2物流自动化技术——现场总线控制系统

• 计算机控制系统的早期,采用一台小型机控制几十条控制回 路,目的是降低每条回路的成本.但由于计算机的故障将导致 所有控制回路失效； • 后来发展成分布式控制(DCS),即由多台微机进行数据采集和 控制,微机间用局域网(LAN)连接起来成为一个统一系统.DCS 沿用了二十多年,其优点和缺点均充分显露.最主要的问题仍 然是可靠性:一台微机坏了,该微机管辖下的所有功能都失效 ;一块AD板上的模/数转换器坏了,该板上的所有通道(8或16 个)全部失效.曾有过采用双机双I/O等冗余设计,但这又增加 了成本,增加了系统的复杂性. • 为了克服系统可靠性,成本和复杂性之间的矛盾,更为了适应 广大用户要求的系统开放性,互操作性要求,实现控制系统的 网络化,一种新型控制技术——现场总线控制系统(FCS)正迅 速发展起来.
FCS的关键
2.2 现场总线分类及标准
2.2.1 现场总线标准的发展历史
• 1984年IEC提出现场总线国际标准的草案.1993年才通过 了物理层的标准IEC61158-2,并且在数据链路层的投票过 程中几经反复. • 发展61158现场总线的本意是"排他的和联合的",各自独 立的"现场总线"将给用户带来许多头疼的技术问题,牺牲 的是用户的利益. • 在现场总线领域里,德国派(ISP,Interoperable System Project,可互操作系统规划,是一个以Profibus为基础制 定的现场总线国际组织)和法国派(WORLD FIP)的对持十 分激烈,互不相让,以至于IEC无法通过国际标准. • 1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下 ,ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation,现场 总线基金会), 推出了FF现场总线.IEC投票的文本就是以 FF为蓝本的方案.这是现场总线发展的主流方向.
现场总线的特点
• 现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接 方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法, 它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数 据传输,同时在保证传输实时性的情况下实现信息 的可靠性和开放性. (1)布线简单 这是大多现场总线共有的特性,现场总线的最大革 命是布线方式的革命,最小化的布线方式和最大化 的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大大 降低.由于采用串行方式,所以大多数现场总线采 用双绞线,还有直接在两根信号线上加载电源的总 线形式.这样,采用现场总线类型的设备和系统给 人明显的感觉就是简单直观.
2.1.3 DCS/FCS比较
• 扩展性：DCS系统是个大系统，其控制器功能强 而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系 统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后 的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息 处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使 得控制器功能与重要性相对减弱。因此，FCS系 统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。 • 开放性：DCS系统是封闭式系统，各公司产品基 本不兼容。而FCS系统是开放式系统，用户可以 选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总 线，达到最佳的系统集成。
• 4)分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站 ，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构 成虚拟控制站。由于功能块分散在多台仪表中，并可统一 组态，故供用户灵活选用各种功能，构成所需的控制系统 ，实现彻底地分散控制。 • 5)通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信 线上摄取能量，对于要求本质安全（本安）的低功能现场 仪表，可以采用这种供电方式。 • 6)开放式互联网络 现场总线为开放式互联网络，它既可 以于同层网络互联，也可与不同层网络，还可以实现网络 数据库的共享，不同的制造商的网络互联十分简便，用户 不必在硬件或软件上花太多气力。通过网络对现场设备和 功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构 成统一的FCS。
2 现场总线控制系统
• • • • • 2.1 现场总线的概念 2.2 现场总线分类及标准 2.3 主要的现场总线比较和选择 2.4工业以太网现场总线技术 2.5 西门子S7-300及MPI/PROFIBUS组网
2.1 现场总线的概念
2.1.1现场总线的发展
• 现场总线控制系统技术是20世纪80年代中期在国际上发展 起来的一种崭新的工业控制技术. • 现场总线控制系统(FCS)的出现引起了传统的PLC和DCS控制 系统基本结构的革命性变化. • 现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术 含量较低的布线工作量,使其系统检测和控制单元的分布更 趋合理. • 从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络 选择设备. • 20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国； • 结合Internet 和Intranet 的迅猛发展,现场总线控制系统 技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性.现场 总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点.
(2)开放性 一个总线必须具有开放性,这指两个方面:一方面能与不同 的控制系统相连接,也就是应用的开放性;另一方面就是通 讯规约的开放,也就是开发的开放性.只有具备了开放性,才 能使得现场总线既具备传统总线的低成本,又能适合先进控 制的网络化和系统化要求. (3)实时性 总线的实时性要求是为了适应现场控制和现场采集的特点. 一般的现场总线都要求在保证数据可靠性和完整性的条件 下具备较高的传输速率和传输效率.总线的传输速度要求越 快越好,速度越快,表示系统的响应时间就越短,但是传输速 度不能仅靠提高传输速率来解决,传输的效率也很重要.传 输效率主要是有效用户数据在传输帧中的比率，还有成功 传输帧在所有传输帧的比率. (4)可靠性 一般总线都具备一定的抗干扰能力,同时,当系统发生故障 时,具备一定的诊断能力,以最大限度的保护网络,同时较快 的查找和更换故障节点.总线故障诊断能力的大小是由总线 所采用的传输的物理媒介和传输的软件协议决定的,所以不 同的总线具有不同的诊断能力和处理能力.
