现场总线和以太网结合方案实现工业自动化系统的数字化

前言

以计算机在工业控制和管理中的应用为主要标志的工业自动化技术在过去二十年间有了长足的进步。进人90年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（Field Bus—FB）技术发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。

1、 现场总线的概念

所谓现场总线，是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 ：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，并按公开、规范的通信协议，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，在位于现场的多个微机化测量控制设备，如变送器、传感器、智能仪表、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把各个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生巨大变化。

2、 现场总线的特点

2.1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

2.2、互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

2.3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

2.4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

2.5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

3、 现场总线的优点

由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

3.1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

3.2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

3.3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

3.4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

3.5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

4 、现场总线的应用案例

本文为大家介绍一个现场总线结和以太网的应用案例，从而说明现场总线的应用，为工厂管理级对现场数据的访问提供了方便。本案例中底层采用PROFIBUS-DP总线协议，通过工控机采集现场仪表数据，上层采用TCP/IP协议，并利用接口通讯程序让工控机与管理层计算机实时交换数据。

4.1、系统特点

总线方式：由于采集点位于整个生产线的各个工序车间，比较分散。因此，通过总线形式，采用分布式I/O，可以节省大量的电缆，方便施工，方便调试及维护

集中管理：系统通过一台工控机集中监视各能源采集量的瞬时值，并通过另外的应用程序计算累积量，并定时把各累积量发送给上级管理计算机系统

跨平台性：工控机上运行Windows2000操作系统，其中运行Think&Do

监控软件进行瞬时值实时监视，并要通过TCP/IP协议，把累积量打包定时发送到上级Unix系统中去，实现了跨平台的通讯，跨平台的数据交换

4.2、系统配置图

4.3、系统说明

Think&Do Studio 6.5软件是美国Entivity公司开发的运行于WinNT或Win2K操作系统上的基于Visio2000的监控软件，具有Flowchart的控制流程设计和细致丰富的HMI人机界面。本系统利用了该软件方便的联网扫描功能、强大的计算功能，及Windows下的易于二次开发性，因此把它作为了监控软件的开发平台。

模拟量模块和带PROFIBUS-DP接口的电表作为子站连接在PROFIBUS-DP现场总线中，气、水等各个流量通过测量仪表转换为标准的4～20mA信号，输入到模拟量模块中来，并在Think&Do中通过FlowChart进行计算，转换为相应工程单位的实际值，而电表则可以从Think&Do监控软件中直接访问，读取数据。Think&Do监控软件一方面通过监控画面实时显示数据，另一方面通过DDE Server共享给接口应用程序。

由于本系统需要进行累积量计算，并把累积量定时上传给上级UNIX系统，因此特别为本系统用VB开发了一个用于计算和通讯的接口应用程序。该应用程序通过TextBox控件连接DDE Server，读取实时数据，并在TImer控件的定时事件中进行累计计算，从而得出各班组的累积量。

该应用程序与Unix系统的通信形式采用基于TCP/IP的电文包方式，通信协议采用基于TCPIP的SOCKET方式的通信协议。

能源采集系统定时主动发送数据包，并准备接受应答信号，5秒后若无应答信号，则提示连接错误;若应答信号为不成功，则重新发送数据包（三次不成功则提示数据发送失败）;若应答信号为成功，则结束本次发送。程序流程图如下：

本系统主要总线技术，以一台工控机实现了客户要求的所有功能，降低了成本，便于维护，是总线与计算机完美结合的产物。

5 、结束语

现场总线技术的出现，使得工业生产自动化水平有了实质性的提高，符合工业控制网络化、信息化的时代需求，因而具有良好的发展前景。工业自动化系统的完全数字化、并进一步采用某种标准，是实施现场总线技术的基础，因此它的前期经费投入较大。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。