基于現(xiàn)場總線技術(shù)的先進控制系統(tǒng)

1、現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)摘要：結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)和控制系統(tǒng)的最新發(fā)展，綜述了當今幾種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點，并從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、開放性、組態(tài)技術(shù)等幾個方面描述了新一代控制系統(tǒng)的主要特征，最后列舉并細述了影響控制系統(tǒng)可靠性的幾個因素。 關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線 引言 在現(xiàn)代測控領(lǐng)域，“開放系統(tǒng)”、“現(xiàn)場總線”這 2個詞頻繁出現(xiàn)。在自控界討論的仍然是 DCS(distribute control system),FCS(fieldbus controlystem)誰將最終成為主流控制系統(tǒng)，這場爭論的實質(zhì)是利益和市場的競爭，一些既得利益者一方面要維護 DCS/ PL C的市場份額，另一方面又怕趕不上FCS的潮流，

2、因而在自己的 DCS/ PL C系統(tǒng)中加入自己的現(xiàn)場總線；而另外一些硬、軟件生產(chǎn)商由于沒有歷史包袱，追求的是全新的控制系統(tǒng)模式，包括統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準及軟、硬件平臺，以引導和占領(lǐng)未來的市場。這些控制系統(tǒng)的區(qū)別有多大，有無共同的特征，未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是什么，本文試圖在這些方面做一些探討。 1我國控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 一個控制系統(tǒng)由 I/ O設(shè)備 (傳感器和執(zhí)行器 )、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成，如圖 1所示 1。設(shè)備級現(xiàn)場總線使 I/O模件和控制箱得以分開，以太網(wǎng)使得現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)集成到企業(yè)應用中。 圖 1控制系統(tǒng)簡圖1.1 早期的集中式控制系統(tǒng) 80年代初期，當微

3、機控制系統(tǒng)用于電站自動化領(lǐng)域時，多使用以單板機組成的微機控制裝置,與上位機系統(tǒng)連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個或幾個機柜中。由這些裝置構(gòu)成的系統(tǒng)多為集中式控制系統(tǒng)或分層控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為我國電站自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用,其開拓性的實踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎(chǔ)。但是，這類系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開放的發(fā)展趨勢。 1.2 DCS控制系統(tǒng) DCS在我國電力行業(yè)特別是火電廠機組控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的DCS主要有4層結(jié)構(gòu) ：第1層是I/ O層；第2層是控制器層；第3層是人機接口層；第 4層是企業(yè)信息系統(tǒng)層。這種結(jié)構(gòu)與圖 1相近，但除在第3層、第4層之間

4、采用以太網(wǎng)外，其他都是專用網(wǎng)絡(luò)，控制設(shè)備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護及升級帶來不便。DCS在設(shè)備配置上還要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計上的高要求，導致 DCS成本太高。 1.3 PL C可編程邏輯控制器 嚴格說來，單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統(tǒng)等部分，不是一個控制系統(tǒng)。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領(lǐng)著很大的市場份額。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)的 PLC相當于通用化的微機監(jiān)控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進行編程。但隨著市場的需要及 DCS的挑戰(zhàn)，PL C家族在

5、以下幾方面得到了發(fā)展 ：1分布式 I/ O連接能力方面，由于許多高檔 PLC支持遠程 I/O及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò) (如 Device Net,Profibus等 ),使 PL C向下連接更分布；2廠級控制系統(tǒng)連接方面，許多 PL C支持高速網(wǎng)絡(luò)，如Ethernet,Control Net,Profibus等；3軟件的開放性方面，由于許多 PLC支持 OPC標準 (object linking and embedding for processcontrol),使軟、硬件平臺之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個實現(xiàn)的標準。這種部分開放加上部分專用所構(gòu)成的系統(tǒng)可能還會延續(xù)一段時間。但是，正是由于 PLC是一種通用的

6、控制器，應用到電力系統(tǒng)作為現(xiàn)地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進工作，配置額外的設(shè)備和電路。與 DCS相比，PLC有成本上的優(yōu)勢，但可靠性、電氣性能卻不如 DCS。 1.4 FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS(fieldbus control system)顧名思義基于現(xiàn)場總線，根據(jù)IEC標準及現(xiàn)場總線基金會的定義： 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)應具有以下技術(shù)特點 2 ：1系統(tǒng)的開放性；2互可操作性與可用性；3現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；5對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。 由于有以上技術(shù)要求，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將

