多現(xiàn)場總線與DCS的集成研究(共8頁)

1、多現(xiàn)場(xinchng)總線與DCS的集成(j chn)研究劉松暉，丁曉明，童魯海（杭州職業(yè)(zhy)技術(shù)學(xué)院 臨江學(xué)院，杭州 310018）摘 要：闡述現(xiàn)有集散控制系統(tǒng)（DCS）的局限性及現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)越性，說明多現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)有DCS集成的必要性，論證現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)有DCS集成是控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。探討多現(xiàn)場總線之間及其與DCS之間集成的關(guān)鍵性技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法。提出多現(xiàn)場總線之間的集成主要分為通信協(xié)議級別的集成和中間件級別的集成，前者采用總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊或總線協(xié)議棧方式，后者采用OPC技術(shù)。提出多現(xiàn)場總線與DCS的集成主要發(fā)生在DCS I/O總線層面及DCS監(jiān)控層。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；D

2、CS；FCS；集成中圖分類號：TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AResearch On Integration of Multi-Fieldbus and DCSLiu Songhui，Ding Xiaoming，Tong LuhaiAbstract：The limitations of DCS, the advantages of Fieldbus and the necessity of integration of Multi-Fieldbus and DCS are expounded, the conclusion that Fieldbus integrated into DCS is

3、the control system trend is come to。The critical technique and implementation method that are used to integrate multiple Fieldbus into DCS are investigated, conclusion is as follows. First of all, the integration of Multi-Fieldbus has two level: integration of communication protocols and integration

4、 of middleware. Bus protocol conversion module and Bus protocol stack are used in the former and OPC technology in the latter. Secondary, multi-Fieldbus is mainly integrated into DCS I/O bus or monitor level.Keyword: Fieldbus; DCS; FCS; Integration0 引言(ynyn)DCS(Distributed Control System)分布式控制系統(tǒng)(kn

5、zh x tn)，在國內(nèi)也稱為集散控制系統(tǒng)。DCS具有既分散控制風(fēng)險(xiǎn)，又便于集中管理生產(chǎn)過程的特點(diǎn)(tdin)，這使得DCS在流程工業(yè)自動(dòng)化中迅速普及，是目前應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)。但DCS的應(yīng)用也存在不少問題。首先，大多數(shù)DCS是封閉系統(tǒng)，缺乏統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的開放式接口，造成異構(gòu)DCS之間、DCS與上層的MES和ERP管理系統(tǒng)之間交換和共享數(shù)據(jù)困難1；其次，傳統(tǒng)DCS仍主要采用模擬式儀表，現(xiàn)場儀表與IO接口之間通過420mA直流電流傳遞信號，導(dǎo)致只能傳遞壓力、液位等過程參數(shù)，而對測量儀表本身的故障無法監(jiān)測。DCS的局限和工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展需求推動(dòng)了現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生。按照國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)

6、和現(xiàn)場總線基金會FF的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)路。現(xiàn)場總線具有以下特點(diǎn)2：（1）系統(tǒng)的開放性：現(xiàn)場總線協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。（2）互可操作性與互用性：掛接在現(xiàn)場總線上的設(shè)備可互相通信；不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備可掛接在同一條現(xiàn)場總線上。（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性：傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能均被分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(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)。(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。(5)

7、對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性：現(xiàn)場總線支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等介質(zhì)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力?，F(xiàn)場總線的這些特點(diǎn)使得其在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)和正常運(yùn)行等方面都體現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。1 現(xiàn)場總線與DCS集成必要性現(xiàn)場總線比DCS更好的體現(xiàn)了“信息集中，控制分散”的思想?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有高度的分散性，它可以由現(xiàn)場設(shè)備組成自治的控制回路，現(xiàn)場儀表或設(shè)備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行情況3。但是，這并不意味著DCS將完全被現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)取代。首先，真正推動(dòng)FCS進(jìn)步的仍是世界上

8、主要幾家DCS廠家，目前所有的第四代DCS都包含了各種形式的現(xiàn)場總線接口，可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場的總線儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備，此外，各DCS還改變了原來機(jī)柜架式安裝IO模塊、相對集中的控制站結(jié)構(gòu)，取而代之的是進(jìn)一步分散的IO模塊(導(dǎo)軌安裝)，或小型化的IO組件(可以現(xiàn)場安裝)及中小型的PLC4。其次(qc)，F(xiàn)CS本質(zhì)(bnzh)上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，要真正實(shí)現(xiàn)其高度分散化，需要速度更快、實(shí)時(shí)性更好、相對種類單一的通訊技術(shù)。目前IEC正式承認(rèn)(chngrn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)就有十種，大家給予很大希望的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也有多種，還有不斷增加的趨勢，這些協(xié)議大都互不兼容，這就嚴(yán)重限制了FCS這個(gè)控制

