（机械设计及理论专业论文）检测、装配线集成控制系统中现场部线技术的应用.pdf

圭查奎望奎兰堡主兰堡堡皇 丝型：薹墼垡叁堕丝型墨堕主翌堑望些垫查堕堕旦 检测、装配线集成控制系统中现场总线技术的应用 摘要 现代机械制造工业对仪表和控制的要求日益提高，因此，先进的现场总线控制系 统以其节省费用、可靠性高、结构性好、互操作性好、开放性好等诸多优点即将逐渐 取代现有的集散式控制系统。要实现这一转换，对我国企业来说，控制系统改造任务 很重，资金投入又很大。 针对这一现状，本文在完成企业集成控制系统方案设计及论证的基础上，结合万 安集团真空助力器八个工位的检测、装配线，提出了一种基于a s i 总线的控制系统 解决方案，并进行了控制系统前端一智能传感器的通讯电路设计以及控制系统的部分 软件开发，为今后传感器执行器一级的总线控制系统通讯实现及软件开发提供了一 些经验，开辟了一条探索途径。 这种基于a s i 总线的控制系统解决方案能完成现场以开关量为主并兼容少数模 拟量的传感器信号的采集和执行器的控制功能，并为上位机的远程故障监测和诊断提 供实现基础，同时由于采用a s i 接口模块和普通的传感器执行器相结合的设计，可 大大降低系统成本。 本课题的研究表明：基于现场总线的控制网络方案可以实现企业信息与控制的 集成；可以为企业实现最佳性能价格比的底层控制系统；也为基于其它现场总线的控 制系统实现提供了一种新的思路。 关键词：现场总线，a s i ，集成控制系统，f c s 、 圭塑銮望查兰堡主兰竺堡奎 竺型：薹墼丝叁堕丝型墨竺生墨塑堂垡垫查堕! ! 旦 t h e a p p l i c a t i o no f f i e l d b u si nt h e i n t e g r a t e c o n t r o ls y s t e mo fad e t e c t i o n a n d a s s e m b l y p r o d u c tl i n e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fn e e d so fm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yt oc o n t r o l t h ef a c i l i t i e sa n di n s t r u m e n t s ，t h ea d v a n c e df i e l d b u s s y s t e m h a s m a n y a d v a n t a g e s ，s u c h a s e c o n o m y , h i g h r o b u s t n e s sa n d r e l i a b i l i t y , e a s y e x p a n d a b i l i t y , u n i v e r s i t y f c s c a nb eu s e dw i d e l ya n dg r a d u a l l yt a k et h e p l a c eo f d c s t h ep r o b l e mi si tw i l ln e e dm a n yf u n d sf o ro u rf a c t o r i e st ot r a n s f a rt o f i e l db u ss y s t e m i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m w ep r e s e n tan e wc o n t r o l s y s t e ms o l u t i o nb a s e do na s ib u st ot h ee i g h tp o s i t i o n si na nd e t e c t i o na n d a s s e m b l yp r o d u c tl i n eo f v a c u u m p o w e r c o n t r 0 1s e r v o e s m o r eo v e rw e d e s i g n at e l e c o mc i r c u i ti nt h ef o r e g r o u n do ft h ec o n t r o ls y s t e m w ea l s od os o m e w o r ki nt h es o f t w a r ea b o u tt h ec o n t r o lw h i c hw i l lh e l pt of i n dan e ww a yi n e x e c u t et h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nf r o ma c t u a t o r s e n s o rt os e n i o rf i e l d b u s t h ec o n t r 0 1s y s t e mb a s e do na s 1w i l lc o m p l e t et h ec o n t r o lf u n c t i o n m a i n l yi nt h es a m p l eo fo n 0 f fs i g n a l s b u ti t c a nb eu s e di ns a m p l eo ft h e a n a l o gs