现场总线及其应用「建议收藏」

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现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线技术形成了真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性，丰富了控制设备的信息内容。为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系,便于实现管控一体化，同时控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制。

图 1 测量控制系统

测量控制系统从早期基地式模拟仪表只能实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐渐发展到按装置或过程的多回路、多变量集中监控，整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。每一代更新都带来能力指数的跃变，同时随着工具与功能开发的不断完善，每一代系统的测控能力指数会按各自的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理提供更为完善的服务，带来更大的经济效益。图中对能力指数的描述在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达而已。

现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，现场总线技术有较著名的有基金会现场总线（FF）、HART 现场总线、CAN 现场总线、LONWORKS 现场总线、PROFIBUS 现场总线、 MODBUS、 INTERBUS、 AS－INTERFACE 总线等。

PROFIBUS 是德国国家标准 DINl9245 和欧洲标准 EN50170的现场总线标准。由 PROFIBUS-FMS， PROFIBUS-DP， PROFIBUS-PA 组成了 PROFIBUS 系列。DP 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。 FMS 意为现场信息规范， PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而 PA 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从 IECll58—2 标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI 模型的物理层、数据链路层。 FMS 还采用了应用层。传输速率为96kbps～12Mbps，最大传输距离在12Mbps 时为 100m，1.5Mhps 时为 400m，可用中继器延长至 10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接 127 个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。Interbus 采用单一的总线，传输协议采用标准的 TCP/IP 协议，整个系统中采用同一数据流，数据传输经过 SWITCH、ROUTE 选择，而不经过控制器的 CPU。FF(FieldbusFoundation HighSpeedEtherne)美国 FieldbusFoundation基金会采用高速以太网技术开发的 H2 现场总线。其前身是以美国Fisher—Rosemount 公司为首，联合了 Foxboro、横河、 ABB、西门子等 80 家公司制订的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的 150 家公司制订的 WorldFIP 协议。 H1 的传输速率为 31.25kbps，通信距离可达 1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2 的传输速率可为 1Mbps 和 2．5Mbps 两种，其通信距离分别为 750m 和 500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合 IECll58—2 标准。Modbus:施耐德公司推出的比较简单，但可靠的一种通讯协议，通过简单的功能码就可以完成通讯。Lonworks 现场总线多用于楼宇，是唯一一个覆盖了 7 层网络分层的协议，也使其真正实现各层的互连。LonWorks 是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国 Echelon 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO／OSI 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从 300bps 至1.5Mbps 不等，直接通信距离可达 2700m(78kbps，双绞线)。支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。  集成芯片中有 3 个 8 位 CPU，一个用于完成开放互连模型中第 1 和第 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理。第二个用于完成第 3～6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现 CPU 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。HART 主要用于仪表，低速通讯。 HART 是 Highway Addressable Remote Transducer 的缩写。最早由Rosemount 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于 1993 年成立了 HART 通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。  它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令：第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。AS-Interface  网络为自动化系统底层设备提供了一种廉价的解决方案， 可以取代传统的电缆连接，并可以独立地进行控制。网络还可以通过网关与其它高层网络连接。不断增强的功能使得 AS-Interface的应用不断扩展，目前已成为自动化领域广泛应用的标准之一。CAN 是控制局域网络(Control Area Network)的简称，最早由德国BOSCH 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被 ISO 国际标准组织制订为国际标准。CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，只取 OSI 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达 1Mbps／40m，直接传输距离最远可达 10km／5kbps。可挂接设备数最多可达 110 个。CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。各种总线各有所长，如 PROFIBUS 在 PLC 组网中应用较多， CAN在底层设备上的应用有着鲜明的特点， LONWORKS 则具有支持较多的通信介质和全面的上层软件的特点， ARCNET 传输速度快，数据量大，支持多种网络拓扑。从控制网络层次上看，若将子系统分成三个层次：设备级、控制级和信息级，则 ControlNet、ARCNET 多用于控制级，Asi、DeviceNet 多用于设备层。现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融入了智能化仪表、计算机网络和开放系统互连等技术的精粹。所有这些特点使得以现场总线技术为基础的现场总线控制系统(FCS)相对于传统 DCS 系统具有巨大的优越性。现场总线控制系统 FCS(fieldbus control system)突破了 DCS 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把 DCS 集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。基于 PC、PLC、DCS 产品的分布式控制系统，其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个 I/O 点对设备的一个测控点）所谓 I/O 接线方式，信号传递 4-20mA（传送模拟量信息）或 24VDC（传送开关量信息）信号。

DCS 系统主要缺点:

（1）信息集成能力不强：  控制器与现场设备之间靠I/O 连线连接，传送 4-20mA 模拟量信号或 24VDC 等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足 CIMS 系统对底层数据的要求。

（2）系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准 4-20mA/24VDC 连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。 

（3）可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的 I/O 电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。