9、系統(tǒng)概念的全面實(shí)用進(jìn)程。再者，采用現(xiàn)有DCS的生產(chǎn)企業(yè)基于成本和使用習(xí)慣考慮，很難接受重起爐灶，開發(fā)一套完全基于現(xiàn)場總線技術(shù)的全新FCS。因此，F(xiàn)CS并不會完全取代現(xiàn)有的DCS，而只能是將現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)有的DCS有機(jī)地結(jié)合起來。2 多現(xiàn)場總線與DCS集成方案實(shí)際的工業(yè)過程是非常復(fù)雜的，往往一個(gè)控制系統(tǒng)需要多種類型的現(xiàn)場總線并存 56，這就面臨著如何將多種現(xiàn)場總線技術(shù)在一個(gè)DCS中無縫集成在一起的問題。一般來說，多現(xiàn)場總線的集成可以從兩個(gè)層次上來考慮，一是通信協(xié)議級別的集成，二是中間件級別的集成2，如 REF _Ref401154141 h * MERGEFORMAT 圖 1所示。圖 SEQ

10、圖 * ARABIC 1多現(xiàn)場總線的集成級別2.1 通信協(xié)議級別的集成通信協(xié)議級別的集成一般有兩種情況，一是同類現(xiàn)場總線的集成，如PROFIBUS-DP與PROFIBUS-AP，F(xiàn)F HSE與FF H1；二是不同種類之間現(xiàn)場總線的集成。對于PROFIBUS-DP和PROFIBUS-AP，它們之間不同僅體現(xiàn)在物理層上使用了不同的數(shù)據(jù)傳輸速率和編碼方式。要實(shí)現(xiàn)這種物理層不同而數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議相同的網(wǎng)段間無縫集成，平滑互通數(shù)據(jù)，就要在DP/PA網(wǎng)段間加裝網(wǎng)關(guān)(實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議轉(zhuǎn)換)。有段耦合器，鏈接器兩種實(shí)現(xiàn)手段2。HSE和H1的主要區(qū)別在應(yīng)用層以下，即H1數(shù)據(jù)鏈路層采用令牌總線的介質(zhì)訪問控制方式，HS

11、E的底層采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)CSMA/CD的通信方式，通信協(xié)議為TCP/IP。應(yīng)用層分為兩個(gè)子層，上層都為現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范層(FMS)，為用戶層提供各種應(yīng)用服務(wù)，但是服務(wù)報(bào)文的格式有所不同。在這兩種總線協(xié)議之間可用專用網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)集成。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如 REF _Ref401523104 h * MERGEFORMAT 圖 2所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 H1/HSE集成(j chn)對于不同種類的現(xiàn)場總線之間的集成(j chn)，一般可采用兩種方式來實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。（1）總線(zn xin)協(xié)議棧總線協(xié)議棧將不同總線協(xié)議的信息分別存放于協(xié)議棧的不同位置，以便進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。總線協(xié)議?？偸?/p>

12、出現(xiàn)在主控制站中，并通過控制器提供的軟件來實(shí)現(xiàn)，底層的應(yīng)用可以根據(jù)需要，從協(xié)議棧中獲得各自的總線服務(wù)。在采用總線協(xié)議棧站的方式來進(jìn)行不同總線間的數(shù)據(jù)通信時(shí)，其主站可與幾條不同的總線同時(shí)進(jìn)行通信。在數(shù)據(jù)交換過程中，主控制站通過相應(yīng)總線輪詢每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備，根據(jù)其所屬的總線類型，在應(yīng)用軟件中調(diào)用相應(yīng)的接口程序，并在取得各類總線的數(shù)據(jù)的同時(shí)完成不同數(shù)據(jù)類型的格式的轉(zhuǎn)換, 然后以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式存儲于主站的總線協(xié)議棧中?？偩€協(xié)議站模式在總線控制系統(tǒng)的主站中，以編程的方式來完成主從站間不同總線間的數(shù)據(jù)交換的，所以它幾乎可以兼容任何一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。但應(yīng)用該方式需要工程人員要相當(dāng)熟習(xí)主從站所涉及的現(xiàn)場總線協(xié)議

13、，并要有較高的編程技巧。（2）總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊方式是以硬件的方式，在通信總線間將不同總線協(xié)議的從站增加總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，由該模塊來完成協(xié)議間的幀格式轉(zhuǎn)換功能和信號發(fā)送功能。這樣不同總線協(xié)議的設(shè)備或系統(tǒng)可以很方便的介入統(tǒng)一的總線系統(tǒng)上來。這種協(xié)議轉(zhuǎn)換模型完全依靠硬件完成, 不會影響組態(tài)程序的設(shè)計(jì)，制造商可以根據(jù)協(xié)議自行研制生產(chǎn)，目前幾大工控巨頭也均已開發(fā)多種轉(zhuǎn)換模塊，如SIEMENS的MODBUS-PROFIBUS協(xié)議模塊。但其局限性在于其難易程度取決于協(xié)議本身。如：對于WORLDFIP 總線、PROFIBUS 總線或FF 總線兼容CAN 總線和LONWORKS 總線, 或者CA

