基于现场总线技术的先进控制系统

概述

　　计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步；特别是近10年来兴起的现场总线技术（fieldbus），是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，是传统的基于plc及dcs控制技术系统发展的必然归宿。

　　现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。依照现场总线技术规范，不同厂家产品可以方便完成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。这一特点为更多的自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。

　　现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。基于现场总线技术的控制系统（fieldbus control system -fcs）与人们预想的一样，对传统的plc、dcs系统形成了巨大的冲击。fcs已不再是一种预测、一种设想，而是实实在在的作为先进控制系统产品出现在市场上。本文将描述传统plc控制系统向基于现场总线控制系统的演变过程，以现场总线prohbus为背景，描述一个基于现场总线控制系统的结构组成，并分析系统的市场前景。

　　本文中提到的一些名词及缩写：

　　fcs：基于现场总线技术的控制系统（fieldbus control system -fcs）
　　现场设备：指现场级检测及执行设备，如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构、指示及显示设备、人机操作接口等。

　　基于plc的控制系统：指以plc、远程i/o及plc网络为基础的分布式控制系统。
　　控制器：现场总线中的一个主站节点。至少具备总线通信与管理、逻辑执行等功能。

1、传统控制系统向基于现场总线控制系统的演变

　　现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自动化控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于现场总线的控制系统fcs。

　　1．1从plc到通用工业pc
　　（1）在传统控制系统中，控制器（或称cpu、或处理器）与i/o模块及其它功能模块、机架为同一系列产品，有一致的物理结构设计。典型的结构是i/o模块及其它功能模块通过机架背板上的总线（公司设计产品而自定义总线）连接。机架扩展也是自定义总线的扩展。这些产品的连接技术是封闭的，第3方面想开发兼容产品必须得到厂家允许。



　　（2）基于现场总线的控制系统中，控制器与现4场设备（i/o模块、功能模块及传感器、变送器、驱动器等）连接是通过标准的现场总线，因此没有必要使用与控制器捆绑的i/o模块产品（这与插在plc机架上的i/o模块的配置方法不同），可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成。因此控制器趋向于采用标准的、通用的硬件平台一工业计算机（industrial compact computer），如intel/windows类pc机。近年来嵌入式控制器（如pc/104产品）的发展和windows-ce的推出，使用嵌入式控制器硬件和windows-ce软件作为控制器平台。

　　采用通用的工业pc做控制系统控制器优点如下：
　　（1）开放性、标准化 系统软件与控制器硬件不再维持捆绑关系，专业自动化软件厂家可以独立开发不依赖于控制器品牌的fcs系统软件。基于windows/nt的操作系统平台，具有大量的标准的软件工具和数据文件格式可以兼容。
　　（2）价格 通用的工业pc容易形成规模经营，因此，价格比plc便宜。
　　（3）性能指标高、产品更新换代快 通用的工业pc搭乘pc机技术发展快车，技术指标高、产品更新换代快。
　　（4）向上连接计算机管理网络（如iec802.3tcp/ip）技术成熟、方便。并可以借用odbc、sql等技术与管理数据库连接。

　　1．2从plc的i/o模块到现场总线分布式i/o
　　在fcs系统中，插在控制器机架上的i/o模块将被连接到现场总线上的分散式i/o模块所取代。分散式i/o不再是控制器厂家的捆绑产品，而是第3方厂家的产品；廉价的、专用的、具有特殊品质的i/o模块（如高防护等级、本征安全、可接受rtd、mv、高压、大电流信号等）将具有广阔市场。fcs的控制器与传统plc配置方式的比较见图1。

　　1．3从plc i/o控制的现场设备到具有现场总线接口的现场设备
　　现场设备如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构等；传统plc系统使用i/o连接与plc i/o模块连接，plc通过模拟量4-20ma或开关量（如24vdc）控制监测现场设备。在fcs系统中，现场设备具有现场总线接口，控制器通过标准的现场总线与现场设备连接。

　　1．4系统软件
　　在传统plc系统中，系统软件（包括plc系统软件和编程软件）与plc硬件联系紧密，技术上对外是封闭的。在fcs系统中，控制器采用通用工业pc平台，系统软件不再与控制器、i/o、现场设备等硬件捆绑，可运行在通用标准的工业pc+windows/nt平台上。

