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

0、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10年來興起的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（Fieldbus），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?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Fieldbus 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PROHBUS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)（Fieldbus 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。

1、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。

　　1．1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)是封閉的，第3方面想開發(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)4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)一工業(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：
　?。?）開放性、標(biāo)準(zhǔn)化 系統(tǒng)軟件與控制器硬件不再維持捆綁關(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。
　?。?）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。
　?。?）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。
　?。?）向上連接計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)（如IEC802.3TCP/IP）技術(shù)成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術(shù)與管理數(shù)據(jù)庫連接。

　　1．2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3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。

　　1．3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連接與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。

　　1．4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。

2、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)一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。

　　2．1現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFlBUS）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)DIN192450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)EN50170V.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PRORBIjS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。在不闊的應(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。

　　2．2現(xiàn)場(chǎng)總線PROFlBUS技術(shù)概要
　?。?）PROFIBUS由3個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUSPA(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。PROFIBIJS-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)。
　?。?）PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)IS07498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12、7層和用戶接口。第3到6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)。
　?。?）PROFIBUS傳輸技術(shù)PROFIBUS提供了4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。
　?。?）設(shè)備類型2類主站（DPM2）指可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。1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。
　?。?）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。

　　2．3基于現(xiàn)場(chǎng)總線（PROF18US）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（PROHBUS）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)。
　?。?）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-DKPA的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備層控制系統(tǒng)；上1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)庫接口。底層PROHBUS-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)形光纖網(wǎng)?？刂破骺膳渲贸呻p機(jī)熱備及冗余通信模式，用于對(duì)可靠性要求很高的場(chǎng)合，詳見圖2?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）的先進(jìn)控制系統(tǒng)ACSBPB系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
　?。?）控制器或主站控制器基于通用工業(yè)PC機(jī)、Windows/WT軟硬件平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網(wǎng)卡（自主開發(fā)）。系統(tǒng)控制器或主站應(yīng)具備雙機(jī)熱備、冗余通信系統(tǒng)功能。
　?。?）ACSBPB系統(tǒng)軟件ACSBPB系統(tǒng)軟件基于WIN/NT系統(tǒng)軟件平臺(tái)。它包含一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，并為系統(tǒng)提供以下功能：