基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)

[摘要] 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，引起傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變。一些自動(dòng)化軟件公司充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開放性的特點(diǎn)，以自主開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件為核心，推出基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)。本文描述了PLC控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場(chǎng)總線先進(jìn)控制系統(tǒng)的演變過程，分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及市場(chǎng)前景。 [關(guān)鍵詞] 現(xiàn)場(chǎng)總線、FCS、PROFIBUS、PLC、分布式控制系統(tǒng) [Abstract] The development of feildbus technology results in the changes in the construction of the traditional control system. Some automation software company promotes their Advanced Control System Based on the Feilbus by the core of the control software self-developed. The thesis describe the procedure of the PLC control system evolving into Advanced Control System Based on the Feilbus, and analysis the construction of the system and its potential market [Key word] Feilbus、FCS、PROFIBUS、PLC、DCS 1. 概述 計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步；特別是近十年來興起的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（Filedbus），是計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的延伸，它的發(fā)展將促使自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，是傳統(tǒng)的基于PLC及DCS控制技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其開放性，允許并鼓勵(lì)不同廠家按照現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，自主開發(fā)具有特點(diǎn)及專有技術(shù)的產(chǎn)品。依照現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)規(guī)范，不同廠家產(chǎn)品可以方便完成組態(tài)與集成，構(gòu)成面向行業(yè)、適合行業(yè)特點(diǎn)的自主控制系統(tǒng)。這一特點(diǎn)為更多的自動(dòng)化產(chǎn)品制造商自主開發(fā)并推出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化系統(tǒng)提供了可能。也為自動(dòng)化系統(tǒng)集成商開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的成套技術(shù)和自動(dòng)化系統(tǒng)提供了機(jī)會(huì)。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、開放性的優(yōu)點(diǎn)，必然成為未來自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流。基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Filedbus Control System-FCS）與人們預(yù)想的一樣，對(duì)傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預(yù)測(cè)、一種設(shè)想，而是實(shí)實(shí)在在的作為先進(jìn)控制系統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)在市場(chǎng)上。本文將描述傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的演變過程，以現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS為背景，描述一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并分析系統(tǒng)的市場(chǎng)前景。 本文中提到的一些名詞及縮寫： FCS：基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Filedbus Control System-FCS） 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；指現(xiàn)場(chǎng)級(jí)檢測(cè)及執(zhí)行設(shè)備，如傳感器、變送器、開關(guān)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、指示及顯示設(shè)備、人機(jī)操作接口等。 基于PLC的控制系統(tǒng)： 指以PLC、遠(yuǎn)程I/O及PLC網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)。 控制器：現(xiàn)場(chǎng)總線中的一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)。至少具備總線通信與管理、邏輯執(zhí)行等功能。 2. 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的演變 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其開放性，允許并鼓勵(lì)不同廠家按照現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，自主開發(fā)具有特點(diǎn)及專有技術(shù)的產(chǎn)品。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)引入自動(dòng)化控制系統(tǒng)，促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化，逐步形成基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)FCS。 2.1 從PLC到通用工業(yè)PC (1) 在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，控制器（或稱CPU、或處理器）與I/O模塊及其它功能模塊、機(jī)架為同一系列產(chǎn)品，有一致的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。典型的結(jié)構(gòu)是I/O模塊及其它功能模塊通過機(jī)架背板上的總線（公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品而自定義總線）連接。機(jī)架擴(kuò)展也是自定義總線的擴(kuò)展。這些產(chǎn)品的連接技術(shù)都是封閉的，第三方要想開發(fā)兼容產(chǎn)品必須得到廠家允許。 (2) 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)中，控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅(qū)動(dòng)器等）連接是通過標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產(chǎn)品（這與插在PLC機(jī)架上的I/O模塊的配置方法不同），可使用任何一家的具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標(biāo)準(zhǔn)的、通用的硬件平臺(tái)--工業(yè)計(jì)算機(jī)（Industrial Compact Computer），如Intel/Windows類PC機(jī)。近年來嵌入式控制器（如PC/104產(chǎn)品）的發(fā)展和WINDOWS-CE的推出，使用嵌入式控制器硬件和WINDOWS-CE軟件作為控制器平臺(tái)。 采用通用的工業(yè)PC做控制系統(tǒng)控制器優(yōu)點(diǎn)如下： A、開放性、標(biāo)準(zhǔn)化：系統(tǒng)軟件與控制器硬件不在維持捆綁關(guān)系，專業(yè)自動(dòng)化軟件廠家可以獨(dú)立開發(fā)不依賴于控制器品牌的FCS系統(tǒng)軟件?；赪indows/NT的操作系統(tǒng)平臺(tái)，具有大量的標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具和數(shù)據(jù)文件格式可以兼容。 B、價(jià)格：通用的工業(yè)PC容易形成規(guī)模經(jīng)營(yíng)，因此，價(jià)格比PLC便宜。 C、性能指標(biāo)高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快：通用的工業(yè)PC搭乘PC機(jī)技術(shù)發(fā)展快車，技術(shù)指標(biāo)高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快。 D、向上連接計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)（如IEC802。3 TCP/IP）技術(shù)成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術(shù)與管理層數(shù)據(jù)庫(kù)連接。 