2、基于现场总线的先进控制系统组成

　　以工业pc机及windows/nt为平台，加载fcs系统软件做控制器；通过现场总线连接各种现场设备，这便是基于现场总线的先进控制系统的基本组成。下面以现场总线profibus为例，虚构一个基于现场总线profibus的先进控制系统一acsbpb（advanced control system based on profibus technology），说明基于现场总线的先进控制系统组成。

　　2．1现场总线（proflbus）概况
　　现场总线profibus技术于1987年，由siemens公司等13家企业和5家科研机构联合提出：1989年批准为德国标准din192450经应用完善后，于1996年6月批准为欧洲现场总线标准en50170v.2。目前，根据国际iec标准委员会达成的关于现场总线国际标准的妥协方案，profibus现场总线标准已成为国际现场总线标准iec61158的一个组成部分。

　　目前国际上有250多家企业，生产1600多种符合prorbijs标准的产品。在不阔的应用领域中已有200多万个设备安装运行。应用涉及到工业自动化的各个主要领域，包括：制造业自动化（汽车制造、装瓶系统、仓储系统）楼宇自动化（供热、空调系统）、交通管理自动化、过程自动化（清洗工厂、化工和石化工厂、造纸和纺织品工业）、电力工业和电力输送（发电厂、开关装置）。profibus标准产品在欧洲现场总线产品市场占有率第一，超过40%。

　　profibus用户组织已建立了质量认证程序，在德国和美国建立了测试实验室，包括硬件测试和一致性、互操作性测试。

　　2．2现场总线proflbus技术概要
　　（1）profibus由3个兼容部分组成，即profibus-dp(decentralized periphery)、profibuspa(process automation)、profibus-fms(fieldbus message specification)。profibus-dp是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i/o的通信。profibijs-pa专为过程自动化设计，并有本征安全技术规范。 profibus-fms用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。

　　（2）profibus协议结构profibus协议结构是根据is07498国际标准，以开放式系统互联网络（open system interconnection-sio）作为参考模型。 profibus-dp、fms、pa定义了第12、7层和用户接口。第3到6层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规。

　　（3）profibus传输技术profibus提供了4种数据传输类型：用于dp和fms的rs485传输、用于pa的iec1158-2传输及光纤、红外传输。

　　（4）设备类型2类主站（dpm2）指可进行编程、组态、诊断的设备。1类主站（dpm1）是可编程序控制器，如plc、pc等。从站是指带开关量或模拟量的现场设备，如驱动器、阀门等。

　　（5）电子设备数据文件（gsd）为了将不同厂家生产的profibus产品集成在一起，厂家必须提供gsd文件（电子设备数据库文件），描述产品的功能参数。 profibus组态工具可根据将厂商提供的gsd文件将其设备集成在同一总线系统中。

　　2．3基于现场总线（prof18us）的先进控制系统的结构及组成
　　基于现场总线（prohbus）的先进控制系统acsbpb是一个面向制造业自动化、现场及车间级自动化控制系统。

　　（1）系统网络结构acsbpb由2级网络结构组成：底层是基于profibus-dkpa的现场级设备层控制系统；上1层是基于profibus-fms或工业以太网及tcp/ip的车间级监控系统。监控层计算机向上支持工厂管理级网络接口及通信驱动和数据库接口。底层prohbus-dp支持9.6k~12m的通信速率和中继器（repeater）的扩展功能。底层profibus-dp还支持基于光纤传输介质的通信；可支持点对点、总线及环形光纤网。控制器可配置成双机热备及冗余通信模式，用于对可靠性要求很高的场合，详见图2。基于现场总线（profibus）的先进控制系统acsbpb系统网络结构图。

　　（2）控制器或主站控制器基于通用工业pc机、windows/wt软硬件平台。现场总线接口一般采用pci总线的profibus网卡（自主开发）。系统控制器或主站应具备双机热备、冗余通信系统功能。

