現場總線——DCS發展趨勢

欄目：解決方案發布時間：2011-07-04 瀏覽量: 4012

現場總線——DCS發展趨勢

翟勇盛

摘　要：闡述了DCS的現狀與發展趨勢。介紹了現場總線標準、發展概況，以現場總線為基礎的未來DCS結構。
關鍵詞：DCS；現場總線；標準；協議
中圖分類號：TK323　　　　文獻標識碼：A

Fieldbus:development tendency
of distributed control system(DCS)
ZHAI Yong-sheng
(Zhanjiang Power Plant,Zhanjiang,Guangdong 524099,China)

Abstract:In this paper the state-of-art and development trend of DCS are described.The standard of fieldbus,its development and advantages are introduced and future DCS configuration based on fieldbus is discussed.
Key words:distributed control system； fieldbus； standard； protocol

　　分散控制系統(DCS)今天已步入第三代。它的發展一方面受計算機技術、控制技術、通信技術及CRT 技術的影響，另一方面又受到生產過程控制和管理要求的驅動。
　　隨著微電子技術的迅速發展，微處理器在控制裝置、變送器上的廣泛使用，現場儀表(傳感器、變送器、執行器等)得以智能化?！艾F場總線標準”就是設計用來替代4～20 mA模擬信號標準的新工業標準。
　　現場總線(Fieldbus)國際標準的制定將對DCS的發展產生重大影響，由于現場總線與傳統的4～20 mA信號傳遞相比有很多優點，以現場總線為基礎的自動化系統結構有望成為未來的分散控制系統。
　　
1　DCS系統的發展
　　DCS將向信息管理系統和計算機網絡控制擴展，將過程控制和信息管理系統緊密結合起來，構成計算機集成過程系統(CIPS)。CIPS除了要完成傳統 DCS 過程控制的功能外，還要實現運行支持和決策支持的功能，包括質量控制、過程管理、在線優化、經營管理、決策分析等。
　　網絡是當今工廠自動化的核心，是計算機集成過程系統的基礎，而工廠自動化的每一層都有適用于自己的網絡。分散控制系統的典型網絡體系結構。
　　工廠級(上層、管理層)包括工廠信息管理和生產管理，負責與工廠管理計算機的連接，計算機間的管理數據交換通過工廠主干網實現。主干網采用 ISO／OSI-MAP／TOP或TCP／IP-Ethernet網絡協議標準。隨著工廠自動化規模的不斷擴大，這一級的功能也越來越強，它是DCS 向CIPS 發展的一個重要標志。
　　車間級(中層、監控層)包括過程控制和過程管理，用于控制室、現場控制設備和各現場控制裝置間的連接。通信網采用中速、載帶工業過程數據公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。這是DCS的實時工業控制網絡，應具有高可靠性、高使用性、實時性強、有自診斷功能、有自組態功能、容易接入新站等。
　　現場級(低層)用于連接過程控制中的傳感器、執行器、智能儀表等?，F場以標準的現場總線為發展目標，現已有了兩個國際組織的現場總線產品，現場總線將是DCS 發展的一個重要方向。

2　現場總線
2.1　現場總線標準
　　現場總線標準的第一部分被命名為H1，定義了一個低速、帶電鏈路的數字信號取代4～20 mA模擬量傳輸信號。當H1被采用后，智能傳感器將能夠與數字控制系統直接通信。第二部分H2，定義了一個高速、不帶電的鏈路，使協議可應用于高級邏輯和控制。H2協議的通信速率為1 Mb，而H1通信速率為31.25 Kb。
　　由于是作為低級的網絡應用，Fieldbus與OSI模型的第一、二和七層有關。OSI網絡模型與三層Fieldbus體系結構
　　Fieldbus中物理層確定通過物理媒介傳送的數字信號的形式，包括電纜種類、硬件、傳輸方式、傳輸速率、電氣及機械性能等。數據鏈路層負責現場與控制空間的信號雙向傳送，包括數位如何組織和確認，采用怎樣的協議，故障診斷和修正以及類似的功能。應用層提供格式化的數據，集中在網絡中設備定址、設備存取、信息和其它功能的方法上。僅利用OSI網絡界面模型的三層，可在保證與更高級網絡兼容的同時，減少與現場總線標準有關部分的成本和費用，將使每連接一臺裝置的費用較低。相對于使用在工廠級的較高級網絡，Fieldbus標準設計采用較小信息量和較低數據速率的網絡。
　　標準規定了一個31.25 kHz傳輸信號，它適用于現行生產裝置上采用的4～20 mA信號線路，將來則采用1 MHz和25 MHz、可用于更高頻率的導線。Fieldbus標準的部分物理性能見表1。

表1　Fieldbus標準的部分物理性能

物理性能低速／DC(H1)高速／DC(H2) 傳送距離1 900 m750 m 拓撲總線或任意總線結構點—點通信點—點通信響應時間100 ms1 ms 數據傳輸速率31.25 Kb1 Mb 報文傳送速度81～122 報文／s2 604～3 906
報文／s 標準報文長度32～48 B32～48 B 數據類型浮點(32位)，
文本，時鐘浮點(32位)，
文本，時鐘設備數量3232 傳輸媒介儀表級雙絞線通信級雙絞線電源DCDC 冗余支持支持本質安全性有無(對于網絡
供電裝置) 連接方式直接直接