2.2 從PLC的I/O模塊到現(xiàn)場(chǎng)總線分布式I/O 在FCS系統(tǒng)中，插在控制器機(jī)架上的I/O模塊將被連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產(chǎn)品，而是第三方廠家的產(chǎn)品；廉價(jià)的、專用的、具有特殊品質(zhì)的I/O模塊（如高防護(hù)等級(jí)、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號(hào)等）將具有廣闊市場(chǎng)。FCS的控制器與傳統(tǒng)PLC配置方式的比較見圖1。 從PLC I/O控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如傳感器、變送器、開關(guān)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等；傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)使用I/O連線與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量4-20mA或開關(guān)量（如24VDC）控制監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。在FCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口，控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。 2.4 系統(tǒng)軟件 在傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件（包括PLC系統(tǒng)軟件和編程軟件）與PLC硬件聯(lián)系緊密，技術(shù)上對(duì)外是封閉的。在FCS系統(tǒng)中，控制器采用通用工業(yè)PC平臺(tái)，系統(tǒng)軟件不再與控制器、I/O、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等硬件捆綁，可運(yùn)行在通用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC+WINDOWS/NT平臺(tái)上。 3. 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)組成 以工業(yè)PC機(jī)及Windows/NT為平臺(tái)，加載FCS系統(tǒng)軟件做控制器；通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這便是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)的基本組成。下面以現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS為例，虛構(gòu)一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS的先進(jìn)控制系統(tǒng)--ACSBPB（Advanced Control System Based on PROFIBUS technology），說明基于現(xiàn)場(chǎng)總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)組成。 3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）概況 現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS技術(shù)于1987年，由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出；1989年批準(zhǔn)為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DIN19245。經(jīng)應(yīng)用完善后，于1996年6月批準(zhǔn)為歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) EN50170 V.2。目前，根據(jù)國(guó)際IEC標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)達(dá)成的關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的妥協(xié)方案，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)已成為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的一個(gè)組成部分。 目前國(guó)際上有250多家企業(yè)，生產(chǎn)1600多種符合PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中已有200多萬個(gè)設(shè)備安裝運(yùn)行。應(yīng)用涉及到工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)主要領(lǐng)域，包括：制造業(yè)自動(dòng)化（汽車制造、裝瓶系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)）樓宇自動(dòng)化（供熱、空調(diào)系統(tǒng)）、交通管理自動(dòng)化、過程自動(dòng)化（清洗工廠、化工和石化工廠、造紙和紡織品工業(yè) ）、電力工業(yè)和電力輸送（發(fā)電廠、開關(guān)裝置）。PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品在歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品市場(chǎng)占有率第一，超過40%。 PROFIBUS 用戶組織已建立了質(zhì)量認(rèn)證程序，在德國(guó)和美國(guó)建立了測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，包括硬件測(cè)試和一致性、互操作性測(cè)試。 3．2 現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS技術(shù)概要 (1) PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。PROFIBUS-PA專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，并有本征安全技術(shù)規(guī)范。PROFIBUS-FMS用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。 (2) PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu) PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型。PROFIBUS-DP、FMS、PA定義了第一、二、七層和用戶接口。第三到六層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，定義了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的行規(guī)。 (3) PROFIBUS傳輸技術(shù) PROFIBUS提供了四種數(shù)據(jù)傳輸類型：用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IEC1158-2傳輸及光纖、紅外傳輸。 (4) 設(shè)備類型：二類主站（DPM2）指可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。一類主站（DPM1）是可編程序控制器，如PLC、PC等。從站是指帶開關(guān)量或模擬量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如驅(qū)動(dòng)器、閥門等。 (5) 電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件（GSD） 為了將不同廠家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，廠家必須提供GSD文件（電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件），描述產(chǎn)品的功能參數(shù)。PROFIBUS組態(tài)工具可根據(jù)將廠商提供的GSD文件將其設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。 3. 3 基于現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）的先進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成 基于現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）的先進(jìn)控制系統(tǒng)ACSBPB是一個(gè)面向制造業(yè)自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)及車間級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 3.3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ACSBPB由2級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：底層是基于PROFIBUS-DP、PA的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備層控制系統(tǒng)；上一層是基于PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng)及TCP/IP的車間級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控層計(jì)算機(jī)向上支持工廠管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)接口及通信驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)庫(kù)接口。底層PROFIBUS-DP支持9.6K~12M的通信速率和中繼器（REPEATER）的擴(kuò)展功能。底層PROFIBUS-DP還支持基于光纖傳輸介質(zhì)的通信；可支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、總線及環(huán)<