7、是開放系統(tǒng)的主要支撐力量。由于受集團利益的限制，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)本身目前還未形成一個單一的標準。常見的標準有 Profibus,CAN,L onworks,World Fip 及 FF (fieldbus foundation)等，人們期待著將于2 0 0 0年初頒布的最后統(tǒng)一的標準 IEC61 1 58,FF與目前的 IEC61 1 583. 4. 5. 6草案兼容。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設(shè)備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現(xiàn)場的傳感器及執(zhí)行設(shè)備的支持，以取代 DCS的數(shù)字 /模擬混合技術(shù)，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比 DCS有很大的技術(shù)及成本優(yōu)勢。 目前的情形是，我國廣大的

8、中小型生產(chǎn)企業(yè)還沒有 DCS,大型企業(yè)使用DCS,使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)近幾年內(nèi)難以實現(xiàn)。在這種情形下，什么是當前適合中國國情的控制系統(tǒng)呢 ?筆者認為作為過渡階段可行的方案應是 DCS FCS結(jié)合的控制系統(tǒng)模式。這種模式采用智能 I/ O模件作為儀表上網(wǎng)的橋梁，同時節(jié)省成本；使用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)適應分布式、開放式的發(fā)展趨勢；使用開放式的控制器硬件及開放式的組態(tài)軟件代替 DCS中專用的控制器，保留DCS的冗余技術(shù)及組態(tài)技術(shù)等優(yōu)點，使用標準的開放性網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)作為廠級網(wǎng)絡(luò)，而不是 DCS的專用網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的進步、成本的進一步降低，全開放式的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必將是未來的趨勢。 2新一代的控制系統(tǒng)的主要特征

9、 2.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)中研究最多的是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)。從 1 984年現(xiàn)場總線概念的提出到目前最后的標準即將頒布，經(jīng)過了 1 5年的時間。在這期間，共產(chǎn)生了 60多個數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)標準以連接傳感器、現(xiàn)場設(shè)備及控制級網(wǎng)絡(luò)，有 50 0 0多種支持這些網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品。這一方面說明網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用的廣泛，另一方面說明迫切需要一個統(tǒng)一的標準。統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準是開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必備的技術(shù)條件。以太網(wǎng)在廠站自動化中一般用于連接控制器和操作員站及管理站，這種結(jié)構(gòu)叫做控制中心以網(wǎng)結(jié)構(gòu) (control-centric);以太網(wǎng)另一個發(fā)展趨勢是直接將 I/ O設(shè)備連到以太網(wǎng)或連到與以太網(wǎng)兼容的I/ O數(shù)據(jù)集中器

10、上，這種結(jié)構(gòu)叫做設(shè)備中心結(jié)構(gòu)(device-centric)。前一個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多為TCP/ IP,應用層協(xié)議沒有一個標準，建立在 FTP,Telnet,NFS等的服務成為事實上的標準；后一種結(jié)構(gòu)使用的協(xié)議保留了以太網(wǎng)的物理層及鏈路層協(xié)議，在應用層使用現(xiàn)場總線定義的協(xié)議，如 FF的HSE(high speed Ethernet protocol),Control Net,Device Net等。 從以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的交叉發(fā)展趨勢可以看出，兩者將有機地結(jié)合起來。一方面由于受環(huán)境及特種技術(shù)的要求限制，現(xiàn)場總線的低端 (即 I/ O端 )仍采用低速網(wǎng) (如 FF的 H1，Device Net或 P

11、rofibus的PA)將智能儀表等設(shè)備連接；另一方面一些兼容的智能設(shè)備采用中速網(wǎng) (如 FF的 H2或 Profibus的DP)連接控制器、數(shù)據(jù)集中器、遠程 I/ O及智能 I/ O設(shè)備；在廠級系統(tǒng)中，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級計算機，形成整個控制系統(tǒng)，這就是LAN/fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如圖 2所示 2 。 圖 2 LAN/ fieldbus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.2 開放性：開放性無疑是新一代控制系統(tǒng)的重要特征。開放就是一些標準加上公共發(fā)表的技術(shù)，這些標準和技術(shù)無需許可證就可以自由獲得，并由許多供應商所支持 3 。開放是數(shù)據(jù)連接能力和硬、軟件可移植性的組合。以太網(wǎng)和 OPC是數(shù)據(jù)連

