基于現(xiàn)場總線技術的先進控制系統(tǒng)

來源：新能源網

時間：2016-06-15 22:47:54

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基于現(xiàn)場總線技術的先進控制系統(tǒng)　　1.概述　　計算機數(shù)字通信技術及信息技術的發(fā)展，推動了自動化技術的進步；特別是近十年來興起的現(xiàn)場總線技術（Filedbus），是計算機數(shù)字通信技術

　　1.概述

　　計算機數(shù)字通信技術及信息技術的發(fā)展，推動了自動化技術的進步；特別是近十年來興起的現(xiàn)場總線技術（Filedbus），是計算機數(shù)字通信技術向工業(yè)自動化領域的延伸，它的發(fā)展將促使自動化系統(tǒng)結構發(fā)生重大變革，是傳統(tǒng)的基于PLC及DCS控制技術系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿。

　　現(xiàn)場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現(xiàn)場總線技術標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術的產品。依照現(xiàn)場總線技術規(guī)范，不同廠家產品可以方便完成組態(tài)與集成，構成面向行業(yè)、適合行業(yè)特點的自主控制系統(tǒng)。這一特點為更多的自動化產品制造商自主開發(fā)并推出自主知識產權的自動化系統(tǒng)提供了可能。也為自動化系統(tǒng)集成商開發(fā)面向行業(yè)應用的成套技術和自動化系統(tǒng)提供了機會。

　　現(xiàn)場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優(yōu)點，必然成為未來自動化技術發(fā)展的主流?；诂F(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)（FiledbusControlSystem-FCS）與人們預想的一樣，對傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預測、一種設想，而是實實在在的作為先進控制系統(tǒng)產品出現(xiàn)在市場上。本文將描述傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變過程，以現(xiàn)場總線PROFIBUS為背景，描述一個基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構組成，并分析系統(tǒng)的市場前景。

　　本文中提到的一些名詞及縮寫：

　　FCS：基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)（FiledbusControlSystem-FCS）

　　現(xiàn)場設備；指現(xiàn)場級檢測及執(zhí)行設備，如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執(zhí)行機構、指示及顯示設備、人機操作接口等。

　　基于PLC的控制系統(tǒng)：

　　指以PLC、遠程I/O及PLC網絡為基礎的分布式控制系統(tǒng)。

　　控制器：現(xiàn)場總線中的一個主站節(jié)點。至少具備總線通信與管理、邏輯執(zhí)行等功能。

　　2.傳統(tǒng)控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變

　　現(xiàn)場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現(xiàn)場總線技術標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術的產品。因此，現(xiàn)場總線技術引入自動化控制系統(tǒng)，促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構演化，逐步形成基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS。

　　2.1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、機架為同一系列產品，有一致的物理結構設計。典型的結構是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線（公司設計產品而自定義總線）連接。機架擴展也是自定義總線的擴展。這些產品的連接技術都是封閉的，第三方要想開發(fā)兼容產品必須得到廠家允許。

　　(2)基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)中，控制器與現(xiàn)場設備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅動器等）連接是通過標準的現(xiàn)場總線，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產品（這與插在PLC機架上的I/O模塊的配置方法不同），可使用任何一家的具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標準的、通用的硬件平臺--工業(yè)計算機（IndustrialCompactComputer），如Intel/Windows類PC機。近年來嵌入式控制器（如PC/104產品）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。

　　采用通用的工業(yè)PC做控制系統(tǒng)控制器優(yōu)點如下：

　　A、開放性、標準化：系統(tǒng)軟件與控制器硬件不在維持捆綁關系，專業(yè)自動化軟件廠家可以獨立開發(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，具有大量的標準的軟件工具和數(shù)據(jù)文件格式可以兼容。

　　B、價格：通用的工業(yè)PC容易形成規(guī)模經營，因此，價格比PLC便宜。

　　C、性能指標高、產品更新?lián)Q代快：通用的工業(yè)PC搭乘PC機技術發(fā)展快車，技術指標高、產品更新?lián)Q代快。

　　D、向上連接計算機管理網絡（如IEC802。3TCP/IP）技術成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術與管理層數(shù)據(jù)庫連接。

　　2.2從PLC的I/O模塊到現(xiàn)場總線分布式I/O

　　在FCS系統(tǒng)中，插在控制器機架上的I/O模塊將被連接到現(xiàn)場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產品，而是第三方廠家的產品；廉價的、專用的、具有特殊品質的I/O模塊（如高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等）將具有廣闊市場。FCS的控制器與傳統(tǒng)PLC配置方式的比較見圖1。

　　從PLCI/O控制的現(xiàn)場設備到具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設備

　　現(xiàn)場設備如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執(zhí)行機構等；傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)使用I/O連線與PLCI/O模塊連接，PLC通過模擬量4-20mA或開關量（如24VDC）控制監(jiān)測現(xiàn)場設備。在FCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場設備具有現(xiàn)場總線接口，控制器通過標準的現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設備連接。

　　2.4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，技術上對外是封閉的。在FCS系統(tǒng)中，控制器采用通用工業(yè)PC平臺，系統(tǒng)軟件不再與控制器、I/O、現(xiàn)場設備等硬件捆綁，可運行在通用標準的工業(yè)PC+WINDOWS/NT平臺上。

　　3.基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)組成

　　以工業(yè)PC機及Windows/NT為平臺，加載FCS系統(tǒng)軟件做控制器；通過現(xiàn)場總線連接各種現(xiàn)場設備，這便是基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)的基本組成。下面以現(xiàn)場總線PROFIBUS為例，虛構一個基于現(xiàn)場總線PROFIBUS的先進控制系統(tǒng)--ACSBPB（AdvancedControlSystembasedonPROFIBUStechnology），說明基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)組成。

　　3.1現(xiàn)場總線（PROFIBUS）概況

　　現(xiàn)場總線PROFIBUS技術于1987年，由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機構聯(lián)合提出；1989年批準為德國標準DIN19245。經應用完善后，于1996年6月批準為歐洲現(xiàn)場總線標準EN50170V.2。目前，根據(jù)國際IEC標準委員會達成的關于現(xiàn)場總線國際標準的妥協(xié)方案，PROFIBUS現(xiàn)場總線標準已成為國際現(xiàn)場總線標準IEC61158的一個組成部分。

　　目前國際上有250多家企業(yè)，生產1600多種符合PROFIBUS標準的產品。在不同的應用領域中已有200多萬個設備安裝運行。應用涉及到工業(yè)自動化的各個主要領域，包括：制造業(yè)自動化（汽車制造、裝瓶系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)）樓宇自動化（供熱、空調系統(tǒng)）、交通管理自動化、過程自動化（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、開關裝置）。PROFIBUS標準產品在歐洲現(xiàn)場總線產品市場占有率第一，超過40%。

　　PROFIBUS用戶組織已建立了質量認證程序，在德國和美國建立了測試實驗室，包括硬件測試和一致性、互操作性測試。