（机械电子工程专业论文）基于现场总线的fms控制系统研究.pdf

基于现场总线的f m s 控制系统研究 摘要 随着近年来离散制造业越来越面向多品种、小批量的制造特点，柔性制造 系统( f m s ) 以其灵活的加工机制正备受关注。然而传统的f m s 控制系统采用分 层阶梯控制方式，层与层之间、同层的不同设备之间通讯实时性不高，大大降 低了f m s 的“柔性”。现场总线技术是面向底层设备的高速通信通道，将现场 总线技术应用到f m s 控制系统中可有效的提高f m s 信息传输的实时性，保障 了系统高效的运行。 论文结合现场总线技术，研究了适用于柔性制造系统的现场总线控制技 术，通过对p r o f i b u s 现场总线传输特性、协议结构的分析，提出了基于 p r o f i b u s d p 现场总线的f m s 控制系统，从而解决了传统柔性制造系统中信息 传输速率不高、信息量小等不足。 本文以开发s t a r f m s 控制系统为项目背景，完成对其控制系统的硬件组 态和相关功能程序编写，开发了基于w i n c c 的动画仿真监控系统。通过实际上 机调试，该系统能满足各项技术要求。 关键字：柔性制造系统；现场总线；p r o f i b u s d p ；w i n c c r e s e a r c hf o rf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m u s i n gf o rf m s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h em a n u f a c t u r i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ed i s c r e t em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ed i v e r s i t y f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( f m s ) ， w i t hi t sf l e x i b l ep r o c e s s i n gm e c h a n i s m ，i sc a u s ef o rc o n c e r n h o w e v e r , t r a d i t i o n a l f m sc o n t r o ls y s t e mu s e sal a y e r e dc o n t r o la p p r o a c hl a d d e r t h er e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et h r e el e v e l s ，a n dw i t hl a y e r so fd i f f e r e n td e v i c e si sn o t h i g h ，w h i c hg r e a t l yr e d u c et h ef m s ”f l e x i b l e ”f i e l d b u st e c h n o l o g yi sh i g h 。s p e e d c o m m u n i c a t i o n sc h a n n e la tt h eu n d e r l y i n ge q u i p m e n t f i e l d b u st e c h n o l o g yw i l lb e a p p l i e d t ot h ef m sc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e t h ef m s r e a l t i m ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n de n s u r et h ee f f i c i e n to p e r a t i o no ft h e s y s t e m t h i st h e s i st a l k sa b o u tf i e l d b u sc o n t r o lt e c h n o l o g ya p p l i c a b l ei nf m s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp r o f i b u sf i e l d b u sa n di t s s t r u c t u r eo fp r o t o c o l ，i ti sp r o p o s e dt oa p p l yp r o f i b u s d pf i e l d b u st of m sc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hc a np r o m o t et h et r a d i t i o n a li n f o r m a t i o nt r a n s f e rr a t ea n dt h ea m o u n t o fi n f o r m a t i o ni nt h ef