（4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

图 2 DCS 与 FCS 控制系统

我的本科毕业设计是基于 PLC 的新风机组监控系统设计，采用 CAN 总线传输控制信号设备运行状态信息并实现了整个系统的稳定运行。新风机组的作用是将进入室内的新风经过过滤，使空气达到规定洁净度的要求，然后经过除热加湿使其达到人们的设定值要求，经风机使空气流动起来。水系统的作用是为新风机组产生并传送冷量，主要是吸收空气中热量。在试验中采用 S7-1200 系列 PLC 作为控制器，与上位机通过 RJ45 进行通信。PLC是将上位机和现场设备连接起来的纽带，能够实时将风门、阀门开度以及底层现场的变送器采集的温湿度值、压差大小上传至上位机，并向现场的执行器发送来自上位机的控制信号。介绍了空调基本结构，研究空调的制冷与加湿原理与控制方法，制定出系统的总体方案；从监控原理出发统计新风系统设备对应的的数字量和模拟量，选用 CPU1217 型号的 PLC，选用 SM1223 数字量扩展模块和 SM1234 模拟量扩展模块以及研究实验采用的温湿度传感器设计了空调系统的控制流程图，设计系统起停程序、温湿度采集程序和温湿度控制程序。确定系统的数学模型，在分析控制系统性能指标的基础上对控制系统进行 PID 参数整定并仿真研究。最终，基于组态王进行监控画面设计，进行上下位机的通信联调。上位机是指可以显示信号变化、发出控制命令的计算机。上位机用于对整个控制系统的监测与控制，主要用来发出起停信号、设置运行参数、在线修改运行参数、监控系统运行、报警及故障显示等。操作员对工控机下达控制命令，通过串行口发送给 PLC，进而控制现场执行器，并实时采集来自底层现场的反馈信息。

图 3 系统总设计方案

下位机是直接控制设备并获取设备反馈信息的计算机，一般是 PLC，它主要完成数据的采集、运算、执行用户程序和检测运行状态，实现最终的控制。 PLC 通过串口接受工控机的操作命令，同时还负责接受外部传感器、按钮、开关及阀门反馈信号等，并实时将信号反馈给工控机。水循环系统由制冷机组、冷却水系统和冷冻水系统三部分组成。如图 4 所示，水循环系统实现了将室内空气的热量搬运到室外。冷冻水与冷媒在蒸发器中进行热量交换，冷却水与冷媒在冷凝器中进行热量交换。在图 4 中制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送入蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个用户房间，从而达到降温的目的。冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量通过循环冷却水系统的冷却水带走。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。在冬季需要制热时，空调系统仅需要通过冷热水泵（在夏季称为冷冻水泵）将常温水泵人蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。

图 4 水系统工作原理

图 5 水系统监控原理

风循环系统结构图如图所示，风循环系统由风阀、风机、过滤器、加湿器、热盘管及冷盘管组成。它是一种空气调节设备,能够从室外抽取空气,经过除尘、加湿(或除湿)、降温(或升温)等处理后再送入室内,为室内人员提供洁净健康的新鲜空气。以实现夏季制冷、冬季供热提高室内空气品质等目的。室外空气首先来到过滤器，在此处安装有压差开关。它的作用是检测过滤器两端的压力差，压差开关闭合说明空气不能顺畅的通过过滤器。将此闭合信号传送至相应的外部设备，驱动报警信号， 提示工作人员需要检查过滤器。另外还会将信息传送至上位机， 并在监控界面上显示并记录故障报警信息。 风机的作用是让空气流动起来，为了满足人体对吹风感的要求应使最高风速不得超过 0.25m/s。在风机处安装有压差开关，它的作用是检测风机两端的压差，判断风机是否出现故障，如果出现故障按顺序停机并提醒工作人员采取相应的措施。在风机盘管处安装有温湿度变送器，用来测定经新风机组处理后的空气的温度和湿度是否符合设定值，变送器将检测到的信号传送至控制器，控制器经过内部程序运算后给出输出值，控制器将输出信号传送至这些装置的执行器上，执行器接收到信号后执行相应的操作，使空气的温湿度达到系统的要求。

图 6 风循环系统工作原理

图 7 风循环系统监控原理

如表 1 所示，整个控制系统需要配置一个 S7-1200PLC 和 3个模拟量输入输出模块，因为 S7-1217PLC 的数字量输入输出有差分信号，不能当做普通的数字量输入输出，所以还需要配置 1个数字量输入输出模块，这样才能满足整个系统的 I/O 需求。

表一

S7-1200PLC 依次外接了一个 SM1223 数字量输入输出扩展模块和三个模拟量输入输出扩展模块。监控主界面如图 8 所示，在监控系统的主界面可以看到水系统和新风机组的工作状态，配置有两个房间的启动与停止按钮，用于整个系统的起停。在画面的。左下方配置了水系统的设备运行状态，无论哪个新风机组启动时都可以观察设备的运行状态，只有当设备按照预先设定好的起停顺序工作时整个系统才属于正常运行，否则就会发出故障报警。

当系统正常运行时能看到管道内的水流状态，管道内的水流方向就是冷却水与冷冻水的供回水方向，其中蓝色代表的是低温水，红色代表的是高温水。整个系统只考虑夏季工况。在画面的右侧可以实时观测到两个房间的温湿度情况。在画面的右下方由实时曲线、历史曲线、 实时报表、 历史报表、参数显示、参数调节等选项供使用者查看与管理系统运行，以满足最佳舒适感。

图 8 监控画面