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现场总线技术及控制系统应用与集成张劲松文章摘要 本文介绍了现场总线的概念，说明了现场控制系统FCS作为新一代网络集成式全分布控制系统的特点及其优势，从应用的角度分析了现场总线的技术特点，针对应用现场总线的一些问题进行了探讨。并介绍了如何实现DCS与 FCS的网络集成问题。关 键 词 现场总线、 现场控制系统、 网络集成、现场总线应用概述： 随着控制、计算机、通信、网络、信息等技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线的出现标志着工业控制技术领域新时代的开始。现场总线是90年代初期兴起的一种先进工业控制技术，和DCS相比是一种全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统；是计算机技术，通信技术和控制技术的综合与集成;它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，它将传统的 DCS三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪表”，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。目前各类现场总线产品有40多种，本文将从应用的角度出发，对现场总线系统进行分析之后，针对应用现场总线系统时工程中关心的有关问题开展讨论，介绍了如何实现DCS与FCS的网络集成问题。1、现场总线简介现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。由于现场总线用全数字的双向通信代替了传统4-20mA模拟信号，将点对点接线方式改用一根通信电缆同时连接多台设备，并且还能通过总线对设备供电。因此现场总线能够极大地简化布线和降低初装成本。现场总线使现场级的控制得到加强，实现控制功能的彻底分散。它通过一套标准的通信协议，将现场设备和控制系统完善地结合在一起，以一种现场设备和控制系统都能理解和运用的数字化语言，进行良好的信息沟通，进而实现设备之间的相互操作。2、现场总线构造了网络集成式全分布控制系统现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型网络集成式全分布控制系统FCS。所谓的现场控制系统是指分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场的总线连为一体，并与控制室的控制器和监视器共同构成的控制系统。它顺应了控制系统的分散化、网络化、智能化的发展方向。3、FCS的特点3.1、通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。3.2、全数字化通信：在现场总线控制系统中，从变法器的传感器到调节阀其信号一直保持数字性。工业现场环境的噪声及其它干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的强抗干扰能力使得过程控制的准确性和可靠性更高。3.3、开放式互联网络：现场总线为开放式互联网络，可与不同层网络相连。不同制造厂家的产品可以十分方便地挂接在现场总线上而具有可互操作，用户可以根据性能价格比选用最优的，不必保持任何修改，就可以构成所需的控制回路，自由地集成开放式控制系统。3.4、对现场环境的适应性：现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频线、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可满足本质安全防爆的要求等。4、现场总线控制系统的优越性4.1、 FCS的可靠性比DCS高：由于现场总线设备的智能化、数字化，从根本上提高了测量和控制的精确度，减少了传送误差。同时由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的可靠性。4.2、结构性好： FCS可以把智能技术分散现场各点，依靠现场智能设备实现基本控制功能。4.3、可控性强： FCS有较强的自诊断功能，可以及时帮助用户分析问题是否发生在变法器。无需现场观察才能得出结论。即使设备发生故障，也可以很快地恢复生产。4.4、互操作性和互换性：标准化的智能仪表可方便互连、互组态和互换。4.5、统一组态：现场总线采用功能块方式组态。4.6、开放性好：标准化的网络互连。在FCS中，可以把遵循相同协议的产品集成到一个规模随意的系统里。现场总线控制系统是自动化领域的开设互联系统，从根本上打破了DCS系统的封闭性，为企业实现信息化控制与管理创造了条件。4.7、数据库的一致性：现场总线采用完全分散的数据库概念，任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关仪表与控制回路的信息。现场总线只使用一个分散于现场仪表中的数据库，不会产生重复的、不一致的数据。4.8、节省开支：节省电缆和控制室面积，降低安装及维护的费用。5、应用问题的探讨工业上还没有一种现场总线能覆盖所有的应用面，各类总线都有一些自己的特色。鉴于现场总线的国际标准尚未出来，在众多现场总线并存的局面下，必须根据自己的要求，结合各种现场总线的特色，来选择合理的产品。在具体确定选用那种现场总线产品之前，应该弄明如下几方面的情况：5.1、规模的大小，即需要运用现场总线构成网络的节点有多少个。规模的大小对选用那种现场总线有影响。如：CAN最多可接设备110个，而 LONWORKS的节点数可达32000个， PROFIBUS的节点也是从几十个到一百多个。5.2、环境条件：包括节点分布的远近，现场的安全防爆要求，电磁环境等。首先,节点分布的远近决定通信线路的长度，而这方面不同的总线其能力是不一样的，其变化范围为几十米至10公里。现场的安全防爆要求是一项十分重要的指标，所以除CAN总线外，其余几种都能满足安全防爆要求，依据目前的发展趋势最好选用 PROFIBUS-PA或 FF的 H1。现场电磁环境的优劣，决定了选用构成网络的通信介质，如果现场电磁干扰等很严重，最好选用光纤作为传输介质。