l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m i n t h i sp a p e r , a tt h ep r o je c tb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n tf o rs t a r _ f m s c o n t r o ls y s t e m ，w ec o m p l e t e di t sh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nf o rc o n t r o ls y s t e ma n d r e l a t e df u n c t i o n a lp r o g r a m m i n g ，d e v e l o p e das i m u l a t i o n b a s e da n i m a t i o nw i n c c m o n i t o r i n gs y s t e m t h r o u g ht h ed e b u g g i n g ，t h es y s t e mc a nm e e tt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ；f i e l d b u s ；p r o f i b u s - d p ；w i n c c 插图清单 传统i o 连接方式系统原理图4 控制网络模型6 p r o f i b u s 协议结构1 9 整体实物图2 l 控制系统硬件结构原理图。2 3 p r o f i b u s 网络属性对话框2 5 设置p r o f i b u s 网络参数2 6 从站组态2 6 设置e m 2 7 7 通讯常数2 7 设置s 7 2 0 0 地址偏移量2 7 块的调用关系2 8 c p u 动态扫描过程2 6 f c l 程序流程图2 9 f c 2 程序流程图3 0 从站程序结构31 材质分拣单元程序流程图3 2 通讯地址对应关系3 3 w in c c 通讯结构层次图3 8 添加通讯驱动程序3 9 建立过程变量4 0 变量属性设置4 0 变量地址属性设置4 0 创建变量组4 1 创建启动及分界面过程画面4 2 w i n c c 图形编辑器4 2 启动画面监控界面4 3 按钮组态对话框4 3 画面选择对话框一4 3 c - s c r i p t 动作和函数工作原理图4 4 触发器类型图4 4 函数和动作的范围原理图4 5 添加触发器4 6 刷新周期设置4 6 吃1 2 3 5 6 7 8 9加n挖坞m坫拍2 3 4 ；5 7 ；，m u眩婚阻旧6h心勉粥蚋娜h粥啪批枷州娜纰鸺“钙似锄伽批螂州螂蛳 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图酊卧卧卧卧卧卧卧 图4 - 1 7 图4 - 1 8 图4 - 1 9 图4 - 2 0 图4 2 1 对象属性对话框4 7 对象显示状态设置4 7 动态化对话框4 8 启动全局脚本运行系统4 8 图形运行系统参数设置4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金日巴王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一繇碲 7 年弘刊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金旦巴工业太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 答字目期：1 年年月砂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 一( 7 年弘中 电话： 邮编： 致谢 光阴似箭，转眼间我的硕士学习生涯即将过去，在己逝去的日日夜夜里，无论是 在学习、科研，还是生活方面都得到了许多老师、朋友和同学的鼎立相助，或许感谢 的语言是苍白无力的，但所有这些我将永远铭记在心。 至此论文定稿之际，首先我要衷心地感谢我的导师夏链副教授和韩江教授。在我 读硕期间，两位老师在学习和生活上都给了我无微不至的关怀。他们以敏锐的学术洞 察力，渊博的学识以及诲人不倦的师者风范对我从研究课题的选择，到研究思路的确 定等方面都给予了精到的指导。特别是当我在本课题的研究进展受阻时，是夏老师和 韩老师耐心的点拨指导让我顺利地完成了此项研究，老师以他的身体力行诠释了当代 的“传道、授业、解惑 学者风范。 其次，要感谢c i m s 所祖暄、何高清、余道洋、丁志等老师在课题研究中给予的 帮助。在这里尤其要感谢余道洋老师在学习中给我的教导和生活中对我的关心! 衷心感谢我的同学曹文霞、贾伟妙、孟超、杨牧原、王川、王曦、王玉兵、余仲 元、吴建霖，和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 衷心感谢师弟李凯亮、葛敬、黄愿、信傲、马超、张江华，师妹姚银鸽、季焓等 给予我的帮助! 感谢合肥工业大学对我多年的培养! 最后感谢父母的养育之恩和无私的奉献! 是父母亲数十载的辛劳、一如既往地期 待与支持，使我得以完成学业。 