i g n a l ，a n d i tc a np r o v i d er e m o t ed i a g n o s i so fp r o b l e mo fs u p e r i o r c o n t r o l l e r b e c a u s et h es y s t e mi sb a s e do nt h ea s s o c i a t i o no fa s ii n t e r f a c e m o d u l ea n d g e n e r a la c t u a t o r s e n s o r ，i tc a nf a rr e d u c e st h ec o s to f t h es y s t e m i tc a nb ec o n c l u d e df r o mt h es t u d yt h a tt h i s s y s t e mc a np r o v i d et h e o v e r a l ls o l u t i o nt ot h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e ms u c ha sm r pi i a n di t c a nc o n t r i b u t et ot h eb e s ts o l u t i o nt ot h ec o n t r o ls y s t e mo ft h er a t i oo ft h e p e r f o r m a n c ev e r s u sp r i c e ；i ta l s op r o v i d ean e ww a y t oo t h e rc o n t r o ls y s t e m s b a s e da n o t h e rk i n d so fb u s k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，a s i ，i n t e g r a t ec o n t r o ls y s t e m ，f c s 圭塑奎望盔堂堡主堂垡堡塞 竺型：茎墼垡叁壁塑型墨堑生墨堑堂丝量查盟! ! 旦 一、绪论 1引言 在当今通信、网络等信息技术高速发展的时代，企业( 尤其是传统的机械制造业 厂家) 内部正在爆发着一场自动化系统结构的大变革。由于客户对产品性能要求的增 高以及市场变化的增快，这就要求企业对市场变化的反应速度、产品制造速度以及质 量的控制能力的提高，因此，企业的柔性化和自动化改造也在不断融入各种新技术， 如：计算机网络、通信、信息技术等。 传统的自动化技术存在着诸多弊端，例如： a 系统不具有普遍性：在传统自动化实施过程中，适用于某一对象的系统却往 往不适用于另外的对象； b 自动化“信息孤岛”问题：在传统的自动化系统中，由于采用一对一连线， 用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统而难以实现设备 之间以及系统与外界之间的信息交换，因此造成自动化系统仅仅局限于企业的底层， 而无法与管理层等的企业上层相互通信，使上层无法直接了解企业底层的实际情况， 造成企业的整体效率下降： c 通信技术应用的局限性：在传统自动化系统中，多采用d c s 集散控制，而未 采用现代网络技术等。 为解决以上这些问题，为满足用户对网络控制系统提出的开放化和降低成本的迫 切要求，人们提出了t i a ( 全集成自动化) 的概念。 全集成自动化代表了一种将生产制造和工艺过程技术领域统一起来的革命性新 方法，从而使所有的软硬件都能合成为一个整体系统，信息交换覆盖从工厂的现场设 备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。 s i e m e n s 公司作为全球最大的工业自动化解决方案提供商，首先推出了全集成 圭童奎望查堂堡主兰垡堡兰 丝型：鉴里垡堡盛丝型墨竺主翌堑堂苎查莶堂堕旦 自动化( t i a ) 的概念，在该公司产品系列中建立了一体化的自动化环境，达到了共同 的数据管理，共同的组态和编程、共同的通信三重集成。其实现的硬件基础是s 7 系 列p l c ，p c ，软环境平台是微软公司的w i n d o w s 环境( 包括一系列d d e ，o d b c ， s q l 标准接口) ，通信标准是以太网，p r o f i b u s 和a s i 。 这样一个大的企业信息系统是以网络集成自动化系统( 即现场总线控制系统) 为 基础的。现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造 成的缺陷，把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连 接成系统，同时把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身就可以实现基本 控制功能。所以，f c s 现场总线控制系统是一种全新的、真正开放的工业自动化控制 系统，其特点是现场设备实现互换、互操作，全数字化通讯，功能彻底分散，共享网 络数据库，信息高度集中。 长期以来，国外的许多企业集团研究制定了多种现场总线标准以及相关的现场总 线产品，经过近十年的竞争、淘汰和兼并，国际上基本形成了两个相持的阵营即现场 总线基金会f f 与p r o f i b u s ，它们之间的斗争会因各自的经济利益而在相当长的一段 时间内持续下去，真正统一标准的制定和产品的全面推广应用还有待时目。 