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1.引言

    隨著科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)場總線控制技術也得到了相應的發(fā)展。它是綜合運用微處理器技術、網(wǎng)絡技術、通信技術和自動化技術的產(chǎn)物。它將微處理器置入現(xiàn)場自控設備，使設備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信的能力，這一方面提高了信號測量、控制和傳輸?shù)木龋矠閷崿F(xiàn)其遠程傳輸創(chuàng)造了條件。由于現(xiàn)場總線適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展方向，它一經(jīng)出現(xiàn)便成為全球工業(yè)自動化技術的熱點，得到了廣泛的應用，對該領域產(chǎn)生了前所未有的沖擊和影響。

2. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構和技術特點

所謂現(xiàn)場總線，按照國際電工委員會IEC／SC65C的定義，是指安裝在制造或生產(chǎn)區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間以及現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場總線為基礎發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，以下簡稱rcs)。

2.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通常有以下幾部分組成：現(xiàn)場總線儀表、控制器；現(xiàn)場總線線路；監(jiān)控、組態(tài)計算機。這里的儀表、控制器、計算機都要通過現(xiàn)場總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件連接到網(wǎng)卡上。因此，現(xiàn)場總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎和神經(jīng)中樞。

2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術特點

現(xiàn)場總線這種用于智能化現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線，是企業(yè)網(wǎng)(Intranet)內處于最低層的控制系統(tǒng)(Infra―net)，其主要特點：

① 以數(shù)字式通信方式取代設備級的模擬量和開關量信號；

② 車間級與設備級通信的數(shù)字化網(wǎng)絡；

③ 現(xiàn)場總線使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡，成為企業(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；

④ 在C 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。

3. 現(xiàn)場總線在工業(yè)控制中的應用

現(xiàn)場總線在工廠生產(chǎn)過程控制中的應用范圍較廣。以某大型加工廠為例，該廠為擴大生產(chǎn)規(guī)模，強化生產(chǎn)過程，同時為了保證安全生產(chǎn)和達到環(huán)保要求，被控設備種類多(這些種類繁多的進口和國產(chǎn)設備往往本身還配有控制系統(tǒng))，需要檢測的點數(shù)和控制回路較多，測控點分散。若采用傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)控制，如此眾多的檢測信號匯集到DCS的入口處，會導致系統(tǒng)的安全性和可靠性下降。而采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，可將大多數(shù)的控制功能下放到現(xiàn)場電儀設備，減少DCS處理信息的壓力，增強系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時也可減少電纜及相關費用。

3.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

傳統(tǒng)的工廠級控制體系結構有五層，即工廠層、車間層、單元層、工作站層、設備層。而Rockwell自動化系統(tǒng)將其簡化為三層結構模式:信息層(Ethemet以太網(wǎng))、控制層(ControlNet控制網(wǎng))、設備層(DeviceNet設備網(wǎng))。此系統(tǒng)為三層結構的集散控制系統(tǒng)，分別為管理總線( II))的管理級、控制總線(ControlNet)的監(jiān)控級及現(xiàn)場總線(DeviceNet)的現(xiàn)場執(zhí)行級。現(xiàn)場執(zhí)行級的主要任務是直接負責現(xiàn)場控制，如現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制輸出等；監(jiān)控級用來對現(xiàn)場級進行監(jiān)控，對整個系統(tǒng)進行集中監(jiān)控和在線管理；管理級主要任務是將管理部門的決策引入到監(jiān)控級的控制策略中去，實施各相關系統(tǒng)間的協(xié)調與信息共享。

3．2 DeviceNet控制系統(tǒng)

DeviceNet基于CANBUS技術，用于PLC與現(xiàn)場設備之間的通訊網(wǎng)絡。它可連接開關、拖動裝置、固態(tài)過載保護裝置、條形碼閱讀器、I／0和人機界面等，傳輸速率125―500kbps。DeviceNet控制系統(tǒng)由DeviceNet輔助啟動器(DSA)、E3固態(tài)熱繼電器、帶輸入點的通訊模件(2l0o― GK61)、PLC控制器、現(xiàn)場操作箱、軟起動器、模擬量模件、變頻器和InteliCenter軟件等組成。

① DSA帶有DeviceNet接口，用于非智能化設備上DeviceNet網(wǎng)，例如，電機啟動單元配雙金屬片熱繼電器、SMP一1或SMP一2熱繼電器、饋電單元、主進線單元等。DSA帶有4個輸入點，用于監(jiān)視接觸器、斷路器和熱繼電器狀態(tài)以及手／自動轉換開關點。DSA還帶有2個輸出點，用于驅動接觸器合閘或正反運行；

② E3固態(tài)熱繼電器提供內置式DeviceNet接口和4個開關量輸入，用于監(jiān)視接觸器、斷路器和手動／自動轉換狀態(tài)。可編程保護功能包括：過載／欠載、失相／相間不平衡、堵轉、接地和FIE熱電阻輸入；