作者：王程 2 0 0 9 年0 4 月 第一章绪论 1 1课题来源及研究目的 本课题是基于开发s t a r f m s 柔性教学实训系统而展开的针对柔性制造系 统应用技术的研究，分析柔性制造系统的特点，提出了将现场总线技术用于柔 性制造系统的方案，从通讯的实时性、可靠性以及系统的可扩展性等方面改善 了f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的工作效率，搭建了基于s t a r f m s 柔 性教学实训系统的过程控制与监控系统。 进入二十一世纪以来，激烈的市场竞争迫使传统的大规模生产方式向多品 种小批量发展，尤其是针对机械装备制造业，高度离散化是目前制造业的特点， 因此生产制造系统的柔性对系统的生存越来越重要，一个制造自动化系统的竞 争力和工作效率很大程度上取决于它是否能在短时间生产出较低成本、教高质 量的不同产品。本课题正是以此为研究背景，从技术层面研究了适应现阶段的 先进制造技术，为现阶段制造业提供了可行的技术解决方案，具有广泛的市场 应用前景2 j 。 1 2柔性制造系统技术概论 随着科学技术的发展和多品种、小批量自动化生产的需要，柔性制造系统 已越来越受到人们的重视。f m s 涉及的领域包括机床、电子技术、液压传动、 机器人技术、控制技术、计算机技术及系统工程等，它是一种集多种高新技术 于一体的现代化制造系统口】。 1 2 1柔性制造系统的发展和国内外现状l 上世纪3 0 年代到5 0 年代，传统的大批量、少品种的生产一般采用自动流 水线制造设备，包括物流设备和相对固定的加工工艺，这可成为刚性自动化方 式。自动流水线设备的价格通常相当昂贵，设备固定，不灵活，只能加工几个 指定的工件。如果要改变产品的品种，自动流水线需要作较大的改动，在投资 和时间方面的耗费很大。这种刚性自动化生产线的优点是生产率很高，但由于 设备是固定的，所以设备的利用率也很高，最终的结果是产品的成本较低，因 此追求高生产率是选择自动流水线最主要的依据。 到了上世纪6 0 年代，当国外大多数大批量生产的工厂已经实现自动化后， 人们意识到大批量生产是机械制造业的一小部门，只占1 5 一2 0 ，而中、小 批量生产占7 5 一8 5 。在国民经济生产部门中占绝对优势的多品种及中、小 批量生产企业的劳动生产率极大的落后于大批量生产企业。同时随着国际，贸 易发展和技术交流的发展，跨国产品和出口产品在生产中的比重大为增加。要 是产品在国际市场上具有竞争力，必须结构新颖，新能优越，价格便宜。只有 不断改变产品结构，提高产品性能，并在保证质量的前提下不断提高生产率， 降低成本，才能有效提高产品的竞争能力。对于小批量、多品种的情况，一般 可采用单台数控机床，它具有灵活加工一族产品系列的能力。从一类的工件转 换到另一种类型的工件，不需要改变机床硬件，仅需要改变控制程序( n c 程 序) 及夹具和刀具。n c 程序是n c 机床的控制逻辑，表示为指令和加工步骤。 用n c 机床加工产品生产率低，成本高，其优点是灵活性较大。 对于中等批量、中等规模品种的生产情况，需要考虑一个折中方案。在金 属品制造中，这种生产情况是最主要的。根据美国统计资料，这类情况在金属 加工工业中约占7 5 。因此，如何解决折中情况下的制造问题，对金属加工工 业来说是十分关键的，如果采用以上两种较为传统的生产方式，将会产生如下 一系列不利因素： 1 ) 机床利用率太低 2 ) 加工时间增长 3 ) 中间缓冲库存增大 4 ) 刀具利用率太低 5 ) 车间空间利用率太低等 这些都将导致成本的提高，所以要求人们寻求新的制造原理和生产方式， 以解决制造工业面临的新问题。思索和创造具有应变性好的生产效率高的制造 系统就成为一项迫切的任务。 从上世纪6 0 年代到7 0 年代，计算机技术得到了飞速的发展。计算机控制 的数控机床( c n c 机床) 在自动化领域中取代了机械式或液压式的自动机床， 在c n c 机床上，只要改变程序就可加工新的工件，处理加工对象的灵活性很大， 而所需调整的时间却很少，它为柔性制造系统打下了很好的基础。于是近十年 来，人们把自动化生产技术的发展重点转移到中、小批量生产领域。结合自动 流水线与n c 机床的特点，将n c 机床与物料传输设备通过计算机联系起来， 形成了一个系统，来解决中等批量、中等规模以及小批量生产领域的问题，就 形成柔性制造系统。 1 9 6 7 年英国m o l i n s 公司建造了首条f m s ，随着社会对产品多样化、低制 造成本及短制造周期等需求日趋迫切，f m s 发展颇为迅速，并且由于微电子技 术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的进步，也促使柔性制造技术日 益成熟。从6 0 年代到8 0 年代这短短的2 0 年间，世界范围的f m s 获得了约1 5 的年增长率的快速发展和应用。 在f m s 领域，美国、西欧和日本居世界之首。美国是发展f m s 最早的国 家，多数由自动生产线改建，用数控加工中心机床代替组合机床并加上计算机 控制，其模块一般较大( 9 1 0 台) ，平均投资1 5 0 0 万美元，加工3 1 5 0 种零 件，年产量为2 0 0 0 件一10 万件。在美国，柔性制造单元( f m c ) 得到了特别 快速的发展和应用，据美国“t h ec i m sr e p o r t 报道，到9 0 年代，f m c 已超 2 过了1 万套。 日本是发展f m s 较晚的国家。