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0、概述 </P><P> 計算機數(shù)字通信技術及信息技術的發(fā)展，推動了自動化技術的進步；特別是近10年來興起的現(xiàn)場總線技術（Fieldbus），是計算機數(shù)字通信技術向工業(yè)自動化領域的延伸，它的發(fā)展將促使自動化系統(tǒng)結構發(fā)生重大變革，是傳統(tǒng)的基于PLC及DCS控制技術系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿。 <BR> 現(xiàn)場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現(xiàn)場總線技術標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術的產(chǎn)品。依照現(xiàn)場總線技術規(guī)范，不同廠家產(chǎn)品可以方便完成組態(tài)與集成，構成面向行業(yè)、適合行業(yè)特點的自主控制系統(tǒng)。這一特點為更多的自動化產(chǎn)品制造商自主開發(fā)并推出自主知識產(chǎn)權的自動化系統(tǒng)提供了可能。也為自動化系統(tǒng)集成商開發(fā)面向行業(yè)應用的成套技術和自動化系統(tǒng)提供了機會。 <BR> 現(xiàn)場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優(yōu)點，必然成為未來自動化技術發(fā)展的主流�；诂F(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System -FCS）與人們預想的一樣，對傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預測、一種設想，而是實實在在的作為先進控制系統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。本文將描述傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變過程，以現(xiàn)場總線PROHBUS為背景，描述一個基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構組成，并分析系統(tǒng)的市場前景。 </P><P> 本文中提到的一些名詞及縮寫： <BR> FCS：基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System -FCS） <BR> 現(xiàn)場設備：指現(xiàn)場級檢測及執(zhí)行設備，如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執(zhí)行機構、指示及顯示設備、人機操作接口等。 <BR> 基于PLC的控制系統(tǒng)：指以PLC、遠程I/O及PLC網(wǎng)絡為基礎的分布式控制系統(tǒng)。 <BR> 控制器：現(xiàn)場總線中的一個主站節(jié)點。至少具備總線通信與管理、邏輯執(zhí)行等功能。 </P><P> 1、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變 <BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038812212914602.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038812212914602.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 現(xiàn)場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現(xiàn)場總線技術標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術的產(chǎn)品。因此，現(xiàn)場總線技術引入自動化控制系統(tǒng)，促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構演化，逐步形成基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS。 </P><P> 1．1從PLC到通用工業(yè)PC <BR> �。�1）在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，控制器（或稱CPU、或處理器）與I/O模塊及其它功能模塊、機架為同一系列產(chǎn)品，有一致的物理結構設計。典型的結構是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線（公司設計產(chǎn)品而自定義總線）連接。機架擴展也是自定義總線的擴展。這些產(chǎn)品的連接技術是封閉的，第3方面想開發(fā)兼容產(chǎn)品必須得到廠家允許。 <BR> （2）基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)中，控制器與現(xiàn)4場設備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅動器等）連接是通過標準的現(xiàn)場總線，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產(chǎn)品（這與插在PLC機架上的I/O模塊的配置方法不同），可使用任何一家的具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標準的、通用的硬件平臺一工業(yè)計算機（Industrial Compact Computer），如Intel/Windows類PC機。