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上海翰粵自動化系統(tǒng)有限公司
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| PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術簡介 | |
| *章：現(xiàn)場總線技術及PROFIBUS 1.1 現(xiàn)場總線技術的由來 1.1.1 CIMS體系結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分 根據(jù)工廠治理、生產(chǎn)過程及功能要求，CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現(xiàn)場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現(xiàn)場級。在一個現(xiàn)代化工廠環(huán)境中，在大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程控制中，產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣分為這三個層次，與簡化的網(wǎng)絡層次相對應。如圖1-1所示。 圖1-1：簡化的CIMS網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)
圖1-2：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng) 1.1.4 系統(tǒng)主要缺點 （1）信息集成能力不強： 控制器與現(xiàn)場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設備參數(shù)、故障及故障紀錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強，不能*CIMS系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。 （2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強：除現(xiàn)場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操縱性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，答應其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中往，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。 （3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加本錢，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。 （4）可維護性不高：由于現(xiàn)場級設備信息不全，現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性。 1.1.5 現(xiàn)場設備的串行通訊接口是現(xiàn)場總線技術的原形 由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，很多傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設備智能化，即內(nèi)置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對于這些智能現(xiàn)場設備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通訊方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)控。假如設想全部或大部分現(xiàn)場設備都具有串行通訊接口并具有同一的通訊協(xié)議，控制器只需一根通訊電纜就可將分散的現(xiàn)場設備連接，完成對所有現(xiàn)場設備的監(jiān)控，這就是現(xiàn)場總線技術的初始想法。 1.2.4 現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生 基于以上初始想法，使用一根通訊電纜，將所有具有同一的通訊協(xié)議通訊接口的現(xiàn)場設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化通訊，由數(shù)字化通訊網(wǎng)絡構(gòu)成現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。 1.2 現(xiàn)場總線技術概念 1.2.1 現(xiàn)場總線技術 目前，*的現(xiàn)場總線技術概念描述如下：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通訊的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。 或者，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的丈量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 1.2.2 現(xiàn)場總線技術產(chǎn)生的意義 （1）現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設備數(shù)字化通訊的一種產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通訊技術；是一次產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場級設備通訊的數(shù)字化革命?，F(xiàn)場總線技術可使用一條通訊電纜將現(xiàn)場設備（智能化、帶有通訊接口）連接，用數(shù)字化通訊代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設備控制、監(jiān)測、遠程參數(shù)化等功能。 （2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對一連線的、4-20mA/24VDC信號，信息量有限，難以實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島”，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)。 （3）基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)字化通訊技術，使自控系統(tǒng)與設備加進工廠信息網(wǎng)絡， 構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場級設備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術基礎。 