现场总线技术应用于数控加工领域的现状与发展 - 天津大学研究生e.DOC

现场总线技术应用于数控加工领域的现状与发展 陈 阳 天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2013级硕士生 摘要：现场总线技术是当今炙手可热的自动化技术，它对数控加工领域的影响不是浅表的触动，而是观念的彻底更新和数字控制体系的彻底变革，其研究意义是非常巨大的。本文介绍了现场总线控制系统的特点，综述了目前国际上几种常用标准化的现场总线的背景、特点、协议和结构，最后结合数控加工运动控制特点分析了当前现场总线技术应用于数控加工领域存在的问题并对其发展趋势进行了展望。 关键词：自动化 现场总线 运动控制 数控加工 0 前言 现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的网络通信技术，随着计算机、控制、通信、网络技术的迅速发展，数控加工控制领域逐步形成了网络化的、全开放式的自动化控制体系结构[1]。现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）是在基地式气动控制信号控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control）、集散控制系统DCS（Distribute control System）之后发展起来的新一代控制系统[2]，它将DCS中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式，控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理信息层交换信息，代表了工业控制网络技术的发展方向。 现今数控系统大多数仍采用一对一连线，采用电压、电流的模拟信号或脉冲信号进行测量和控制，难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换。现场总线的应用把专用微处理器置入现场自控设备，使设备本身具有了数字计算和数字通信能力，这样不仅便于现场设备的信息传输和交换，还为信息远程传输创造了条件。现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统中，位于现场的测量变送器、执行器、开关、电机等设备和位于控制室的控制器之间均为一对一的物理连接。而现场总线系统由于采用了智能设备，现场设备具有独自通信能力，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的现场分散控制。 1 现场总线控制系统的特点 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，它遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议，能够实现双向串行多节点数字通信。 1.1 结构特点 现场总线控制系统的核心是现场总线，FCS是一种全数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络，是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连而成的实时网络控制系统，FCS控制层结构如图1所示[3]。新一代控制系统是由多段高速（H2）或低速（H1）现场总线、各类智能现场仪表设备（包括流量、压力、温度、执行器及辅助单元等）、人机接口（工业PC机）、组态软件、监控软件及网络软件等组成。 图1 FCS控制层结构 现场总线控制系统中的现场设备是智能化的，即现场设备能完全独立自主地完成对运行的监控、管理和保护，无需依赖中央控制室的计算机，彻底地实现了分散式控制。现场智能化设备又采用数字信号替代模拟信号，可实现一对信号线上传输多种信号（包括多个运行参数值、多个设备状态和故障信息等），同时还可为现场设备提供电源，现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换部件。因此现场总线控制系统的结构十分简单，设备间连接导线少，硬件设备和安装维护费用低。 1.2 技术特点 根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义，现场总线的技术特点表现在六个方面：现场通信网络、现场设备互联、互操作性、功能块分散性、系统的开放性和通信线供电。（1）现场通信网络现场总线是用于制造自动化和过程自动化的现场设备互联的现场通信网络，通信线一直延伸到生产现场或生产设备。（2）现场设备互联指传感器、变送器、执行器、智能仪表和CNC机床等现场设备，通过一对传输线互联，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。（3）互操作性是指互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点和一点对多点的数字通信。现场设备种类繁多，没有哪一家制造商可以提供一个工厂所需要的全部现场设备，不同品牌现场设备互相连接、互相操作，构成所需要的控制回路，实现“互通互用”。（4）现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，现场设备本身具有自动控制的基本功能。功能块分散在各台现场设备中，并可统一组态，供用户灵活选用各功能块，构成所需控制系统，实现彻底的分散控制。（5）系统的开放性指的是现场总线网络既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库共享，用户可把来自不