现场总线技术在卷烟企业中的应用与发展

现场总线技术在卷烟企业中的应用与发展摘要由于采用现场总线技术将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护，用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备实现系统集成的最优化等一系列优点，现场总线技术已经成为自动化技术发展的热点。由于在现场总线技术的开始阶段没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品,制定现场总线标准,形成了百花齐放的局面。目前世界上存在着大约四十余种现场总线，典型的有Profibus现场总线、CAN现场总线、LonWorks现场总线、WorldFIP现场总线、HART现场总线、Interbus现场总线、SwiftNET现场总线等。本文将介绍各主流现场总线的特点，以某卷烟企业为例着重阐述几种现场总线在卷烟行业中的应用，并对总线技术在卷烟企业中的发展趋势进行阐述。关键词：现场总线，卷烟行业，工业以太网，现场总线porfbius-dp引言二十一世纪是信息经济的时代，网络成为各项信息交流的热门手段。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一,是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线,被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线作为工业数据通信网络的基础,沟通了生产过程现场级设备之间及其与更高控制管理层之间的联系,主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,是以智能传感器、控制计算机、数据通信为主要内容的组合技术。1、场总线控制系统的发展及其技术特点1．1现场总线的发展历程现场总线先后经历了模拟仪表控制系统（ACS）；集中式数字控制系统（CCS）；集散式控制系统（DCS）；现场总线控制系统(FCS)四个阶段。（1）模拟仪表控制系统（ACS）20世纪50年代左右，较早的过程控制体系结构（电动单元组合式模拟仪表控制系统）使用的是4～20mA的模拟信号。（2）集中式数字控制系统（CCS）这种控制系统采用了单片机、PLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。（3）集散式控制系统（DCS）其核心思想是集中管理，分散控制，即管理与控制相分离。上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。但其是一对一结构：一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号，这种一对一结构造成接线繁杂、工程周期长、安装费用高、维护困难等；可靠性差。（4）现场总线控制系统(FCS)随着大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，如果全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，于是，现场总线及现场总线控制系统（FCS）应运而生。1．2现场总线的特点和优点传统的控制系统的主要特点之一是：现场设备与控制器之间的连接是一对一的接线方式，信号传递4-～20mA模拟信号或24V直流开关量信号，如图1．1所示。这种系统的主要缺点有：信号集成能力不强,控制器与现场设备之间靠I／O连线连接，传送4～20mA模拟信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到。底层数据不全，信息集成能力不强，不能完全满足企业信息系统对底层数据的要求。系统不开放、可集成性差、专业性不强除现场设备均靠标准4-20mA／24VDC连接外，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。DSC操作站DSC控制器DSC控制器……DSC控制器………现场设备现场设备现场设备现场设备现场设备现场设备通讯电缆控制室控制现场图1.1集散控制系统结构图现场总线控制系统是基于底层控制网络、开放式、数字化、多点通信的控制系统。它将微处理器置人传统的测量控制仪表，使它门各自都具有数字计算和数字通信能力，然后采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连成网络系统，并按公开、统一、规范的通信协议，在位于现场的多个智能测量控制设备之间以及现场仪表与监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自控系统，如图1．2所示设备层控制层管理层图1.2总线控制网络结构图2、几种流行现场总线特点目前世界上存在着大约四十余种现场总线,典型的有Profibus现场总线、CAN现场总线、LonWorks现场总线、WorldFIP现场总线、HART现场总线、Interbus现场总线、SwiftNET现场总线。下面分别对几种主流的现场总线特点进行阐述。2.1、Profibus现场总线Profibus(ProcessFieldBUS)是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170所规定的现场总线标准。Profibus由三个兼容部分组成,即Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。其中Profibus-DP是一种高速低成本通信系统。它按照OSI参考模型定义了物理层、数据键路层和用户接口;Profibus-PA专为过程自动化设计,可使变送器与执行器连接在一根总线上,并提供本质安全和总线供电特性Profibus-PA采用扩展的Profibus-DP协议,另外还有现场设备描述的PA行规;Profibus-FMS根据OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层,其中应用层包含了现场总线报文规范FMS(FieldBusMessageSpecification)和低层接口LLI(LowerLayerInterface),最高通信速率为12Mb/s(通信距离不超过100m),最大通信距离为1200m(通信速率为9.6kb/s)。如果采用中继器可延长至10km,其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点,如带中继器,最多可挂127个节点。Profibus支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权,可主动发送信息。