12、接能力的例子，PC是開放的硬、軟件平臺的例子。開放基于標準，標準驅(qū)動開放性。標準有正式標準 (如 IEC或 IEEE)和事實上的標準 (de facto)之分。事實上的標準是市場力量的體現(xiàn)。 工業(yè)自動化的標準有以下幾個方面 ：1現(xiàn)場總線標準 IEC61 1 58;2可編程邏輯程序語言IEC61 1 31 3;3符合工業(yè)標準的硬件有開放式結(jié)構(gòu)的 PC平臺，如 ISA,Compact PCI,PC1 0 4和 VXI等；4OPC及微軟的 COM,DCOM,DNA在自動化產(chǎn)品中應用非常廣泛，被認為是工業(yè)上的事實標準，另外，還有 Sun Connect,HTTPHG等。 2.3 組態(tài)技術(shù) 組態(tài)技術(shù)主要

13、指控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫生成及控制算法組態(tài)。其中數(shù)據(jù)庫生成組態(tài)與各種硬件設(shè)備關(guān)系太密切，還沒有統(tǒng)一的標準，就 PL C本身來講，這部分一直是空白，也就是說，PLC所能提供的只是寄存器，它需要借助第 3方或?qū)Ｓ密浖⑵滢D(zhuǎn)換成有意義的工程參數(shù)，對于 DCS,數(shù)據(jù)測點定義就完備多了。同樣地，控制算法組態(tài)方面，傳統(tǒng)的 PL C多數(shù)只提供梯形圖邏輯及少量的功能塊，并且與IEC61 1 31 3不兼容，而 DCS具有全面的控制算法組態(tài)技術(shù)，包括梯形圖、助記符、功能塊及順序流程圖等。第 3方軟件支持商支持 IEC61 1 313并可以加載到部分 PL C中。開放式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)理所當然應具有組態(tài)技術(shù),包括數(shù)據(jù)

14、庫組態(tài)及控制算法組態(tài)，生成的參數(shù)及算法不僅可以在控制器中運行 (所謂 Soft PL C),還可以在遠程 I/ O或智能設(shè)備上運行，按照現(xiàn)場總線標準定義的功能塊可以在智能儀表及執(zhí)行機構(gòu)中進行運算，以實現(xiàn)真正的分布式控制。 3影響控制系統(tǒng)可靠性的幾個因素 3. 1 嵌入式控制與控制器的可靠性：控制系統(tǒng)的可靠性很大一部分依賴于控制器是否可靠。 PL C,DCS有其專用的控制器，開放式系統(tǒng)中建議的是標準的硬、軟件平臺。顯然 PC機和微軟的 Windows是一種選擇。工業(yè) PC機經(jīng)過多年的改 進已經(jīng)比較可靠了,但故障還是會發(fā)生，其較差的運行環(huán)境適應能力和旋轉(zhuǎn)機械故障(硬盤故障)給維護帶來了困難。一種解

15、決方案是用嵌入式 PC機如PC1 0 4結(jié)構(gòu)的硬件平臺，這種平臺有較寬的運行環(huán)境,沒有硬盤，而且具有豐富的模件資源,支持以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口。從操作系統(tǒng)角度看,帶有實時擴展 (RTX)的 NT(如 Ventur Com公司提供的RTX NT)是在標準 PC平臺上用于實時控制的較佳選擇;但嵌入式控制中資源有限，即使是嵌入式NT也很難適應。Windows CE不失為一個嵌入式應用較好的選擇，特別是其 3. 0版本的推出，在確定性、實時性、優(yōu)先級擴展能力及中斷服務延時、進程切換時間上有了顯著的提高，過程處理循環(huán)時間降到毫秒級。事實上一些公司已生產(chǎn)出采用 Win CE的控制裝置，如 Win PL