就我国目前的现状来看，以前，我国民族工控产品如p l c 、d c s 长期落后于国外， 根本原因是国外少数几家大公司为保证其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式 结构，我国对其关键核心技术只有通过引进消化后方可掌握，因此机械制造行业的自 动化改造总是落后于国外，受制于国外产品的价格和技术制约。 现场总线技术的开放性策略无疑为我国制造、生产业在国际市场上的发展带来了 一个千载难逢的平等竞争机遇，只要掌握了现场总线的核心技术，就可以加快自动化 改造、提高产品竞争力、抢先占领市场，把握主动权，最终领导市场。因此，在最终的 总线标准尚未出台之前，了解、掌握现场总线的本质和精髓，进行适合我国国情的、 满足用户需求的相关总线产品的开发和应用，以不变应万变，是有着重大的现实意义 的。由于各总线之间本质的相通性，今后也能很快转产到最终的标准总线，产品的开 发也肯定有着广阔的应用前景和良好的经济前景。本课题的研究思路正是基于上述因 素的考虑应运而生的。 ：! 塑奎望盔兰墅主堂垡堡兰 堡型：茎墼垡堡壁丝型墨堕主堡堑璺垡塾查墼蹩里 2论文课题背景及主要研究的内容 ( 1 ) 课题背景 浙江诸暨万安实业公司是生产系列气制动阀、液压制动阀、真空助力器等3 0 0 余 种产品的大型企业集团，下属十余家企业，拥有压铸、冲压、数控加工、注塑、总装 检测等多条生产线，年产值达4 亿，同时拥有完整的销售网络，在全国二十多个大中 城市建立了销售网点。为适应市场竞争，该公司与上海交大机械设计与自动化所合作， 计划扩大生产规模、增加生产线与设备，主要以其所属的汽车制动器厂为样板，进行 自动控制系统的全新规划和设计。 由于现场总线具有以下优点：节省硬件数量和投资、节省安装费用、提高系统可 靠性和准确性、用户具有高度系统集成主动权等，这些都可以解决集散式控制在工业 控制系统所无法解决的许多问题，例如该厂生产线传输信号点多、分散、配线使用多 等问题。 同时，对于企业组织工业生产来说，要求把市场、生产计划、制造过程、企业管 理、售后服务作为需要统考虑的生产过程，采用计算机、自动化、通信等技术来实 现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。 因此为适应控制系统开放化以及信息集成的发展需要，为提高产品质量、降低成 本，提高可维护性和可靠性、增强企业竞争力，我们对万安集团下属企业的自动化改 造决定采用现场总线控制系统，提出系统集成方案，并且逐步完成具体生产线的更新 和改造任务。 ( 2 ) 论文主要研究内容 经过课题组一年来的集体努力，本项目现在已经顺利完成方案论证，构建了一个 适于汽车制动器厂现状的企业集成控制系统，并已首先完成真空助力器装配线的更新 与改进工作，现已投入使用。 作者在课题组中所作的主要工作如下： 1 ) 对现场总线在制造业中的应用和现场总线控制系统作了较为深入的调查 兰童奎望盔兰堡圭堂垡堡塞 丝型蔓墼竺箜堕丝型墨堕主里堑堂丝塾苎! ! ! 塑 和分析。同时对现场总线的发展趋势提出了自己的看法； 2 ) 负责企业集成控制系统方案的提出，并完成可行性论证： 3 ) 具体就如何完成检测、装配生产线中信息的获取、传输、处理、控制以 及监测功能提出并设计一种基于a s i 总线的通用智能传感器，完成相关 硬件电路的设计； 4 ) 编写部分基于a s i 总线通讯的控制软件。 3 现场总线简介 ( 1 )什么是现场总线 按照国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控 制室内的自动控制装置之间的数字式、双向串行和多节点通信的数据总线，或者说， 现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线 相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。其中，“生 产过程”应包括断续生产过程和连续生产过程两类。现场设备仪表指位于现场层的 传感器、驱动器、执行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集 成的数字化网络技术。 现场总线是一个工业过程控制新时代的开端。它能够使用一对简单的双绞线给现 场设备供电，并传输现场设备与控制室之间的通信信号。现场总线的节点是现场设备 或现场仪表，这些仪表都遵循统一的标准和规范，按照系统化和开放型要求，实现数字 化、智能化、标准化，并且增加远距离操作和就地控制功能。但它不是传统的单功能 仪表，而是具有综合功能的智能仪表，如智能压力传感器节点，不仅具有信号变换、补 偿功能，而且具有运算功能。现场总线控制系统是一种新型的网络集成自动化系统， 它以现场总线为纽带，把控制、补偿计算、参数修改、显示、报警等功能分散到各个 现场仪表，把挂接在总线上相关的网络节点组成个完整的自动化系统( 1 。 ( 2 ) 现场总线技术的主要特点 占塑銮望查兰堡主兰生堡皇 丝型：整墼塑垒堕丝型墨竺生! 塑璺苎童堕堕! 皇旦 1 ) 数字化通信取代4 2 0 m a 模拟信号 传统技术，现场层设备与控制器之间的连接是一对一( 一个i 0 点对设备的一个测 控点1 所谓i 0 接线方式，信号传递4 2 0 m a ( 传送模拟量信息) 或2 4 v d c ( 传送开关量信 息) 信号。