現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用探討范文

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摘要：從工業(yè)化背景出發(fā)，首先介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的基本概念、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和分類，其次深入剖析了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并以其在汽車制造、電力發(fā)電、水泥工業(yè)、鍋爐控制和礦井監(jiān)控等典型領(lǐng)域中的應(yīng)用為例分析了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，最后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。希望該研究可以為相關(guān)人員了解現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供有用的參考。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；PROFIBUS；過程控制；工業(yè)領(lǐng)域

1前言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其開放性、數(shù)字化、雙向傳輸、多站通信等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)脫穎而出，在集成電路、工業(yè)控制、儀器儀表、測(cè)試檢測(cè)、通信互聯(lián)等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，成為了工業(yè)種類控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化的重要技術(shù)支撐，自動(dòng)控制領(lǐng)域和儀器儀表領(lǐng)域更是由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)生了革命性的變化。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制功能的底層化，優(yōu)化了傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)，在各工業(yè)領(lǐng)域起到了不替代的作用[1]。

2現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線最突出的特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、成本低、數(shù)字化、互操作性好和控制分散，它通常處于控制設(shè)備和生產(chǎn)區(qū)域之間，承擔(dān)著多點(diǎn)通信、信號(hào)數(shù)字化和串行傳輸?shù)热蝿?wù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性體現(xiàn)在它既可與異層網(wǎng)絡(luò)相連，又可與本層網(wǎng)絡(luò)相連，既可與同一廠商的設(shè)備相連，又可與不同廠商的設(shè)備相連，使控制系統(tǒng)的軟硬件配置可以更加靈活。由于采用了總線傳輸，并接入了現(xiàn)代化智能儀表，擁有現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制系統(tǒng)可以節(jié)省許多傳統(tǒng)通信線路的端子和線纜，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的全數(shù)字化通信特點(diǎn)特別適用于糾錯(cuò)和信息防撞的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高多點(diǎn)雙向通信的可靠性[2]。工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還有一個(gè)重要原因是設(shè)備可以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“即接即用”，使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的集成更加方便快捷。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通過引入微處理器可以將常規(guī)的控制任務(wù)下移至控制現(xiàn)場(chǎng)，而不再局限于專門的控制室。另外，現(xiàn)場(chǎng)總線還具備很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)性，還能綜合應(yīng)用多種傳輸介質(zhì)為工業(yè)控制提供服務(wù)。

3工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的分類

到目前為止，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)包括基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN總線、Lonworks協(xié)議、DeviceNet協(xié)議、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)、HART總線和WorldFIP等等[3]，它們各有各的優(yōu)勢(shì)，分別在不同的行業(yè)中受到關(guān)注。（1）基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線。該總線標(biāo)準(zhǔn)由WorldFIP協(xié)議和ISP協(xié)議合并而成，采用了互聯(lián)OSI的簡(jiǎn)化模型，由于兼容性較好，自以后在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。（2）CAN總線。CAN（ControllerAreaNetwork）總線又被稱為控制器局域網(wǎng)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，主要應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。CAN總線技術(shù)具有抗干擾、速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。（3）Lonworks協(xié)議。該協(xié)議是Chelon、Toshiba、Motorola等公司推出的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，傳輸速度快、距離遠(yuǎn)，主要應(yīng)用于智能監(jiān)控、智能家居、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。（4）DeviceNet協(xié)議。該協(xié)議是在CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它是一種開放的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，為不同的設(shè)備互聯(lián)提供了極大的方便。（5）PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)由PROFIBUS-PA、PROFIBU-FMS、PROFIBUS-DP等標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，是一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，來自于歐洲和德國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線具有傳輸方式多樣、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、多站點(diǎn)通信等優(yōu)點(diǎn)。（6）HART總線。HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）總線的主要貢獻(xiàn)在于，它為模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變提供了最新的思路，該總線技術(shù)支持采取多點(diǎn)廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答等方式進(jìn)行通信。此外，全球工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還有CC-Link、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等。

4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)起源于國(guó)外，也最先在國(guó)外的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了高效應(yīng)用。早在20世紀(jì)90年代，SMAR公司就將當(dāng)時(shí)的多種智能儀表、PROFIBUS-PA設(shè)備和可編程控制器等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其中以SYSTEM302現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在世界發(fā)電市場(chǎng)的應(yīng)用最為成功，一度成為當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。2002年，德國(guó)Niederaussem電廠中大量采用了西門子PROFIBUS總線技術(shù)和產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了全機(jī)組控制系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化[4]。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)歷了從引進(jìn)、模仿到自主研發(fā)的漫長(zhǎng)歷程，目前基本上走向了成熟，在石油、化工、冶金等各領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但是在一些像電力等工藝較復(fù)雜的行業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用還不夠成熟[5]，還有很大的發(fā)展空間，主要原因是電力生產(chǎn)過程過于復(fù)雜，目前在用的很多電力生產(chǎn)設(shè)備都與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不兼容，還需要進(jìn)一步改革和更新才能更好地應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。但隨著電力企業(yè)改革的深化，我國(guó)主要發(fā)電企業(yè)已開始應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，例如，華能玉環(huán)電廠就在廢水處理和鍋爐補(bǔ)給水處理等輔控系統(tǒng)中大量使用了最先進(jìn)的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，并配備了相關(guān)控制軟件，形成了一整套功能完備的現(xiàn)代化控制體系。