近年來嵌入式控制器（如PC/104產(chǎn)品）的發(fā)展和WINDOWS-CE的推出，使用嵌入式控制器硬件和WINDOWS-CE軟件作為控制器平臺。 <BR> 采用通用的工業(yè)PC做控制系統(tǒng)控制器優(yōu)點如下： <BR> �。�1）開放性、標準化 系統(tǒng)軟件與控制器硬件不再維持捆綁關系，專業(yè)自動化軟件廠家可以獨立開發(fā)不依賴于控制器品牌的FCS系統(tǒng)軟件�；赪indows/NT的操作系統(tǒng)平臺，具有大量的標準的軟件工具和數(shù)據(jù)文件格式可以兼容。 <BR> （2）價格 通用的工業(yè)PC容易形成規(guī)模經(jīng)營，因此，價格比PLC便宜。 <BR> �。�3）性能指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快 通用的工業(yè)PC搭乘PC機技術發(fā)展快車，技術指標高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快。 <BR> �。�4）向上連接計算機管理網(wǎng)絡（如IEC802.3TCP/IP）技術成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術與管理數(shù)據(jù)庫連接。 </P><P> 1．2從PLC的I/O模塊到現(xiàn)場總線分布式I/O <BR> 在FCS系統(tǒng)中，插在控制器機架上的I/O模塊將被連接到現(xiàn)場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產(chǎn)品，而是第3方廠家的產(chǎn)品；廉價的、專用的、具有特殊品質的I/O模塊（如高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等）將具有廣闊市場。FCS的控制器與傳統(tǒng)PLC配置方式的比較見圖1。 </P><P> 1．3從PLC I/O控制的現(xiàn)場設備到具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設備 <BR> 現(xiàn)場設備如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執(zhí)行機構等；傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)使用I/O連接與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量4-20mA或開關量（如24VDC）控制監(jiān)測現(xiàn)場設備。在FCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場設備具有現(xiàn)場總線接口，控制器通過標準的現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設備連接。 </P><P> 1．4系統(tǒng)軟件 <BR> 在傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件（包括PLC系統(tǒng)軟件和編程軟件）與PLC硬件聯(lián)系緊密，技術上對外是封閉的。在FCS系統(tǒng)中，控制器采用通用工業(yè)PC平臺，系統(tǒng)軟件不再與控制器、I/O、現(xiàn)場設備等硬件捆綁，可運行在通用標準的工業(yè)PC+WINDOWS/NT平臺上。 </P><P> 2、基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)組成 </P><P> 以工業(yè)PC機及Windows/NT為平臺，加載FCS系統(tǒng)軟件做控制器；通過現(xiàn)場總線連接各種現(xiàn)場設備，這便是基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)的基本組成。下面以現(xiàn)場總線PROFIBUS為例，虛構一個基于現(xiàn)場總線PROFIBUS的先進控制系統(tǒng)一ACSBPB（Advanced Control System Based on PROFIBUS technology），說明基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)組成。 </P><P> 2．1現(xiàn)場總線（PROFlBUS）概況 <BR> 現(xiàn)場總線PROFIBUS技術于1987年，由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機構聯(lián)合提出：1989年批準為德國標準DIN192450經(jīng)應用完善后，于1996年6月批準為歐洲現(xiàn)場總線標準EN50170V.2。目前，根據(jù)國際IEC標準委員會達成的關于現(xiàn)場總線國際標準的妥協(xié)方案，PROFIBUS現(xiàn)場總線標準已成為國際現(xiàn)場總線標準IEC61158的一個組成部分。 <BR> 目前國際上有250多家企業(yè)，生產(chǎn)1600多種符合PRORBIjS標準的產(chǎn)品。在不闊的應用領域中已有200多萬個設備安裝運行。應用涉及到工業(yè)自動化的各個主要領域，包括：制造業(yè)自動化（汽車制造、裝瓶系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)）樓宇自動化（供熱、空調系統(tǒng)）、交通管理自動化、過程自動化（清洗工廠、化工和石化工廠、造紙和紡織品工業(yè)）、電力工業(yè)和電力輸送（發(fā)電廠、開關裝置）。