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上海翰粵自動化系統有限公司
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6XV1830-3EH10
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| PROFIBUS 現場總線技術簡介 | |
| *章：現場總線技術及PROFIBUS 1.1 現場總線技術的由來 1.1.1 CIMS體系結構及產業數據結構的層次劃分 根據工廠治理、生產過程及功能要求，CIMS體系結構可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現場級。在一個現代化工廠環境中，在大規模的產業生產過程控制中，產業數據結構同樣分為這三個層次，與簡化的網絡層次相對應。如圖1-1所示。 圖1-1：簡化的CIMS網絡體系結構
圖1-2：傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統 1.1.4 系統主要缺點 （1）信息集成能力不強： 控制器與現場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監控現場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障紀錄等數據很難得到。底層數據不全、信息集成能力不強，不能*CIMS系統對底層數據的要求。 （2）系統不開放、可集成性差、專業性不強：除現場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操縱性、互換性，因此可集成性差。這種系統很少留出接口，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中往，因此，面向行業的監控系統很少。 （3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加本錢，也增加了系統的不可靠性。 （4）可維護性不高：由于現場級設備信息不全，現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場設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。 1.1.5 現場設備的串行通訊接口是現場總線技術的原形 由于大規模集成電路的發展，很多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備智能化，即內置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉換、數字濾波甚至回路調節等功能。因此，對于這些智能現場設備增加一個串行數據接口（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定協議，通過串行通訊方式（而不是I/O方式）完成對現場設備的監控。假如設想全部或大部分現場設備都具有串行通訊接口并具有同一的通訊協議，控制器只需一根通訊電纜就可將分散的現場設備連接，完成對所有現場設備的監控，這就是現場總線技術的初始想法。 1.2.4 現場總線技術的產生 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議通訊接口的現場設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現場總線的數字化通訊，由數字化通訊網絡構成現場級與車間級自動化監控及信息集成系統。 1.2 現場總線技術概念 1.2.1 現場總線技術 目前，*的現場總線技術概念描述如下：現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通訊的數據總線。其中，“生產過程”包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。 或者，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的丈量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。 1.2.2 現場總線技術產生的意義 （1）現場總線（Fieldbus）技術是實現現場級控制設備數字化通訊的一種產業現場層網絡通訊技術；是一次產業現場級設備通訊的數字化革命?，F場總線技術可使用一條通訊電纜將現場設備（智能化、帶有通訊接口）連接，用數字化通訊代替4-20mA/24VDC信號，完成現場設備控制、監測、遠程參數化等功能。 （2）傳統的現場級自動化監控系統采用一對一連線的、4-20mA/24VDC信號，信息量有限，難以實現設備之間及系統與外界之間的信息交換，使自控系統成為工廠中的“信息孤島”，嚴重制約了企業信息集成及企業綜合自動化的實現。 （3）基于現場總線的自動化監控系統采用計算機數字化通訊技術，使自控系統與設備加進工廠信息網絡， 構成企業信息網絡底層，使企業信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現場。在CIMS系統中，現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備的延伸，是支撐現場級與車間級信息集成的技術基礎。 1.2.3 基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統 基于現場總線技術的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統如圖1-3所示： 圖3：基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統 1.2.4 基于現場總線的自動化監控及信息集成系統主要優點 （1）增強了現場級信息集成能力 現場總線可從現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系統的信息集成要求。現場總線是數字化通訊網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。 （2）開放式、互操縱性、互換性、可集成性 不同廠家產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中往，因此，市場上將有很多面向行業特點的監控系統。 （3）系統可靠性高、可維護性好 基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替換一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。 （4）降低了系統及工程本錢 對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省往了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程用度，降低了系統及工程本錢。 1.3 現場總線標準 現場總線技術得以實現的一個關鍵題目，是要在自動化行業中形成一個制造商們共同遵守的現場總線通訊協議技術標準，制造商們能按照標準生產品，系統集成商門能按照標準將不同產品組成系統。這就提出了現場總線標準的題目。上*自動化產品及現場設備生產廠家，意識到現場總線技術是未來發展方向，紛紛結成企業同盟，推出自己的總線標準及產品，在市場上培養用戶、擴大影響，并積極支持標準組織制定現場總線標準。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品前途、用戶的信任及企業的名譽。而歷史經驗證實：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，各大公司在制定現場總線標準中的竟爭，體現了各公司在技術地位上的競爭，而其*還是要回結到市場實力的競爭。 