1 9 9 2 年日本调查了涉及l o 个行业的1 2 0 7 3 家企业，金属切割机床总数7 1 9 6 2 6 台，数控化率2 0 1 8 ( 1 9 8 7 年为1 0 1 9 ) ， 金属成型机床总数为2 8 3 2 4 台，数控化率4 1 3 。f m s 系统( 金切和金属成型， 含f t l ) 2 l9 4 套，其中役龄在3 年一下的7 0 4 套；3 4 年的5 2 3 套；5 9 年 的5 0 8 套。可以看出，约有8 0 的f m s 役龄不超过l0 年。f m c 的总数为1 1 5 0 6 套，其中1 1 0 6 6 套用于金切单元，4 4 0 套用于金属成型单元。从f m c 和f m s 的役龄看，5 年以下的f m c 占5 5 15 ，f m c 占6 1 ；役龄5 9 年的f m c 占 3 2 1 2 ，f m s 占2 5 。据报道，日本从1 9 8 4 1 9 8 9 年发展f m c ，以每年1 0 0 0 一1 5 0 0 套的数量增加，而发展f m s 则是在9 0 年代才逐渐开始的。 德国发展f m s 的情况与美国、日本有所不同，主要用于中小规模企业，f m s 规模较小( 4 6 台机床) ，具有较高的柔性，加工零件种类为5 0 2 5 0 种。意 大利、英国以及其他一些东欧国家也都发展了自己的f m s ，其水平也相当高。 1 9 9 4 年初，据统计，世界各国已投入运行的f m s 约有3 0 0 0 多条。其中日 本拥有2 1 0 0 多条，占世界首位。在现已运行的f m s 中，近5 0 的f m s 由美国 制造商提供，另外5 0 由日本和德国厂商以及其他工业化国家提供。当前著名 的f m s 生产厂家有：美国的k e a r n e y & t r e c k e r 、c i n c i n n a t im i l a c r o n 、i n g e r s o l l m i l l i n g 、s u n d s t u n d 、b e n d a x ，日本的山崎、法拉克、新泻铁工、日历精机，德 国的w e r n e r & k o l b 、b u r k h a r d t & w e b e r 、h u l l e rh i l l e 以及s i e m e n s 等。 我国第一套f m s 于1 9 8 6 年1 0 月在北京机床研究所投入运行，用于加工伺 服电机的零件，我国1 9 8 5 年引进的第一条用于回转体工件加工的j c s - f m s 一1 柔性制造系统。 迄今为止，真正形成规模的f m s 并不多，但f m s 的构想和思路得到了充 分的承认，特别是对一些原来采用大批量自动化生产线进行生产的离散型金属 制品企业来说。如果想在保证质量的前提下提高利润和生产率，f m s 是一种很 好的选择。 1 2 2柔性制造系统控制技术特点 柔性制造系统是一个复杂的制造系统，通常采用阶梯控制方式，即通过对 系统的控制功能进行正确合理的分解，划分成若干层次，层与层之间在网络传 输协议的支持下，保持信息交换，以这种分层的模式构建整个控制网络，有效 的减少了全局控制的难度，提高了系统的可扩展性。f m s 的阶梯控制结构通常 分为三层，即单元层、工作站层和设备层，如果将f m s 结合企业网络层面，可 认为五层：工厂级、车间级、单元级、工作站级和设备级 1 。 传统的设备级自动化监控以及信息集成系统( 比如分布式控制系统) 其主 要特点是现场设备与控制器之间的连接是一对一的，即所谓的i o 连接方式， 型号传递4 2 0 m a 模拟量或2 4 v d c 数字量信息，如图1 1 所示。 图i - l 传统i o 连接方式系统原理图 基于i o 连接的分布式控制系统有以下缺点： 1 ) 信息集成能力不强。控制器与现场设备之间靠i o 连线连接，传送 4 - 2 0 m a 模拟量信号或2 4 v d c 开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制 器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到。 底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足f m s 对底层数据的要求。 2 ) 系统不开放、可集成性差、专业性不强。除现场设各均靠标准i o 连接， 由于不同厂家之间接口不开放，不同厂家产品之问缺少互换性。因此这种系统 很难集合多家产品，实现优势互补。 3 ) 可靠性不高对于大范围的分布式系统，大量i o 电缆及敷设施工，不 仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。 4 ) 可维护性差，由于i o 连接信息量交换较小，现场设各级信息不能完全 采集到上层控制层，因此设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强，另一方 面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可 维护性”1 。 如果将这种传统的分布式控制系统应用于f m s 领域，势必会带来种种缺 陷和不足，当前，企业信息化正在全面展开，上层网络技术越来越先进，相比 之下，处于制造底层或工业现场的网络却没有得到相应的改进和提高，这种之 后使得企业设备单元层的信息通信成为企业信息化的“孤岛”。 