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应用技术研究 作者简介:张劲松,男,实训中心实验师 1 现场总线技术及控制系统应用与集成 现场总线技术及控制系统应用与集成 张劲松张劲松 文章摘要文章摘要 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 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 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、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 应用技术研究 2 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、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 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 应用技术研究 3 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。 应用技术研究 4 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 D
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