应用现场总线技术可用一条通信电缆将控制器与现场设备( 智能化、带有通 信接1 ：3 ) 连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。 2 ) 现场设备智能化 应用现场总线技术，要求现场设备( 传感器、驱动器、执行机构等设备) 是带有串行 通信接i ：3 的智能化( 可编程或可参数化) 设备。因此，现场总线技术以计算机大规模集成 电路的发展为基础。 3 ) 集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体 现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，因此，控制器可从现场 设备获取大量丰富信息，可实现设备状态、故障、参数信息传送，可完成设备远程控制、 参数化及故障诊断工作。 4 ) 现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸 传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线的方式，传输4 2 0 m a 2 4 v d c 信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间 的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业 综合自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加 入工厂信息网络减为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产 现场。 5 ) 现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键技术 现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集 成的技术基础。 ( 3 ) 现场总线技术的发展撅况 现场总线是工厂自动化领域的丌放互连系统，意味着来自不同厂商但遵从相同 标准的设备可以互连为一致通信系统。对于开放的总线来说，标准化是非常重要的。 圭查奎望；苎兰堡圭兰焦笙塞 丝型：茎墼垡堡盛丝剑墨竺生墨型丝垫查堕皇旦 1 9 8 4 年，美国仪表协会( i s a ) 下属的标准与实施工作组中的i s a s p 5 0 开始制 定现场总线标准；1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总线( p r o c e s sf i e l d b u s ) 标准， 简称为p r o f i b u s ，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。 现场总线国际标准化工作一开始就与美国仪表学会i s a 进行了紧密的合作，美国 对i e c 现场总线的标准有很大的影响，为此，以德国为首的一些欧洲国家对此甚为不 满。i e c 现场总线国际标准于1 9 8 4 年即开始着手，起草工作开始不久，障碍就来自 当时现场总线的大国际阵营即i s p 与w o r l df i p 。大千世界，众多行业，需求各异， 加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，为了使自己的技术与 产品能占领整个世界的市场，围绕着现场总线的国际标准，展开了一场技术、经济与 政治上的斗争。斗争的结果，形成了两个相持的阵营即现场总线基金会f f 与 p r o f i b u s 。 i e c 现场总线标准的体系结构为f 5 0 1 ： i e c6 1 1 5 8 一l 总论 i e c6 11 5 8 2 物理层规范 i e c6 1 1 5 8 3 链路层服务定义 i e c6 11 5 8 4 链路层规范 i e c6 11 5 8 5 应用层服务定义 i e c6 11 5 8 6 应用层规范 i e c6 11 5 8 7 系统管理 i e c6 l1 5 8 8 一致性试验 i e c6 1 8 0 4 控制功能模块 斗争的焦点实质上是数据链路层，数据链路层解决了，应用层也就解决了【4 ”。i s p 与w o u l df i p 的矛盾没有因为合并成f f 而解决，到目前反而更尖锐化了。这是因为 目前i e c 的草案基本上与f f 相一致，而f f 的数据链路层没有采用p r o f i b u s ( i s p ) 的 主从通信方式，而是采用了l a s ( 链路活动调度器) 与发布方接收方通信方式，这 与w o u l df i p 的8 a ( b u s c o n s u m e r ) 的通信方式基本上是一致的，只是名称不同而 圭塑奎望茎堂堡主兰垡鲨塞 丝型：茎墼垡壅盛塑型墨竺堡堑璺垡燮堕堕旦 目前现场总线大战的双方，从小里说是f i s h e rr o s e m o u n t 公司与西门子公司， 或者是f f 与p r o f i b u s ；从大一些说是美国与德国；范围再大一些就是美洲与欧洲了， 因为南美的巴西s m a r 公司是支持f f 的。 令人欣喜的是，从9 9 i n t e r k a m a 展览会的展品的新变化可以看到，持续了多年的 现场总线标准大战开始出现缓和迹象2 8 1 。