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1、-现场总线技术在现场总线技术在 DCSDCS 中的应用中的应用一、DCS 概述现代化工业技术的飞速发展，使工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不断增加，因而对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求。信息技术的发展也导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了，自动化领域的开放系统互联通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统。集散控制系统作为一种多机系统，即多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互联关系，从整体系统上说，在功能上、逻辑上、物理上以及地理位置上都是分散的。总之，以计算机网络为核心组成的控制系统都是集散控制系统，它是控制技术、计算机技术、通信
2、技术和 CRT 显示技术的结晶，并且已经在工业控制领域得到广泛应用，成为过程工业自动控制的主流之一。随着计算机技术、网络通信技术的发展。开放性系统不仅使不同生产厂商的集散控制系统产品互联，而且使得它们可以方便地进行数据交换以及第三方软件的应用。引进的集散控制系统以及自主开发的集散控制系统，应用的工业控制领域已遍及了石油化工、冶金、炼油、建材、纺织、制药以及电力系统等各行各业。通过对集散控制系统的学习、分析和研究，更好地掌握集散控制系统的组成选择。集散控制系统（DCS），又称分布式计算机控制系统，是以微处理器为基础的集中分散型控制系统，以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，应用于
3、生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术的一种新型过程控制系统，集散控制系统的“集”含义是集中管理，“散”含义是分散控制，它们是集散控制系统的主要特征。DCS 具有以下特点：-.总结资料-(1)高可靠性 由于 DCS 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。(2)开放性 DCS 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需
4、要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。(3)灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。(4)易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。(5)协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处
5、理。(6)控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的-.总结资料-服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS 可以按照
6、需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。新型 DCS 分层体系结构自上而下分别是：现场控制级、过程控制级、过程操作管理级、全厂优化和经营管理级。对影这四层结构，分别由四层计算机网络，即现场网络、控制网络、监控网络和管理网络，把相应的设备连接在一起。在现场控制级中，典型的现场设备是各类传感器、变送器和执行器。它们将生产过程中的各种无力能量转换为电信号或者符合现场总线协议的数字信号。按照传统观点，现场控制级不属于集散控制系统的结构体系畴，但随着现场总线技术的飞速发展，网络技术已经延伸到现场，微处理机已经引入到现场变送器、传感器和执行器，形
7、成数字智能现场装置，现场信息已经成为整个系统信息中不可缺少的一部分。新型集散控制系统的现场控制级通过现场总线实现对智能现场装置与控制紫铜的数字式、双向传输、多分支结构的通信，达到真正的分散控制系统。现场控制级的功能主要表现如下：1、采集现场过程数据，并对数据进行转换、控制和处理。2、直接通过智能现场装置输出过程操作命令。3、实现真正的分散控制，形成数字化控制系统。4、开放式互联网络，完成与控制级及过程操作管理级的数据通信，实现网络数据共享，以及对智能现场装置的组态。-.总结资料-二、现场总线概述现场总线是工业控制网络向现场发展的产物，是在市场需求的背景下发展起来的新型技术、具有数字化、分散、双
8、向传输和多分支的特点。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。现场总线技术综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，它把专用微处理器装置引入传统的现场仪表，使它们各自都具备数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构和网络系统与控制系统，它以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能。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
9、等设备。因此，现场总线是面临向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。典型的现场总线氛围以下五类：1、基金会现场总线：即 Foundation Fieldbus，简称 FF。它以 ISO/OSI 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速 H1 和高速 H2 两种通信速率。H1 的传输速率为 31.25kbps通信距离可达 1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2 的传输速率为 1Mbps 和 25Mbps 两种，其通信距离为 750m 和 500m。2、LonWorksLonWorks 是
10、又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国 Echelon 公司推-.总结资料-出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从 300bps 至 15Mbps 不等，直接通信距离可达 2700m（78kbps,双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电院等多种通信介质，并开发相应的本安防爆品，被誉为通用控制网络。LonWorks 被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。3、Prof