对多主站系统来说,主站之间采用令牌方式传递信息,得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权,共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范,令牌在主站之间按地址编号顺序,沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时,可以按主-从方式,向从站发送或索取信息,实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播(不要求应答),或有选择地向一组站点广播。Profibus-DP主要应用在工厂自动化和楼宇自动化、Profibus-PA主要应用在流程工业、Profibus-FMS主要应用在工厂级或车间级通信。2.2、LonWorks现场总线LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术,它是由美国Echelon公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导,于1990年正式公布的,已被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。LonWorks采用OSI模型的全部七层通信协议,采用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到1.5Mbps不等,直接通信距离可达2700m(78Kbps、双绞线);支持双绞线,同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种通信介质,并开发了相应的本质安全防爆产品,被誉为通用控制网络。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU,一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能,称为媒体访问控制处理器。第二个用于完成第3—6层的功能,称为网络处理器。第三个是应用处理器,执行操作系统服务与用户代码。国内市场上的神经元芯片主要包括MC143150和MC143120两大系列,MC143150支持外部存储器,适合复杂的应用;而MC143120不支持外部存储器,本身带有ROM。2.3、CAN现场总线CAN最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被指定为国际标准，由于得到了Motorola、Intel、Philip、Siemence等公司的支持，它广泛应用于离散控制领域。CAN也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的，不过，其模型只有三层，即只取底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其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/5Kbps，可挂接设备数最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的频率低。当节电严重错误时，具有自动关闭的功能，2.4、工业以太网控制网络的发展,其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。目前的现场总线由于种类繁多,互不兼容,尚不能满足这一要求。而以太网的TCP/IP协议的开放性使得在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。近些年来出现了快速交换式以太网技术,采用全双工通信,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便地实现优先级机制,保证网络带宽的最大利用率和最好的实时性能。它完全避免了CSMA/CD、主从、令牌等可能的低效率。并且网络速度也在不断提高,从最初的10M发展到快速以太网(100M)再到kM以太网,而作为全球结构化布线系统领头羊的Avaya公司,已经开始为用户提供由“LazrSPEED10Gbps多模光缆布线系统”加“拥有10Gbps模块的P580和P882网络交换机系统”组成的完整万兆以太网解决方案。因此有理由相信,未来的以太网完全可以满足工控系统实时性的要求。透明的TCP/IP协议已是国际共通的标准,TCP/IP协议极其灵活,几乎所有的网络底层技术都可用于传输TCP/IP的通信。应用TCP/IP协议的以太网已成为最流行的分组交换局域网技术,同时也是最具开放性的网络技术。TCP/IP进入工业现场,使得工厂的管理可以深入到控制现场,是Intranet延伸到现场设备的基础,是通过Internet远程监控工业生产过程和远程系统调试、设备故障诊断的基础。具有TCP/IP接口的现场设备可以无须通过现场的计算机,直接连接Internet,达到远程监控或远程维修的功能。3、现场总线技术在卷烟行业中的典型应用卷烟行业因其对财政的贡献一直处于技术先锋的位置。很多较为先进的工业技术都在卷烟行业中得以运用和发展。总线技术也不例外。早在九十年代中期卷烟行业基本完成了总线技术的统一化运用：设备层与控制层之间采用Profibus-DP进行通讯；控制层和管理层之间采用工业以太网进行通讯。图3.1为某制丝车间的网络拓扑图服务器工业以太网总线网络设备层控制层管理层图3.1Profibus网络在卷烟企业中的应用通过网络拓扑图我们可以清楚的看出由变频器、触摸屏等智能设备组成的设备层与由PLC（可编程逻辑控制器）组成的控制层之间是采用Profibus-DP进行通讯的而PLC和服务器之间以及服务器与工作站之间都是通过以太网进行通讯。由于Profibus-DP具有：系统的开放性，开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从。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。用户可按自己的需要和考虑，通过现场总线把来自不同供应商的产品组成大小随意的开放互连系统。互操作性与互用性，实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通;而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。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