1.引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。它是綜合運(yùn)用微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的產(chǎn)物。它將微處理器置入現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信的能力，這一方面提高了信號(hào)測(cè)量、控制和傳輸?shù)木龋矠閷?shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳輸創(chuàng)造了條件。由于現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向，它一經(jīng)出現(xiàn)便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生了前所未有的沖擊和影響。

2. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)

所謂現(xiàn)場(chǎng)總線，按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC／SC65C的定義，是指安裝在制造或生產(chǎn)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置之間以及現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，以下簡(jiǎn)稱rcs)。

2.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)通常有以下幾部分組成：現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、控制器；現(xiàn)場(chǎng)總線線路；監(jiān)控、組態(tài)計(jì)算機(jī)。這里的儀表、控制器、計(jì)算機(jī)都要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件連接到網(wǎng)卡上。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和神經(jīng)中樞。

2.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線這種用于智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點(diǎn)的通信總線，是企業(yè)網(wǎng)(Intranet)內(nèi)處于最低層的控制系統(tǒng)(Infra―net)，其主要特點(diǎn)：

① 以數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級(jí)的模擬量和開關(guān)量信號(hào)；

② 車間級(jí)與設(shè)備級(jí)通信的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)；

③ 現(xiàn)場(chǎng)總線使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；

④ 在C 系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。

3. 現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)控制中的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線在工廠生產(chǎn)過(guò)程控制中的應(yīng)用范圍較廣。以某大型加工廠為例，該廠為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程，同時(shí)為了保證安全生產(chǎn)和達(dá)到環(huán)保要求，被控設(shè)備種類多(這些種類繁多的進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)設(shè)備往往本身還配有控制系統(tǒng))，需要檢測(cè)的點(diǎn)數(shù)和控制回路較多，測(cè)控點(diǎn)分散。若采用傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)控制，如此眾多的檢測(cè)信號(hào)匯集到DCS的入口處，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的安全性和可靠性下降。而采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，可將大多數(shù)的控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)電儀設(shè)備，減少DCS處理信息的壓力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時(shí)也可減少電纜及相關(guān)費(fèi)用。

3.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的工廠級(jí)控制體系結(jié)構(gòu)有五層，即工廠層、車間層、單元層、工作站層、設(shè)備層。而Rockwell自動(dòng)化系統(tǒng)將其簡(jiǎn)化為三層結(jié)構(gòu)模式:信息層(Ethemet以太網(wǎng))、控制層(ControlNet控制網(wǎng))、設(shè)備層(DeviceNet設(shè)備網(wǎng))。此系統(tǒng)為三層結(jié)構(gòu)的集散控制系統(tǒng)，分別為管理總線( II))的管理級(jí)、控制總線(ControlNet)的監(jiān)控級(jí)及現(xiàn)場(chǎng)總線(DeviceNet)的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行級(jí)的主要任務(wù)是直接負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，如現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制輸出等；監(jiān)控級(jí)用來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和在線管理；管理級(jí)主要任務(wù)是將管理部門的決策引入到監(jiān)控級(jí)的控制策略中去，實(shí)施各相關(guān)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與信息共享。

3．2 DeviceNet控制系統(tǒng)

DeviceNet基于CANBUS技術(shù)，用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。它可連接開關(guān)、拖動(dòng)裝置、固態(tài)過(guò)載保護(hù)裝置、條形碼閱讀器、I／0和人機(jī)界面等，傳輸速率125―500kbps。DeviceNet控制系統(tǒng)由DeviceNet輔助啟動(dòng)器(DSA)、E3固態(tài)熱繼電器、帶輸入點(diǎn)的通訊模件(2l0o― GK61)、PLC控制器、現(xiàn)場(chǎng)操作箱、軟起動(dòng)器、模擬量模件、變頻器和InteliCenter軟件等組成。

① DSA帶有DeviceNet接口，用于非智能化設(shè)備上DeviceNet網(wǎng)，例如，電機(jī)啟動(dòng)單元配雙金屬片熱繼電器、SMP一1或SMP一2熱繼電器、饋電單元、主進(jìn)線單元等。DSA帶有4個(gè)輸入點(diǎn)，用于監(jiān)視接觸器、斷路器和熱繼電器狀態(tài)以及手／自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)點(diǎn)。DSA還帶有2個(gè)輸出點(diǎn)，用于驅(qū)動(dòng)接觸器合閘或正反運(yùn)行；

② E3固態(tài)熱繼電器提供內(nèi)置式DeviceNet接口和4個(gè)開關(guān)量輸入，用于監(jiān)視接觸器、斷路器和手動(dòng)／自動(dòng)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。可編程保護(hù)功能包括：過(guò)載／欠載、失相／相間不平衡、堵轉(zhuǎn)、接地和FIE熱電阻輸入；

