1、前言

目前,在工業(yè)過程控利領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新興的控制技術(shù),即現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus),它是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)微機(jī)化測(cè)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng),也既為開放式,數(shù)字化,多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)∫萼郑現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)順應(yīng)了“智能化,數(shù)寧化,信息化,網(wǎng)絡(luò)化,分散化”的當(dāng)今自控技術(shù)發(fā)展的主流,是當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn),代表了工業(yè)控制領(lǐng)域今后的一種發(fā)展方向,使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上出現(xiàn)巨大的飛躍,形成廠新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem),對(duì)傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)Dcs(DistributionControlSystem)造成了沖擊⊥鞯現(xiàn)場(chǎng)總線正逐步在過程自動(dòng)化,制造自動(dòng)化,智能樓宇,交通等各行業(yè)得到推廣應(yīng)用。

2抬旺、現(xiàn)場(chǎng)總線

2.1Fieldbus產(chǎn)生背景

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)起源于用戶現(xiàn)場(chǎng)控制信息傳遞弊予、維護(hù)管理等方面的要求,是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的。

60年代-70年代,處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的傳統(tǒng)測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng),采用兩線制電壓電流模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制,70年代中期,形成集散控制系統(tǒng)DCS,采用三層結(jié)構(gòu)模式,存在線路多,維護(hù)管理麻煩,且各開發(fā)商的DCS遵循各自的標(biāo)準(zhǔn),不能互聯(lián),以及難于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間和系統(tǒng)與外界之間的信息交換等,嚴(yán)重制約了系統(tǒng)本身的發(fā)展开财。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)場(chǎng)有越來越多的信息需要往上傳,通信技術(shù)越來越往下延伸到現(xiàn)場(chǎng),信息溝通聯(lián)絡(luò)的范圍不斷擴(kuò)大块促。為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息集成,實(shí)施綜合自動(dòng)化,使模擬儀表向智能化儀表發(fā)展、工業(yè)控制分立設(shè)備向共享設(shè)備發(fā)展床未、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)從TOP竭翠、MAP向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展,最終用戶需要一種適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行、可靠性高薇搁、實(shí)時(shí)性強(qiáng)祠劣、造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單挺皆、維護(hù)方便的控制系統(tǒng),以形成工廠的底層網(wǎng)絡(luò),完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信耗萝、以及自動(dòng)化系統(tǒng)與外界的信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線就是／在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的否因。它是以自動(dòng)控制舆佩、自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)榔晃、通信泌榕、微電子為主要內(nèi)容的一門綜合技術(shù),是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。

現(xiàn)場(chǎng)總線把專用微處理器植入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表,使它們各自都具有丁獨(dú)立承擔(dān)某些控制招殊、數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力气岁。提高丁信號(hào)的測(cè)量、控制秆候、傳輸精度和速度,同時(shí)豐富信息的內(nèi)容∑挚埃現(xiàn)場(chǎng)總線可采用多種傳輸介質(zhì),如用普通電纜、雙絞線刺洒、光纖鳖宾、紅外線、甚至電力傳輸線等,把多個(gè)測(cè)量控制儀表逆航、計(jì)算機(jī)等作為節(jié)點(diǎn)連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在現(xiàn)場(chǎng)總線的環(huán)境下,借助現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其它網(wǎng)段,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享,實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程控制《ξ模現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備與傳統(tǒng)自控設(shè)備相比,拓寬了信息內(nèi)容,提供傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關(guān)動(dòng)作次數(shù)渔肩、故障診斷等信息,便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和自控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)漂问。

2.2Fieldbus技術(shù)特點(diǎn)

(1)開放性赖瞒、互操作性和互換性

遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),可實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作性和互換性。也就是說,用戶可以把遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家蚤假、不向品牌栏饮、功能相同的產(chǎn)品集成在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi),構(gòu)成FCS,并可在同功能的產(chǎn)品之間進(jìn)行相互替換,使用戶具有了自控設(shè)備選擇、集成的主動(dòng)權(quán)磷仰。

