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工业控制的现场总线技术

作者:时间:2014-03-10来源:网络收藏
  1.现场总线数据传输的及时性和系统响应的实时性:一般地讲,过程控制系统的响应时间要求为0.01~0.5S,制造自动化系统的响应时间是0.5~2S,IT网络的响应时间为2~6S,因此在IT大部分使用中,实时性是可以忽略的。

  2.现场总线强调在恶劣环境下的完整性、可靠性:现场总线具有在粉尘、高温、潮湿、振动、酸(碱)腐蚀,特别是电磁和无线电干扰等的工业环境长时间、连续、可靠、完整传送数据的能力。能够抗工业电网的浪涌、失波、跌落和尖峰干扰等。在可燃或易爆场合,还要求现场总线具有本质安全性能

二、标准与非标准现场总线。

  市场上出现了三十多种牌号的现场总线及其系统,并且都称是真正的现场总线,可应用于各种领域。实际上,市场上的现场总线应分为标准和非标准两种。

  1.标准现场总线是符合IEC(国际电工技术委员会)现场总线协议模型框架,具有近似标准数字信号制的现场总线产品,这些主要有IEC61158、FF(基金会现场总线)、LonWorks、Pro-tibus、WorldFIP现场总线。适用于过程控制、制造自动化和楼宇自动化等。

  2.非标准现场总线,其余的现场总线都可看作是非标准现场总线,它们大多具有专用标准,适于专用领域。不会向国际标准靠拢。

三、FCS与DCS

  基于FF的FCS(现场总线控制系统)将取代传统DCS(分布式控制系统)成为控制系统主角。下面就几个主要方面进行对比。

  1.数字化

  1)FCS:全数字化,纯数的通信使过程控制具有更高的可靠性。在FCS中,从传感器、变送器到调节器,一直是数字信号,这就使得更复杂、更精确的信号处理得以实现。普通的噪音很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号。数字通信的查错功能可检出传输中的误码。

  2)DCS:半数字化,在传统DCS系统里,温度和压力变送器须将它们测到的原始数字信号在送入DCS前转换成4-20mA模拟信号,在模拟系统中,噪音及其他信号扭曲无法被检测。

  2.可互操作性:采用具有可互操作性和现场总线系统,用户可以在性能、价格、质量和售后服务等因素基础上,选择最好的硬件产品,并省时省力地将它们集成为一体。

  1)现场总线自动化设备的可互操作性主要是通过对功能模块及其参数的标准化而实现,具有极好的可互操作性。

  2)大多数用于DCS和智能型变送器间的通信协议是DCS制造商独家采用的专用封闭系统。

  3.分散性

  1)FCS:采用的是完全分散式体系,它的控制全部分散到现场,控制回路由现场设备实现。

  2)DCS:采用一个或多个"控制单元"对多回路进行控制,其控制部分分散到一些控制板上,每个控制板上又有多个回路的半分散式体系。

  4.可靠性、可维护性和经济性

  现场总线控制系统采用数字总线式通信线路代替传统DCS中一对一的I/O连线,对于大规模I/O系统来说,减少了由连线带来的不可靠,同时降低了布线成本,与传统DCS技术相比,可节省电缆、调试、维护成本40%以上。

  5.现场总线已经发展成为可以取代DCS的新型的FCS控制系统。DCS与FCS并存是可能的,但DCS并不适合与现场总线集成。如果现场总线连接到DCS上,它的大多数优势便无法发挥出来。因为分布在现场设备中的功能块组态、状态、诊断、校验、设备自身信息以及来自现设备的管理信息等均无法完全映射到DCS中。

四、EIC(电气传动、仪表、计算机)一体化

  在由现场总线构成的控制系统FCS中,仪表已发展成为具有综合功能的智能仪表,也就是具有过去实现仪表控制的DCS的功能。现场控制器实际上是过去PLC功能的分散,它代替了用于电气传动控制的PLC。从以上两点不难看出,现场总线控制系统FCS,正是一个实现电气传动控制、仪表控制和计算机控制一体化的系统结构,而这种结构恰恰是钢铁工业自动化用的较多而又急需的控制系统结构。

五、现场总线进展情况

  目前,较为流行的现场总线有FF、LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART(过渡协议)等,这些现场总线和过渡协议在我国(主要是北京)都有了代表处或挂靠单位,并且大多数都有不同程度的开发和应用。其中FF和HART列入"九五"攻关项目,参加现场总线智能仪表的研究开发单位主要有:西安仪表集团、上海工业自动化仪表研究所、重庆工业自动化仪表研究所、上海自动化仪表股份公司、重庆川仪集团、北京华控技术公司等,专门攻克HART协议和FF协议通信软硬件技术难关。

  1.开发的产品主要有:

  1)HART变送器(包括智能温度变送器、智能压力变送器、智能流量变送器);

  2)HART智能电动执行机构;

  3)HART网桥;

  4)现场设备管理系统软件;

  5)FF现场总线和CAN总线园卡、接口等HART的攻关任务已基本完成,今年就可验收。FF的攻关明年上半年可完成并验收。

  目前,较流行的现场总线中,FF、Profibus、LonWorks、CAN\HART协议书籍报刊上介绍的比较多,其中HART和LonWorks在我国开发和应用较多。下面只简单介绍一下WorldFIP的情况。

  2.WorldFIP:WorldFIP现场总线不论高速还是低速,只有一套通信协议,可以不需要任何网桥或网关,低速与高速的衔接只用软件完成。

  WorldFIP组织认为,它的生产者/使用者(Producer/Consumer)模式和总线仲裁器(BUSAr-biter)的调度方式特别适合工业过程控制的现场总线系统。它的很多优点都与此有关。FF与IEC标准草案都采用了这种通信模式,只是名称不同。FF称为发布方/接收方(Publi-sher/Subscriber)与链接调度器(LAS),实际方式与WorldFIP基本一致。这也说明了为什么WorldFIP支持IEC标准,因为他们向IEC靠拢在技术上是比较容易的。

  目前,WorldFIP的应用领域为:输电、铁路运输、地铁、化工、空间技术、汽车制造等。1998年5月,WorldFIP组织在中国建立了技术推广中心,并把注意力放在中国的能源和铁路两个将大力发展的领域。


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