　　（3）acsbpb系统软件acsbpb系统软件基于win/nt系统软件平台。它包含一个实时多任务操作系统内核，并为系统提供以下功能：



　　·用于系统组态工具包。
　　·基于iec61131程序编辑软件包和软逻辑功能模块。
　　·绘图、数据库编辑工具包和实时在线监控软件包，包括流程、棒状图、趋势图显示功能。
　　·故障报警及记录、实时数据采集、存储、查询、统计、报表打印功能。
　　·基于intranet/internet技术的远程数据流浏览、远程维护功能。
　　·支持opc、dde驱动接口。
　　·支持odbc、sql数据库接口。

　　（4）具有现场总线（profibus）接口的底层现场设备。
　　·分散式i/o从站通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过profibus标准认证的分布式i/o从站。

　　·智能分散式i/o-plc从站通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过profibus标准认证的智能分散式i/o从站。

　　·智能交直流驱动器通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过profibus标准认证的智能交直流驱动器。智能交直流驱动器的参数化符合profibus-dp行规要求。

　　·智能执行机构包括气动、电动执行机构。通过gsd文件组态，系统可连接任何厂家制造、经过prohbus标准认证的智能执行机构。

　　·人机接口hmi 包括字符型和图形、crt/led、带/不带触摸屏。通过profibus接口，可连接一定型号的人机接口。

　　·传统现场设备与现场总线通信接口的软硬件接口可以是内置式或外置式，主要用于老设备的通信连网。接口1端是标准的profibus接口，另1端视具体设备要求而定，如另一端可以是自由编程/asiic码的rs-232/485接口、i/o、pc/104、pci等等。

　　·传感器与变送器包括电量监测及保护装置、开关设备、温度、压力、流量变送器。

　　（5）现场总线网络器件产品电缆、光缆、光端机模块、profibus-dp/pa接头、profibus-pa总线接插件。

　　（6）不同现场总线标准协议之间的通信接口的软硬件包括藕合器、路由、网关。

　　（7）专用应用软件包包括自动化立体仓库软件包、生产线监测系统软件包、同步控制算法软件模块、张力控制算法软件模块、船闸控制系统软件包、船闸船只最优调度算法软件等等。

3、基于现场总线的先进控制系统市场前景分析

　　3．1市场需求
　　目前，国内各行业竞争激烈。企业逐步认识到只有不断引人新技术才能使企业得到持续稳定地发展。企业有追求新技术、改造现有系统的需求。现场总线技术是未来自动化技术发展主流，基于现场总线的先进控制系统以其明显的技术优势和价格优势，在分布式控制系统市场中将逐步替代plc产品。

　　3．2企业效益
　　（1）对现场设备制造商参与基于现场总线的先进控制系统开发的现场设备制造商将本企业传统产品提高了一个技术水平。由于现场总线技术的开放性，企业开发的现场总线产品可以集成到任何现场总线控制系统中。比如，采用国外名牌控制器和自主开发生产的分布式i/o或其他现场设备集成，将组成一个性能、价格都比较平衡的系统，根据笔者经验，这种配置在国内工程项目中是很有竞争力的。企业因产品技术进步将得到更多的市场机会。
　　（2）对自动化系统集成商应用现场总线的先进控制系统的自动化系统集成商有条件以系统为平台，利用自身在行业领域中的优势，开发出具有专用技术的控制系统，使系统集成增值，增加利润并扩大市场份额。

4、结束语

　　现场总线技术以其标准化、开放性使参与其中的企业收益；一切有远见和市场头脑的自动化行业志士仁人，都不会视而不见、无动于衷、漠视它的存在。丧失机会和主动将在未来市场中淘汰出局。国内企业应吸取在plc、dcs技术和产业化方面发展的经验教训，把握机遇，结成技术及市场同盟，开发出拥有自主知识产权、基于现场总线技术的控制系统，并在优势行业上应用推广。这样，既可带动国内自动化行业的发展，也可将国内工业自动化装备提高到一个新的水平，使我国自动化行业在未来国际自动化技术领域中及市场份额上都占有一席之地。本文的分析和观点，如能为国内自动化行业的技术专家、企业家和政府领导的决策提供有价值的参考，作者将感到十分高兴。