(2)數(shù)字化通信

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有數(shù)字通信功能袍嬉。利用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào),其傳輸抗干擾性強(qiáng),測(cè)量精度高,大大提高了系統(tǒng)性能。

(3)智能化與功能自治性

智能化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多種先進(jìn)的功能,如簡(jiǎn)單控制功能灶平、檢測(cè)伺通、變換、診斷和運(yùn)算等,可現(xiàn)場(chǎng)就地及時(shí)處理信息,不使信息過多地往返于網(wǎng)絡(luò)上傳遞,提高傳輸速度和減小控制響應(yīng)時(shí)間帆伯。

(4)高度分散性

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化,實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制,位控制系統(tǒng)功能不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表,而在現(xiàn)場(chǎng)完成,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了可靠性嫌隆。

(5)適應(yīng)性

指對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性,含電磁環(huán)境,氣候環(huán)境,機(jī)械環(huán)境。大部分現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)是線狀的,且采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電和通信,易解決網(wǎng)絡(luò)供電代投、本安防爆等問題,具有較強(qiáng)抗干擾能力荷况。

3、DCS

3.1DCS的產(chǎn)生

70年代工業(yè)的發(fā)展使生產(chǎn)過程日益復(fù)雜,規(guī)模更加擴(kuò)大,在生產(chǎn)中采用原來的集中控制系統(tǒng),可靠性差,出現(xiàn)事故時(shí)會(huì)中斷生產(chǎn),為提高可靠性,滿足生產(chǎn)過程控制要求,70年代初,美國(guó)日本利歐洲等國(guó)開始研制集散型控制系統(tǒng)(DCS)灾您。DCS是計(jì)算機(jī)梆甘、通信、CRT和控制技術(shù)的結(jié)合烛辜。

3.2DCS的技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)的—些主要特點(diǎn)為:

(1)控制功能強(qiáng)江伴。可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律,如串級(jí)臂葫、前饋踢臀、解耦、自適應(yīng)郎抖、最優(yōu)和非線性控制等,也可實(shí)現(xiàn)順序控制哟蝉。

(2)系統(tǒng)可靠性高。

(3)采用CRT操作站有良好的人機(jī)交互接口茫舶。

(4)軟硬件采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)。

(5)系統(tǒng)容易開發(fā)刹淌。

(6)用組態(tài)軟件,編程簡(jiǎn)單,操作方便饶氏。

(7)具有良好的性價(jià)比。

DCS是以微處理器為核心,實(shí)現(xiàn)地理上和功能上相對(duì)分散的控制系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)通道把各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中起來,進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作,它具有事故分析有勾、性能計(jì)算疹启、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)古程、分析、各種報(bào)表生成喊崖、打印等功能,目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到非常廣泛的應(yīng)用挣磨。在DCS系統(tǒng)中,測(cè)量變送,執(zhí)行器一般由模擬儀表來完成,他們與控制室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成控制系統(tǒng),是模擬和數(shù)字混合系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜規(guī)律的控制。

4荤懂、PLC

可編程控制器(PLC)是60年代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制裝置,是一種嵌入式的工控機(jī),他以順序控制為主,回路調(diào)節(jié)為輔,能完成邏輯判斷茁裙、定時(shí)、計(jì)數(shù)节仿、記憶和算術(shù)運(yùn)算功能,既能進(jìn)行開關(guān)量控制,又能進(jìn)行模擬量控制,還具有通信功能晤锥。隨著自動(dòng)控制技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,PLC的發(fā)展十分迅速,一方面繼續(xù)開發(fā)簡(jiǎn)易,價(jià)格低廉,超小型產(chǎn)品,另一方面轉(zhuǎn)向大型、多功能罩泰、系列化鬼浮、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化產(chǎn)品的研制孝生。在單臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)化全头、多臺(tái)設(shè)備自動(dòng)化和整個(gè)工廠的生產(chǎn)過程自動(dòng)化,PLC在其中充當(dāng)著重要作用。

