2023年11月8日

DCS与现场总线综述

作者 admin

【摘要】 现场总线技术对工业领域的意义是非常巨大的。 文章首先简要介绍了分布式控制系统的概述、发展历史和组成结构,然后从背景、概念、特点、优势和组成、现场总线技术在工业中的应用现状和最新进展入手控制讨论 总结介绍几种国际流行的现场总线,如CAN总线、LonWorks总线、Foundation Fieldbus、HART总线、Profib

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【摘要】 现场总线技术对工业领域的意义是非常巨大的。 文章首先简要介绍了分布式控制系统的概述、发展历史和组成结构,然后从背景、概念、特点、优势和组成、现场总线技术在工业中的应用现状和最新进展入手控制讨论 总结介绍了CAN总线、LonWorks总线、Foundation Fieldbus、HART总线、Profibus总线等几种国际流行的现场总线及其通信协议、应用领域和实时性,以及它们对技术变革和系统的响应失败 采取的对策。

0 前言

随着科学技术的进步、生产力的发展和信息时代的到来,社会对工业生产的需求越来越迫切。 集散控制系统以其可靠性、灵活性、成本低、适应性强等特点,已成为工业控制领域的主导系统,在化工、电力、石油、造纸等行业得到广泛应用。 集散控制系统的发展经历了三个阶段,是控制技术发展的里程碑。 现场总线自诞生以来,越来越受到国内外业内人士和企业的重视,带来了自动控制领域变革的又一次飞跃。 现场总线所遵循的国际统一协议标准,使其在分布式控制系统的基础上发挥了强大的功能。 本文将简要总结分布式控制系统和现场总线技术在工业控制中的应用现状和最新进展,并介绍几种国际流行的现场总线。

1 集散控制系统概述

集散控制系统之前的直接数字控制器(DirectDigitalCon-troller,DDC)实现了从模拟量控制到数字化的集中控制,为各种先进控制策略的实施提供了可能,但这种高度集中的控制方式不可避免地伴随着巨大的危险,因此工业生产过程的控制规模不断扩大,复杂性不断增加,在信息技术飞速发展的背景下产生了集散控制系统(Distributed Control System,DCS)。

DCS又称集散控制系统,是集计算机技术、通信技术、控制技术和CRT显示技术(4C技术)于一体的新型控制技术,实现生产过程的集中监控、运行、管理和分散化。 它具有分散的仪表控制系统和集中的计算机控制系统的特点。

1.1 集散控制系统的发展

分布式控制系统可分为三个阶段:

(1) 采用基于微处理器的过程控制单元,具有各种控制功能所需的算法。 同时,采用CRT显示操作站和冗余通讯系统,实现分散控制和集中管理,分散控制。 系统的基本结构。

(2)高分辨率CRT显示器和16位微处理器的使用,提高了系统性能,向模块化和标准化靠拢,将工厂级数据分散到过程级; 实现了非主站N;N通讯,加强了系统通讯功能,更有利于控制站、操作站、可编程逻辑控制器和计算机的互联互通,便于多机资源共享和分散控制。

(3) 采用开放式系统网络,操作站采用32位处理器、触摸屏和实时多用户多任务操作系统,为各种应用系统的标准平台提供软件可移植性和系统互操作性,使第三方应用软件可以方便地应用,用户的应用空间更加广阔[1]。

1.2 集散控制系统结构

图1是分布式控制系统的结构图。 分布式控制系统结构通常从下到上分为:控制级、监控级和管理级。 每一层由控制网络(ControlNetwork,Cnet)、监控网络(SupervisionNetwork,Snet)、管理网络(ManagementNetwork,Mnet)将相应的设备连接在一起,传输数据和命令[2]。 控制级由过程控制站和数据采集站组成,一般安装在主控室后面的电子设备室。 过程控制站接收来自位于被控生产设备附近的传感器、变送器和执行器等装置的信号,通过基本控制单元根据控制策略计算出控制量,返回给执行器。 基于总线的全数字化信息传输方式是未来的发展方向。 数据采集​​站也接受现场设备发来的信号,通过数据输入/输出单元进行转换处理,然后传送给集散控制系统的其他部分,但不具有控制功能; 监控层主要包括操作员操作站、工程师工作站和计算站。 根据具体情况配备技术手段完备的CRT显示器、键盘、计算机系统等各种硬件,以及功能强大的软件,以保证工程师和操作人员能够监控DCS网络各节点的运行情况,及时调整系统配置和部分系统。 参数的设置使DCS随时处于最佳工作状态,便于对生产过程实施先进的控制策略、故障诊断和质量评价。 操作员操作站安装在中央控制室,对整个生产过程进行监视和控制,工程师工作站和计算站安装在电子设备室。 监控层通信网络采用双网冗余,这是DCS的最大特点[3]; 管理层可以是厂级管理计算机,也可以是几个单位的管理计算机,实现整个企业的全面信息化管理,主要包括生产管理和运营管理,面向厂长、经理、总工程师等行政人员或操作人员。

