现场总线与自动化

现场总线与自动化1.现场总线的概念现场总线是近10多年来出现的一种基于现场设备之间进行通讯新型总线系统。是近年来的热点。实际上就是将智能化现场设备、自动化系统通过“总线”连在一起，实现互操作。现场总线在智能化现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通讯链接。它的出现，促进了现场设备的数字化和网络化，并且极大地加强了现场控制的功能。它使得过程控制系统具有了开放性，并使之成为兼具测量、控制和过程诊断等综合能力的控制系统。它的出现是技术进步的必然产物，可以给用户带来长期的实惠（详见3.中的介绍）。2.现场总线的分类及现状现场总线发展到今天，已经拥有各种现场总线类型约40多种，其中有的已经成为企业标准或国家标准，还有3种成为欧洲标准（CENELEC）。其中有影响的有8种：TYPE1-现有的IEC61158协议，及现场总线基金会（FF）的H1；TYPE2-ControlNet；TYPE3-Prifibus；TYPE4-Interbus；TYPE5-P-Net；TYPE6-WorldFIP；TYPE7-SwiftNet（波音公司新提供）；TYPE8-FF的高速工业Ethernet，即HSE（高速工业以太网）以上诸多类型的现场总线类型中，任何一款的背后都有国际著名的大型公司或利益集团。这使得现场总线领域的竞争十分残酷。由于技术发展的速度超乎人们的想象，新的技术和手段层出不穷，使得在短时间内任何一个集团想要取得压倒多数的优势是不可能的，目前实现现场总线标准的唯一化不太现实。恐怕在相当长的历史时期内，这一领域仍然是群雄并起，难以统一。最大的竞争来自FF和Profibus之间。在中国，Profibus对我国机电一体化进程的支持远大于FF（可能是由于FF在其实用产品的开发方面进展缓慢的原因）。3.现场总线在生产线上的应用在我国，目前仍然多数使用的是用传统PLC完成生产线的分段控制，实际上仍是DCS系统的一种变形（PLC替代了DCS）。即：将整个加工流水线按照不同的功能划分为若干工段，每个工段的设备由一组PLC控制的电控柜控制，该工段的所有测控元件都必须将其信号线引致PLC电控柜，各PLC电控柜间的信号联系通过多芯信号电缆完成。PLC间可相互交换的信息十分有限，尤其是不能交换模拟量及其他比位（Bit）的长度宽的信息，即各PLC之间基本上是封闭的，无法为管理层提供具有说服力的数据信息报告；此外，各测控元器件及电动机的动力电缆都无法减少，用户仍需在控制系统之外额外开销庞大的电缆费用；因为电缆数量巨大、电控柜内元器件数量众多而引起的维护工作量又会带来烟厂电控柜控制系统长期费用的增加；更换柜内元器件尤其是更换PLC模板的工作需等待停机时进行，更换损坏的动力器件耗时很大等等。随着技术的发展，各卷烟企业越来越追求卷烟内在品质的高标准和稳定性，对卷接包工段之前的制丝线或打叶复烤线的控制指标提出了更高的要求，同时要求各工段之间相互协调、相应的控制参数传递正确；尤其是目前卷烟行业竞争日益激烈的情况下，产品形象、企业形象日益重要，急需减员增效的压力越来越大。各企业都在想方设法改造自己的生产线，使之适应用户对产品的要求。在上述情况下，现场总线的出现适应了这种要求。可以说目前新上的生产线控制系统无一没有中央控制机房的存在，无一没有现场总线的参与。各条需要的或已经改造的生产线也无一不出现现场总线的。严格地说，我们经常听说的例如西门子公司的L2网、H1网、DP网，A-B公司的DeviceNet网等都属于现场总线的范畴。除DP网外，基本上都是通过在PLC之间、PLC与中央控制机房之间建立网络连接，使整个PLC控制的生产线具有开放性，便于各种生产信息的汇集统计和整个生产线的协调工作，减少人为干预对产品质量的影响，对分析故障原因和失控原因提供有力的数据支持，为建立“无人化车间”准备了条件。现场总线的特点是：a.数字信号完全取代4-20mA模拟量信号（各变送器及控制器都依赖通讯）；b.使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；c.使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；d.实现现场的管控一体化；e.真正实现系统的开放性、互操作性。在上新线时建立以现场总线技术为基础的现场总线控制系统（FCS），或进行老线改造时采用现场总线技术相对于采用传统的DCS系统具有巨大的优越性：a.系统结构大大简化，长期成本显著降低；b.现场设备自治性加强，系统性能全面提高；c.提高了信号传输的可靠性和精度；d.真正实现全分散、全数字化的控制网络；e.用户始终拥有系统的集成权（及功能宽展的权利）。我们在多年的项目实施中，逐步总结出一个规律：只要有PLC存在，就会有现场总线出现，甚至于PLC控制系统本身就是由现场总线组成的（例如西门子的Profibus-Dp系列产品）。4.我们用到的最新现场总线产品我们在长期的项目实践过程中除利用上边提到的西门子公司的L2（Profibus）网、H1网，A-B公司的DeviceNet网等现场总线系统（具体选那种现场总线需视烟厂的实际情况定）建立以中央控制机房为核心的管控一体化系统之外，目前还用到了西门子公司的Profibus-DP网（西门子最新推出的ET200S系列DP产品）实现完全分布式控制。在Profibus-DP的参与下，整个PLC控制系统以往高大的电控柜组消失了，代之以完全分散在控制现场的分布式I/O从站系统。每个分布式I/O从站之间及其与CPU之间通过Profibus-DP网络（一种现场总线，最高通讯速率可达12Mbps）连接在一起（Profibus专用双层屏蔽双绞线），各个分布式I/O从站以CPU的从站身份（主从式工作原理）将各自信息传递到CPU并接受CPU的命令。分布式I/O从站可以是ET200S系列产品，可以是变频器（配Profibus-DP卡，变频器上再无须其他信号线），也可以是其他支持Profibus-DP的产品（如流量计、水分仪、电子皮带秤、控制阀门等）。现在全世界宣布支持Profibus-DP的设备生产商越来越多，目的是使自己的产品尽快融入日益高涨的Profibus-DP的潮流之中而免遭淘汰。这使得施工现场的电缆数量和种类越来越少。在使用Profibus-DP的实践中，我们在全国第一个实现了西门子公司最新推出的、具有世界领先水平的ET200S系列产品在中国的成功使用。由于分布式I/O从站就近放置在设备附近，而且ET200S可以替代老式的现场信号转接盒（分线盒），使得整个项目的电缆开销比用传统集散型控制系统减少了80%（现场没有很宽的桥架及大量的电缆）。整套系统维护简单，器件全部模块化并支持热插拔，使得维护非常简单快捷（不会因插拔Profibus-DP模块造成系统死机，即可以边生产边维护）。电动机的控制线路与动力线路也都集成在被称为“负载馈电器”（ET200S产品之一）的模块中，使得分布式I/O从站不仅可以用于常见开关量（光电、接近开关等），也可用于电动机控制，使得整个系统除CPU和人机操作界面以外全部分布在现场。