采用fcs(總線控制系統(tǒng))的企業(yè)用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接。現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循iso/osi開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。fcs則是用開放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
2 現(xiàn)場(chǎng)總線概要
它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。
由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，不再需要一個(gè)中央控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。從根本上改變了現(xiàn)有dcs集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。
作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個(gè)儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個(gè)大配線架。而在fcs系統(tǒng)中多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進(jìn)入中央控制室，大量節(jié)省了布線費(fèi)用，同時(shí)也降低了中央控制室的造價(jià)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制等，也不再需要dcs系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，用工控pc機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。
由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。
3 現(xiàn)場(chǎng)總線案例
profibus是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)din 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en 50170的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是iec標(biāo)準(zhǔn)iec61158，并且已經(jīng)轉(zhuǎn)化為中國(guó)gb國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由profibus-dp、profibus-pa、profibus-fms組成了profibus系列。profibus-dp、profibus-pa通信模型參照了iso/osi參考模型的第1層(物理層)和第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)；profibus-fms采用了第1層、第2層和第7層(應(yīng)用層)，第7層又分為現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范(fms，fiedldbus message specification)和低層接口(lli，lower layer interface)，另外還增加了用戶層。如表1所示profibus通信模型。profibus提供了三種通信協(xié)議類型。
profibus-dp這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚儆行?。直接?shù)據(jù)鏈路映像(ddlm，direct data link mapper)提供了訪問(wèn)第2層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶和系統(tǒng)以及各類設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并描述了各種設(shè)備的設(shè)備行為。物理層采用rs-485傳輸技術(shù)或光纖傳輸技術(shù)。dp協(xié)議的用戶層包括dp基本功能、dp擴(kuò)展功能和dp行規(guī)profibus-pa使用擴(kuò)展的profibus- dp協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另外還規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的設(shè)備行規(guī)。根據(jù)iec 61158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可以確保其本質(zhì)安全，并通過(guò)設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。
profibus-fms包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供通信服務(wù)。lli協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系，并向fms提供不依賴設(shè)備的對(duì)第2層的訪問(wèn)接口。第2層現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路(fdl，fieldbus data link)用于完成總線訪問(wèn)控制及保證數(shù)據(jù)的可靠性。
3.1 profibus-dp和profibus-fms傳輸技術(shù)
profibus-dp和profibus-fms采用rs-485傳輸技術(shù)。他們相同的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，可以在同一根電纜上運(yùn)行。一個(gè)總線段內(nèi)的導(dǎo)線采用屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個(gè)終端器，rs-485總線段結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳輸速率可在9.6kbts-12mkbts之間選用，所選用的波特率對(duì)連接到總線上的所有的設(shè)備都適用。每段最多連接32個(gè)站，通過(guò)中繼器可以增加段數(shù)，則總線上的站最多可以連接126個(gè)。
(1)總線連接。總線站與總線之間連接采用9針d型連接器，d型連接器插座安裝在總線站內(nèi)，插頭安裝在總線電纜上，針腳分配見表2所示。數(shù)據(jù)線a數(shù)據(jù)線b兩端接有總線終端器，其包含一個(gè)下拉電阻(與數(shù)據(jù)基準(zhǔn)電位dgnd相連)和一個(gè)上拉電阻(與供電電壓vp相連)?？偩€上沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，即在兩個(gè)報(bào)文之間總線為空閑狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)總線終端電阻保證了在總線上有一個(gè)確定的空閑電位，兩個(gè)總線終端電阻必須始終有電源供電。
(2) 傳輸序列。profibus-dp和profibus-fms的編碼方式為nrz碼。一個(gè)字符幀在profibus總線上為11位：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。在傳輸期間，二進(jìn)制“1”對(duì)應(yīng)于rxd/txd-p線上的正電位，而在rxd/txd-n線上為負(fù)電位。各報(bào)文間空閑狀態(tài)對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制“1”。
3.2 profibus-pa的iec 61158-2傳輸技術(shù)