5.3、传输信号情况：包括传输信号是模拟量或数字量，信息量的大小，对实时性的要求等。传输信号情况的不同对现场能力也提出不同的要求，如果是模拟与数字信号共存，可以选用HART；如果传输的信息量特别大，实时性不高，可以考虑选用PROFIBUSFMS；如果是信息量大，实时性高，可以考虑选用PROFIBUSFMS和PROFIBUSDP构成系统.5.4、现场设备情况：即对原有设备的技术改造，还是采用符合现场总线要求的新的智能仪表等。这种情况在国内普遍存在，由于原来使用的许多仪表都是II型或III型表，且目前使用的效果又比较好，但又希望利用先进的现场总线技术提高生产的综合自动化水平，这样实际上是提出了一个在如果充分利用原来老设备的基础上建立现场总线网络。所幸的是目前市场提供的远程智能 IO能满足这种要求。这种方案对一些财力不是很充足的老企业进行技术改造是一种可取的途径。但是由于用户自身的需求千差万别，往往一种现场的产品很难满足各方面的需求，所以在实际选型时，可以利用网关技术，将不同的现场总线集成在一起，从而满足自己的要求。另外，如果针对自己的要求，有几种产品都能满足自己的要求，且性能价格比都差不多时，这时考虑的因素应该是服务。照目前时情况PROFIBUS和FF在这方面比较有优势。6、如何实现DCS与FCS的网络集成 现场总线系统要求作为网络节点的仪表具备数字通信能力，这将导致传统模拟仪表的全面更新换代，但现场总线系统的发展要经历一个过程。虽然FCS与DCS相比具有更多的优点，取代DCS是必然的趋势，但这需要一段时期的过渡。由于DCS目前在全世界应用广泛，能满足当前控制的基本要求。从经济上考虑。完全抛弃掉原来的DCS并不合算，不能充分发挥已有投资的效益。从技术上考虑，虽然 FCS采用的技术比较新，也比较先进，但近年来DCS在可靠性、开放性、标准化方面也大大进了一步。同时各厂家的DCS价格近年来也大幅度下降，是用户常用的控制平台。DCS如能顺应现场总线技术的发展方向，吸收现场总线的技术精华，使DCS向FCS的方向演化，仍然具有一定的生命力。根据目前的情况。在当前和今后一段时间内。工厂车间级网络将出现现场总线与DCS网络共存的局面。当DCS与现场总线网络共存时，容许采用不同的网络集成方案，可采用网关将DCS专用网络挂接在工厂高速网络上。 在DCS网络中，各控制仪表或其它网络节点之间的信息交换一般需通过DCS主机进行。而在新型的FCS和企业网络系统中，DCS的角色发生了很大的变化，它从原来的控制系统中心的地位转变成为企业信息网络中的一个节点。在把一些底层的控制功能交由现场总线完成之后，更多地承担起系统维护和网络管理，并负责报告和组织现场设备的维护需要和请求，以及完成对现场设备的集中组态等。6.1 现场总线于DCS系统I/0总线上的集成在DCS的结构体系中，自上而下大体可分为3层：管理层，监控操作层和I/O测控层。在I/O测控层的I/O总线上，挂有DCS控制器和各种I/O卡件，I/O卡件用于连接现场4-20mA设备、离散量或PIC等现场信号，DCS控制器负责现场控制。图3给出了在DCS系统的I/O总线上集成现场总线的原理图。其关键是通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，实现现场总线系统中的数据信息映射成原有DCS的I/O总线上相对应的数据信息，如基本测量值、报警值或工艺设定值等，使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。这样便实现了在I/O总线上的现场总线技术集成。这种方案主要可用于DCS系统已经安装并稳定运行，而现场总线首次引入系统的、规模较小的应用场合；也可应用于PLC系统。其优点是结构比较简单，缺点是集成规模受到现场总线接口卡的限制。Fisher-Rosemount公司推出的DCS系统DeltaV采用的就是此种集成方案。DeltaV系统在它的I/O卡件中专门开发设计了此种功能的接口卡现场总线H1通信模块(3125kbits)，成功地将现场总线技术集成在DeltaV系统中，可实现与现场总线仪表相连，极大地节省了安装、操作以及维护费用，同样的控制器可兼容H1与传统的I/O模块，有利于从传统的控制模式向现场总线控制模式的过渡和转变。在DeltaV系统的现场总线H1通信模块中具有特定的Driver，用以实现现场总线系统数据信息与I/O总线上对应信息的映射，其功能方块图如图4所示。6.2 现场总线于DCS系统网络层的集成除了在I/O总线上的集成方案，还可以在更高一层DCS网络层上集成现场总线系统。在这种方案中，现场总线接口卡不是挂在DCS的I/O总线上，而是在DCS的上层LAN上，其结构如图5所示。在这种方案中，现场总线控制执行信息、测量以及现场仪表的控制功能均可在DCS操作站进行浏览并修改。它的优点是原来必须由 DCS主计算机完成的一些控制和计算功能，现在可下放到现场仪表实现，并且可以在DCS操作员界面上得到相关的参数或数据信息；它的另一个优点是不需要对DCS控制站进行改动，对原有系统影响较小。这种集成方案在工程实际中也有应用。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能，其具体集成方案如图6所示。6.3 现场总线通过网关与DCS系统并行集成若在一个工厂中并行运行着DCS系统和现场总线系统，则还可以通过一个网关来网接两者，安装网关以完成DCS系统与现场总线高速网络之间的信息传递。在这一结构中，DCS系统的信息能够在新的操作员界面上得到并显示。通过使用抛网桥可以安装大量的H1低速总线。现场总线接口单元可提供控制协调、报警管理和短时趋势收集等功能。现场总线与DCS的并行集成，完成整个工厂的控制系统和信息系统的集成统一，并可以通过Web服务器实现Infranet与Inernet的互连。这种方案的优点是丰富了网络的信息内容，便于发挥数据信息和控制信息的综合优势；另外，在这种集成方案中，现场总线系统与通过网关而集成在一起的DCS系统是相互独立的。7、现场总线控制系统展望现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中，通过对过程控制系统进行一些必要的修改，将现场总线技术引入到DCS中，将会给用户带来