与前两年出现的各种总线都企图独霸天下的 格局不同，现今许多厂商都使自己的产品可以接纳不同种类的总线信号，出现多种 总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。预计在今后相当长的 一段时间内，这种相容并蓄的局面会持续发展。 4 现场总线控制系统特点 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制 系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，) 5 0 】，f c s 是各种现场 智能仪表( 如智能变送器、智能调节阀等) 通过现场总线互连与控制室内人机界面组 成的系统，是一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动控制 系统。 就集散式控制系统d c s 本身来讲，做为一个非常成熟的工业控制系统，它目前 f 如日中天，被广泛地使用在我国各行各业的大中小项当中。但目前d c s 系统仍有 许多问题没有解决，而且有些问题对d c s 来讲是无法从根本上解决的。 ( 1 ) d o s 存在的问题 1 ) 紧急停车问题 目前世界各大厂家生产的d c s 的现场控制站或叫现场控制单元，每台一般都要 处理十个至几十个控制回路，几十个到几百个d i 、a i 、d o 、a o 点。所以每一个扫 描周期大约都在1 s 左右很难实现紧急停车时要求的m s 级的反应速度。因此，对于 有紧急停车要求的工艺装置，解决的办法一般都是在d c s 的前面加一个紧急停车系 统。 2 ) 本质安全防爆问题 圭童銮望盔堂堡主兰丝堡奎 丝型：薹墼垡塞堕丝型墨竺苎里堕丛墼塑薹苎! ! ! ! 旦 由于种种原因，目前各大厂生产的d c s 都没有很好地考虑本质安全防爆问题， 而遇到这个问题时，解决的办法也是在d c s 的前面再加一套安全栅系统a 3 ) 信息传递落后 目前从现场一次仪表到d c s 的信号和从d c s 到现场的信号大都沿用旧型仪表的 信号规格，即4 2 0 m a d c 或1 5 v d c ，这不仅没有发挥现场智能型仪表的特长， 而且信号传递精度低，抗干扰和纠错能力差。 4 ) 成本过高 采用一对一结构。一台仪表，一对传输线，单向传输1 个信号。这种一对一结构造 成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。模拟信号传输不仅精度低，而且 易受干扰。为此采用各种措施进行提高抗干扰性和传输精度，其结果是增加了成本”“。 d c s 控制 曩麓 l j 罡纠 n t d c s n r o i i a e 域“f t 、兰i j i 骞 口b 正；亏；主各j 一掌口b * 镕 l l i 酱i 。ul 羽 f 目嚣嚣8 b l ：l 。t 二二二= r _ 1i l 唑坠蝌i n 婶阜；芝 垄晶 ” 【 l 直至王j 岁刖 卜“ f _ _ b ? f 鼍 ：气：“，；， e r ， - * 3 4 图卜1f c s 与d c s 系统组成比较 f i g u r e1 - ic o m p o s i t i o nc o m p a r i s o nb e t w e e nf c s a n dd c s 理蓊息筑 控制器统 ( f c s ) 另外，d c s 中的电源电压为2 4 v d c ，在f c s 罩完全可以将总线的电压定在5 v 以下，甚至1 v 左右，至于总线上的电流那更是微乎其微，这样就为解决安全防爆问 题提供了方便。 圭塑銮望查兰堡主兰篁堡塞 丝型：垄墼垡塞盛丝型墨堑主翌堑璺丝垄查堕! ! 旦 ( 2 )f c s 的优势 f c s 除了具有紧急停车、本质安全防爆、信号传递精度高、产品成本低等特点外， 还具有以下优点： i ) 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计 算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需 要d c s 系统的信号条理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机 作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可以减少控制室的占地面积。 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备， 因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大 减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上， 即节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明， 可节约安装费用6 0 以上 3 ) 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的 诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期 分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单 而减少了维护工作量。 