profibus-pa采用符合iec 61158-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù)，這種技術(shù)是一種同步協(xié)議，它可以確保本質(zhì)安全，并通過(guò)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。每段只有一個(gè)電源作為供電裝置，當(dāng)站收發(fā)信息時(shí)不對(duì)總線供電，每個(gè)站的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備消耗的是常量穩(wěn)態(tài)電流。
(1) 數(shù)據(jù)傳輸。iec 61158-2數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特編碼，是一種常見的基帶信號(hào)編碼。當(dāng)信號(hào)有0變到1時(shí)發(fā)送二進(jìn)制數(shù)“0”，信號(hào)由1變到0時(shí)發(fā)送二進(jìn)制數(shù)“1”。數(shù)據(jù)的發(fā)送采用對(duì)總線系統(tǒng)的基本電流ib調(diào)±9ma的方法的實(shí)現(xiàn)，傳輸速率為31.25kbit/s。
(2) 總線連接。profibus-pa總線段上最多可連接32個(gè)站，總線段上的兩端各有一個(gè)無(wú)源rc終端器,profibus-pa的總線連接。
3.3 profibus的總線的存取控制機(jī)制
profibus三種協(xié)議均使用一致的總線存取控制機(jī)制，通過(guò)第2層來(lái)實(shí)現(xiàn)，它包括了數(shù)據(jù)的可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。其存取控制滿足介質(zhì)控制的兩個(gè)基本要求：主站之間的通信使每個(gè)總線站在確定的時(shí)間范圍內(nèi)能獲得足夠的時(shí)間來(lái)處理它自己的通信任務(wù)；主從站之間的數(shù)據(jù)交換必須快速簡(jiǎn)單。為此profibus采用混合的總線存取控制機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。
porfibus支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對(duì)總線的控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)送信息。對(duì)多主站系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間。按profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時(shí)，可以按主從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。主站可采取對(duì)所有站點(diǎn)廣播(不要求應(yīng)答)或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。
3.4 profibus的總線的可靠性設(shè)計(jì)
(1) profibus-pa電纜的屏蔽和接地
工程現(xiàn)場(chǎng)為了實(shí)現(xiàn)良好的電磁相容性，對(duì)系統(tǒng)部件特別是連接部件的線路進(jìn)行屏蔽是非常重要的。這種屏蔽最大限度地提供了電氣保護(hù)外殼。當(dāng)在系統(tǒng)中需要處理頻率信號(hào)時(shí)這種重要性就更為顯著，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)說(shuō)，理想的情況是將電纜屏蔽層與通常由金屬制成的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備外殼連接起來(lái)。由于這些外殼通常是與地或保護(hù)導(dǎo)線相連接，所以總線電纜的屏蔽相當(dāng)于多次多點(diǎn)(多個(gè)儀表)接地。這種方法提供了最佳的電磁兼容性，同時(shí)可以保證人身安全，該方法可用于要求實(shí)現(xiàn)最佳等電勢(shì)接地的系統(tǒng)。
當(dāng)系統(tǒng)不能等電勢(shì)接地時(shí)，如果不利條件導(dǎo)致屏蔽層電流產(chǎn)生，兩接地點(diǎn)之間的功-頻補(bǔ)償電流(50hz)就會(huì)損壞電纜。為了避免不具備等電勢(shì)屏蔽接地的系統(tǒng)產(chǎn)生低頻補(bǔ)償電流，建議僅連接電纜一端使其接地，而其它接地點(diǎn)則通過(guò)電容接地。圖4標(biāo)明了一個(gè)可行的方案，然而這樣并不能最大限度地提供電氣保護(hù)。
(2) 冗余性設(shè)計(jì)
在化學(xué)、石油、冶金、核電站等重要過(guò)程控制系統(tǒng)中的某些系統(tǒng)，要求控制裝置具有極高的可靠性。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由此引起設(shè)備損壞或造成極大經(jīng)濟(jì)損失。僅僅通過(guò)提高控制系統(tǒng)硬件可靠性上述工業(yè)部門的對(duì)可靠性的要求是不可能的。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)硬件部分本身的可靠性提高有一定的限度。使用冗余系統(tǒng)能夠有效地解決上述問(wèn)題。
在冗余控制系統(tǒng)中，各個(gè)站控制系統(tǒng)(或系統(tǒng)中最重要的部分，如cpu模板)有兩套完全相同的組成，系統(tǒng)冗余。兩塊相同的cpu模板使用相同的用戶程序并行工作，其中一主一備。備用者的輸出是禁止的，當(dāng)主cpu實(shí)效時(shí)，馬上投入備用cpu，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程由冗余處理單元rpu(redundant processing unit控制)，i/o轉(zhuǎn)換也是由rpu完成。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由主cpu控制系統(tǒng)工作，備用cpu的i/o映像表和寄存器通過(guò)rpu被主cpu同步刷新。接到主cpu的故障信息后，rpu在1至3個(gè)掃描周期內(nèi)將控制功能切換到備用cpu。
介質(zhì)冗余，在物理介質(zhì)方面采用冗余、容錯(cuò)實(shí)時(shí)雙環(huán)網(wǎng)，兩條環(huán)型網(wǎng)互為熱備用，當(dāng)環(huán)型網(wǎng)中任意兩個(gè)站點(diǎn)間的線路發(fā)生故障或任意站點(diǎn)間故障造成環(huán)網(wǎng)拓?fù)浔黄茐臅r(shí)，環(huán)網(wǎng)將自動(dòng)退化為星型以太網(wǎng)，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。冗余、容錯(cuò)的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)在體現(xiàn)profibus先進(jìn)性的同時(shí)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
4 結(jié)束語(yǔ)
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)⑵髽I(yè)管理與生產(chǎn)自動(dòng)化有機(jī)結(jié)合于一體，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。本文結(jié)合江蘇沙鋼集團(tuán)煉鋼廠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以profibus為例講述了其通信模型、傳輸技術(shù)、存取控制機(jī)制以及可靠性設(shè)計(jì)，具有一定的推廣和借鑒價(jià)值。
（轉(zhuǎn)載）
