虛擬儀表智能化程度高 , 普通儀表的信號分析與處理、輸入與輸出控制在虛擬儀表中都由計算機軟件完成,充分利用了軟件強大的運算分析和邏輯判斷能力。[next]
近年來(lái) ,世界各國的虛擬儀表公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀表開(kāi)發(fā)平臺軟件 ,其中最早和最具影響的開(kāi)發(fā)軟件 ,是 NI 公司采用圖形化編程方案的 LabVIEW軟件?？蒲腥藛T和工程師只需選用 LabVIEW中合適的信號分析處理模塊和顯示控件 ,通過(guò)簡(jiǎn)單的連線(xiàn)和參數設置即可組成各種不同組態(tài)的虛擬儀表。在硬件方面,虛擬儀表產(chǎn)品主要以各種數據采集卡為主,輔以各種標準總線(xiàn)組成虛擬儀表系統。
在實(shí)際應用方面 ,國外已有一些應用虛擬儀表的例子。美國 Geomatics公司于采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺軟件開(kāi)發(fā)而成的自動(dòng)灌溉監測系統。該系統運行在 Macintosh 計算機上 ,以星型結構連接一系列的土壤溫度計、壓力與流量傳感器、電磁閥、水泵等,現場(chǎng)處理器配置有模擬量輸入通道、鎖存器、繼電器 ,并通過(guò) RS232 接口與主機實(shí)行串行通信。國內也開(kāi)發(fā)出基于虛擬儀表的原油管道泄漏監測系統。

3.現場(chǎng)總線(xiàn)與虛擬儀表技術(shù)相融合的發(fā)展趨勢
隨著(zhù)現代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展 ,特別是計算機集成制造系統的日益推廣和普及 ,生產(chǎn)過(guò)程中的各種傳感器、智能儀表和智能變送器正呈現出越來(lái)越明顯的分布式發(fā)展趨勢 ,這對虛擬儀表的分布性和網(wǎng)絡(luò )化提出了發(fā)展的要求?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展和應用滿(mǎn)足了虛擬儀表這種發(fā)展的要求?，F場(chǎng)總線(xiàn)的雙向數字通信、連接簡(jiǎn)單可靠、成本低廉正是日趨復雜和網(wǎng)絡(luò )化的虛擬儀表系統所必需的特性?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中 ,控制功能分散到現場(chǎng)設備中 ,控制室內儀表裝置和監控計算機主要完成數據處理、監督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調控制和管理自動(dòng)化等功能。而虛擬儀表系統中通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接起來(lái)的各種傳感器也可以充分利用監控計算機強大的計算分析和邏輯判斷能力 ,提供統一、友好的人機交互界面 ,與控制系統更緊密的融合在一起?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統適應了工業(yè)界對數字通信和自動(dòng)控制的要求 ,而且使控制網(wǎng)絡(luò )與 Internet 互連 ,構成不同層次的復雜網(wǎng)絡(luò )成為可能 ,代表了今后工業(yè)控制體系發(fā)展的一個(gè)方向。虛擬儀表技術(shù)應用于現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統 ,將使現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統成為企業(yè)的信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的一部分。企業(yè)的信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)虛擬儀表系統收集生產(chǎn)過(guò)程中的各種信息 ,為企業(yè)的經(jīng)營(yíng)策略和生產(chǎn)調度提供支持;同時(shí) ,各種生產(chǎn)調度信息也可以直接通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統傳送到生產(chǎn)現場(chǎng)的各國內外已開(kāi)始有將現場(chǎng)總線(xiàn)與虛擬儀表技術(shù)相融合的測控系統面世。如國內的大慶三維公司于2001 年 8 月推出的 HMI/ SCADA 平臺 ,采用了LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)作為現場(chǎng)級網(wǎng)絡(luò ) ,借鑒了 LabVIEW的虛擬儀表思想和技術(shù)形成了其組態(tài)控制策略編輯器。

4.結束語(yǔ)
應用現場(chǎng)總線(xiàn)與虛擬儀表技術(shù)相融合的測控系統將會(huì )充分發(fā)揮這兩種技術(shù)的優(yōu)勢 ,形成互補。借助于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的虛擬儀表系統將能實(shí)現分布式網(wǎng)絡(luò )化 ,充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò )上其它設備強大的計算分析和邏輯判斷能力。融合虛擬儀表的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統將能提供統一、友好的人機界面 ,適應當代多網(wǎng)合一的發(fā)展要求。在完成廣州市重點(diǎn)攻關(guān)項目“現代溫室的網(wǎng)絡(luò )化人機協(xié)同調控系統及開(kāi)發(fā)應用”中融合運用了現場(chǎng)總線(xiàn)和虛擬儀表技術(shù) ,在目前正在進(jìn)行的研究工作中取得了較好的效果?？梢灶A見(jiàn) ,現場(chǎng)總線(xiàn)與虛擬儀表技術(shù)的融合將是工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢之一。