據說目前上現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現場總線 1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產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標準的產品超過1500多種，分別來自上250多個生產廠家。在世界范圍內已安裝運行的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個地區性的用戶組織，企業會員近650家。1997年7月組建了中國現場總線（PROFIBUS）專業委員會，并籌建現場總線PROFIBUS產品演示及認證的實驗室。 PROFIBUS主要應用領域有： 。制造業自動化：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：發電、輸配電。 。樓宇：空調、風機、照明。 。鐵路交通：信號系統 1.3.2 FF現場總線 1994年由ISP 基金會和World FIP（北美）兩大團體合并成立FF基金會，其宗旨在于開發出符合IEC和ISO標準的、*的現場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協議已于1996年發表。已完成開發的高速總線（H2）擬于1998年內表。1997年5月建立了中國現場總線（FF）專業委員會，并籌建FF現場總線產品認證中心。目前，FF現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、廢水處理、油田等行業。 1.3.3 LONWORKS總線 LONWORKS現場總線全稱為LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網絡技術，?？赐瞥瞿軌蜻m合各種現場總線應用場合的測控網絡。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括產業控制、樓宇自動化、數據采集、SCADA系統等。國內主要應用于樓宇自動化方面。 1.3.4 CANBUS現場總線 CANBUS現場總線已由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主要產品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統、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現場總線 90～91年FIP現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現場總線采用單一總線結構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,制造業為1M bit/s,驅動控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優先級來治理總線上（包括各支線）的各控制站的通訊?？蛇M行1對1、1對多點（組）、1對全體等多重通訊方式。在應用系統中，可采用雙總線結構，其中一條總線為備用線，增加了系統運行的安全性。 WorldFIP現場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。 1.3.6 P-NET現場總線 P-NET現場總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現場總線的*批產品。1986年通訊協議中加進了多重網絡結構和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產品。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，現有企業會員近百家，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性組織分部。P-NET現場總線在歐洲及北美地區得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環保工程和制造業等應用領域。 1.4 如何面對眾多的現場總線標準 面對上各種流派的現場總線及標準，為深進研究*進的現場總線技術，推動我國現場總線技術和產品的研究開發，形成符合我國國情的和現實的標準體系，保護我國生產企業和用戶的投資效益，我國儀表標準化行業的主管單位-儀器儀表綜合技術經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“現場總線的標準化與中國自動化技術發展”研討會。會議邀請了PROFIBUS、FF、WorldFIP、P-NET組織專家代表，先容了流行現場總線技術及標準化情況。研討會上中外專家就現場總線標準化的發展展開了熱列討論，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議接口，可能是同一標準的一種適宜的解決方案。 對我國發展現場總線技術政策，專家和代表們以為，結合我國國情，一方面應積極跟蹤IEC標準化的發展，開展我國的技術研究和產品開發。另一方面在同一的IEC標準未形成之前，積極開展對其它*的現場總線技術研究，特別是對已有成熟應用經驗、應用領域覆蓋面大的現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，如何面對眾多現場總線標準作出選擇，筆者在此發表個人看法，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，標準化組織根據科學技術飛速發展現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作出相應的改變，即簡化了標準的制定程序和手續，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驗的技術標準，如我們熟知的TCP/IP通訊協議標準。 （2）選擇總線？ 在目前上現場總線群雄并起局面下，用戶應從實際應用工程特點出發往選擇。由于沒有一種可包羅萬象、適合所有應用領域的現場總線技術。應著重考察這種總線在本行業中的應用業績。如制造業自動化、電力自動化及過程控制自動化三個領域，在數據實時響應要求方面就大不一樣。 （3）選擇產品？ 用戶應盡量選擇著名度大、擁有用戶多、產品應用基礎好的公司產品，由于這些公司的現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。這將會使企業喪失一次盡早進步企業自動化水平的機會，或喪失一次進步本企業產品水平的機會，從而導致企業在未來同行競爭中處于劣勢。IEC要同一現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、勇敢進取方為企業發展上策。 第二章：現場總線PROFIBUS技術要點 本章從PROFIBUS協議標準角度，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、不依靠于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化、流程產業自動化和樓宇、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，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。 （5） PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。 （7） PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通訊與控制的現場總線技術?？蓪崿F現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通訊網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。 | |
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