基于現場總線技術的先進控制系統

　　計算機數字通信技術及信息技術的發展，推動了自動化技術的進步；特別是近10年來興起的現場總線技術（Fieldbus），是計算機數字通信技術向工業自動化領域的延伸，它的發展將促使自動化系統結構發生重大變革，是傳統的基于PLC及DCS控制技術系統發展的必然歸宿。
　　現場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現場總線技術標準，自主開發具有特點及專有技術的產品。依照現場總線技術規范，不同廠家產品可以方便完成組態與集成，構成面向行業、適合行業特點的自主控制系統。這一特點為更多的自動化產品制造商自主開發并推出自主知識產權的自動化系統提供了可能。也為自動化系統集成商開發面向行業應用的成套技術和自動化系統提供了機會。
　　現場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優點，必然成為未來自動化技術發展的主流。基于現場總線技術的控制系統（Fieldbus Control System -FCS）與人們預想的一樣，對傳統的PLC、DCS系統形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預測、一種設想，而是實實在在的作為先進控制系統產品出現在市場上。本文將描述傳統PLC控制系統向基于現場總線控制系統的演變過程，以現場總線PROHBUS為背景，描述一個基于現場總線控制系統的結構組成，并分析系統的市場前景。

　　本文中提到的一些名詞及縮寫：
　　FCS：基于現場總線技術的控制系統（Fieldbus Control System -FCS）
　　現場設備：指現場級檢測及執行設備，如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執行機構、指示及顯示設備、人機操作接口等。
　　基于PLC的控制系統：指以PLC、遠程I/O及PLC網絡為基礎的分布式控制系統。
　　控制器：現場總線中的一個主站節點。至少具備總線通信與管理、邏輯執行等功能。

1、傳統控制系統向基于現場總線控制系統的演變

　　現場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現場總線技術標準，自主開發具有特點及專有技術的產品。因此，現場總線技術引入自動化控制系統，促使傳統控制系統結構演化，逐步形成基于現場總線的控制系統FCS。

　　1．1從PLC到通用工業PC
　　（1）在傳統控制系統中，控制器（或稱CPU、或處理器）與I/O模塊及其它功能模塊、機架為同一系列產品，有一致的物理結構設計。典型的結構是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線（公司設計產品而自定義總線）連接。機架擴展也是自定義總線的擴展。這些產品的連接技術是封閉的，第3方面想開發兼容產品必須得到廠家允許。
　　（2）基于現場總線的控制系統中，控制器與現4場設備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅動器等）連接是通過標準的現場總線，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產品（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場總線接口的現場設備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標準的、通用的硬件平臺一工業計算機（Industrial Compact Computer），如Intel/Windows類PC機。近年來嵌入式控制器（如PC/104產品）的發展和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PC做控制系統控制器優點如下：
　　（1）開放性、標準化 系統軟件與控制器硬件不再維持捆綁關系，專業自動化軟件廠家可以獨立開發不依賴于控制器品牌的FCS系統軟件。基于Windows/NT的操作系統平臺，具有大量的標準的軟件工具和數據文件格式可以兼容。
　　（2）價格 通用的工業PC容易形成規模經營，因此，價格比PLC便宜。
　　（3）性能指標高、產品更新換代快 通用的工業PC搭乘PC機技術發展快車，技術指標高、產品更新換代快。
　　（4）向上連接計算機管理網絡（如IEC802.3TCP/IP）技術成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術與管理數據庫連接。

　　1．2從PLC的I/O模塊到現場總線分布式I/O
　　在FCS系統中，插在控制器機架上的I/O模塊將被連接到現場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產品，而是第3方廠家的產品；廉價的、專用的、具有特殊品質的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PLC配置方式的比較見圖1。

　　1．3從PLC I/O控制的現場設備到具有現場總線接口的現場設備
　　現場設備如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執行機構等；傳統PLC系統使用I/O連接與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量4-20mA或開關量（如24VDC）控制監測現場設備。在FCS系統中，現場設備具有現場總線接口，控制器通過標準的現場總線與現場設備連接。