11、ibusPROFIBUS 由 PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA 和 PROFIBUS-FMS 三个标准组成。DP 型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS 为现场信息规，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。而PA 型则是用于过程自动化的总线类型。4、CANCAN 是控制网络 Control Area Network 的简称，用于汽车部测量与执行部件之间的数据通信。其模型结构只有三层，即只取OSI 底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。气信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1Mbps/40m,直接传输距离最远可达 10km/1k
12、bps，可挂设备最多可达 110 个。CAN 支持多主工作方式，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接受/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。-.总结资料-5、HARTHART 是 HighwayAddressable Remote Transducer 的缩写，这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是先由模拟信号传输线上实现数字通信。属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较
13、强的市场竞争力，得到了较好的发展。现场总线技术的而一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自动化控制系统，促使传统控制系统结构演化，并逐步形成基于现场总线的控制系统 FCS。现场总线技术具有以下特点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进行互连并实现现场总线技术与传统总线技术成本对比现场总线技术与传统总线技术成本对比信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其
14、它设备或系统相连。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和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2、互可操作性与互用性这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设-.总结资料-备可进行互换而实现互用。3、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。4、系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现
15、场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。5、对现场环境的适应性工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。三、现场总线技术在 DCS 中的应用与过程控制系统相同，通信网络最初采用模拟信号方式传送信息的。随着技术的进步，其趋势是向全数字化通信的方向发展。在自动化系统中采用的网络与通信网络没有本质区别，在 DCS 组中采用的网络系统
16、也将是全数字化的，数据在各个设备之间，借助某种介质，以 0 和 1 的二进制信息流串行传输。数字通信的优点是能够在一根电缆或光缆上传输打量不同种类的信息。而在模拟信号系统中，一根电缆只能传输一个信号，如一台传统的压力变送器采用420mA 标准信号只能传输一个压力值。现场总线化的压力变送器同样采用一根电缆，除了传输压力值外，还可以提供变送器的运行状态，越限报警等信息。在-.总结资料-整定和调整压力变送器参数时，传统的模拟信号变送器只能在现场进行，而智能压力变送器可以通过现场总线在控制室完成。信息集成是工厂自动化的需要，来自工厂底层设备（入传感器、变送器、执行器等）的信息量很大，它们通常分布在非常
17、广的围。采用统一的一对一接线方式，用电压或电流的模拟信号进行测量、控制等，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换。随着数字通信技术和半导体技术的发展，需要开发一种适用于工业现场控制过程应用的网络结构和网络协议，现场总线便是在这样的背景下产生的。现场总线是一单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用数字通信总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制的网络系统与控制系统。采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息子啊现场就地完成处理，减少现场与控制一方之间的信息往返
18、。如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是有没有理解他的实质，现场总线可以从现场设备获取大量丰富信息，能够更好地满足工厂自动化及 ERP 系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不仅可以取代420mA 信号，还能实现设备状态，故障碍诊断及参数信息传递。与传统一对一的 I/O 连接防止比较，采用先进的 Profibus 现场总线连接方式不仅节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。根据测算，可节约安装费用60%。不仅如此，利用现场总线连接方式，还可以从每台设备中获取大量的过程数据，而传统的 I/O 连接方式，一般每台设备只能提供单一的过程信号。下面以其中一台变送器为例，简单介绍一下其连接
19、方法。-.总结资料-硬件方面。在 DCS 系统中，每台变送器作为各个从站，通过 Profibus 总线，远程变送器将所需数据传送到主站 CPU 中。软件方面。DP 总线上的每个从站都有惟一的地址，以便主站查询。利用编程软件将变送器进行组态，打开第一台变送器，进行组态编程，再用 DCS 的编程软件按字节定义分配将变送器中的数据读出，这样一台变送器就连接好了。四、小结目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF 和 Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。高速现场总线主要应用于控制网的互连，连
20、接控制计算机、PLC 等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。参考文献：1、申忠宇，瑾主编.基于网络的新型集散控制系统.：化学工业，2009.12.2、田宪惠主编.现场总线技术及其应用M.：清华大学.1999.3、林瑞全，邱公伟.利用现场总线技术实现对系统的网络集成式全分布控制.中国仪器仪表，2001.1.4、田小果.现场总线控制系统的应用探讨.自动化与仪器
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