③DeviceNet通訊模件(2l0o―GK61)，用作智能設(shè)備的通訊適配器，例AC drives(Bulletinsl305，1336PLUS，1336 PLUSH)、SMC Dialog Plus controlers和SMP一3熱繼電器。2l0o―GK61另外配置4個(gè)開關(guān)量輸入，用于反饋斷路器、旁路裝置、手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)化開關(guān)狀態(tài)；

④ 模擬量模件(如FLEXI／OTM模塊)，可設(shè)置在MCC柜中或現(xiàn)場(chǎng)操作箱內(nèi)，采集、傳輸各種傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表所提供的模擬信號(hào)(O一20mA、0―10v)或現(xiàn)場(chǎng)I／o信號(hào)，并可對(duì)相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，因此方便地實(shí)現(xiàn)了機(jī)一電一儀一體化控制，避免了一個(gè)車間內(nèi)多個(gè)控制系統(tǒng)并存，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。DeviceNet可以獲得所控負(fù)載的多種數(shù)據(jù)，通過(guò)SMP一3及DSA等模件可以快速而準(zhǔn)確地指示脫扣的原因(缺相、失速、過(guò)載或接地故障)。系統(tǒng)采用Intelli―center軟件，可隨時(shí)得到整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、趨勢(shì)圖、控制原理圖、備件表、用戶手冊(cè)，并允許對(duì)整個(gè)系統(tǒng)更有效地維護(hù)，避免由系統(tǒng)所導(dǎo)致的斷路。這種有64個(gè)節(jié)點(diǎn)、多支路的網(wǎng)絡(luò)，允許用l根電纜連接500m以內(nèi)的100個(gè)以上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并遠(yuǎn)至用戶的可編程控制器，無(wú)需用導(dǎo)線把每一個(gè)設(shè)備和一個(gè)I／O機(jī)架連接起來(lái)，節(jié)省了PLC的大量I／O量模件。總之，所有這一切可以減少導(dǎo)線的費(fèi)用并且方便安裝。

3．3 ControlNet控制系統(tǒng)

ControlNet在單根電纜上支持兩種類型的信息傳輸：實(shí)時(shí)性的控制信息和I／O數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)時(shí)間苛求的信息發(fā)送和程序上／下載。ControlNet技術(shù)采用了一種新的通信模式，以生產(chǎn)者／客戶模式取代了傳統(tǒng)的源／目的模式，不僅支持傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，而且允許同時(shí)向多個(gè)設(shè)備傳遞信息。生產(chǎn)者／客戶模式使用時(shí)間片算法保證各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率。現(xiàn)場(chǎng)總線采用雙絞線傳送數(shù)字信號(hào)，一般在2根普通導(dǎo)線制成的雙絞線上，可掛接幾十個(gè)自控設(shè)備，與傳統(tǒng)的設(shè)備間一對(duì)一的接線方式相比，可節(jié)省大量線纜、橋架、連接件，同時(shí)，由于所有的連線都變得簡(jiǎn)單明了，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的工作量也隨之大大減少。采用現(xiàn)場(chǎng)總線可實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)之間的高速數(shù)據(jù)交換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視、控制和管理。由此可以看到，采用現(xiàn)場(chǎng)總線具有諸多好處，它既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控系統(tǒng)。作為通信網(wǎng)絡(luò)所傳送的是接通／關(guān)斷電源、開關(guān)閥門的指令和數(shù)據(jù)，直接關(guān)系到操作運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)備及人身安全，要求信號(hào)在粉塵、噪聲、電磁干擾等較為惡劣的環(huán)境下能夠準(zhǔn)確、及時(shí)到位，同時(shí)還具有節(jié)點(diǎn)分散、報(bào)文簡(jiǎn)短等特征；作為自動(dòng)化系統(tǒng)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了較大變化，其顯著特征是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳送聯(lián)絡(luò)，可由單個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共同完成所要求的自動(dòng)化功能，是一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)集成的自動(dòng)化系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控系統(tǒng)。它作為通信網(wǎng)絡(luò)，要求信號(hào)在粉塵、噪聲、電磁干擾較為惡劣的環(huán)境下能夠準(zhǔn)確、及時(shí)到位，同時(shí)還具有節(jié)點(diǎn)分散、報(bào)文簡(jiǎn)短等特征。它作為自動(dòng)化系統(tǒng)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了較大變化，其顯著特征是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳送聯(lián)絡(luò)，可由單個(gè)字節(jié)、也可由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共同完成所要求的自動(dòng)化功能，是一種由網(wǎng)絡(luò)集成的自動(dòng)化系統(tǒng)。綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)為自動(dòng)化儀表行業(yè)和自控領(lǐng)域提供了良好的機(jī)遇，也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們應(yīng)該結(jié)合本單位具體情況，積極組織力量，開展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究與相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。

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