　　現場總線標準中的物理層協議已于1993年獲得通過。它規定了傳輸媒介的情況，包括工作電壓和電流?，F正在開發應用層和用戶層協議。Fieldbus的最后目標是以一片硅集成電路為基礎的現場總線，這片集成電路將覆蓋物理層、數據鏈路層和應用層的需要，目前Honeywell、Rosemount正在開發Fieldchips。
2.2　兩大現場總線機構
　　80年代末，一些儀表公司著手開發統一標準的現場總線。目前主要有兩大機構：ISP(相互可操作性系統工程)和WorldFIP。ISP機構成員有西門子、羅斯蒙特、費希爾、?？怂共_、橫河、 ABB等64個公司；WorldFIP機構成員有霍尼韋爾、山武—霍尼韋爾、貝利等150個公司。兩大機構都在開發各自現場總線標準。ISP以德國工業標準Profibus為基礎，它采用由主機向各臺設備發布令牌，使其進入網絡。WorldFIP以法國工業標準FIP為基礎，采用按時序進入現場總線。但是兩種現場總線都包括ICE和SP50的聯合在1989年完成實驗。下面分別敘述。
　　ISP根據IEC-ISA SP50的思想，提供了兩種現場總線H1和H2(同國際標準)，它有一個設備描述語言DDL，是由Rosemount公司開發的，可將任何最新進入系統的儀表所具有的功能和性能自動地通知主機。 Siemens的過程裝置開發工程師認為，此功能是WorldFIP所不具備的，這種功能使擴充現有系統非常容易。ISP的另一優點是它為用戶而定義的功能塊。在開發標準的第一階段中，ISP已定義了10種功能塊，它可覆蓋現場總線應用要求中的80%，其中包括開關和模擬量的輸入、輸出、PID控制以及它們的組合，ISP成員橫河公司開發生產出一種新型硅片可實現ISA SP50協議所規定的物理層及部分數據鏈路層的工作，其余的數據鏈路工作與應用層和功能塊一起由置于現場儀表的一臺微處理器來完成。
　　 WorldFIP采用了時間同步信息系統，連接在總線上的各儀表設備可按時序進入現場總線。根據Honeywell公司介紹，只有FIP總線能控制時間周期在1 ms以內。WorldFIP在1994年投入了它自己的設備描述工具，稱Device Builder。它收入了SP50已批準的所有功能塊，能自動地告訴控制系統一臺新儀表具有的功能以及必須整定的參數。WorldFIP也計劃推出一種更便宜的硅片。
　　雖然目前兩大組織的總線產品還不兼容，但WorldFIP和ISP都表示，當IEC-ISA最后完成其現場總線標準時，他們將使其產品與標準兼容，現有系統更新到能夠滿足最后的IEC-ISA標準可能僅僅只是更換控制硅片而已，費用大約5美元。
　　1994年9月，ISP和WorldFIP合并成立了Fieldbus Foundation(FF,即現場總線協會)。FF是一非盈利性的國際組織，這將有助于發展一個單一的、國際間的、可互操作的現場總線。其技術將是現存幾個組織的某些規約的融合，即FF的技術將基于已有IEC／ISA的物理層、數據鏈路層，ISTRev 3.0版本的應用層和用戶層，結合ISP和WorldFIP的網絡和系統管理層來組成?？苫ゲ僮鲃t由設備描述語言來支持。其現場總線的體系結構
2.3　現場總線的優勢
　　現場總線不單單是一個通信標準，而是試圖包含全部領域，作為一個過程控制的開放的、集成的測量控制系統。采用現場總線，具有許多優點：
　　a)大大縮減了鋪線費用；
　　b)簡化了線路的安裝與維護；
　　c)能傳送多個過程變量，可以實現在線故障診斷及線路故障檢測；
　　d)用數字信號取代4～20 mA模擬信號，可提高系統精度，而且可把一些功能(如線性化、補償校正、工程量轉換、報警處理等)賦于現場儀表，提高了現場儀表的自主性和可靠性；
　　e)因現場總線是雙向的，故可從控制室對現場儀表進行標定和調整；
　　f)現場總線采用國際標準后，用戶可以優選各儀表廠商的產品組成系統，而不必考慮總線接口是否匹配問題。
2.4　目前商用的兩種產品
　　a)1985年，Rosemount研制了HART數字通信協議，用于智能現場儀表。HART協議是在4～20 mA基礎上加上數字信號進行通信的，盡管將來的儀表世界是全數字的，但在當前，很少人能知道多少年以后才能實現全數字化，并且HART延長了4～20 mA標準的壽命。HART占領了市場，已超過1 000 000臺儀表用了HART，從此角度上說HART先行了一步。
　　HART工作方式有點—點式或全數字式的。點—點式是在4～20 mA疊加一組數字信號，不影響4～20 mA模擬信號；全數字式的優點是可連15臺儀表，減少投入。HART具有相互可操作性，HART解決DDL，DDL概念對ISP等組織有所啟發。
　　b)1987年，德國工業技術開發部提供了一種Profibus作為國家標準，以便實現以下目標：靈活、雙向交換數據信息、自診斷參數等，使得數字化更加準確，減少I／O和A／D以降低成本，方便操作。截止目前，已高達600 000臺儀表用上了該標準。
　　Profibus不同于HART，它以常用的RS-485通信原理作為物理層，用便宜的雙絞電纜即可實現令牌式的通信，Profibus作為ISP的雛形，ISP引用了其物理層、應用層的原理。
　　
3　結束語
　　計算機集成技術和現場總線的發展，將對DCS的結構產生重大影響。目前DCS的結構將受到上下肢解，上層工作站將與CIPS緊密結合，DCS將演變成 CIPS 的低層部分；在現場級，現場總線的應用將使傳統的DCS I／O結構徹底改變?，F場總線將對自控領域帶來深刻影響，工業控制系統的體系結構將以統一的現場總線為紐帶構成，現場控制系統(FCS)將是21世紀的開放控制系統。