4 ) 用户有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的 产品被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一 筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提供了测量 与控制的精确度，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，提高了系统的工作的可靠性。 圭壹至望盔兰塑圭堂些堡兰丝型：茎! i 垡塞堕丝型墨笙主塑堑璺垡茎查盟些旦 6 ) 设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 工业控制界处在d c s 本身成熟和f c s 发展过程中，智能i o 是现时d c s 向现场总 线的一种过渡。采用了远程智能i o 的分敖控制系统，可以对远程智能i o 网络及前 端进行操作，实现现场数据采集和控制功能，现场通信总线采用全数字串行通信方式， 可以支持点对点、点对、主从式等工作方式，与目前流行的现场总线产品在结构功能 上较为一致。智能前端是放置与生产现场的测控装置，完成m d 、d i a 转换、滤波、 热电偶热电阻测量变换、工程单位转换以及基本处理和运算功能。可以说，远程智能 i o 以其可靠性高、分散性好而具备了现场总线的性能。 圭查奎望盔兰堡主兰垡堡苎 丝型：薹墼丝堡堕丝型墨堕主里堑璺丝塾查! ! 堕旦 二、汽车制动器厂集成控制系统构建 l系统设计的总体要求 根据当前控制系统集成化、网络化的发展趋势，万安集团决定对其所属十家企业 进行集成控制网络总体规划，并首先以汽车制动器厂为样板，对加工线、装配线、检 测线进行更新改造，希望通过系统集成设计，不但要降低成本、提高准确性、可靠性 和可维护性，同时还要满足远程故障监测和诊断的要求。希望在原有d c s 的基础上， 逐步从底层向上完成由集散式控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 的转化。 具体任务包括： ( 1 ) 企业集成控制网络规划及论证； ( 2 ) 汽车制动器厂真空助力器检测、装配线控制系统构建。 2 企业集成控制系统规划及方案论证 ( 1 ) d o s 与f c s 现状比较 f c s 较之传统的d c s 最显著的差异就在于将现场信息的4 2 0 m a 模拟量信号变为 全数字量、双向、多站的数字通信，并由此而带来了一系列的优点。如8 1 的电缆节 省，6 0 的接线端子节省，5 0 的防爆栅节省，以及5 0 的i o 卡节省等1 5 】：同时在系 统的可维修性、可互操作性、开放性等方面都取得了重要的进展。 然而f c s 作为新一代的过程控制系统，与已经经历了2 0 多年不断发展和完善的 d c s 系统相比在某些方面尚存在着一些差距。例如，基金会现场总线定义了2 9 种功 能块，与d c s 中上百种功能模块相比显然要略逊一等。因此，要在复杂度很高的过程 控制系统应用f c s 尚有一定的困难。 其次，目前的f c s 在开关量与模拟量的混合处理方面还不如d c s 那么灵活，这对 于那些开关量控制与模拟量控制并存，且互相关系十分密切的控制系统来说，采用 圭童銮望查堂堡圭堂垡堡塞 丝型：垄墼垡塞堕堡型墨垄主堡堑堂堡茎查! ! 堕旦 d c s 就比f c s 更方便一些。 最后，对于分层递阶特性明显的过程控制系统，传统d c s 的三层结构( 操作站、 控制站、现场仪表) 比较容易实现子系统之间的协调控制，而f c s 的两层结构( 操作 站、现场智能仪表) 就不便于处理协调控制问题。当然，以上这些问题会随着现场总 线技术的进步发展( 例如高速现场总线的出现) 而逐渐得到解决。 ( 2 )选用f c s 的目的 主要目的是为了节省工程费用，其中包括控制系统本身的费用和安装控制系统及 现场设备所需要的安装费用。表2 一l 【如1 为与传统控制系统比较，现场总线总成本降低 一览表。 轰2 1 项目现场总线系统盘装仪表系统d c s 系统 双绞线2 1 0 0 m2 0 芯电缆1 2 0 0 m2 0 芯电缆1 2 0 0 m 工 施工用电缆数量 2 芯电缆8 0 m2 芯电缆1 6 0 0 m2 芯电缆1 6 0 0 m 程( 1 6 )( 1 0 0 ) ( 1 0 0 ) 用 端子数 1 6 6 ( 6 4 )2 5 9 ( 1 0 0 )2 0 7 ( 8 0 ) 材 i o 盘一面：其尺寸( 8 0 0 料 仪表盘及内部配线只要总线电源要配线专用配电柜 2 1 0 0 ) 接线箱( j b )4 + 9 ( 小型) 44 现场仪表 2 82 6 2 6 d c 2 4 v 电源d c 2 4 v 电源 仪 仪表盘内d c 2 4 v 电源 h o l da m p 5h o l d a m p 5 时间继电器5时间继电器5 表 调节器 比值运算器1 装 仪表盘内无指示仪1 3 无 计数器4 置 报警单元 控制室p l cp l c d c 2 4 v 电源：现场 控站 人机界面( h m i )工业p c 机2 台 仪表蠹一面操作计算机一台 选用f c s 的另一个主要目的是节省维护费用。通过f c s 系统所提供的各种工具性 圭堡銮夔奎堂堡圭兰垡堡壅 丝型：茎墼垡型墼塑墨竺主墨堑璺丝堇查! ! ! ! 旦 软件和来自现场设备的有关信息来提高整个系统，特别是现场装置的可维护性。控制 人员可以在控制室内，将设备管理的视野由传统d c s 中的i o 模件、扩展到f c s 中的 现场设备。