现场总线技术的发展与应用
4 2003 华北电力技术
NORTH CHINA ELECTRIC POWER
N o. 23
现场总线技术的发展与应用
Development and Application of Field Bus Technology
张家口发电厂
(河北张家口
075131) 李会军
摘 要
:现场总线控制技术已成为工业控制领域中理层国际标准草案
(D IS)通过审定。
的一个热点。对现场总线技术的发展历程、标准化过1993年:World FIP组织成立。
程、现场总线的概念和结构、现场总线类型及其主要1994年: ISP和World FIP北美部分合并
,
产品和现场总线的优势进行了客观的论述
,指出电
力行业采用现场总线技术是提高效益的有效手段。Foundation)。
成立现场总线基金会组织
,简称
FF (Field bus
1996年:现场总线基金会发布低速总线
中图分类号
关键词:现场总线技术;概念;结构;标准
TK: 323
标准。
文献标识码
:B
文章编号
: 100329171 (2003) 0420023205
1 现场总线的发展历程
在信息技术日新月异的今天
,信息交换日益全
球化
,信息交换沟通的领域正在迅速地覆盖从工厂
的现场设备层到控制管理的各个层次
,覆盖从工
段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。数字技
术的发展使最大限度地利用投资、资产和降低成本
成为可能。过去我们仅仅能从工厂现场获得
4~
20
mA的过程信号
,现在随着数字技术的发展
,可通
过覆盖工厂设备的强大网络获取大量数据。现场总
线已成为世界范围内的自控技术热点。
现场总线控制系统
(FCS)技术是
20世纪
80年
代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技
术,它的出现引起了传统的
PL C和DCS控制系统
基本结构的革命性变化。现场总线技术极大地简化
了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作
量,使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。
2 现场总线技术的标准化过程
1984年: ISA SP50工作组开始制定现场总
线标准。
1986年:用于
HA R T协议的设备描述语言
DDL开发完成
, ISA SP50小组制定相应规格的
Profi bus.F IP标准工作启动。
1987年: BRA IN协议诞生。
1990年: SP50物理层协议的
Profi bus和
F IP成为国际标准。
1992年: ISP组织成立
SP50小组
,制定的物
1997年: FF现场总线性能试验和互操作性
能测试结果发布。
1998年:现场总线基金会着手高速以太网
项目。
1999年:高速以太网草案发布。
2000年:高速以太网现场测试及市场前景
预测。
从
20世纪
90年代起
,现场总线控制系统技
术获得快速发展
,并结合
In ternet和
In tranet的
迅猛发展
,现场总线控制系统技术越来越显示出
其它传统控
制系统无可替代的优越性。现场总线
控制技术已成为工业控制领域中的一个热点。
3 现场总线的概念和结构
311 现场总线的概念
在工业自动化领域内
,“现场总线”一词是指将
安装在现场的智能变送器和智能执行机构等连接
在一条现场通信总线上的控制系统
,现场总线控制
系统
(FCS)是由数字通信设备和监控设备组成的
分散控制系统
,是下一代过程控制系统的基础。
现场总线是一种全数字式的串行双向通信系
统,它将现场各种智能化设备
(如智能传感器、智
能分析器、智能变送器和智能执行器等
)与控制器
连接起来
,其实用化的关键在于对现场智能化设
备进行局部控制及高速数字通信。由于充分利用
了现场智能设备
,过程管理不仅意味着对过程的
控制
,而且还具备对设备的管理功能。它从现场各
种智能设备处采集和使用大量的实时信息
(包括
工厂全部记录数据的组态、标定、监控、性能诊断
和维护
),这些工作与生产过程同时进行。
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312 现场总线的结构
传统
DCS控制系统与现场总线
(FCS)控制
系统网络结构配置比较
:
(1)当前大型火力发电机组的主热控系统
,
普遍采用传统的
DCS控制系统
,其通常的网络结
构配置见图
1。
图
1 传统
DCS控制系统网络结构配置示意图
(2)新型现场总线
(FCS)是一种正在发展和
不断完善中的控制系统
,其通常的网络结构配置
见图
2。
图
2 新型现场总线控制系统网络结构配置示意图
(3)在老机组的设备改造中
,不少电厂
(如天
津一热、河南首阳山电厂、内蒙乌拉山电厂、柳州
电厂、山东烟台电厂等
)的部分监控系统
,采用了
DCS和
FCS混合式监控系统
,其通常的网络结构
配置见图
3。
由于现场总线的通信协议尚未标准化
,当前只
图
3 传统
DCS和新型
FCS混合式监控
系统网络结构配置示意图
能与有相同通信协议的
DCS控制系统相容。由于现
场各种智能设备尚在开发中
,还未成龙配套
,所以电
厂热控系统全部采用现场总线控制系统
,在技术上
还有一定的难度