• 由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准,它的成立实质 上意味着工业界将摒弃ISP(含PROFIBUS)和WORLD FIP.它的 成立导致了德国派ISP立即解散;法国派(WORLD FIP)已经明 确表示不反对IEC的方案,并且可以友好地与IEC方案互联, 甚至提出了与FF"无缝连接"方案;而剩下的德国派PROFIBUS 因为与FF的方案和技术途径不同,过渡将是非常困难,因此 强烈反对IEC方案以保住市场份额.但是PROFIBUS提出的技 术理由仅仅是一些支节问题,于是一些评论认为它是出于商 业利益的驱动去反对FF,国际上的现场总线之争已经演变成 为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的"联合派"竞争.有趣的 是工业国家的大公司往往"脚踏几条船"加入各种现场总线 以获得更多的商业利益,如最能说明问题的是最主要的反对 者西门子公司(PROFIBUS主要成员)也参加了FF.这种具有特 殊意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于 明显的劣势.
传统的过程控制系统
现场总线控制系统
2.1.2 现场总线的定义和特点
• 从名词定义来讲,现场总线是用于现场电器,现场仪表及现场 设备与控制室主机系统之间的一种开放的,全数字化,双向, 多站的通信系统. • 现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间 如何交换数据. • 数据的传输介质可以是电线电缆,光缆,电话线,无线电等等. • 通俗地讲,现场总线是用在现场的总线技术. • 传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式,从PLC控制各 个电器元件,对应每一个元件有一个I/O口,两者之间需用两 根线进行连接,作为控制和/或电源.当PLC所控制的电器元件 数量达到数十个甚至数百个时,整个系统的接线就显得十分 复杂,容易搞错,施工和维护都十分不便. • 为此,人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起,用一根导线 来连接所有设备,所有的数据和信号都在这根线上流通,同时 设备之间的控制和通信可任意设臵.因而这根线自然而然地 称为了总线,就如计算机内部的总线概念一样.由于控制对象 都在工矿现场,不同于计算机通常用于室内,所以这种总线被 称为现场的总线,简称现场总线.
DCS/FCS比较
• 远方诊断、维护和组态：DCS它可以控制和监视 工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但 是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的 模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对 现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断 、维护和组态。FCS采用全数字化技术，数字智 能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量 信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS采 用的是双向数字通信现场总线信号制。因此，它 可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行 远方诊断、维护和组态。FCS的这点优越性是 DCS无法比拟的。
• (1)FCS系统的核心是总线协议，即总线标准 一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设 备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都 以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。 • (2)FCS系统的基础是数字智能现场装置 数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，FCS系 统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制 。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，不具备数字 通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线 控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。 如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也 就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。 • (3) FCS系统的本质是信息处理现场化 对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的 信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多 的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线 缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一 方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息 往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。
EC/SC65C的定义，安 装在制造或过程区域的现场装臵与控制室 内的自动控制装臵之间的数字式、串行和 多点通信的数据总线称为现场总线。 • 现场总线是连接智能现场设备和自动化系 统的数字式、双向传输、多分支结构的通 信网络。
现场总线的实质含义
• 1)现场通信网络 用于过程以及制造自动化的现场设备或 现场仪表互联的通信网络。 • 2)现场设备互联 现场设备或现场仪表是指传感器、变速 器和执行器等，这些设备通过一对传感线互联，传输线可 以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需 要因地制宜地选择不同类型的传输介质。 • 3)互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何 一家制造商可以提供一个工厂所需要的全部现场设备，所 以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户希望 对不同品牌的现场设备统一组态，构成他所需的控制回路 。这些就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互联 是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成 FCS。
DCS/FCS比较
• 布线及施工：FCS由于信息处理现场化，与DCS 相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终 端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O 装置及装置室的空间与占地面积。有专家认为可 以省去60%。FCS可以减少大量电缆与敷设电缆 用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费 用。有专家认为可以节省66%。FCS相对于DCS 组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、 运行、维护。
DCS/FCS比较
• 精度：DCS系统的信息全都是二进制或模 拟信号形成的，必须有D/A与A/D转换。而 FCS系统是全数字化，就免去了D/A与A/D 变换，高集成化高性能，使精度可以从 ±0.5%提高到±0.1%。 • 控制周期：FCS系统可以将PID闭环控制功 能装入变送器或执行器中，缩短了控制周 期，目前可以从DCS的每秒2~5次，提高到 FCS的每秒10~20次，从而改善调节性能。