这样就可以显著地提高系统的维护水平，节省维护系统所需要的人力、物 力，并且缩短系统维护所需要的时间，提高系统的可用率。 ( 3 )f c s 与d c s 的集成 从本质来说，f c s 是一个网络通信系统，而d c s 虽然涉及网络通信，但其标准 由各厂家自行制定，没有开放性，所以d c s 与f c s 集成只是种过渡策略，因为这 种混合系统不能完全发挥f c s 的优势。根据当前不同的应用需求，f c s 和d c s 有三 个层次上的集成模式： i ) 现场总线集成在d c s 的i 0 总线上 这种方式通过接口卡直接将现场总线集成到d c s 系统中。与 o 功能块相关的 测量值和设定值可以通过接口卡映射成i o 总线上等价的值。通过这种映射关系， d c s 就能透明地获取现场总线智能仪表传送的信息，其效果和传统的变送器相同。( 如 图2 1 所示) 络 图2 - i 现场总线集成在d c s 的t i o 总线上 f i g u r e2 - 1 f i e l d b u sb ei n t e g r a t e di nd c s si ( 3 这种集成方式的优点： 占塑銮望查堂堡圭堂垡堡壅 丝型：茎墼丝塞堕堡型墨垄! 堡堑望垡堇查堕堡旦 只需安装现场总线接口卡，无需改变或升级d c s 系； 对于一些初级的现场总线设备，厂家提供的功能块有限，这种方式保留了d c s 的控制功能： 采用低成本的p c 作为现场总线组态、诊断的接口单元。 但这种方式也限制了d c s 所能获取的信息，无法利用现场设备中大量的状态信 息。其它的一些局限包括： 现场设备功能块的组态、执行调度必须在p c 而不是d c s 中完成，设备信息 库由p c 维护； 通过现场总线接口卡与现场设备通信会引入传输迟延，这种迟延对一些快速 过程的影响很明显。 这种集成方式主要应用于小型系统及现场总线技术的初期应用中。 2 ) 现场总线集成在d c s 网络上 这种集成方式通过现场总线接口单元连接到d c s 网络上，现场设备中用于控制、 计算的各种功能块操作信息可以在d c s 控制台中获取和更改。通过接口单元提供的 服务，d c s 操作站能获取更多的现场设备信息。( 如图2 2 所示) 皋昙慝脯号 这种集成方式的优点： 一! 堡型塑盐簦里坠垄塑堑望鱼生塞壁- 1 4 - ：塑差塑窆錾旦坠垄! 堕堡堡旦茎主边 圭生銮望盔兰堡主兰垡丝苎 丝型：菱望丝塞壁丝型墨塑主里堑璺堡垫查! ! 堕旦 问： 便于现场总线和d c s 之间的通信； d c s 可以访问现场设备中更多的信息。 但是这种集成方式中现场设备功能块组态仍在p c 中完成，与d c s 组态数据库 分离。 3 ) 通过网关接口集成现场总线 这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现场总线网络和d c s 系统的完全双 向连接，即d c s 操作员站能访问现场设备中的所有信息，而现场总线也能获取d c s 提供的各种信息，因此便于实现现场总线和d c s 的协调控制。此外，在这种集成方 式下，现场总线的控制功能更加独立，可以构成一个脱离d c s 的完整的控制系统。( 如 图2 3 所示) p c 控制器ff 组态及操作接e _ f d c s 控制站 堕笙塑兰! 竺j 焉艏号 现场总线 接口卡 图2 - 3 通过网关接口集成现场总线 珂 这种方式主要适用于规模较大的控制系统，能有效保护用户对d c s 的先期投资。 d c s 负责监控、优化、先进控制、协调管理等较复杂的应用，是主控系统：而f c s 负 责现场设备层的数据采集和闭环控制，并将设备的状态、诊断信息实时地传送至d c s 。 但是这种接口方式对网关接口技术要求很高，此接口要完成双向的协议转换，为 d c s 和现场总线提供透明的数据访问。此外，整个系统统一组态后，如何维护和解释 一个全局信息库也是一个需要解决的问题。 占塑奎望盔兰堡主兰堡堡奎 丝型：箜呈垡叁盛丝塑墨堕主里堑堕丝垫查堕里旦 f c s 和d c s 集成后，d c s 的基本控制功能将逐步消失，它将更多的承担监控、管 理和决策任务，成为真正意义上的管理系统的一部分；而f c s 则协调现场智能测控设 备之间的通信，实现生产过程控制的彻底分散化、网络化。 ( 4 )现场总线选型 1 ) 各种现场总线性能比较 现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线的协议，按照其应用范 围，可将现场总线分为二类，即：用于加工制造自动化的现场总线，其特征是高速、 短信息：用于过程控制的现场总线，其特征是低速、长信息，有时候还要求本质安全。 按照与其传送的平均数据分组( d a t ap a c k e t ) 长度相关的复杂程度分，现场总线又可 分为三类，即： 传感器一执行器总线( s e n s o r b u s ) ，它的数据宽度为位( b i t ) ，如a s i ，s e r i p l e x ； 设备总线( d e v i c eb u s ) ，它的数据宽度为字节( b y t e ) ，如i n t e rb u s 、c a n 等； 数据流总线( 以b l o c k 计) ，用于过程控制，如f f 、p r o f i b u s 、w o r l df i p 、p - n e t 及l o n w o r k s 等。 表2 2 列出了当前国际上现有的现场总线的基本特征“1 。 