,故对于机组的调节和热控系统
,还
是以采用尚在发展中的
DCS控制系统为宜。
考虑到大型火电机组的
DCS控制系统中
,有
60%~
70%左右的检测信号用于数据采集和过程
参数监视
,在此领域内
, FCS控制系统比
DCS控制
系统有高得多的性能价格比
, FCS控制系统综合成
本将比
DCS控制系统减少
40% ,且系统简单
,扩展
灵活。因此
,
在现场设备基层监控层面上采用
FCS
系统
,在主控室管理监控层面上采用
DCS系统式的
DCS和
FCS混合式监控系统应运而生。
( 4)传统
DCS与新型
FCS控制系统的性能
指标比较见表
1。
表
1 DCS与
FCS控制系统性能指标比较表
项 目新型
FCS
现场总线
DCS与
FCS
混合型
传统
DCS
控制系统
网络拓扑
结构多点一对一一对一
传输信号
类别数字信号模拟
+数字
信号
模拟
+数字
信号
信号传
输方式双向模拟
(单向
) ;
数字
(双向
)单向
通信类型多路信号
高速以太网
部分多路
信号单路信号
通信网
络标准未标准化企业标准已标准化
性能价
格比相对较高居中相对较低
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网);
Profi bus2PA、
( 2)应用于各种过程自动化的通信协议有
Foundation Field bus等;
(6) Sw ift N et;
(3)应用于防爆场合的本质安全的现场总线
(7) World FIP;
4 现场总线的主要标准及品种
411 8个标准
现场总线使用于工业自动化方面时
,国际电
工委员会
IEC61158中有
8个标准
:
(1) Field bus (同AN S.ISA S50101);
(2) Control Net;
(3) Profi bus (EN 50170欧洲标准
);
(4) P2N ET;
(5) Field bus Foundation HSE (高速以太
(8)
Inter bus。
其中Field bus Foundation HSE、Profi bus、
P2N ET、World FIP和
Inter bus正在协调建立通
用的
FM S应用层。
412 比较流行的品种
在过去的一段时间内
,国内外出现了多种现
场总线产品
,比较流行的品种有
:
(1)德国
Bo sch公司生产的
CAN (Controller
A rea Network)总线
;
( 2)罗斯蒙特
(Ro sem oun t )公司设计的
HART (HighwayAdressableRemote Transdu2
cer)总线
;
(3)按德国标准生产的
Profi bus (Process
Field Bus)总线
;
(4)按
World FIP组织标准生产的
W orld
F IP2I.
O总线
;
(5) DeviceNet总线
;
(6) SDS总线
;
(7)美国
Echelon公司设计的
LON (Local
Operating Net)Works网络总线
;
(8)中国人民解放军工程兵工程学院微机测
控技术研究所生产的
8932网络总线
;
( 9)北京和利时公司
M A CSTM系统的
P rofi
bu s2DP现场总线。
413 现场总线通信协议类型
在
1994年之前
,现场总线的生产厂商
,基本
上集合成
ISP和World FIP 2大跨国集团组织。
ISP的成员有西门子、罗斯蒙特、横河、
ABB、福克
斯波罗、费希尔等公司
,World FIP的成员有霍尼
威尔、贝利等
150家公司
,他们开发了各自的现场
总线标准及
HA R T和
DE通信协议。虽然
1994
年
9月后
ISP和World FIP 2大组织合并为
FF
组织
,以开发和制定统一的现场总线标准和通信
协议
。但由于现场总线标准制定涉及到各制造集
团的市场份额和经济利益
,制定出真正统一的现
场总线标准、通信协议和全面推广产品
,尚有待时
日。当前市场上出现的现场总线通信协议类型有
以下几种
:
(1)应用于各种制造工业自动化的通信协议
有
Profi bus2DP、D evice2N et、AS2I、Inter bus2s、
CAN open、Mod bus等;
协议有
Sensop lex M C、Excom等。
5 现场总线主要产品的特点
现场总线代表了目前最先进的通信技术
,它
集成了传统的模拟
4~
20 mA DC信号和混合信
号传输技术的优点
,并大幅度提高了通信能力。各
种现场总线协议及其产品都具有各自的特点和优
势,如速度的快慢、传输距离的远近、系统成本的
高低等。
当前
Profi bus现场总线正在逐步抢占市场
制高点
, Profi bus现场总线以其实时性好、系统
配置灵活和实现方便等优势
,成为欧洲首指的开
放式现场总线系统
,覆盖了加工制造、过程自动
化、建筑自动化等领域
,并正在成为国际化的开放
式现场总线标准。
Profi bus现场总线有
P rofi
bus2DP、Profi bus2PA、Profi bus2FMS 3种子协
议,它是标准化了的开放式的通信网络。
511 应用于各种制造工业自动化方面的产品
51111 高速通信的
Profi bus2DP现场总线
(1)是通信速率最快的总线
,最高通信速率
可达
12 M b.s;
(2)主要使用于工厂自动化中
,现场级分散
的
I.