现场总线技术是一种工业现场网络通信技术，它的出现和迅速发展为解决 f m s 控制系统发展中出现的种种问题提供了很好的解决方案。 l 。2 3现场总线控制系统技术概述p 4 1 现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、双向传输、 多分支结构的串行通信网络。国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，i e c ) i e c 6 1 1 5 8 标准将其定义为“安装在制造和过程区域的现场 装置与控制室的自动装置自检的数字式、串行、多点通信的数据总线”。固也可 叫做通用现场通信系统。信息传输的范围已远远超出4 2 0 m a 传统信号的限 制，分布式智能系统需要用面向用户或应用的方式确定设备间的通信。它必须 满足现代工业过程测量和控制系统( i p m c s ) 的全部要求，既具有高度的灵活 性和适用性。以现场通信作为基本功能的智能分布式系统的使用是各厂商的一 致取向。 以现场总线为核心的控制系统( f c s ) 近年来得到广泛的应用，这是继电 器气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系 统、集散控制系统d c s 后的新一代控制系统，它打破了传动控制系统采用一对 的设备连接。 在f c s 系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使 控制站的部门功能下移分散到各个现场仪表中，从而减轻控制站负担，使得控 制站可以专职于执行复杂的高层次控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以 把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器， 操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。因而控制系统功能能够不 依靠控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 1 3基于f m s 控制网络体系结构 柔性制造系统在设备层面上位于企业的底层，而现场总线作为一种底层控 制网络( i n f r a n e t ) ，能与现场设备直接相连，方面将现场测量控制设备互连 为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又能将现 场运行的各种信息送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层管 理网络的连接和信息共享。对于f m s 来说，设备层的信息用传统的方式难以采 集，这些信息对f m s 控制器的决策又起到至关重要决定，因此现场总线所处的 特殊环境及所承担的实时控制任务和信息传输是普通串行通信或i o 连接所难 以取代的，同时，针对底层设备量大的特点，这种情况下采用现场总线可节约 大量资源。 按照c i m s 的要求，f m s 控制网络应是企业网络中有效的一部分，应符合 企业信息化的要求，因此f m s 构成的底层控制网络对企业上层网络须有衔接， 从而构成完整的企业信息网络【l0 1 ，如图1 2 所示。 5 图1 - 2 控制网络模型 1 4 本论文研究内容 本论文以开发s t a r f m s 柔性制造实训系统为背景，从以下三个方面对柔 性制造系统应用技术进行了分析和研究： 1 分析现场总线技术及其特点，并从信息集成、设备集成、应用开发的集成 三个层面研究了现场总线控制系统集成性的问题，针对现场总线现有的发展特 点，从技术层面对现场总线的发展趋势进行了展望。 2 。研究s i e m e n sp l c 控制器及相关功能模块的应用技术。并以此为基础构 建了以p r o f i b u s d p 现场总线为基础的s t a r f m s 过程控制系统，设计了该控 制系统硬件及软件。 3 研究基于总线的w i n c c 通讯组态技术，设计了基于西门子组态软件w i n c c 的过程监控系统，深入研究本系统中监控界面动态化实现过程方法。 6 第二章现场总线技术概述 随着网络技术的不断发展，英特网( i n t e r n e t ) 正在把全世界的计算机系统、 通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，从而构成一个公用的数据网络。 而现场总线( f i e l d b u s ) 作为当今自动化领域技术发展的热点之一，被成为自动 化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端， 对该领域产生了前所未有的冲击和影响。 2 1 现场总线的概念u 2 1 信息技术的飞速发展引起了自动化领域的深刻变革，逐步形成了网络化 的、全开放的自动控制系统，而现场总线就是这场深刻变革中的最核心的技术。 所谓总线就是传输信息的公共通路。总线的类别很多，按传输数据的方式 可分为串行总线和并行总线。串行总线是相对于串行通信而言的总线，串行通 信是指数据一位一位顺序传送的方式；而并行总线是相对于并行通信而言的总 线，并行通信是指数据的各个位同时进行传送的方式。