16、C,GE公司的 CNC,Xycom自動化公司的 ASIC 3000等 4。Win CE并不是唯一的選擇，許多實時操作系統(tǒng)非常成熟,已在通信Internet及電力等行業(yè)發(fā)揮了巨大作用,如p SOS,QNX,VRTX等，這些操作系統(tǒng)的共同特征是內(nèi)核非常小,支持 BSP開發(fā) (板級支持包 )及強大的網(wǎng)絡(luò)支撐功能,缺點是第 3方的支持軟件不豐富。采用嵌入式控制是提高控制器可靠性的重要保證。 3. 2 網(wǎng)絡(luò)的可靠性：現(xiàn)場總線從一開始就是為連接現(xiàn)場控制設(shè)備而設(shè)計的，充分考慮了其對各種運行環(huán)境的適應能力及實時控制中對確定性的要求，只要符合其制定的規(guī)范 (如通信速度、通信距離、物理鏈接等 ),現(xiàn)場總 線應該是

17、可靠的。以太網(wǎng)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也可靠嗎 ?回答是肯定的。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)使用總線將各個節(jié)點連在一起,允許同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上，這樣就發(fā)生了沖撞，必須采用重發(fā)機制以達到相對高的成功率。這種機制導致非確定性 (non-deterministic),而控制系統(tǒng)需要確定性。以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展增強了其通信的確定性，首先，在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)上，采用星形連接及交換式Hub,交換式 Hub提供數(shù)據(jù)緩沖及具有確定接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)段智能，使數(shù)據(jù)沖撞及重發(fā)機會最小化;其次,快速以太網(wǎng) (100 Mbit/ s,1 Gbit/ s)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)使以太網(wǎng)更適應于實時應用;另外,改進的通信協(xié)議克服了 TCP/ IP協(xié)議中的緩沖

18、器滿再發(fā)送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點。 3. 3 電磁兼容性與硬件設(shè)備可靠性：控制系統(tǒng)要適應惡劣的運行環(huán)境,必須滿足一系列電磁兼容性國際標準,IEC61 0 0 0 4標準或我國等同采用的 GB/ T 1 762 6標準定義了應達到的電氣技術(shù)指標，這些標準包括 ：1浪涌 ：IEC61 0 0 0 4 5(GB/ T1 762 6. 5);2振蕩波抗擾度：IEC61 0 0 0 41 2 (GB/ T 1 762 6. 1 2 );3靜電放電抗擾度 ：IEC61 0 0 0 4 2 (GB/ T 1 762 6. 2 );4電快速瞬變脈沖群抗擾度 ：IEC61 0 0 0 4 4(GB/

19、T 1 762 6. 4);5射頻場感應的傳導騷擾抗擾度 ：IEC61 0 0 0 4 6(GB/ T1 762 6. 6);6射頻電磁場輻射抗擾度 ：IEC61 0 0 0 43(GB/ T1 762 6. 3)。 以上指標中定義了在不同控制電壓等級下及運行環(huán)境下應達到的技術(shù)標準，滿足這些標準將為控制系統(tǒng)的可靠性提供有力的保證。 4結(jié)語 我們處在一個主流系統(tǒng)與非主流系統(tǒng)各行其道、共享市場的時代,中國進入 WTO后,大量的外國公司產(chǎn)品及技術(shù)將瓜分中國的測控市場，包括電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域，競爭最激烈的應該是廠站自動化領(lǐng)域，特別是水電廠、火電廠控制系統(tǒng)。一方面大大小小的 PL C幾乎占領(lǐng)著整個水電廠

20、監(jiān)控領(lǐng)域，另一方面國外 DCS牢牢占據(jù)著大中型火電廠控制系統(tǒng)。我們迫切需要有自己的控制系統(tǒng)，以及適合國情的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件資源及軟件工具。這不僅需要科研人員的不懈努力,還需要市場的培育及支持。有理由相信,有中國特色的先進控制系統(tǒng)將在競爭激烈的自動控制領(lǐng)域占有一席之地。(end)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的先進控制系統(tǒng) 摘要 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，引起傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變。一些自動化軟件公司充分利用現(xiàn)場總線技術(shù)開放性的特點，以自主開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件為核心，推出基于現(xiàn)場總線技術(shù)的先進控制系統(tǒng)。本文描述了PLC控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線先進控制系統(tǒng)的演變過程，分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及市場前景。關(guān)鍵詞 現(xiàn)場總線、FC