　　1．4系統軟件
　　在傳統PLC系統中，系統軟件（包括PLC系統軟件和編程軟件）與PLC硬件聯系緊密，技術上對外是封閉的。在FCS系統中，控制器采用通用工業PC平臺，系統軟件不再與控制器、I/O、現場設備等硬件捆綁，可運行在通用標準的工業PC+WINDOWS/NT平臺上。

2、基于現場總線的先進控制系統組成

　　以工業PC機及Windows/NT為平臺，加載FCS系統軟件做控制器；通過現場總線連接各種現場設備，這便是基于現場總線的先進控制系統的基本組成。下面以現場總線PROFIBUS為例，虛構一個基于現場總線PROFIBUS的先進控制系統一ACSBPB（Advanced Control System Based on PROFIBUS technology），說明基于現場總線的先進控制系統組成。

　　2．1現場總線（PROFlBUS）概況
　　現場總線PROFIBUS技術于1987年，由SIEMENS公司等13家企業和5家科研機構聯合提出：1989年批準為德國標準DIN192450經應用完善后，于1996年6月批準為歐洲現場總線標準EN50170V.2。目前，根據國際IEC標準委員會達成的關于現場總線國際標準的妥協方案，PROFIBUS現場總線標準已成為國際現場總線標準IEC61158的一個組成部分。
　　目前國際上有250多家企業，生產1600多種符合PRORBIjS標準的產品。在不闊的應用領域中已有200多萬個設備安裝運行。應用涉及到工業自動化的各個主要領域，包括：制造業自動化（汽車制造、裝瓶系統、倉儲系統）樓宇自動化（供熱、空調系統）、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）、電力工業和電力輸送（發電廠、開關裝置）。PROFIBUS標準產品在歐洲現場總線產品市場占有率第一，超過40%。
　　PROFIBUS用戶組織已建立了質量認證程序，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。

　　2．2現場總線PROFlBUS技術概要
　　（1）PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUSPA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。PROFIBIJS-PA專為過程自動化設計，并有本征安全技術規范。 PROFIBUS-FMS用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。
　　（2）PROFIBUS協議結構PROFIBUS協議結構是根據IS07498國際標準，以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型。 PROFIBUS-DP、FMS、PA定義了第12、7層和用戶接口。第3到6層未加描述。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，定義了現場設備行為的行規。
　　（3）PROFIBUS傳輸技術PROFIBUS提供了4種數據傳輸類型：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）設備類型2類主站（DPM2）指可進行編程、組態、診斷的設備。1類主站（DPM1）是可編程序控制器，如PLC、PC等。從站是指帶開關量或模擬量的現場設備，如驅動器、閥門等。
　　（5）電子設備數據文件（GSD）為了將不同廠家生產的PROFIBUS產品集成在一起，廠家必須提供GSD文件（電子設備數據庫文件），描述產品的功能參數。 PROFIBUS組態工具可根據將廠商提供的GSD文件將其設備集成在同一總線系統中。

　　2．3基于現場總線（PROF18US）的先進控制系統的結構及組成
　　基于現場總線（PROHBUS）的先進控制系統ACSBPB是一個面向制造業自動化、現場及車間級自動化控制系統。
　　（1）系統網絡結構ACSBPB由2級網絡結構組成：底層是基于PROFIBUS-DKPA的現場級設備層控制系統；上1層是基于PROFIBUS-FMS或工業以太網及TCP/IP的車間級監控系統。監控層計算機向上支持工廠管理級網絡接口及通信驅動和數據庫接口。底層PROHBUS-DP支持9.6k~12M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的通信；可支持點對點、總線及環形光纖網。控制器可配置成雙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。基于現場總線（PROFIBUS）的先進控制系統ACSBPB系統網絡結構圖。
　　（2）控制器或主站控制器基于通用工業PC機、Windows/WT軟硬件平臺。現場總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網卡（自主開發）。系統控制器或主站應具備雙機熱備、冗余通信系統功能。
　　（3）ACSBPB系統軟件ACSBPB系統軟件基于WIN/NT系統軟件平臺。它包含一個實時多任務操作系統內核，并為系統提供以下功能：

　　·用于系統組態工具包。
　　·基