利用現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)結(jié)合方案實現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計

前言：

以計算機在工業(yè)控制和管理中的應(yīng)用為主要標(biāo)志的工業(yè)自動化技術(shù)在過去二十年間有了長足的進步。進人90年代以來，作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化典型代表的現(xiàn)場總線（Field Bus—FB）技術(shù)發(fā)展迅速、影響巨大，引起了工程技術(shù)界的普遍興趣與重視，被譽為工業(yè)自動化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)。

1、 現(xiàn)場總線的概念：

所謂現(xiàn)場總線，是指將現(xiàn)場設(shè)備（如數(shù)字傳感器、變送器、儀表與執(zhí)行機構(gòu)等）與工業(yè)過程控制單元、現(xiàn)場操作站等互連而成的計算機網(wǎng)絡(luò)，具有全數(shù)字化、分散、雙向傳輸和多分支的特點，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場級發(fā)展的產(chǎn)物。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)?，F(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 ：具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設(shè)備，如變送器、傳感器、智能儀表、調(diào)節(jié)閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC與遠程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。簡而言之，它把各個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把它們連接成可以互相溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。它給自動化領(lǐng)域帶來的變化，正如眾多分散的計算機被網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使計算機的功能、作用發(fā)生巨大變化。

2、 現(xiàn)場總線的特點：

2.1、系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

2.2、互可操作性與互用性。這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。

2.3、現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

2.4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

2.5、對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

3、 現(xiàn)場總線的優(yōu)點：

由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

3.1、節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

3.2、節(jié)省安裝費用?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60%以上。［page］

3.3、節(jié)省維護開銷。由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

3.4、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。

3.5、提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強：減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。

4 、現(xiàn)場總線的應(yīng)用案例：

本文為大家介紹一個現(xiàn)場總線結(jié)和以太網(wǎng)的應(yīng)用案例，從而說明現(xiàn)場總線的應(yīng)用，為工廠管理級對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的訪問提供了方便。本案例中底層采用PROFIBUS-DP總線協(xié)議，通過工控機采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，上層采用TCP/IP協(xié)議，并利用接口通訊程序讓工控機與管理層計算機實時交換數(shù)據(jù)。

4.1、系統(tǒng)特點：

總線方式：由于采集點位于整個生產(chǎn)線的各個工序車間，比較分散。因此，通過總線形式，采用分布式I/O，可以節(jié)省大量的電纜，方便施工，方便調(diào)試及維護

集中管理：系統(tǒng)通過一臺工控機集中監(jiān)視各能源采集量的瞬時值，并通過另外的應(yīng)用程序計算累積量，并定時把各累積量發(fā)送給上級管理計算機系統(tǒng)

跨平臺性：工控機上運行Windows2000操作系統(tǒng)，其中運行Think&Do

監(jiān)控軟件進行瞬時值實時監(jiān)視，并要通過TCP/IP協(xié)議，把累積量打包定時發(fā)送到上級Unix系統(tǒng)中去，實現(xiàn)了跨平臺的通訊，跨平臺的數(shù)據(jù)交換

4.2、系統(tǒng)配置圖

4.3、系統(tǒng)說明：

Think&Do Studio 6.5軟件是美國Entivity公司開發(fā)的運行于WinNT或Win2K操作系統(tǒng)上的基于Visio2000的監(jiān)控軟件，具有Flowchart的控制流程設(shè)計和細致豐富的HMI人機界面。本系統(tǒng)利用了該軟件方便的聯(lián)網(wǎng)掃描功能、強大的計算功能，及Windows下的易于二次開發(fā)性，因此把它作為了監(jiān)控軟件的開發(fā)平臺。

模擬量模塊和帶PROFIBUS-DP接口的電表作為子站連接在PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線中，氣、水等各個流量通過測量儀表轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號，輸入到模擬量模塊中來，并在Think&Do中通過FlowChart進行計算，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)工程單位的實際值，而電表則可以從Think&Do監(jiān)控軟件中直接訪問，讀取數(shù)據(jù)。Think&Do監(jiān)控軟件一方面通過監(jiān)控畫面實時顯示數(shù)據(jù)，另一方面通過DDE Server共享給接口應(yīng)用程序。

由于本系統(tǒng)需要進行累積量計算，并把累積量定時上傳給上級UNIX系統(tǒng)，因此特別為本系統(tǒng)用VB開發(fā)了一個用于計算和通訊的接口應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序通過TextBox控件連接DDE Server，讀取實時數(shù)據(jù)，并在TImer控件的定時事件中進行累計計算，從而得出各班組的累積量。

該應(yīng)用程序與Unix系統(tǒng)的通信形式采用基于TCP/IP的電文包方式，通信協(xié)議采用基于TCPIP的SOCKET方式的通信協(xié)議。

能源采集系統(tǒng)定時主動發(fā)送數(shù)據(jù)包，并準(zhǔn)備接受應(yīng)答信號，5秒后若無應(yīng)答信號，則提示連接錯誤;若應(yīng)答信號為不成功，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包（三次不成功則提示數(shù)據(jù)發(fā)送失?。?若應(yīng)答信號為成功，則結(jié)束本次發(fā)送。程序流程圖如下：

本系統(tǒng)主要總線技術(shù)，以一臺工控機實現(xiàn)了客戶要求的所有功能，降低了成本，便于維護，是總線與計算機完美結(jié)合的產(chǎn)物。

5 、結(jié)束語：

現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，使得工業(yè)生產(chǎn)自動化水平有了實質(zhì)性的提高，符合工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化、信息化的時代需求，因而具有良好的發(fā)展前景。工業(yè)自動化系統(tǒng)的完全數(shù)字化、并進一步采用某種標(biāo)準(zhǔn)，是實施現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)，因此它的前期經(jīng)費投入較大?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。