21、S、PROFIBUS、PLC、分布式控制系統(tǒng)Abstract The development of feildbus technology results in the changes in the construction of the traditional control system. Some automation software company promotes their Advanced Control System Based on the Feilbus by the core of the control software self-developed. The the

22、sis describe the procedure of the PLC control system evolving into Advanced Control System Based on the Feilbus, and analysis the construction of the system and its potential marketKey word Feilbus、FCS、PROFIBUS、PLC、DCS1. 概述計算機數(shù)字通信技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，推動了自動化技術(shù)的進步；特別是近十年來興起的現(xiàn)場總線技術(shù)（Filedbus），是計算機數(shù)字通信技術(shù)向工業(yè)自動化領(lǐng)域的延

23、伸，它的發(fā)展將促使自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，是傳統(tǒng)的基于PLC及DCS控制技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿?，F(xiàn)場總線技術(shù)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(shù)標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術(shù)的產(chǎn)品。依照現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范，不同廠家產(chǎn)品可以方便完成組態(tài)與集成，構(gòu)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(chǎn)品制造商自主開發(fā)并推出自主知識產(chǎn)權(quán)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(shù)和自動化系統(tǒng)提供了機會。現(xiàn)場總線技術(shù)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(shù)發(fā)展的主流?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Filedbus C

24、ontrol System-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(shè)想，而是實實在在的作為先進控制系統(tǒng)產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shù)的控制系統(tǒng)（Filedbus Control System-FCS）現(xiàn)場設(shè)備；指現(xiàn)場級檢測及執(zhí)行設(shè)備，如傳感器、變送器、開關(guān)設(shè)備、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、指示及顯示設(shè)備、人機操作接口等?；赑LC的控制系統(tǒng)：指以PL

25、C、遠程I/O及PLC網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)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(shù)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(shù)標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術(shù)的產(chǎn)品。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)引入自動化控制系統(tǒng)，促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)品，有一致的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計。典型的結(jié)構(gòu)是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線（公司

26、設(shè)計產(chǎn)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(chǎn)品的連接技術(shù)都是封閉的，第三方要想開發(fā)兼容產(chǎn)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(shè)備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅(qū)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(chǎn)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(shè)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（Industrial Compact Computer），如Intel/Windows類PC機。近年來嵌入式控制器（如PC/104產(chǎn)品）的發(fā)

27、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(guān)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(jīng)營，因此，價格比PLC便宜。C、性能指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快：通用的工業(yè)PC搭乘PC機技術(shù)發(fā)展快車，技術(shù)指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快。D、向上連接計算機管理網(wǎng)絡(luò)（如IEC802。3 TCP/IP）技術(shù)成熟、方便。并可以借

28、用ODBC、SQL等技術(shù)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(chǎn)品，而是第三方廠家的產(chǎn)品；廉價的、專用的、具有特殊品質(zhì)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PLC I/O控制的現(xiàn)場設(shè)備到具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備如傳感器、變送器、開關(guān)設(shè)備、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)等；傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)使用I/O連線與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量

29、4-20mA或開關(guān)量（如24VDC）控制監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備。在FCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場設(shè)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(shè)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(shù)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(shè)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(shè)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PR

30、OFIBUS為例，虛構(gòu)一個基于現(xiàn)場總線PROFIBUS的先進控制系統(tǒng)ACSBPB（Advanced Control System Based on PROFIBUS technology），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(shù)于1987年，由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機構(gòu)聯(lián)合提出；1989年批準為德國標準DIN19245。經(jīng)應用完善后，于1996年6月批準為歐洲現(xiàn)場總線標準EN50170 V.2。目前，根據(jù)國際IEC標準委員會達成的關(guān)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I

31、EC61158的一個組成部分。目前國際上有250多家企業(yè)，生產(chǎn)1600多種符合PROFIBUS標準的產(chǎn)品。在不同的應用領(lǐng)域中已有200多萬個設(shè)備安裝運行。應用涉及到工業(yè)自動化的各個主要領(lǐng)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(diào)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(guān)裝置）。PROFIBUS標準產(chǎn)品在歐洲現(xiàn)場總線產(chǎn)品市場占有率第一，超過40%。PROFIBUS用戶組織已建立了質(zhì)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。32現(xiàn)場總線PROFIBUS技術(shù)