袁2 - 2 各种现场总线特性一览表 t a b2 - 2b e h a v i o u r c o m p a r i s o no f s o m es o r t so f f i e l d b u s c o n t r o l n f o u n d a t i o n t m f i e l d b u s ( f f ) p r o f i b u s h 2b u s h ih 2h 2d pf m sp a p o w e r e o 数据传输至l5 m 3 l2 5 kl ，0 ml0 m25 m5 0 0 k3 12 5 k5 m 速：罄, b i ts - 1 2 m 单个多个单个多个单个多个单个多个土 5 备从土设备，从主设备，从生产者 通信技术 主设备主设备主教备主设备设备对等敬蔷对等设备对等消费者 媒体访问 算法 令牌传送令牌传送令牌传送令牌传送令牌传送令牌传送令牌传送c t d m a 同轴电光缆( 打 光缆( 打算)光缆( 打算) 双绞线双绞线双绞线缆 涩信媒体算) 双绞线 双绞线 双绞线 双绞线 光缆 上海交通大学琐士学位论文检测、装配线集成控制系统中现场总线技术的应用 最大结点 每段2 4 0 每段2 4 0 或每段2 4 0 或每段2 4 0 或 每个链 或每系统每网络1 2 7每网络1 2 7 每网络2 5 6 数每系统2 每系统2 ”每系统2 ”路9 9 是否确定 足胥本质 安全 可否由总 线送电源 是否采用 专用集成打算用打算用打算用打算用 芯片 物理层标 i e c i s a f i e c l l 5 8i e c l l5 8i e c l l5 8i e c l l 5 8r s 4 8 5 r s 4 8 5f有规定 准 e c i f 5 8 2 e n 5 0 1 7 0 ( p e n 5 0 】7 0 b s i 标准 i e c l l 5 8i e c l l 5 8 i e c l l 5 8i e c l l 5 8 草案 应用标准a r t 2 1 d i n f p a n 2 )d i n1 9 2 4 5 i s a $ 5 0i s a $ 5 0 1 s a $ 5 0l s a $ 5 0 p r ( e n 1 9 2 4 5d r n1 9 2 4 5 5 0 2 5 4 ) e t h e m e t c a n i n t e r b ul o n w o r a s i n t e r m o d b u sw o r l d f i p f d e v i c e nh a r t s 1 0 b a s e 5k s e t ) s d s ) 无规定 数据传输( 12 k 1 52 3 l2 5 k 3 0 0 5 0 0 kj o m 至】m1 2 0 01 6 7 k 速率b i ts 。k 1 1 m 25 ml2 5 m 典型值 主设各从主设各从主设各从 生产者消主设备，从生产者消主设备从 主设各 通信技术 设各设备设备对等 费者设备对等费者对等设备 从设备 媒体访问 总线仲裁c s m a c d 循环查 算法 令牌传送全桢c s m 们d 预测媒体无 访问n d a 询 双绞线 双绞线无 双绞线，无 双绞线 通信媒体双绞线 同轴电缆 线同轴电双绞线双绞线 光缆线光缆 光缆 缆，光缆 最大结点每个网络每个网络 每个网络每个区域 2 ”，或在扩 每段4 0 0 展方式时 每个回路每个网 数2 4 75 1 2 2 5 63 2 7 6 8 1 5络3 1 为2 ” 是否确定 是否本质 安全 上海交通大学硕士学位论文 检测、装配线集成控制系统中现场总线技术的应用 可否通过 总线送电 一 源 是否采用 专用集成 - 4 部分 芯片 i e c ，i s a4 2 0 m a 物理层标单端接地平衡差分平衡差 准 无规定r s 4 8 5f f有规定双线f f s k i e c1 15 8 2 电流调制) 分式 i e c 9 4 7 - m o d i c o nd i n h a r t 协议 5 - 2 ，d e n j e e 8 0 23l o n m a r k 规范 协议1 9 2 5 8e n5 0 17 0 6 09 4 7 应用标准i s 0 8 8 0 23 互操作性i s o1 18 9 8r e v5 1 物 p 1 m b u s p r ( e n ( 1 0 b a s e - 5 ) ( p a r t3 ) 铷会指南理层 d r n - 3 0 0 r e ve 5 0 2 5 4 )v d e r e v8 ，0 0 6 6 州2 0 8 经过十几年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一。在现存的现场总线中，还没 有一种现场总线可以覆盖所有的应用面，针对制造业自动化，d e v i c e n e t 在北美和日 本用的比较普遍，p r o f i b u s d p 在欧洲用的比较普遍；针对过程自动化， p r o f i b u s p a 和f o u n d a t i o nf i e l d b u s 占据大部分市场。其他的总线协议如a s i 、 i n t e r b u s - s 、s e n s o p l e x 在某些特殊的领域也有些市场。如图2 4 【4 7 】所示，从图中可 看出在现场总线的下方都是空白，而这些空白地带，正是传感器总线及设备总线的用 武之地。 下面分别介绍各种总线的些特点。 a p r o f i