14、N 總線、LONWORKS 總線兼容這三種總線來說，實(shí)現(xiàn)上就比較困難7。2.2 中間件級別的集成中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源，中間件位于客戶機(jī)/服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。OPC技術(shù)8910是在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的中間件，可通過它來實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場總線間的集成?？衫?lyng)OPC DA實(shí)現(xiàn)(shxin)多現(xiàn)場總線(zn xin)的集成，如 REF _Ref401528117 h * MERGEFORMAT 圖 3所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 3 基于OPC DA實(shí)現(xiàn)多現(xiàn)場總線集成OPC DA服務(wù)器屏蔽了不同

15、總線通信協(xié)議之間的差異，為上層應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的訪問接口，可以很容易的在應(yīng)用程序?qū)訉?shí)現(xiàn)對來自不同總線協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行互換和共享。當(dāng)其中某種總線的協(xié)議版本作了修改，只需對相應(yīng)的總線的OPC服務(wù)器程序升級，本身客戶端和其他OPC服務(wù)器及客戶端不需要做任何改動(dòng)。2.3 現(xiàn)場總線與DCS的集成層次在現(xiàn)代的DCS中，現(xiàn)場總線是作為DCS的一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)揮作用的，其與DCS的集成主要在以下三方面。（1）在DCS I/O總線上的集成該種系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)鍵是通過一個(gè)現(xiàn)場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，將現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息映射成原有DCS 的I/O 總線上相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，如基本測量值、報(bào)警值或工藝設(shè)定值等

16、，使得在DCS控制器所看到的現(xiàn)場總線來的信息就如同來自一個(gè)傳統(tǒng)的DCS設(shè)備卡一樣。這樣便實(shí)現(xiàn)了在I/O 總線上的現(xiàn)場總線技術(shù)集成。如 REF _Ref401531161 h * MERGEFORMAT 圖 4所示。SIEMENS的PCS7采用PROFIBUS-DP連接AS控制單元和ET200遠(yuǎn)程IO單元；和利時(shí)的MACS系統(tǒng)，主控單元FM801與FM148、FM143、FM151等遠(yuǎn)程IO模塊之間的連接采用的也是PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。這兩種系統(tǒng)即是此種方案的體現(xiàn)。圖 SEQ 圖 * ARABIC 4 現(xiàn)場總線在DCS I/O總線上的集成（2）在DCS監(jiān)控(jin kn)層的集成(j

17、chn)圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 現(xiàn)場(xinchng)總線與DCS在監(jiān)控層集成在這種方案中，現(xiàn)場總線接口卡不是掛在DCS的I/O 總線上，而是在DCS的監(jiān)控層LAN 上，其結(jié)構(gòu)見圖 5所示。在這種方案中，原來必須由DCS 主控制器完成的一些控制和計(jì)算功能, 現(xiàn)在可下放到現(xiàn)場儀表實(shí)現(xiàn)，并且可以在DCS操作員界面上得到相關(guān)的參數(shù)或數(shù)據(jù)信息。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要對DCS控制站進(jìn)行改動(dòng)，對原有系統(tǒng)影響較小。（3）通過網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成若在一個(gè)工廠中并行運(yùn)行著DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng), 則還可以通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)來網(wǎng)接兩者，以完成DCS系統(tǒng)與現(xiàn)場總線高速網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳遞。4 結(jié)論相對目

18、前的DCS，F(xiàn)CS在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)和維護(hù)等方面都體現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性。但由于種種原因，F(xiàn)CS并不能完全取代現(xiàn)有的DCS，現(xiàn)場總線技術(shù)與DCS集成才是控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。實(shí)際工業(yè)過程非常復(fù)雜，往往需要將多種類型的現(xiàn)場總線集成起來使用。多種現(xiàn)場總線之間的集成主要分為通信協(xié)議級別的集成和中間件級別的集成。前者主要通過總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和總線協(xié)議棧的方式實(shí)現(xiàn)，后者則可采用OPC DA服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)。多現(xiàn)場總線與現(xiàn)有DCS可在多個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)集成。既可在DCS的I/O總線上實(shí)現(xiàn)集成，也可在DCS的監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)集成，還可通過網(wǎng)關(guān)與DCS并行集成。參考文獻(xiàn)： 1高婷婷. DCS與現(xiàn)場總線集成的研究與實(shí)現(xiàn)D.青島:青島科技大學(xué),2012.2周坤. 多現(xiàn)場總線在控制系統(tǒng)中的集成應(yīng)用D. 濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué), 2008.3沈航，徐紅泉，蔡慧，等工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線J.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2005(1):6-8.4白焰，吳鴻楊國田分布控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)-基礎(chǔ)、評選、設(shè)計(jì)和應(yīng)用M. 武漢:中國電力出版社, 2001.5涂煊,蔣曄,石明根.多現(xiàn)場總線技術(shù)(jsh)在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J. 自動(dòng)化儀表(ybio), 2006:27(5), 141-146.6馮道寧，于生.基于(jy)OPC技術(shù)的多現(xiàn)場總線工業(yè)系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)J. 工業(yè)控