PROFIBUS標準產(chǎn)品在歐洲現(xiàn)場總線產(chǎn)品市場占有率第一，超過40%。 <BR> PROFIBUS用戶組織已建立了質量認證程序，在德國和美國建立了測試實驗室，包括硬件測試和一致性、互操作性測試。 </P><P> 2．2現(xiàn)場總線PROFlBUS技術概要 <BR> �。�1）PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUSPA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。PROFIBIJS-PA專為過程自動化設計，并有本征安全技術規(guī)范。 PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結構、實時多主網(wǎng)絡。 <BR> （2）PROFIBUS協(xié)議結構PROFIBUS協(xié)議結構是根據(jù)IS07498國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型。 PROFIBUS-DP、FMS、PA定義了第12、7層和用戶接口。第3到6層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可調用的應用功能，定義了現(xiàn)場設備行為的行規(guī)。 <BR> �。�3）PROFIBUS傳輸技術PROFIBUS提供了4種數(shù)據(jù)傳輸類型：用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IEC1158-2傳輸及光纖、紅外傳輸。 <BR> �。�4）設備類型2類主站（DPM2）指可進行編程、組態(tài)、診斷的設備。1類主站（DPM1）是可編程序控制器，如PLC、PC等。從站是指帶開關量或模擬量的現(xiàn)場設備，如驅動器、閥門等。 <BR> �。�5）電子設備數(shù)據(jù)文件（GSD）為了將不同廠家生產(chǎn)的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，廠家必須提供GSD文件（電子設備數(shù)據(jù)庫文件），描述產(chǎn)品的功能參數(shù)。 PROFIBUS組態(tài)工具可根據(jù)將廠商提供的GSD文件將其設備集成在同一總線系統(tǒng)中。 </P><P> 2．3基于現(xiàn)場總線（PROF18US）的先進控制系統(tǒng)的結構及組成 <BR> 基于現(xiàn)場總線（PROHBUS）的先進控制系統(tǒng)ACSBPB是一個面向制造業(yè)自動化、現(xiàn)場及車間級自動化控制系統(tǒng)。 <BR> （1）系統(tǒng)網(wǎng)絡結構ACSBPB由2級網(wǎng)絡結構組成：底層是基于PROFIBUS-DKPA的現(xiàn)場級設備層控制系統(tǒng)；上1層是基于PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng)及TCP/IP的車間級監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控層計算機向上支持工廠管理級網(wǎng)絡接口及通信驅動和數(shù)據(jù)庫接口。底層PROHBUS-DP支持9.6k~12M的通信速率和中繼器（REPEATER）的擴展功能。底層PROFIBUS-DP還支持基于光纖傳輸介質的通信；可支持點對點、總線及環(huán)形光纖網(wǎng)�？刂破骺膳渲贸呻p機熱備及冗余通信模式，用于對可靠性要求很高的場合，詳見圖2�；诂F(xiàn)場總線（PROFIBUS）的先進控制系統(tǒng)ACSBPB系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖。 <BR> �。�2）控制器或主站控制器基于通用工業(yè)PC機、Windows/WT軟硬件平臺�，F(xiàn)場總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網(wǎng)卡（自主開發(fā)）。系統(tǒng)控制器或主站應具備雙機熱備、冗余通信系統(tǒng)功能。 <BR> �。�3）ACSBPB系統(tǒng)軟件ACSBPB系統(tǒng)軟件基于WIN/NT系統(tǒng)軟件平臺。它包含一個實時多任務操作系統(tǒng)內核，并為系統(tǒng)提供以下功能： </P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038812215170830.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038812215170830.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> <BR> ·用于系統(tǒng)組態(tài)工具包。 <BR> ·基于IEC61131程序編輯軟件包和軟邏輯功能模塊。 <BR> ·繪圖、數(shù)據(jù)庫編輯工具包和實時在線監(jiān)控軟件包，包括流程、棒狀圖、趨勢圖顯示功能。 <BR> ·故障報警及記錄、實時數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、統(tǒng)計、報表打印功能。 <BR> ·基于INTRANET/INTERNET技術的遠程數(shù)據(jù)流瀏覽、遠程維護功能。 <BR> ·支持OPC、DDE驅動接口。 <BR> ·支持ODBC、SQL數(shù)據(jù)庫接口。 <BR> �。�4）具有現(xiàn)場總線（PROFIBUS）接口的底層現(xiàn)場設備。 <BR> ·分散式I/O從站通過GSD文件組態(tài)，系統(tǒng)可連接任何廠家制造、經(jīng)過PROFIBUS標準認證的分布式I/O從站。 <BR> ·智能分散式I/O-PLC從站通過GSD文件組態(tài)，系統(tǒng)可連接任何廠家制造、經(jīng)過PROFIBUS標準認證的智能分散式I/O從站。 <BR> ·智能交直流驅動器通過GSD文件組態(tài)，系統(tǒng)可連接任何廠家制造、經(jīng)過PROFIBUS標準認證的智能交直流驅動器。智能交直流驅動器的參數(shù)化符合PROFIBUS-DP行規(guī)要求。 <BR> ·智能執(zhí)行機構包括氣動、電動執(zhí)行機構。通過GSD文件組態(tài)，系統(tǒng)可連接任何廠家制造、經(jīng)過PROHBUS標準認證的智能執(zhí)行機構。 <BR> ·人機接口HMI 包括字符型和圖形、CRT/LED、帶/不帶觸摸屏。通過PROFIBUS接口，可連接一定型號的人機接口。 <BR> ·傳統(tǒng)現(xiàn)場設備與現(xiàn)場總線通信接口的軟硬件接口可以是內置式或外置式，主要用于老設備的通信連網(wǎng)。接口1端是標準的PROFIBUS接口，另1端視具體設備要求而定，如另一端可以是自由編程/ASIIC碼的RS-232/485接口、I/O、PC/104、PCI等等。 <BR> ·傳感器與變送器包括電量監(jiān)測及保護裝置、開關設備、溫度、壓力、流量變送器。 <BR> �。�5）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡器件產(chǎn)品電纜、光纜、光端機模塊、PROFIBUS-DP/PA接頭、PROFIBUS-PA總線接插件。 <BR> �。�6）不同現(xiàn)場總線標準協(xié)議之間的通信接口的軟硬件包括藕合器、路由、網(wǎng)關。 <BR> （7）專用應用軟件包包括自動化立體倉庫軟件包、生產(chǎn)線監(jiān)測系統(tǒng)軟件包、同步控制算法軟件模塊、張力控制算法軟件模塊、船閘控制系統(tǒng)軟件包、船閘船只最優(yōu)調度算法軟件等等。 </P><P> 3、基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)市場前景分析 </P><P> 3．1市場需求 <BR> 目前，國內各行業(yè)競爭激烈。企業(yè)逐步認識到只有不斷引人新技術才能使企業(yè)得到持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展。企業(yè)有追求新技術、改造現(xiàn)有系統(tǒng)的需求。現(xiàn)場總線技術是未來自動化技術發(fā)展主流，基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)以其明顯的技術優(yōu)勢和價格優(yōu)勢，在分布式控制系統(tǒng)市場中將逐步替代PLC產(chǎn)品。 </P><P> 3．2企業(yè)效益 <BR> �。�1）對現(xiàn)場設備制造商參與基于現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)場設備制造商將本企業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)品提高了一個技術水平。由于現(xiàn)場總線技術的開放性，企業(yè)開發(fā)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以集成到任何現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中。比如，采用國外名牌控制器和自主開發(fā)生產(chǎn)的分布式I/O或其他現(xiàn)場設備集成，將組成一個性能、價格都比較平衡的系統(tǒng)，根據(jù)筆者經(jīng)驗，這種配置在國內工程項目中是很有競爭力的。企業(yè)因產(chǎn)品技術進步將得到更多的市場機會。 <BR> �。�2）對自動化系統(tǒng)集成商應用現(xiàn)場總線的先進控制系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)集成商有條件以系統(tǒng)為平臺，利用自身在行業(yè)領域中的優(yōu)勢，開發(fā)出具有專用技術的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)集成增值，增加利潤并擴大市場份額。 </P><P> 4、結束語 </P><P> 現(xiàn)場總線技術以其標準化、開放性使參與其中的企業(yè)收益；一切有遠見和市場頭腦的自動化行業(yè)志士仁人，都不會視而不見、無動于衷、漠視它的存在。喪失機會和主動將在未來市場中淘汰出局。國內企業(yè)應吸取在PLC、DCS技術和產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展的經(jīng)驗教訓，把握機遇，結成技術及市場同盟，開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權、基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)，并在優(yōu)勢行業(yè)上應用推廣。這樣，既可帶動國內自動化行業(yè)的發(fā)展，也可將國內工業(yè)自動化裝備提高到一個新的水平，使我國自動化行業(yè)在未來國際自動化技術領域中及市場份額上都占有一席之地。本文的分析和觀點，如能為國內自動化行業(yè)的技術專家、企業(yè)家和政府領導的決策提供有價值的參考，作者將感到十分高興。 <BR>
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中華工控網(wǎng)
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