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DCS与现场总线综述

  
  摘要:现场总线技术对工业领域的意义是非常巨大的。首先,集散控制系统的概述、发展历史和组成结构在文中一一简述,接着从形成背景、概念、特点、优势和组成出发,对现场总线技术在工业控制中的应用现状及最新进展进行了综述,并且介绍了几种国际上流行的现场总线如CAN总线、LonWorks总线、基金会现场总线、HART总线、Profibus总线和它们的通信协议、应用领域和实时性,以及他们应对技术变革和系统故障采取的对策。
  0引言
  随着科技的进步、生产力的发展和信息时代的来临,社会对工业生产的需求变得日益迫切。集散控制系统以其可靠、灵活、低成本、可适应性强等特点成为了工业控制领域占有主导地位的系统,已被广泛应用于化工、电力、石油、造纸等行业。集散控制系统的发展经历了三个阶段,它是控制技术发展的一个里程碑。现场总线自诞生以来一直受到国内外业界人士和企业的关注和重视,它为自动控制领域的变革带来了又一次飞跃。现场总线所遵循的国际统一协议标准使得它在集散控制系统的基础之上发挥了强大的功能。本文将简要概述集散控制系统和现场总线技术在工业控制中的应用现状及最新进展,并介绍几种国际上流行的现场总线。
  1集散控制系统概述
  在集散控制系统之前的直接数字控制器(DirectDigitalCon-troller,DDC)实现了从模拟量的逐个控制到数字化的集中控制,为各种先进控制策略的实施提供了可能,但是这种高度集中的控制方式不可避免地伴随着巨大的危险,因此在工业生产过程的控制规模不断扩大,复杂程度不断增加,信息技术飞速发展的背景下产生了集散控制系统(DistributedControlSystem,DCS)。
  DCS,又称为分布式控制系统,是综合了计算机技术、通信技术、控制技术和CRT显示技术(4C技术)的一种新型控制技术,实现了对生产过程的集中监视、操作、管理和分散控制,同时具备分散的仪表控制系统和集中式计算机控制系统的特点。
  1.1集散控制系统的发展
  集散控制系统可分为三个阶段:
  (1)采用了以微处理器为基础的过程控制单元,具有各种控制功能要求的算法,同时采用了带CRT显示器的操作站和冗余通信系统,实现分散控制和集中管理,具有集散控制系统的基本结构。
  (2)采用高分辨率的CRT显示器、16位微处理器,使得系统性能增强,向模块化、标准化靠拢工厂级数据向过程级分散;实现无主站N;N通信,加强了系统通信功能,更有利于控制站、操作站、可编程逻辑控制器和计算机互连,便于多机资源共享和分散控制。
  (3)采用开放系统网络,操作站采用32位处理器、触摸式屏幕和实时多用户多任务的操作系统,为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性和系统的互操作性,使得第三方应用软件可方便应用,用户的应用空间更加广阔[1]。
  1.2集散控制系统的结构
  图1为集散控制系统结构图。集散控制系统结构自下而上通常分为:控制级、监控级和管理级,每级之间分别由控制网络(ControlNetwork,Cnet)、监控网络(SupervisionNetwork,Snet)、管理网络(ManagementNetwork,Mnet)把相应的设备连接在一起,进行数据和命令的传输[2]。控制级由过程控制站和数据采集站构成,一般安装在位于主控室后的电子设备室中。过程控制站接受位于被控生产设备附近包括传感器、变送器和执行器等设备送来的信号并通过基本控制单元按照控制策略计算出控制量送回执行器中,其中现场级的设备以现场总线为基础的全数字信息传递方式是今后的发展方向。数据采集站也接受现场设备送来的信号,通过数据输入/输出单元进行转换和处理后送到集散控制系统的其他部分,但无控制功能;监控级主要有运行员操作站、工程师工作站和计算站。根据具体情况应配有CRT显示器、键盘和技术手段齐备的计算机系统等各类硬件,以及功能强大的软件,确保工程师和操作员监视DCS网络上各个节点的运行情况,及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工作状态之下,方便对生产过程实行高级控制策略、故障诊断和质量评估。运行员操作站安装在中央控制室,用以监视和控制整个生产过程,工程师工作站和计算站安装在电子设备室。监控级的通信网络采取双网冗余是DCS最显著的特点[3];管理级可以是厂级管理计算机,也可以是若干个机组的管理计算机,实现整个企业的综合信息管理,主要包括生产管理和经营管理,面向厂长、经理、总工程师等行政管理或运行人员。

 


  2现场总线
  2.1现场总线的诞生
  DCS虽然实现了从模拟量到数字化的集中控制,但最基层的众多现场仪表和现场控制站之间的信息和数据仍是采用传统的沿独立导线传输的4~20mA的DC信号,现场仪表的功能远远没有发挥出来。随着微处理器的快速发展和广泛的应用,产生了以微处理器为核心的智能设备,在此基础之上诞生了现场总线技术。
