浅谈现场总线及其对自动化领域的影响

1、浅谈现场总线及其对自动化领域的影响何 劲 (帕克环保技术(上海有限公司,上海 101203摘 要 : 传统控制系统存在信息集成能力不强、可靠性不高、维护性差等不足。现场总线是一种用于现场仪表与控制系统和 控制室之间的通信系统,具有全分散、全数字化、智能化等特点。研究表明:现场总线系统可靠性高、稳定性好、抗干扰能 力强、通信速率快,且系统的安全符合环境保护的要求。关键词:现场仪表 数字化 智能化0 引言过去,工业过程控制仪表一直采用标准的 420 mA模拟信号。由于工业控制过程对现场信号的采集、传输 和数据转换提出了更高的要求,随着数字通信技术、网络技术和微处理技术的迅猛发展,使传统的数字信号和

2、 模拟信号混合而变成全数字信号系统成为可能。这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的综合 技术导致自动化系统结构与设备的深刻变革,并在国际上得到越来越多的推广和应用。1 现场总线系统的结构特点现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。在传统控制系统中,位于现场的测量变送器与位于控制室 的控制器之间的连线采用 I/O连接方式,控制器与位于现场的执行器、开关之间均为点对点连接。如图 1所示。 这种传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统所具有的主要缺点是:信息集成能力不强,靠点对点的 I/O连线来获取信息量极为有限, 难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换, 使自控系统成了工厂中

3、的信 息孤岛;系统不开放,系统软硬件通常只能使用一家产品;不同厂商的产品缺乏互操作性和互换性;可靠性不 高,大量的 I/O电缆及敷设施工不仅增加成本,也增加了系统的故障点;可维护性差,现场级设备信息不全, 很难完成现场设备的远程参数设定、修改等功能。 图 1传统的自动化监控及信息集成系统结构图 图 2 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统结构图 PLC(Profibus DP(Profibus DP基于现场总线的自动化监控系统,如图 2所示,由于采用了智能现场设备,把原先位于控制室的控制功能 模块和各输入输出模快直接置于现场的智能设备之中,实现了彻底的分散控制;采用数字信号替代模拟信号, 可

4、用一条电缆将带有通信接口的智能化现场设备连接起来,传输多个信号,包括多个现场设备的运行参数值、 设备状态、故障信息;现场设备以外不再需要 A/D、 D/A转换部件。这样不仅简化了控制系统的结构,而且节 约了大量连接电缆和安装维护费用。2 现场总线系统的技术特点现场总线通信协议的结构是根据国际标准化组织 ISO 的开放互连系统模型 OSI 来制定的。它结合工业控制 的需要, 对 OSI 的体系结构进行了优化组合, 主要包括物理层 (the physical layer 、 数据链路层 (the data link layer 、 应用层(the application layer 、用户层(th

5、e user layer 4个部分。这种优化保证了通信的速度。2.1 系统的开放性开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可互连为系统并实现信息交换。这里的开放是指对相 关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,是指它可以与世界上任何地方遵守相同 标准的其它设备或系统连接。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的。开放系统把系统集成的权 利交给了用户,用户可按自己的需要把来自不同厂商的性能价格比最优的产品组成大小随意的系统,实现即插 即用。2.2 互可操作性与互用性1这里的互可操作性是指实现互连设备间和系统间的信息传送与沟通,对不同品牌的现场设备统一组态,构 成

6、所需要的控制回路;而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行更换而实现相互替换。 2.3 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动 控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。2.4 系统结构的高度分散性现场总线构成了一种新的全分散性自动化系统的体系结构, 从根本上改变了现有 DCS 集散控制体系, 简化 了系统结构。它的信号传输实现全数字化,极大地提高了信号转换的精度和可靠性,避免了模拟信号传输过程 中所存在的信号衰减、精度下降、干扰信号的引入等长期难以解决的问题。3 结束语现场总线控制系统的优越性是不可置疑的。今后的工业自动控制系统向开放型体系结构发展是大趋势,由 现场总线 I/O器件为主构成的分散型控制系统将会改变自动控制系统的结构。新型的全数字控制系统的出现, 将充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能,有利于企业实施综合自动化策略。现场总线的开放性结构和相 互可操作性,使用户方便地组成低成本、高可靠和可重组的系统,即组成电气控制、仪表控制和计算机控制一 体化控制系统。总之,以现场总线为基础的全数字化网络控