2 现场总线

2.1 现场总线的诞生

尽管DCS实现了从模拟到数字的集中控制,但最基本的现场仪表与现场控制站之间的信息和数据仍然采用传统的4-20mA直流信号,通过独立的导线传输。 功能还远没有发挥出来。 随着微处理器的快速发展和广泛应用,以微处理器为核心的智能设备应运而生,现场总线技术就是在此基础上诞生的。

现场总线是应用于生产现场,实现现场设备与控制设备之间双向、串行、多节点通信的一种双向、串行、多节点的数字通信技术。 它将原DCS系统中控制室中的控制模块和各输入输出模块的专用微处理器替换成传统的测控仪表,使它们各自具有多种运算功能,并能独立承担一定的控制,网络节点进行通信任务,从而形成一个网络系统[4],通过双绞线、光纤、同轴电缆等方式实现完全分散控制。 网络系统按照标准、开放的通讯协议,实现生产现场多台微机自动控制设备之间,以及现场仪表与远程管理、监控用计算机之间的数据传输和信息共享,进而构成一个多样化的网络。适应实际需要的自动控制系统[5-6]。

2.2 现场总线的优点

(1)微处理器的各种运算和故障诊断功能丰富了现场仪表的功能,提高了测量精度和传输过程中的抗干扰能力。

(2)将原本由各种I/O单元和控制器完成的功能交给各个现场仪表,形成真正的分布式控制系统,实现风险控制的分散化。

(3)现场总线的数字通信功能,使各现场仪表通过底层现场总线网络,将自身运行状态的诊断信息传送给上层控制系统,同时也可以接受上位数字控制系统发送给它的信息。 该仪器可与数字控制系统直接传输数字信号,增加了信息流通能力,提高了信息的准确性,为系统的日常维护带来方便[7]。

(4)由于现场总线型现场仪表是按国际统一标准设计制造的,其通讯协议是一致的、开放的,可以实现不同厂家设备之间的信息交换,使用户可以选择最合适的自己设计系统的时候。 需要产品来构建可提高灵活性的系统。

(5)现场总线带来了方方面面的成本节约。 由于控制功能完全分布在控制系统底层的控制器和仪表上,降低了安装成本和维护成本。 并且用少量的通信总线代替了大量的模拟信号电缆,大大减少了设备的占地面积和资金[8]。

2.3 几种典型的现场总线

由于现场总线技术的不断改进,各组织和企业开发了多种用于工业现场仪表和控制室的数字通信协议。 现有的现场总线大约有几十种,国际上流行的现场总线标准有CAN总线、LonWorks总线、基金会现场总线、Profibus总线、HART总线等。

2.3.1 CAN总线

CAN总线(ControllerAreaNetwork)是德国博世公司为解决汽车内部测量与执行部分之间的数据通信而开发的一种串行数据通信协议。

CAN总线只使用了国际标准化组织制定的信息开放系统互连参考模型(ISO/OSI)第7层中的物理层和数据链路层。 开发者可以根据自己的需要定制通信协议,这是CAN总线灵活性的体现。 用户在设计通讯软件时,首先要根据自己的需要设计出适合自己的CAN总线通讯协议,才能完成准确可靠的数据传输。 但是,在一些简单的通信协议就可以满足要求的情况下,使用复杂的协议有时会造成资源浪费,限制了CAN的灵活性。 申请事项。 文献[9]以CAN技术规范2.0A为标准,对CAN通信协议的实现做了一定的分析和介绍,总结了CAN通信协议的发展经验,为用户定制提供参考和思路他们自己的通信协议。 充分实现CAN的灵活应用。

CAN控制器广泛应用于航空航天领域,但是航空航天电子设备在生产、运输和使用过程中各种自然或人工环境对CAN总线造成了极大的威胁。 根据系统可能引起的故障程度,解决可靠性问题的有效方法是在总线上实现不同程度的冗余。 文献[10]提出了一种CAN总线冗余的方法。 通过总线、总线驱动器、协议芯片和单片机的冗余,实现了系统不同程度的冗余,并对系统的冷冗余和热冗余进行了研究。

2.3.2 LonWorks 总线

LonWorks(LonWorksNetWorks)总线,即分布式智能控制网络技术,是美国Echelon公司推出的本地运行网络。 广泛应用于楼宇和家庭自动化领域,具有低成本、高性能等优点。 其特点是将通信协议嵌入到具有通信和控制功能的Neuron芯片中。 该芯片固化了ISO/OSI参考模型的7层服务,包含三个8位微处理器,分别负责媒体访问控制、网络处理和应用处理。 用户可以利用该芯片及相关附件设计出自己需要的各种应用节点,然后利用各个节点、路由器、中继器等组成一个LonWorks网络。