32、概要(1) PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計，并有本征安全技術(shù)規(guī)范。PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。(2) PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際標準，以開放式系統(tǒng)互

33、聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型。PROFIBUS-DP、FMS、PA定義了第一、二、七層和用戶接口。第三到六層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應用功能，定義了現(xiàn)場設(shè)備行為的行規(guī)。(3) PROFIBUS傳輸技術(shù)PROFIBUS提供了四種數(shù)據(jù)傳輸類型：用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IEC1158-2傳輸及光纖、紅外傳輸。(4) 設(shè)備類型：二類主站（DPM2）指可進行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。一類主站（DPM1）是可編程序控制器，如PLC、PC等。從站是指帶開關(guān)量或模擬量的現(xiàn)場設(shè)備，如驅(qū)動器、閥門等。(5) 電

34、子設(shè)備數(shù)據(jù)文件（GSD）為了將不同廠家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，廠家必須提供GSD文件（電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件），描述產(chǎn)品的功能參數(shù)。PROFIBUS組態(tài)工具可根據(jù)將廠商提供的GSD文件將其設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。3. 3基于現(xiàn)場總線（PROFIBUS）的先進控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成基于現(xiàn)場總線（PROFIBUS）的先進控制系統(tǒng)ACSBPB是一個面向制造業(yè)自動化、現(xiàn)場及車間級自動化控制系統(tǒng)。3.3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ACSBPB由2級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：底層是基于PROFIBUS-DP、PA的現(xiàn)場級設(shè)備層控制系統(tǒng)；上一層是基于PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng)及TCP/IP的車間級監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控

35、層計算機向上支持工廠管理級網(wǎng)絡(luò)接口及通信驅(qū)動和數(shù)據(jù)庫接口。底層PROFIBUS-DP支持9.6K12M的通信速率和中繼器（REPEATER）的擴展功能。底層PROFIBUS-DP還支持基于光纖傳輸介質(zhì)的通信；可支持點對點、總線及環(huán)形光纖網(wǎng)?？刂破骺膳渲贸呻p機熱備及冗余通信模式，用于對可靠性要求很高的場合。詳見圖2：基于現(xiàn)場總線（PROFIBUS）的先進控制系統(tǒng)ACSBPB系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。3.3.2控制器或主站控制器基于通用工業(yè)PC機、Windows/NT軟硬件平臺?，F(xiàn)場總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網(wǎng)卡（自主開發(fā)）。系統(tǒng)控制器或主站應具備雙機熱備、冗余通信系統(tǒng)功能。3.3.3 A

36、CSBPB系統(tǒng)軟件ACSBPB系統(tǒng)軟件基于WIN/NT系統(tǒng)軟件平臺。它包含一個實時多任務操作系統(tǒng)內(nèi)核，并為系統(tǒng)提供以下功能：用于系統(tǒng)組態(tài)工具包基于IEC61131程序編輯軟件包和軟邏輯功能模塊繪圖、數(shù)據(jù)庫編輯工具包和實時在線監(jiān)控軟件包，包括流程、棒狀圖、趨勢圖顯示功能。故障報警及記錄、實時數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、統(tǒng)計、報表打印功能?；贗NTRANET/INTERNET技術(shù)的遠程數(shù)據(jù)流瀏覽、遠程維護功能。支持OPC、DDE驅(qū)動接口支持ODBC、SQL數(shù)據(jù)庫接口3.3.4具有現(xiàn)場總線（PROFIBUS）接口的底層現(xiàn)場設(shè)備(1) 分散式I/O從站：通過GSD文件組態(tài)，系統(tǒng)可連接任何廠家制造、經(jīng)過PROFIBUS標準認證的分布式I/O從站。(2) 智能分散式I/O-PLC從站：通過GSD文件組態(tài)，系統(tǒng)可連接任何廠家制造、經(jīng)過PROFIBUS標準認證的智能分散式I/O從站。(3) 智能交直流驅(qū)動器：通過GSD文件組態(tài)，系統(tǒng)可連接任何廠家制造、經(jīng)過PROFIBUS標準認證的智能交直流驅(qū)動器。智能交直流驅(qū)動器的參數(shù)化符合PROFIBUS-DP行規(guī)要求。(4) 智能執(zhí)行機構(gòu)：包括氣動、電動執(zhí)行機構(gòu)。通過GS