1.2.3 基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng) 基于現(xiàn)場總線技術的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖1-3所示： 圖3：基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng) 1.2.4 基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要優(yōu)點 （1）增強了現(xiàn)場級信息集成能力 現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求。現(xiàn)場總線是數(shù)字化通訊網(wǎng)絡，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，還可實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作。 （2）開放式、互操縱性、互換性、可集成性 不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標準，就具有互操縱性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，答應其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中往，因此，市場上將有很多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。 （3）系統(tǒng)可靠性高、可維護性好 基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替換一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。 （4）降低了系統(tǒng)及工程本錢 對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省往了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程用度，降低了系統(tǒng)及工程本錢。 1.3 現(xiàn)場總線標準 現(xiàn)場總線技術得以實現(xiàn)的一個關鍵題目，是要在自動化行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議技術標準，制造商們能按照標準生產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商門能按照標準將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場總線標準的題目。上*自動化產(chǎn)品及現(xiàn)場設備生產(chǎn)廠家，意識到現(xiàn)場總線技術是未來發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)同盟，推出自己的總線標準及產(chǎn)品，在市場上培養(yǎng)用戶、擴大影響，并積極支持標準組織制定現(xiàn)場總線標準。能否使自己總線技術標準在未來標準中占有較大比例成份，關系到該公司相關產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽。而歷史經(jīng)驗證實：標準都是采用一個或幾個市場上zui成功的技術為基礎。因此，各大公司在制定現(xiàn)場總線標準中的竟爭，體現(xiàn)了各公司在技術地位上的競爭，而其*還是要回結(jié)到市場實力的競爭。 據(jù)說目前上現(xiàn)有各種總線及總線標準不下二百多種。具有一定影響和已占有一定*的總線有如下幾種： 1.3.1 PROFIBUS現(xiàn)場總線 1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，*占歐洲*，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自上250多個生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投進現(xiàn)場運行。1985年組建了PROFIBUS支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地相繼組建了20個地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會員近650家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并籌建現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認證的實驗室。 PROFIBUS主要應用領域有： 。制造業(yè)自動化：汽車制造（機器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。 。過程控制自動化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。 。電力：發(fā)電、輸配電。 。樓宇：空調(diào)、風機、照明。 。鐵路交通：信號系統(tǒng) 1.3.2 FF現(xiàn)場總線 1994年由ISP 基金會和World FIP（北美）兩大團體合并成立FF基金會，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標準的、*的現(xiàn)場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。已完成開發(fā)的高速總線（H2）擬于1998年內(nèi)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認證中心。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的應用領域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。 1.3.3 LONWORKS總線 LONWORKS現(xiàn)場總線全稱為LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡技術，?？赐瞥瞿軌蜻m合各種現(xiàn)場總線應用場合的測控網(wǎng)絡。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括產(chǎn)業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應用于樓宇自動化方面。 1.3.4 CANBUS現(xiàn)場總線 CANBUS現(xiàn)場總線已由ISO/TC22技術委員會批準為標準IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、科研、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。 1.3.5 WorldFIP現(xiàn)場總線 90～91年FIP現(xiàn)場總線成為法國國家安全標準。96年景為歐洲標準（EN 50170 V.3）。