目前,对LonWorks总线实时性的研究已成为其理论研究的重要课题。 文献[11]讨论了构建LonWorks网络时最常用的标准配置属性,以及它们的最优值以及这些值对网络性能的影响,但没有给出如何准确计算这些最优值。 文献[12]从Lon-Works总线的媒体访问控制协议入手,根据冲突解决和冲突避免的两种思路——通过动态估计参数实现软实时,通过改进仲裁实现硬实时方案给出一个新的 LonTalk 协议,大大提高了系统重装时的吞吐率。 但由于硬实时改进方案中去除了随机时隙,该协议失去了随机竞争媒体访问控制(mediumac-cessing control,MAC)机制的优越性。 文献[13]改进了LonTalk协议的MAC仲裁机制,提出了一种新的实时通信协议,避免了高优先级节点交替占用总线造成的冲突,也解决了低优先级节点的问题。 节点无法长时间获得总线使用权。 文献[14]在充分考虑网络资源的基础上,从硬件和软件两个角度对LonWorks控制网络进行了优化。 在保证通信可靠性的同时,也提高了网络的实时性。

2.3.3 基金会现场总线

基金会现场总线(FoundationFieldbus,FF)是由现场总线基金会开发的。 根据过程自动化系统的特点,参考ISO/OSI模型的低速总线FF-H1于1996年颁布,具有支持总线供电和本质安全的特点。 最初定义的FF-H2高速总线标准在发展过程中逐渐被HighSpeedEthernet(HSE)所取代。

由于FF系统专为适应过程自动化系统而设计,需要在恶劣的环境和总线供电方面有完善的措施。 在生产中的推广应用有很大的影响。 使现场设备远离电气设备; 在分层桥架中敷设现场总线电缆和动力电缆; 保持系统软硬件版本一致可以提高系统的抗干扰性能,修改宏周期等相关参数可以提高系统控制功能[15]。 FF总线将多台现场仪表连接在一对屏蔽双绞线上,任何一台仪表短路都会导致整条总线短路。 采用具有母线支路短路保护功能的现场接线盒可以解决短路保护问题。 这样,任何一台仪表发生短路,都不会影响母线段内其他仪表的正常运行,便于工作人员排查短路故障[16]。

2.3.4 现场总线

Profibus(ProcessFieldBus)是德国制定的国家级工业现场总线协议标准,也是一种不依赖厂商的开放式现场总线标准。 不同厂商生产的设备无需对接口进行特殊调整即可实现通信,可用于高速、时间要求严格的数据传输,以及广泛的复杂通信场合。 Profibus是一个多主站系统,当主站获得总线访问权(token)后,无需外部请求即可发送消息。 从机是外围设备,包括输入设备、控制器、发送器等,它们没有总线访问权限,只能在主机请求时回复接收到的信息或将消息发回主机。

Profibus针对不同的应用分为三个系列: Profibus-DP用于分散外围设备之间的高速传输,适用于加工自动化领域的应用。 指的是ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和用户接口,以保证快速有效的数据传输; Profibus-PA 是一种用于过程自动化的总线类型; Profibus-FMS意为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等通用自动化。 PROFIBUS网络控制系统是一种对时间要求很高的实时系统。 PROFIBUS现场总线的实时性在很大程度上影响着整个系统的性能。 其中,位于数据链路层的媒体访问控制方式决定了PROFIBUS信息通信的实时性[17]。

2.3.5 HART总线

HART(HighWayAddressableRemoteTranducer)是罗斯蒙特提出的用于现场智能仪表与控制设备之间通讯的协议。 是指ISO/OSI参考模型中的物理层、数据链路层和应用层。

从传统的模拟信号向现场总线全数字通信转变并非易事。 HART协议是在传统的模拟信号上叠加转换键控(FSK)数字信号,既可以进行模拟信号传输,又可以进行数字通信。 从模拟过渡到全数字。 HART协议采用统一的设备描述语言DDL。 产品供应商除了提供设备的硬件和软件外,还应提供标准格式的HARTDDL文件[18]。

传统的HART总线在智能控制领域已经相当成熟,但恶劣的工业现场环境会增加控制系统的故障率,降低系统的安全性和稳定性,现场接线和后续维护极为不便. 随着工业无线网络的发展,HART基金会于2007年提出了面向工业应用的无线HART协议。无线HART在兼容现有HART设备和应用的基础上,补充了功能,扩展了应用,可以满足关键需求过程工业应用无线通信技术的可靠性、稳定性和安全性等,降低工业控制系统的成本和故障率,提高生产效率[19]。 利用隧道设计原理,将HART协议帧封装在2.4G频率无线通信帧的数据域中,用无线链路代替有限的通信电缆,可以将无线引入HART控制域[20] .

3 结论

DCS系统以其良好的结构、可扩展性和高可靠性而受到广泛关注。 同时,现场总线技术对科学研究和社会生产的影响也起到了巨大的推动作用。 世界发达国家的自动化企业投入巨大的人力和财力进行全方位的技术和应用研究,进行激烈的市场竞争,这也导致了现场总线技术的复杂局面,成为对这项技术的挑战。 ,但现场总线技术最终会越来越成熟和完善。 在未来的工业自动化中,它将与以太网技术相结合,为自动化产品的开发和生产打下良好的基础[21]。

参考

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