O设备的高速数据传输
,是一种主控器
(或
PL C等)与现场设备之间的数据交换的通信
网络
;
(3) Profi bus2DP使用基于
R S485标准的物
理层
,它是一个两线差分系统
,具有极好的抗电磁
干扰性能
;
(4) Profi bus2DP通常采用主从方式进行工
作,扫描
1000个
I.
O点的时间少于
1m s,一个系
统可以有
126个节点
,能容纳数千个模拟量和数
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字量测点。
51112 通用型和低价位的
Device N et现场总线
(1)基于
CAN芯片
,具有强大的通信功能
,
支持多种通信方式
;
(2) Device Net具有强大的抗电磁干扰
能力
;
(3)许多
Device N et主单元具有系统状态液
晶显示窗
,可以显示故障类型
,便于系统的故障诊
断;
(4)软件支持在线自动建立系统
,使用方便
;
(5)网络最多支持64个节点;
(6)采用线状拓扑结构;
(7)24V DC
的移动节点和端子式I.O
的接口,并可接入多种
输入.输出模块,包括模拟量模块、数字量模块、计
数器模块和R S232通信模块。
512 应用于各种过程自动化方面的产品
51211 适用于过程控制的P rofi bu s2PA现场总
线系统
(1)具有P
rofi bu s2D P测量值和状态传输的
基本功能,以及对现场装置进行参数设置和操作
的P rofi bu s2D P扩展功能;
( 2)具有本质安全性能,可以通过总线为现
场装置供电;
(3)一个通信段可连接32个装置,在爆炸危
险区为8~10个装置。
电源
,向其节点及输入设备提供工作电源;
(8)输出采用辅助电源供电
,确保总线通信
不受负载的影响。
51113 最简单的
AS2I现场总线
(1) AS2I表征为执行器和传感器的接口件
;
(2) AS2I系统由
1个主站、供电电源和最多
为
31个子站所组成
,整个系统长度不超过
100
m,但可以自由分布
,没有分支规则和终端
;
(3)使用二线制设置
,输入传输数据与工作
电源
;
(4)输出需辅助电源供电
(二芯电缆
);
(5)使用扁平电缆通信
,也可使用
eu rofast
接插件
;
( 6)当需要简单的主
2从总线连接分散的信
息和
I.
O装置
,并且数据又不很重要时
,AS2I现
场总线是最经济的方案
;
(7) Bus Stop站以手持编程器进行地址配
置,使用适合分散应用环境的
4位信息编程
,内含
错误检测
,系统读写循环时间少于
5ms。
51114 简单网络的
Inter bus2s现场总线
(1) Inter bus2s网络安装与配置简单
,网上
的节点类似简单的位移寄存器
,位流经过节点则
发生翻转
;
(2) Inter bus2s启动网络并自动配置
,不需
要节点地址
;
(3)使用一根电缆
,符合
IEEE80215令牌环
的规定
;
( 4)网络最多可连接
64个装置
,速度可达
500 kb.s,最长距离为
25 600 m,移动节点间距离
为
400 m;
(5) Bus stop的端子式耦合器
,作为网络中
51212 适用于高级过程控制的
Foundation Field
bus现场总线
(1)针对过程自动化而设计
,通过数字、串行
双向的通信方法来连接现场装置
;
(2)通信不是简单的数字
4~
20 mA信号
,
而是使用复杂的通信协议
,它可连接能执行简单
的闭环算法
(如
P ID )的现场智能装置
;
(3)一个通信段可配置
32个现场装置
, H1
型通信速度为
31125 kb.s,每段最大通信距离为
1 900 m;
(4)如果通信电缆通过本质安全接口连接
,
可应用于危险环境。
FF现场总线
(Foundation Field bus)是一种
全数字化的双向通信协议
,它将现场设备
(如变送
器、流量计、阀门定位器、分析仪等
)与控制系统采
用数字双向通信方式连接起来。采用面向仪表层
的现场总线高速以太网
(HSE ) ,能实现更多智能
设备的信息共享
,如
PL C和
I.
