现场总线集成技术在自动化控制系统中的应用_图文.doc

现场总线集成技术在自动化控制系统中的应用 张玉春1,杨成峰2,曹海英1,孟峰峰3 (1.国电南思系统控制有限公司,江苏南京211153; 2.东南大学电气工程学院,江苏南京210096; 3.三门峡黄河明珠集团,河南三门峡472000 摘 要 详述了现场总线控制系统的发展背景、特点及目前状况,并在研究现场总线控制网络以及以太网络技术及其通信协议的基础上,针对以太网与现场总线控制网络集成存在的一些问题,给出了一些集成方法和解决方案,具体实现的实质就是以太网与现场总线的通信,并通过实际应用来验证给出方法的可行性。 关键词 现场总线 以太网通信 集成技术 1 前言 随着信息技术的高速发展,工业自动化控制发生了巨大变化,形成了开放式互连通信网络系统。现场总线控制技术是由过程控制网络化、数字化、现场化发展而来。过程控制技术由分离设备向共享设备发展、模拟仪表向数字仪表发展、网络技术向现场拓展,在拓展的过程中,大致经历了5个发展阶段:人工控制、模拟仪表控制、计算机集中控制、集散控制系统(DCS、现场总线控制系统(FCS。 自动化控制系统多年来一直由集散控制系统(D istri b u ted Contro l Syste m,DCS占据主导地位。随着现代化工业的不断向前推进,人们对生产过程控制提出了更高的要求,对成本控制也日趋严格,这使得企业管理者、工程师需要获取更多来自现场的信息,需要实现从现场控制到监控、管理、抉择、商务等各个层次的信息交换与集成,以提高生产的效率以及市场的竞争力。正是由于这种需求推动了现场总线技术的诞生。 2 现场总线特点 现场总线的特点主要表现在以下几个方面: a. 操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定,从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力,节省了硬件数量与投资。 b. 相对于传统的DCS三层结构而言,现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站两个层次,将传统DCS的I/O控制站并入现场智能设备,从根本上改变了传统DCS集中与分散相结合的结构体系,实现了结构上的彻底分散。 c. 现场总线网络系统是开放的。用户可以按自己的需要考虑,把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。其开放性和互操作性体现在可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表。 目前世界上出现了上百种各具特色的现场总线技术。由于各种现场总线都代表着不同公司的利益,最后在无奈的妥协中,I EC制定了以8种现场总线共存的混和国际现场总线标准。这些现场总线如下:基金会现场总线、控制器局域网总线 CAN、W orldFI P现场总线、P-NET现场总线、I N TERBUS 现场总线、PROFI B US。 3 集成技术研究 随着现场总线控制网络的发展,信息管理决策层需要了解的底层的信息会越来越多,如果采用以太网的TCP/I P技术,就会大大的提高数据的传输效率,从而提高工业控制要求的实时性。以太网(E H TERNET是目前应用最为广泛的局域网,先进的技术,低廉的价格,高度的灵活性和可靠性,使其在当前的网络中变得颇为流行,现已成为现代计算机高速网络的支撑技术,同时,TCP/I P协议还确保了数据的完整性和可靠性,因此控制网络与以太网络的集成也就变得势在必行。 3.1 存在问题 现场总线控制网络与以太网络集成主要存在以下一些问题: a. 现场控制层的总线供电问题。现场总线控制可以不需要单独向现场设备铺设专门的电源电缆,从而减少设备的成本。而以太网是不具备这种条件的。 52 b. 现场控制层要求控制协议简单。TCP/I P 协议由于要求数据准确完整的传送,协议规则详细而复杂,从而影响实时性。而现场总线是专门针对工业现场而设计的,它的通信协议简单而有效,从而提高数据传输的有效性。 c. 数据传输过程中抗干扰的问题。由于以太网络是针对办公自动化设计的,因此它在恶劣的工业环境中是不能很好的进行工作的。而现场总线是有本质安全防爆的要求,它能适应恶劣的工业环境,能够抗各种电磁干扰,从而保证数据传输的正确性及可靠性。 d. 数据的传输问题。以太网有着强大的数据传输能力,而现场总线系统输送的数据帧均是短帧,这是工业现场所限制的。 e. 时间确定性问题。由于以太网的数据链路控制层采用了CS MA/CD介质访问技术,这使得信息的传输时间得不到保证。 .f 网络的扩展。由于TCP/IP协议已经成为了一种网络标准,所以使用以太网作为控制系统的信息层很容易进行进一步的升级。而现场总线到现在还没有一种统一的标准,而且现场总线的设备相对来说比较昂贵,所以使用现场总线作为网络的信息层是不适合的。 g. 应用层扩展。由于多数操作环境下的信息层都可以使用SOCKET套接字同各种应用程序进行通信,从而使得控制系统能够进行复杂的实时控制。而现场总