并行总线的特点是传输 速度块，但距离远、位数多时，导致通信线路复杂和成本高；串行总线的特点 是通信线路简单，只要一对传输线，但传输速度慢，适用于信息量较小的远距 离通信，成本较低。 现场总线是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络技术，其应用 于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的总线。这种 技术广泛应用于制造业、流程工业、楼宇、交通等处的自动化系统中。根据国 际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现 场装置与控制室内的自动化控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。 基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m f c s ) 。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具 有了一定的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担控制、通信任务的网络 节点。它们分别通过普通双绞线、同轴电缆、光纤等多种途径进行信息传输， 这样就形成了以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该 网络系统按照公开、规范的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备 之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信 息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单 个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以 互相沟通的信息，并可共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线给 自动化领域带来的变化，如互联网给单台计算机带来的变化，现场总线使得自 控系统与设备加入到信息网络的行业，成为企业信息网络的底层，是企业信息 7 沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 2 2 现场总线的特点 现场总线控制系统既是一个开放的网络通信系统，又是一个全分布的自动 控制系统。现场总线作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上并作为网络节 点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、参 数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。现场总线 具有以下特点： 开放性。现场总线是开放的网络，符合现场总线通信协议的任何一个制 造厂商的现场总线仪表产品都能方便的连接到现场总线通信网，符合通信标准 的不同制造商的产品可以互换或替换，而不必考虑该产品是否是原制造商的产 儡。因此，用户可以购置不同制造商的现场总线产品，把他们集成在一个控制 系统中，并进行相互的信息交换，此外，第三方的软件可以方便的移植到系统 中，缩短了系统开发周期。 智能化。现场总线仪表把微处理器引入仪表，使仪表本身成为网络的一 个站，并参与通信，表明现场总线采用数字通信。在现场总线仪表中可以完成 原来需要分散过程控制装置或回路控制器中才能完成的各种运算和控制。由于 在现场就可完成控制系统的各种基本功能要求，送控制室的数据全部是数字信 号，保证了功能的自治性。 互操作性。互操作性包含设备的可互换性和可互操作性。可互换性指不 同厂商的设备在功能上可以用其他厂商同一功能的同类设备互换。可互操作性 指不同厂商的设备可互相通信，并能在各厂商的操作环境中完成其功能。为了 使制造商发展其特有的功能，现场总线技术还为制造商留有可供其发挥的余地。 环境适应性。现场总线专门为现场应用而设计。因此，现场总线能很好 适应现场的操作环境。表现为通信媒体可采用双绞线、同轴电缆和光缆等多种 类型；对电磁干扰的抗绕性强；可实现本安回路；可总线供电等。 分散控制。现场总线技术使控制分散到现场级，从而真正实现分散控制。 一些复杂控制，例如过程优化控制等，可以在上位机实现，而一些原来要在上 位机实现的部分先进控制功能也已能在现场总线设备中实现n3 1 。 2 3典型现场总线技术分析 现场总线在现场设备之间进行数字通信，为满足现场应用的要求，现场总 线采用了与一般通信总线不同的应用技术。 2 3 1 实时通信技术 现场总线的实时性要求高，因此，实时通信技术是现场总线技术的一个重 要内容。工业控制通信网络的时间确定性是指通过传送网络的数据必须在预先 8 确定的时间内从源节点传送到宿节点。在一个现场总线控制系统中，从现场变 送器采集测量数据，需要经总线传送到p i d 控制模块，并将运算结果传送至控 制阀，由于设定的采样时间是确定的，它不受网络传送其他数据的影响，只有 这样，才能保证p i d 控制回路以固定的周期完成对该参数的控制。对于这种有 实时性控制要求的系统，通常要求网络从某一节点到另一节点的延时时间小于 2 4 m s 。 