O设备。该协议能
实现从现场智能仪表获取有价值的过程信息与主
系统信息共享
,从而达到节约成本、提高工厂经济
效益的目的。
513 应用于防爆场合本质安全的现场总线
(1)独立的
总线分支和
CAN接口
,确保了通
信的可靠性
;
(2)多重冗余技术的应用
,全面提高系统的
可靠性
;
(3)直接安装在危险区
(1区)的
Eex ib (ia)
T4等级
;
(4)所有模块均可在线拔插
;
(5)支持
HA R T协议的传输
;
O模块
,通过路
(6)无需
DCS或
PL C的
I.
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特性
,这更加提高了控制数据的可靠性。对监控常驻
于现场的设备
,其系统性能衰退的可能性比传统
地满足控制系统信息集成的要求
(3)主控器可以获取更多的设备信息,更好
;
611 性能价格比高
大幅度降低系统综合成本,
(约为
40%)
DCS系统要小得多,这就提高和改善了监控性能,
降低了易变性,其具有以下几点优势。
(4)对于自行小车和升降机等移动装置
,现
由器连接到
Profi bus2DP,并具有
V1功能
;
(7)具有多种诊断与自诊断功能。
6 现场总线控制的优势
现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数
字通信网络。与传统的
DCS控制系统相比
,具有无
可比拟的优势
,在其操作方面具有卓越的性能。现场
总线实现了各设备的多路变量进入过程自动化系
统,从而可进一步进行数据归档、趋势分析、过程优
化与报表生成。数字通信具有清晰度高且不失真的
(1)大幅度减少电缆、导线、连接附件的数
量。现场总线允许多台现场设备连接在
1根双绞
线总线上
,从而减少了电缆、本质安全栅组件、
I.
O组件和控制设备的需求量
,也减少了存储器卡
件、操作台和电源装置等部件
,故而降低了系统综
合成本。
(2)大幅度减少设计、安装、调试、维护费用
,
过程
I.
O电缆约节省
60% ,安装调试费用约节省
80% ,维护检修工作量减少
50%以上
,维护和改
造停机时间减少
60%~
80%。
现场总线的功能块软件编程
,可迅速而方便
地链结起来
,形成完整的控制策略
,并完全可在现
场设备层次上实现。系统调试更加灵活方便
,调试
中可以根据需要
,将系统分为几部分分别进行
,因
此减少了设计与调试费用。
系统安装快速简便
,更适合于设备的改造和
更新。在进行维护和排除复杂故障时
,也可将系统
分为几部分分别进行
,这在采用现场总线技术以
前是难以做到的。
612 大幅度提高监控系统性能
,系统便于维护
(1)自动诊断、显示故障位置
,诊断包括总线
接点的通信故障
,以及现场装置和连接件的断路、
短路故障
,从而使设备维护人员可以迅速发现系
统的各种故障位置和状态
,使设备维护更加便捷
,
故
障停机时间减少
80% ;
(2)采用数字信号通信
,有效地提高了系统
的测量和控制精度
;
场总线的应用具有独特的优势
,可以大量减少导
轨中电缆的数量
,使系统更加便于使用和维
修;
(5)可靠的数据传输
,快速的数据响应
,强大
的抗干扰能力
;
(6)许多总线节点具有
ì 67的防护等级
,具
有防水、防尘、抗振动的特性
,可以直接安置于工
业设备上
,大量减少了现场接线箱
,使系统美观而
实用
,本质安全型产品可以直接安装于石油、化工
等危险防爆场所中。
7 结束语
伴随着电力市场竞争的日益激烈
,全球电力
企业纷纷采用先进的控制策略和手段
,以提高电
厂的整体效率
,因此选用现场总线控制技术
,是电
力行业对提高效益节能降耗进行技术改造的首选
方案
,在使用过程中将逐渐认识到采用现场总线
技术的优势。现场总线控制技术在我国尤其是电
力行业将有着广阔的发展前景。
(收稿日期
: 2002212205)
(上接第
22页)
合的安全设计
,该设计已应用于某信息系统中
,证
明是安全、可靠、实用的
,对同行具有参考价值。
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: 2002211214)