5現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1汽車制造

在重型汽車制造領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)橋殼的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制是一道非常關(guān)鍵的工藝，生產(chǎn)線中主要有工業(yè)機(jī)器人、伺服啟動(dòng)器、變頻器等受控設(shè)備，實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常采用PROFINET總線對(duì)其進(jìn)行整體控制?；赑ROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)橋殼生產(chǎn)控制系統(tǒng)具有效率高、精度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、運(yùn)維方便、節(jié)省成本等特點(diǎn)，使系統(tǒng)中的各個(gè)加工設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了自由通信，設(shè)備運(yùn)行所需的運(yùn)行參數(shù)、工藝卡片、維護(hù)信息等都可以存儲(chǔ)在上位機(jī)中，從而通過PROFINET總線實(shí)現(xiàn)了全生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制。

5.2電力發(fā)電

隨著我國(guó)電力體制改革的深化，各種先進(jìn)技術(shù)被不斷應(yīng)用于發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)，其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線就是典型代表之一。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是建立數(shù)字電廠和智能電網(wǎng)的重要技術(shù)之一，在我國(guó)發(fā)電領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)一些大型發(fā)電廠通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使發(fā)電設(shè)備的控制進(jìn)一步分散化，通過PROFIBUS通信主站的建立，形成了一套功能完備的PROFIBUS發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線可以布置在電廠的機(jī)組主輔控車間中，使DCS、監(jiān)控設(shè)備和故障診斷模塊實(shí)現(xiàn)了互通互連。現(xiàn)場(chǎng)總線在電廠中的應(yīng)用，無論是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、控制方式、可靠性方面還是在發(fā)電效率方面都很好地滿足了我國(guó)發(fā)電廠的技術(shù)要求。

5.3水泥工業(yè)

水泥工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水泥需求量的進(jìn)一步增加，水泥生產(chǎn)企業(yè)也必然走向自動(dòng)化生產(chǎn)的道路。在信息技術(shù)的推動(dòng)下，水泥生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)控制系統(tǒng)也逐漸向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為一項(xiàng)前沿技術(shù)被引進(jìn)水泥工業(yè)中，使得水泥生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制層和管理層的信息傳輸、參數(shù)監(jiān)控和故障檢測(cè)等工作變得更加快捷方便?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在水泥工業(yè)中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的模擬控制方式，控制站與現(xiàn)場(chǎng)控制器之間由光纜連接，而控制器又經(jīng)過耦合器與現(xiàn)場(chǎng)總線儀表通信，現(xiàn)場(chǎng)控制器和各I/O站采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通信，耦合器和現(xiàn)場(chǎng)總線儀表之間采用PROFIBUS-PA進(jìn)行通信。節(jié)省了大量線纜費(fèi)用和維護(hù)成本，提高了生產(chǎn)效率。

5.4鍋爐控制

鍋爐在很多工業(yè)領(lǐng)域有著重要的地位，而鍋爐的可靠運(yùn)行主要依賴于鍋爐機(jī)組控制系統(tǒng)的可靠性，鍋爐控制一般可以分為過程控制和輔機(jī)控制兩個(gè)部分。國(guó)內(nèi)的鍋爐過程控制以采用西門子過程控制系統(tǒng)為主，同時(shí)，配備STEP7V5.2編程軟件和WinCC6.0監(jiān)控軟件。而下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)則可以由操作員站和工程師站采用以PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA為現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，還可以采用西門子冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)也設(shè)計(jì)為冗余PROFIBUS，保證儀表總線隨時(shí)可以可靠地連接到PROFIBUS-PA儀表上。

5.5礦井監(jiān)控

近年來，礦井現(xiàn)場(chǎng)事故頻發(fā)，保證礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全性已成為相關(guān)企業(yè)安全生產(chǎn)的重中之重。而基于PROFIBUS-DP標(biāo)準(zhǔn)的煤礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)正是高效的安全措施之一。系統(tǒng)通常由上位機(jī)、PROFIBUS-DP主站、PROFIBUS-DP從站和大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成，其中總線的作用是實(shí)現(xiàn)所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互連。通過ET200通信模塊與PROFIBUS-DP相連以實(shí)現(xiàn)分布式I/O系統(tǒng)，采用集成了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口的PLC裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通過MPI驅(qū)動(dòng)程序采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件運(yùn)行后進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示并反饋給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過PID等環(huán)節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

6結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)致力于實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備之間的無縫互連。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)出現(xiàn)了許多不同的分支，不同的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之間采用的標(biāo)準(zhǔn)并不完全一致，而各自關(guān)注的領(lǐng)域也不盡相同，因此，它們的發(fā)展也必然會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。根據(jù)目前的發(fā)展形勢(shì)不難預(yù)測(cè)，多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并存，是未來幾十年現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，并且各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都將在相應(yīng)的領(lǐng)域得到長(zhǎng)足的發(fā)展。IndustrialEthernet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步延伸，同時(shí)統(tǒng)一各種現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)也將被逐漸提上議事日程。另外，在信息技術(shù)的影響下，現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合已是不可扭轉(zhuǎn)的局面。

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作者：黃正勇 單位：天津匯盟科技有限公司