影响现场总线实时性的主要因素有以下几项： 1 ) 现场总线数据传输速率：传输速率高的系统具有高的实时性。 2 ) 数据传输量：数据传输量少则实时性好。 3 ) 从站数量：从站数量少，数据传输量少，实时性好。 4 ) 主站数据处理速度：主站数据处理速度快，实时性好。 5 ) 控制输入输出的方式：单机控制方式比现场总线控制方式的实时性好。 6 ) 通信是否要经网关、网桥或路由器：经过这些设备传输数据的实时性 茁 z to 2 3 2 可靠性技术 现场总线直接与生产过程的现场设备连接，因此，它需要将现场检测变送 器检测的信号和各种运行状态正确的传送到上位机，便于操作人员的监视和控 制，它也将各种控制和维护、组态的信息传送到现场的执行器的有关设备。与 此同时，由于在现场总线上还为现场总线设备提供电源，因此，对现场总线的 可靠性要求更高。通信系统的可靠性与有效性互相联系、相互制约。现场总线 技术是信息技术和检测技术的集成，现场总线除了采用一般通信总线的冗余技 术、容错技术设计等措施外，还采用了一系列可靠性措施4 1 。 1 ) 采用全数字通信技术。数据通信的可靠性包括网络传输的正确性、故 障频率、网络错误恢复时间及网络生存能力等。由于数字信号传送时不易受到 外界干扰，误码率低，因此，现场总线中的数据采用数字信号，同样，在现场 总线中数据编码采用数字编码方式，全数字通信技术有利于提高系统的可靠性。 2 ) 标准化功能模块与标准化的功能模块应用进程。现场总线为提高通信 的可靠性，吸取了p l c 、d c s 、s c a d a 等计算机控制装置的优点，采用标准 化的功能模块，提高了通信系统的可靠性。 3 ) 标准化的系统测试技术。为了使挂接到现场总线的设备具有互操作性 和互换性，对现场总线设备进行一致性和互操作性测试。对系统进行功能的分 析和测试，能够使现场总线控制系统正常运行，提高系统可靠性和开放性。 4 ) 冗余和容错技术。采用冗余和容错技术，可大大降低系统出错时出现 故障的概率，有效的提高了系统的稳定性和可靠性。 5 ) 智能诊断和故障隔离技术。现场总线随时获取设备的状态信息，对设 备的故障进行分析，从而预测故障的发生，在系统出现故障以后，为防止引起 9 网络瘫痪，可采用故障隔离技术。 2 3 3 互操作性技术 互操作性是开放系统互连的重要特征，互操作性是不同制造商的产品可在 一个系统中协同工作的能力。现场总线中采用了一系列措施保证互操作性的实 现。 1 ) 标准化：标准化是互操作性的基础。为了实现互操作性，各制造厂商 要采用标准的功能模块和标准的通信协议；采用标准的设备描述语言对设备进 行描述；采用标准的对象字典等。 2 ) o p c 技术：o p c 技术是实现第三方软件和控制设备无缝集成的技术。 它的设计目标就是为现场设备、自动控制应用和管理应用软件之间提供开放的、 一致性的接口规范，实现不同制造商产品即插即用的连接。通过一致性的o p c 接口，用户可以访问所有提供o p c 服务器的现场设备，为互操作性的实现提供 保证。 3 ) 设备描述技术：设备描述是控制系统对来自现场设备数据的识别，也 可以看作是控制系统对现场设备的驱动程序。设备描述d d 采用设备描述语言 d d l 编制，设备描述语言是对设备描述的标准编程语言，通过它来描述或接受 现场总线接口可访问的信息。设备描述语言编译的源程序可经设备描述编译器 转化为机器可读的输出文件，控制系统根据可读文件获得现场设备的有关信息。 由于采用标准的设备描述技术，各种制造商的产品都提供该产品的设备描述， 使用户可方便地了解该设备的信息，为互操作性提供了基础。 2 4 常用现场总线种类简介 自2 0 世纪8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一 些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的 生命力，对现场总线技术的发展发挥了较大的作用。 1 ) 基金会现场总线f f ：基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在 过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。其技术是以美 国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等 8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地1 5 0 家公司 制定的w o r l df i p 协议。这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金 会，致力于开发出国际统一的现场总线协议。 基金会现场总线分为h 1 和h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b s ， 通信距离可达1 9 k m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境。h 2 的传输速率可 为1 0 m b s 和2 5 m b s 两种，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可为双 绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼彻斯特编码。 