  现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。它把代替了原先DCS系统中处于控制室的控制模块和各输入输出模块的专用的微处理器置入传统的测量控制仪表,使得它们各自具备多种运算功能,成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点,从而通过双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径构成网络系统[4],实现彻底的分散控制。该网络系统按照规范和公开的通信协议,在位于生产现场的多个微机化自控设备之间,以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间,实现数据传输与信息共享,进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统[5-6]。
  2.2现场总线优势
  (1)微处理器的多种运算和故障诊断功能丰富了现场仪表的功能,提高了测量精度和传输过程中的抗干扰能力。
  (2)将原来由各种I/O单元和控制器来完成的功能交由每个现场仪表来完成,从而形成真正的分布式控制系统,实现控制风险的分散化。
  (3)现场总线的数字通信功能使每个现场仪表通过底层现场总线网络将自身运行状况的诊断信息向上传递给控制系统的上层,同时还可以接受上层数字控制系统向其发送的信息,仪表可以和数字控制系统直接进行数字信号的传送,增加信息流通能力,提高信息的准确性,给系统的日常维护带来了方便[7]。
  (4)由于现场总线式现场仪表是按照国际统一的标准设计制造,它的通信协议一致公开,各个不同厂家的设备之间可实现信息交换,从而使用户在系统设计时可以选用最适于自己要求的产品来构建系统,提高了灵活性。
  (5)现场总线带来了各方面成本的节约。由于将控制功能彻底下放到控制系统最底层的控制器和仪表,降低了安装成本、维护费用。并且少量的通讯总线代替了大量的模拟信号电缆大大减少了设备的占地面积和资金[8]。
  2.3几种典型的现场总线
  由于现场总线技术的不断完善,各个组织和企业开发了多种用于工业现场仪表和控制室之间的数字通信协议。现在存在的现场总线约有数十种,国际上比较流行的现场总线标准有CAN总线、LonWorks总线、基金会现场总线、Profibus总线、HART总线等。
  2.3.1CAN总线
  CAN总线(ControllerAreaNetwork)是德国Bosch公司为解决汽车内部测量与执行部件之间的数据通信而开发的一种串行数据通信协议。
  CAN总线只采用了国际标准化组织制定的信息开放系统互连参考模型(ISO/OSI)7层中的物理层和数据链路层。开发者能够根据需要自行定制通信协议是CAN总线灵活的体现。用户在设计通信软件时,必须先根据需求设计合适的CAN总线通信协议,才能完成数据准确可靠的传输。但在一些利用简单的通信协议就可以满足要求的情况下,采用复杂的协议有时会造成资源浪费,限制了CAN的灵活性,所以在一些情况下定制适合要求的通信协议,对于CAN的开发和应用至关重要。文献[9]以CAN技术规范2.0A为标准,对CAN通信协议的实现作了一定的分析和介绍,总结了CAN通信协议的开发经验,为用户定制自己的通信协议提供了参考和思路,充分实现CAN的灵活应用。
  CAN控制器在航天航空领域中得到广泛应用,但航天电子设备在生产、运输和使用过程中的各种自然或人为环境对CAN总线造成了极大的威胁。根据系统可能会造成的故障程度,解决可靠性问题的一个有效的办法就是对总线进行不同程度的冗余。文献[10]提出了CAN总线冗余的方法。通过总线、总线驱动器、协议芯片和单片机等的冗余来实现系统不同程度上的冗余,并对系统的冷冗余和热冗余进行了研究。
  2.3.2LonWorks总线
  LonWorks(LonWorksNetWorks)总线,即分布式智能控制网络技术,是美国Echelon公司推出的局部操作网络,广泛应用在楼宇、家庭自动化领域,具有成本低,性能高的优点。它的特点是将通信协议嵌入到一个具备通信和控制功能的Neuron芯片内。该芯片固化了ISO/OSI参考模型的7层服务,内含3个8位微处理器,分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理。用户采用该芯片及相关的配件就可设计出自己需要的各种应用节点,再利用各节点与路由器,中继器等组成LonWorks网络。
  目前对于LonWorks总线实时性的研究已成为其理论研究的重要课题。文献[11]讨论了在组建LonWorks网络时最常使用的几个标准配置属性,以及它们的优化值和这些值对网路性能的影响,但没有给出如何准确计算这些最优值。文献[12]从Lon-Works总线的介质访问控制协议入手,按照冲突解决和冲突避免两种思路———软实时通过对参数动态估计,硬实时通过改进仲裁方案给出了一种新的LonTalk协议,使系统改进后重载时的吞吐率有了很大提高。但由于在硬实时性改进方案中去掉了随机时隙,使得该协议失去了随机竞争方式介质访问控制(mediumac-cessingcontrol,MAC)机制的优越性。文献[13]对LonTalk协议的MAC仲裁机制进行了改进,提出了一种新的实时通信协议,避免了优先级较高的节点交替占用总线而引起冲突问题,同时也解决了优先级较低的节点长期得不到总线使用权的问题。文献[14]在充分考虑网络资源的基础上,从硬件和软件两个角度对LonWorks控制网络进行了优化。在保证了通讯可靠的同时,也提高了网络的实时性。