5据将、發(fā)展應(yīng)用

當(dāng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后,人們對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程的控制提出了更高的要求,企業(yè)與外界信息溝通的范圍不斷擴(kuò)大,這就需要把大量的現(xiàn)場(chǎng)信息送到外面,又需要遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行診斷咽露、維護(hù)和服務(wù),實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)控制到監(jiān)控、管理冈彭、決策等各層次的信息交換和集成】闻悖現(xiàn)場(chǎng)總線順應(yīng)了這種要求的發(fā)展。

現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)為:

(1)系統(tǒng)功能擴(kuò)充骏点、結(jié)構(gòu)改型方便贱钩。

(2)降低系統(tǒng)部分成木。節(jié)省控制柜,大幅度減少導(dǎo)線谷芬、電線橋架唉堪、接插件等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。

(3)系統(tǒng)可靠性高肩民。由于全數(shù)字化信號(hào)精度比傳統(tǒng)的模擬信號(hào)高,高度分散控制使風(fēng)險(xiǎn)得到徹底分散唠亚。

(4)系統(tǒng)可維護(hù)性好。智能化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有自診斷功能,使設(shè)備的預(yù)防性診斷和維護(hù)得以實(shí)現(xiàn)持痰。

(5)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)灶搜。在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)集成中遇到的不兼容協(xié)議、接口等問題得到了解決,用戶可以自由選擇不同廠商所提供的產(chǎn)品來集成系統(tǒng)工窍。

(6)提供更豐富的現(xiàn)場(chǎng)信息,能夠更深入地掌握現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程情況割卖、設(shè)備儀表信息。

作為開放互連系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線,首先必須有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),但由于諸多原因,已經(jīng)在不同領(lǐng)域形成了頗具影響的幾大總線系列,如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)患雏、LonWorks鹏溯、PROFIBUS罢维、CAN、HART等丙挽。當(dāng)然,多種現(xiàn)場(chǎng)總線之間的良性競(jìng)爭(zhēng),有利于FCS技術(shù)的提高和發(fā)展,也有利于產(chǎn)品價(jià)格的降低和用戶系統(tǒng)投資成本的減小,但是,發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),是現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展方向,也是廣大用戶的要求肺孵。