国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，i s o ) 提出了一个开 l o 放系统互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 参考模型，简称i s o i o s i 参 考模型。基金会现场总线以i s o o s i 模型为基础，取其物理层、数据链路层、 应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要 针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言 规定了通用的功能块集。f f 总线包括f f 通信协议、用于完成开放互连系统模 型中的2 7 层通信协议的通信栈、用于描述设备特性及操作接口的d d l 设备 描述语言、涉笔描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换等功能的应用功 能块，实现系统组态管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网 络系统的系统集成技术。 2 ) c a n 总线：c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) 总线最早 是由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。 其总线规范已被i s o 国际标准化组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控 制领域。它也是基于开放系统互连模型，但只采用了其中的物理层、数据链路 层，提高了实时性。c a n 可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分；其结 点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率最高可达1 m h z 4 0 m ，直接 传输距离最远可达1 0 k m ( 5 k b s ) 。c a n 总线采用短消息报文，每一帧有效字 节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低；当结点严重出错时，可自动 关闭，使总线上的其他结点及其通信不受影响，抗干扰能力强，可靠性高。 3 ) l o n w o r k s 总线：l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司开发，并与m o t o r o l a 和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了i s o o s i 参考模型全部的七层 协议结构，被誉为通用控制网络。l o n w o r k s 技术的核心是具备通信和控制功能 的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片封装了完整的l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 。其上 集成有3 个8 位c p u 。一个c p u 完成o s i 模型第一层和第二层的功能，称为 介质访问处理器。个c p u 是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一 个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径 选择、网络通信管理等。由n e u r o n 芯片构成的结点之间可以进行对等通信。 l o n w o r k s 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种 通信介质，并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其i s 7 8 本安物理通道使得 它可以应用于危险区域。l o n w o r k s 通信速率从3 0 0 b s 1 5 m b s 不等，直接通信 距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b s ) 。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动化、工业 控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。 4 ) h a r t 总线：h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 是由 r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议。其特点是在现有模拟信号传输 线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过度产品，使 得用户可以在不对已有现场仪表进行改进的情况下，逐步实现数字化，因此在 当前的过度时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。 h a r t