③DeviceNet通訊模件(2l0o―GK61)，用作智能設備的通訊適配器，例AC drives(Bulletinsl305，1336PLUS，1336 PLUSH)、SMC Dialog Plus controlers和SMP一3熱繼電器。2l0o―GK61另外配置4個開關量輸入，用于反饋斷路器、旁路裝置、手動自動轉化開關狀態(tài)；

④ 模擬量模件(如FLEXI／OTM模塊)，可設置在MCC柜中或現(xiàn)場操作箱內，采集、傳輸各種傳統(tǒng)現(xiàn)場測量儀表所提供的模擬信號(O一20mA、0―10v)或現(xiàn)場I／o信號，并可對相關現(xiàn)場設備進行監(jiān)控，因此方便地實現(xiàn)了機一電一儀一體化控制，避免了一個車間內多個控制系統(tǒng)并存，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。DeviceNet可以獲得所控負載的多種數(shù)據(jù)，通過SMP一3及DSA等模件可以快速而準確地指示脫扣的原因(缺相、失速、過載或接地故障)。系統(tǒng)采用Intelli―center軟件，可隨時得到整個系統(tǒng)的實時狀態(tài)、趨勢圖、控制原理圖、備件表、用戶手冊，并允許對整個系統(tǒng)更有效地維護，避免由系統(tǒng)所導致的斷路。這種有64個節(jié)點、多支路的網(wǎng)絡，允許用l根電纜連接500m以內的100個以上的現(xiàn)場設備，并遠至用戶的可編程控制器，無需用導線把每一個設備和一個I／O機架連接起來，節(jié)省了PLC的大量I／O量模件。總之，所有這一切可以減少導線的費用并且方便安裝。

3．3 ControlNet控制系統(tǒng)

ControlNet在單根電纜上支持兩種類型的信息傳輸：實時性的控制信息和I／O數(shù)據(jù)傳輸、無時間苛求的信息發(fā)送和程序上／下載。ControlNet技術采用了一種新的通信模式，以生產(chǎn)者／客戶模式取代了傳統(tǒng)的源／目的模式，不僅支持傳統(tǒng)的點對點通訊，而且允許同時向多個設備傳遞信息。生產(chǎn)者／客戶模式使用時間片算法保證各節(jié)點實現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率。現(xiàn)場總線采用雙絞線傳送數(shù)字信號，一般在2根普通導線制成的雙絞線上，可掛接幾十個自控設備，與傳統(tǒng)的設備間一對一的接線方式相比，可節(jié)省大量線纜、橋架、連接件，同時，由于所有的連線都變得簡單明了，系統(tǒng)設計、安裝、維護的工作量也隨之大大減少。采用現(xiàn)場總線可實現(xiàn)控制網(wǎng)絡、以太網(wǎng)絡和設備網(wǎng)絡之間的高速數(shù)據(jù)交換，并實現(xiàn)對網(wǎng)絡的監(jiān)視、控制和管理。由此可以看到，采用現(xiàn)場總線具有諸多好處，它既是通信網(wǎng)絡，又是自控系統(tǒng)。作為通信網(wǎng)絡所傳送的是接通／關斷電源、開關閥門的指令和數(shù)據(jù)，直接關系到操作運行過程中的設備及人身安全，要求信號在粉塵、噪聲、電磁干擾等較為惡劣的環(huán)境下能夠準確、及時到位，同時還具有節(jié)點分散、報文簡短等特征；作為自動化系統(tǒng)，在系統(tǒng)結構上發(fā)生了較大變化，其顯著特征是通過網(wǎng)絡信號的傳送聯(lián)絡，可由單個節(jié)點，也可由多個網(wǎng)絡節(jié)點共同完成所要求的自動化功能，是一個由網(wǎng)絡集成的自動化系統(tǒng)。

3 結束語

現(xiàn)場工業(yè)總線既是通信網(wǎng)絡，又是自控系統(tǒng)。它作為通信網(wǎng)絡，要求信號在粉塵、噪聲、電磁干擾較為惡劣的環(huán)境下能夠準確、及時到位，同時還具有節(jié)點分散、報文簡短等特征。它作為自動化系統(tǒng)，在系統(tǒng)結構上發(fā)生了較大變化，其顯著特征是通過網(wǎng)絡信號的傳送聯(lián)絡，可由單個字節(jié)、也可由多個網(wǎng)絡節(jié)點共同完成所要求的自動化功能，是一種由網(wǎng)絡集成的自動化系統(tǒng)。綜上所述，現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)為自動化儀表行業(yè)和自控領域提供了良好的機遇，也提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。我們應該結合本單位具體情況，積極組織力量，開展現(xiàn)場總線技術研究與相關產(chǎn)品的開發(fā)。

參考文獻：

赫曉紅，馬向華  論現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[J] 自動化儀表，2001，16（3）：1-5.

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