現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)過程控制技術(shù)的發(fā)展主流,可以說FCS的發(fā)展應(yīng)用是自動(dòng)化領(lǐng)域的一場(chǎng)革命,也既要“革”傳統(tǒng)儀表的命,同時(shí)向傳統(tǒng)DCS發(fā)出了挑戰(zhàn)。對(duì)于DCS的發(fā)展過程,因?yàn)槭苡?jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存在的一些缺陷影響,造成各生產(chǎn)開發(fā)商的產(chǎn)品自成一體,較難實(shí)現(xiàn)互換和互操作,系統(tǒng)也難了與外界進(jìn)行信息交換,這樣對(duì)用戶來說,使企業(yè)的信息集成存在一定的困難颜阐；另外,DC3的控制分散也并不是徹底的分散,控制功能是通過各個(gè)集中的過程控制站如PLC來完成,許多方面的性能與FCS相比有較大差距盘塘。但是,DCS在當(dāng)前情況下仍具有較強(qiáng)的生命力,其理由為:(1)近年來DCS技術(shù)的成熟以及廣泛應(yīng)用,DCS在可靠性、開放性馁掺、標(biāo)準(zhǔn)化方面大大前進(jìn)了一步晓够。(2)DCS的價(jià)格大幅度下降。(3)DCS能夠滿足目前的生產(chǎn)控制要求,用戶習(xí)慣容易接受寻币。(4)FCS正在發(fā)展過程之中,某些方面還不是十分完美擅锚。比如說現(xiàn)場(chǎng)總線的線狀結(jié)構(gòu),一旦總線某支路的電纜斷了,這條文路的運(yùn)行就癱瘓了。又如系統(tǒng)組態(tài)鉸復(fù)雜,不易將系統(tǒng)設(shè)置到最佳狀態(tài)等瓶虽。(5)目前現(xiàn)場(chǎng)總線儀表與常規(guī)儀表相比價(jià)格仍然較貴,硬要去追求潮流,將企業(yè)現(xiàn)有的運(yùn)行良好的傳統(tǒng)儀器儀表更新成智能儀器儀表,以及將DCS改換成FCS不是很現(xiàn)實(shí)的赊真。基于亡述原因,DCS現(xiàn)在仍是大多數(shù)用戶選擇的主流控制系統(tǒng)珍诡。FCS作為一個(gè)完整的控制系統(tǒng),也需要具有類似于DCS那樣的監(jiān)控管理系統(tǒng),FCS的發(fā)展不是對(duì)DCS的絕對(duì)否定,既有在它們基礎(chǔ)上對(duì)優(yōu)點(diǎn)的繼承,又具有自己特色的變革部分盒蚁。雖然傳統(tǒng)DCS屬非開放式專用網(wǎng)絡(luò),但根據(jù)目前的實(shí)際情況,將出現(xiàn)通過特殊的網(wǎng)關(guān)將DC3掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上,或作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的—個(gè)特殊的子網(wǎng),形成現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS并存的局面。傳統(tǒng)的DCS在—個(gè)過渡階段內(nèi),仍會(huì)在一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,而且,DCS如果能融合FCS的優(yōu)勢(shì)技術(shù),將會(huì)是“柳暗花明又一春”尼袁。

在FCS中,智能儀器儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表,控制功能下放分散到現(xiàn)場(chǎng),PLC的作用將被取代嗎陋晒？答案是否定的。PLC是一種面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制裝置,它的特點(diǎn)為:(1)高可靠性和抗擾能力,可適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境化焕。(2)I／O模塊化,智能化,方便組合和擴(kuò)充萄窜。(3)操編程方便。(4)完善的監(jiān)視和診斷功能撒桨。我們應(yīng)該看到PLC的直觀查刻、簡(jiǎn)單、價(jià)格低凤类、易維護(hù)穗泵、高可靠性等特點(diǎn),并且現(xiàn)在的PLC不再是原來只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制和PID調(diào)節(jié)等功能的PLC,隨著模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)谜疤、遺傳算法等學(xué)科的日益成熟,PLC可以而且已經(jīng)不斷融合這些及其他先進(jìn)的技術(shù),佼控制佃延、通信等功能不斷增強(qiáng),現(xiàn)在,模糊控制功能已植入到了PLC內(nèi),產(chǎn)品已經(jīng)投放到了市場(chǎng),控制功能更加強(qiáng)大。再者,在FCS中,PLC作為FCS中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),可完成現(xiàn)場(chǎng)的一些復(fù)雜控制功能,使它不會(huì)受到FCS發(fā)展的影響而被淘汰,所以不管是在FC3中還是在DC3中,PLC還會(huì)在系統(tǒng)中作為一個(gè)重要的角色存在,而且發(fā)展前景將更加廣闊夷磕。

6苇侵、結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)總線代表了一種有突破意義的新的控制思想,它開辟了控制領(lǐng)域的一個(gè)新時(shí)代。FCS是工控領(lǐng)域發(fā)展的主流,DC3在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍具有旺盛的生命力,而PLC通過不斷的發(fā)展,將在工控系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮它的強(qiáng)大的控制功能企锌。作為最終用戶,希望的是選用順應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流,系統(tǒng)投入榆浓、運(yùn)行成本低,可靠性高,管理維護(hù)容易,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易擴(kuò)充和具有高度系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)的控制系統(tǒng)。

來源:傳動(dòng)網(wǎng)

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