下一步目標是靠近IEC標準，現(xiàn)在技術上已做好充分預備。WorldFIP組織在北京設有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負責中國的。WorldFIP現(xiàn)場總線采用單一總線結(jié)構(gòu)來適應不同應用領域的需求，不同應用領域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25Kbit/s,制造業(yè)為1M bit/s,驅(qū)動控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級來治理總線上（包括各支線）的各控制站的通訊。可進行1對1、1對多點（組）、1對全體等多重通訊方式。在應用系統(tǒng)中，可采用雙總線結(jié)構(gòu)，其中一條總線為備用線，增加了系統(tǒng)運行的安全性。 WorldFIP現(xiàn)場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。 1.3.6 P-NET現(xiàn)場總線 P-NET現(xiàn)場總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場總線的*批產(chǎn)品。1986年通訊協(xié)議中加進了多重網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P-NET標準成為開放式的完整標準，成為丹麥的國家標準。1996年景為歐洲總線標準的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會員近百家，總部設在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設有地區(qū)性組織分部。P-NET現(xiàn)場總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應用領域。 1.4 如何面對眾多的現(xiàn)場總線標準 面對上各種流派的現(xiàn)場總線及標準，為深進研究*進的現(xiàn)場總線技術，推動我國現(xiàn)場總線技術和產(chǎn)品的研究開發(fā)，形成符合我國國情的和現(xiàn)實的標準體系，保護我國生產(chǎn)企業(yè)和用戶的投資效益，我國儀表標準化行業(yè)的主管單位-儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所遵循標準化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中國科技會堂舉辦了“現(xiàn)場總線的標準化與中國自動化技術發(fā)展”研討會。會議邀請了PROFIBUS、FF、WorldFIP、P-NET組織專家代表，先容了流行現(xiàn)場總線技術及標準化情況。研討會上中外專家就現(xiàn)場總線標準化的發(fā)展展開了熱列討論，并提出以下見解與意見： （1） 期看IEC能盡早按預期目標完成同一標準的制定。 （2） 按目前進度估計，近年內(nèi)IEC很難完成預期目標。 （3） 目前IEC提出的建議方案只限于過程自動化，難于滿足其它應用領域要求，不可能成為*標準，很可能形成多種標準體系共存。 （4） 在同一標準框架下做多種通訊協(xié)議接口，可能是同一標準的一種適宜的解決方案。 對我國發(fā)展現(xiàn)場總線技術政策，專家和代表們以為，結(jié)合我國國情，一方面應積極跟蹤IEC標準化的發(fā)展，開展我國的技術研究和產(chǎn)品開發(fā)。另一方面在同一的IEC標準未形成之前，積極開展對其它*的現(xiàn)場總線技術研究，特別是對已有成熟應用經(jīng)驗、應用領域覆蓋面大的現(xiàn)場總線技術的跟蹤研究。 1.5 對面臨選擇的用戶談個人看法并提出建議 從用戶角度出發(fā)，如何面對眾多現(xiàn)場總線標準作出選擇，筆者在此發(fā)表個人看法，并提出一點建議以供用戶參考。 （1）標準？ 從標準發(fā)展的歷史看，誰的技術將成為標準，或在標準中占有較大成份，主要取決于它在實際應用中取得多大的成果，取決于該項技術及產(chǎn)品在市場上的占有份額。也就是說，誰能占有市場誰將得天下。另一方面，標準化組織根據(jù)科學技術飛速發(fā)展現(xiàn)狀及廠商用戶對標準制定的要求，對標準的制定及批準手續(xù)作出相應的改變，即簡化了標準的制定程序和手續(xù)，并承認存在所謂事實上的標準，即那些在市場中已占有較大份額、具有很大的用戶成功應用經(jīng)驗的技術標準，如我們熟知的TCP/IP通訊協(xié)議標準。 （2）選擇總線？ 在目前上現(xiàn)場總線群雄并起局面下，用戶應從實際應用工程特點出發(fā)往選擇。由于沒有一種可包羅萬象、適合所有應用領域的現(xiàn)場總線技術。應著重考察這種總線在本行業(yè)中的應用業(yè)績。如制造業(yè)自動化、電力自動化及過程控制自動化三個領域，在數(shù)據(jù)實時響應要求方面就大不一樣。 （3）選擇產(chǎn)品？ 用戶應盡量選擇著名度大、擁有用戶多、產(chǎn)品應用基礎好的公司產(chǎn)品，由于這些公司的現(xiàn)場總線技術被標準采納的可能性大。即使沒有被標準采納，至公司為考慮信譽，會提出原有技術與標準的接口，而不會置公司信譽于不顧，丟掉老客戶不管。 （4）積極跟蹤、勇于進??！假如由于IEC還沒有同一現(xiàn)場總線標準，就不敢使用這項*技術是大可不必的。這將會使企業(yè)喪失一次盡早進步企業(yè)自動化水平的機會，或喪失一次進步本企業(yè)產(chǎn)品水平的機會，從而導致企業(yè)在未來同行競爭中處于劣勢。IEC要同一現(xiàn)場總線標準不是一朝一夕的事，坐等時機流逝為下策，只有積極跟蹤、勇敢進取方為企業(yè)發(fā)展上策。 第二章：現(xiàn)場總線PROFIBUS技術要點 本章從PROFIBUS協(xié)議標準角度，概要說明了PROFIBUS技術要點。使讀者可快速了解PROFIBUS技術概貌。 2.1 PROFIBUS概貌 （1） PROFIBUS是一種化、開放式、不依靠于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程產(chǎn)業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。 （2） PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。 （3） PROFIBUS-DP：是一種高速低本錢通訊，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。 （4） PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。 （5） PROFIBUS-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡。 （7） PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通訊與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。 | |
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