  2.3.3基金会现场总线
  基金会现场总线(FoundationFieldbus,FF)是由现场总线基金会组织开发的。根据过程自动化系统的特点,在1996年颁布了参考了ISO/OSI模型的低速总线FF-H1。具有支持总线供电、本质安全的特点。原来定义的FF-H2的高速总线标准在发展过程中逐步被以太网(HighSpeedEthernet,HSE)取代。
  由于FF系统是为了适应过程自动化系统而专门设计的,在苛刻的使用环境以及总线供电等方面都需要有完善的措施,因此实际工程中遇到的常见故障的原因和处理方法对该技术在实际生产中的推广和应用有很大的影响作用。将现场设备远离用电设备;现场总线电缆与动力电缆分层桥架布置;保持系统软硬件版本一致等措施都可提高系统的抗干扰性,而修改宏周期等相关参数可改善系统控制功能[15]。FF总线是在一对屏蔽双绞线上挂接多台现场仪表,任何一台仪表的短路都会导致整段总线的短路。采用具有总线分支短路保护功能的现场接线箱可解决短路保护问题。这样任何一台仪表的短路都不至于影响该总线段其他仪表的正常工作,方便了工作人员排查短路故障[16]。
  2.3.4Profibus
  Profibus(ProcessFieldBus)是德国制定的国家工业现场总线协议标准同时也是一种不依赖于制造商的开放式现场总线标准。不同的制造商所生产的设备不需对其接口进行特别的调整就可以通信,可用于高速并对时间苛求的数据传输,也可用于大范围的复杂通信场合。Profibus是一个多主站系统,当主站获得总线存取权(令牌)时,不需要外部请求就可以发送消息。从站是外围设备,包括输入设备、控制器、变送器等。它们没有总线存取权,只能应答接受到的信息或当主站请求时向主站回发消息。
  Profibus针对不同的应用场合,分为3个系列:Profibus-DP用于分散外设间的高速传输,适用于加工自动化领域的应用。它参考了ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和用户接口,确保了数据传输的快速和有效进行;Profibus-PA是用于过程自动化的总线类型;Profibus-FMS意为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。PROFIBUS网络控制系统是一个对时间要求很高的实时系统,PROFIBUS现场总线的实时性能,在很大程度上影响着整个系统的性能。其中,位于数据链路层的介质访问控制方式决定了PROFIBUS信息通信的实时性[17]。
  2.3.5HART总线
  HART(HighWayAddressableRemoteTranducer)是由Rosemount公司提出的用于现场智能仪表和控制设备间通信的一种协议,它引用了ISO/OSI参考模型中的物理层、数据链路层和应用层。
  从传统的模拟信号转变为现场总线全数字通信并非一蹴而就,HART协议在传统的模拟信号上叠加平移键控(FSK)数字信号,既可进行模拟信号的传输,又可进行数字通信,满足了从模拟到全数字的过度。HART协议采用了统一的设备描述语言DDL,产品供应商除了提供设备的软硬件外,还应按照标准格式提供HARTDDL文件[18]。
  传统的HART总线在智能化控制领域发展的已经相当成熟,但环境恶劣的工业现场会增加控制系统的故障率,降低系统的安全性和稳定性,且现场布线和后期维护极不方便。随着工业无线网络的发展,HART基金会在2007年提出了面向工业应用的无线HART协议。无线HART在兼容现有的HART设备和应用的基础上,进行了功能补充和应用拓展,能够满足流程工业应用对无线通信技术的可靠、稳定和安全等关键需求,降低了工控系统的成本和故障率,提高了生产效率[19]。采用隧道设计的原理,将HART协议帧封装在2.4G频率的无线通信帧的数据字段中,以无线链路来代替有限通信电缆,可将无线引入到HART控制领域[20]。
  3结束语
  DCS系统由于具有良好的结构、可拓展性以及高度的可靠性一直受到广泛的关注。同时现场总线技术对科研、社会生产的影响也起到巨大的促进作用。世界发达国家的自动化公司都投入了巨大的人力、财力,全方位地进行技术和应用研究,并进行了激烈的市场争夺,这也导致了现场总线技术复杂的局面,成为该技术的挑战,但现场总线技术终将越来越成熟完善。在未来的工业自动化中,他将和以太网技术结合,为自动化产品的开发和生产奠定良好的基础[21]。
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作者:张帧;牛玉刚 来源:电气自动化 2013年第35卷 第1期 点击数: 发布时间:2013年10月09日
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