浅谈现场总线及对自动化领域的影响

1浅谈现场总线及对自动化领域的影响中国有色工程设计研究总院张桂苓摘要：本文介绍了现场总线的技术特点，现场总线控制系统与传统控制系统的不同之处以及对自动化领域的影响。关键词：现场总线现场总线控制系统Topic:FieldbusandtheEffectonAutomationFieldAbstract:Thispaperintroducesthetechnicalcharacteristicsoffieldbusandthedifferencebetweenfieldbuscontrolsystemandtraditionalcontrolsystemaswellasdescribtionabouttheeffectoffieldbusonautomationfield.Keyword:fieldbus，fieldbuscontrolsystem现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通讯系统。可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率快、系统安全符合环境保护要求、造价低、维护成本低是现场总线的特点。过去，工业过程控制仪表一直采用标准的4~20mA模拟信号，工业控制过程对现场信号的采集、传输和数据转换提出了更高的要求，随着数字通讯技术、网络技术和微处理技术的迅猛发展，把传统的数字信号和模拟信号混合的系统变成全数字信号系统成为可能。这项以智能传感、控制、计算机、数据通讯为主要内容的综合技术导致自动化系统结构与设备的深刻变革，并在国际上得到越来越多的推广和应用。2现场总线系统的结构特点现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。在传统控制系统中，现场层设备和控制器之间的连线采用I/O连接方式，即位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间；控制器与位于现场的执行器、开关之间均为点对点连接。如图1所示。这种传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统所具有的主要缺点是：信息集成能力不强，靠点对点的I/O连线来获取信息量极为有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成了工厂中的信息孤岛。系统不开放，系统软硬件通常只能使用一家产品。不同厂商的产品缺乏互操作性和互换性。可靠性不高，大量的I/O电缆及敷设施工不仅增加成本，也增加了系统的故障点。可维护性差，现场级设备信息不全，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等功能。基于现场总线的自动化监控系统（见图2）由于采用了智能现场设备，把原先位于控制室的控制功能模块、各输入输出模快直接置于现场的智能设备之中。实现I/O连线现场信号4-20mA或24VDC车间级车间级监控网现场级图1传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统3了彻底的分散控制。采用数字信号替代模拟信号，可用一条电缆将带有通讯接口的智能化现场设备连接起来，传输多个信号，包括多个现场设备的运行参数值、设备状态、故障信息。现场设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样不仅简化了控制系统的结构，而且节约了大量连接电缆和安装维护费用。现场总线系统的技术特点现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织ISO的开放互连系统模型OSI来制定的。它结合工业控制的需要，对OSI的体系结构进行了优化组合，省略了一些中间层，它主要包括四个部分：物理层（ThePhysicalLayer）、数据链路层（TheDataLinkLayer）、应用层（TheApplicationLayer）、用户层（TheUserLayer）。这种去工厂级骨干网（以太网）操作员站操作员站工程师站网桥PLC控制PLC控制器I/O连线现场信号4-20mA或24VDC远程I/O从站智能化现场设备智能化现场设备现场总线现场总线车间级监控(ProfibusDP)(ProfibusDP)远程I/O从站图2基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统4简化保证了通讯的速度。现场总线在技术上具有以下特点：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互连为系统并实现信息交换。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。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把来自不同厂商的性能价格比昀优的产品组成大小随意的系统，实现即插即用。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，对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路；而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行更换而实现相互替换。现场设备的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。系统结构的高度分散性。现场总线构成了一种新的全分散性自动化系统的体系结构，从根本上改变了现有DCS集散控制体系，简化了系统结构，它的信号传输实现全数字化，这种方法极大地提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信号传输过程中所存在的信号衰减、精度下降、干扰信号的引入等长期难以解决的问题。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现场环境而设计的，所支持的通讯媒体可以是双绞线、同轴电缆、光纤和电力线等。抗干扰能力强，能采用两线制实现送电与通讯。并可满足本质安全防爆要求等。5现场总线对自动化领域的影响现场总线控制系统的优越性是不可置疑的。今后的工业自动控制系统向开放型体系结构发展是大趋势，由现场总线I/O器件为构成的分散型控制系统将会改变自动控制系统的结构，新型的全数字控制系统的出现，将充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，有利于企业实施综合自动化策略。现场总线的开放性结构和相互可操作性，使用户方便地组成低成本、高可靠和可重组的系统，即组成电气控制、仪表控制和计算机控制一体化控制系统。总之，以现场总线为基础的全数字化网络控制系统是21世纪控制系统的主要形式，代表着自动化技术的发展方向。参考文献吴秋峰主编《自动化系统计算机网络》机械工业出版社2001作者简介：张桂苓女高级工程师61982年毕业于西安交通大学电气技术及自动化专业长期从事有色冶金企业的电气设计工作。联系方式：010-63962233-3120手机：[phone]BriefIntroductionoftheAuthor:Name:GuilingZhangFemaleSeniorEngineerat:ChinaCentralEngineering&ResearchInstituteforNon-FerrousMetallurgicalIndustriesMajoredinelectricaltechnique,graduatedfromXi’anJiaotongUniversityin1982,hasengagedinelectrical&automationdesignfornon-ferrousmetallurgicalindustriesforalongtime.投稿日期：2003年2月17日文献标识码：B中图分类号：TP273（自动控制、自动控制系统）