（信号与信息处理专业论文）现场总线技术在化工罐区监控系统中的应用.pdf

硕士学位论文 摘要 化工罐区是石化企业储存，转运化工原料不可缺少的部分。随着计算机技术， 网络技术，自动化技术的发展，越来越多的石化企业开始对其内部的化工罐区进 行自动化改造：从原有的人工测量与巡检的方式改造为可以远程测量、远程监控 的现代化罐区监控系统。 化工罐区的特点是分布范围广，现场设备的防爆要求高，数据传送的实时可 靠性要求高。现阶段基于d c s 技术构成的罐区监控系统成本较高，集成性能较差， 可扩展性不强。随着石化企业的进一步发展，寻求可靠性更高，成本更低，信息 化程度更高的罐区监控系统解决方案成为一种必然的需求。 现场总线是近年来发展较快的一种总线技术。它具有相对开放，系统分散， 数据通信方式灵活，使用智能化现场仪表等特点。应用现场总线的特点可以设计 出先进、高效、兼容性好，功能多而又经济可靠的罐区监控系统。 p r o f i b u s 现场总线是西门子公司为主的十几家德国公司和研究所共同推出 的一种符合i s o o s i 标准的现场总线，技术成熟，在工业自动化领域使用广泛。 本文的主要工作是：从研究现场总线开始，结合罐区特点和“本安”防爆的 安全规范，在满足用户对罐区工艺要求的前提下，通过方案的比较，确定了以远 程分布式i o 构成p r o f i b u s 现场总线监控系统的总体方案，设计了p l c 冗余网 络，实现了i ( r o h n e 智能仪表与p r o f i b u s 总线监控系统的数据通信，开发出功能 多样的上位机监控系统，从而完成整个化工罐区监控系统的设计与实现。 本文第一章介绍了课题的背景以及意义，第二章介绍了现场总线的概况，第 三章重点介绍和研究了西门子p r o f i b u s 现场总线技术，第四章结合课题实际， 研究了l ( r o h n e 仪表与现场总线监控系统的通讯。第五章认真分析和比较了三种 监控系统方案，阐述了选择现有方案的原理，并在软硬件上实现了罐区自动监控 系统。第六章对整个系统进行了总结。 关键字：罐区监控现场总线p r o f i b u s 西门子s 7 3 0 0 p l c 智能仪表协议转换 硕士学位论文 a b s t r a c t c h 锄i c a lr a 、vm a t e r i a lt 踟：l l ( f | a mi sai n d i s p e n s a b l ep 硪f o rp e 仃0 c h e m i c a l e n t e 印r i s e w i t ht h ed e v e l 叩m e n to fc o m p u t c rs c i e n c e ，n e t 、) l r o r kt e c l u l o l o g ya n d a u t o m a t i o n t e c l l n o l o g y ， m o r ea n dm o r e p e t r o c h e m i c a le m e 印r i s eb e g i l l t h e r e c o n s 饥l c t i o np r o j e c tf o ra u t o m a t e dt a n kf 籼m o n i t o r i i l gs y s t e m ，w h i c hc h a n g et 1 1 e t a i l km o n i t o 血gm e t h o d 丘0 mp u r e l ya r t i f i c i a im e t h o dt 0r e m o t e l y1 1 1 e a s u r i n ga n d m o n i t o r i i l gb yu s i n ga u t o m a t i c a l l ym e t l l o d a1 0 to fd o m e s t i ce n t e 印r i s e sh a v et r i e dt 0 i i i l p l e i n e n tt 1 1 ea u t o m a t e dt a n k m o n i t o 血gw i md c st e c l l n o l o 踽m dm o s to f n l e mh a v ea c h i e v e ds u c c e s s 1 1 1 ec h e m i c a lt a n kf 黜l h a st h ef e a n 鹏o fd i s t r i b u t i n gi i lw i d es c a l e ，l l i 曲l e v e lo f e x p l o s i o np r o t e c t i o n ，a n dh i 曲r e l i d b i l i 够o nr e a l t i i i l ed a t a 位m s m i s s i o n t h et a l l l ( 细m n 1 0 n i t o r i n gs y s t e m sb 嬲e do nd c st e c l l i l o l o 盯c 觚n o tp r 0 v i d eas o l u t i o nw 池 h i 曲p e r f o m a n c e - p r i c er a t i o i na d d i t i o n ，i t i sn o tc o m p a t i b l ew i t hm a i l yo 协e r c o n 仃o l l i n gs y s t e m sw r h i c hm a d et 1 1 es y s t e md i f f i c u l tt oe x p a i l d w i t ht h ed e v e l o p m e m s t e p so fp e 仃0 c h e m i c a le n t c r 砸s e s ，t l l es o l u t i o no f h i 曲e rr e l i a b i l 咄1 0 w e rc o s ta n d h i 曲e rl e v e lo fi i l f o n n a t i o n - b a s e dt a n kf 觚nm o n i t o r m gs y s t e mi sm 苫e n yn e e d e d f i e d l b u si sap o p u l a rt e c l l l l 0 1 0 影i nr e c e n ty e a r s i t so p e n i n ga i l dd i s t r i b u t i i l g f i e a t l l r e s ，f l e x i b l ed a t at r a i l s m i s s i o na n dt l l ei l l t e 目a t i o nw i t l l 谊t e l l i g e n tm e t e r sm a d ei t i ss u i t a b l et ob ea p p l i e di nt h ed e s i g nf 0 rn e wg e n e r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h en e w g e n e r a t i o nm o n i t 嘶n gs y s t e md e s 近；l l e dw i 也f i e l d b u sw i l lh a v et h ef ea _ t u r e s o f a d v a n c e d t e c h n o l o 科h i 曲e 伍c i e n 啪9 0 0 dc o m p a t i b l ea b i l 咄m u l t i - f l u l c t i o n a l 时 a n dl o wc o s t p r o f i b u si sak i n do ff i e l d b u sw h i c hd e v e l o p e dm a i n l yb ys i e m e n sc o i n p a n y ni si nc o n s i s t e n c ew i mt h eo s i i s os t a n d a r dw 池m a n 鹏t e c l l l l o l o g i e sa n dh 粥b e e n w i d e l yu s e di i lt t l ei i l d u s 仃i a la l i t o m a t i o na r e a t h em 血t a s ko f t l l i sp a p e ri st 0r e s e a r c ht l l ef i e l d b u sa tm e b e g i i l i l i n g ，u i l d e rm e r e g u l a t i o no ft a i l l ( 伽1 i lf e a n 玳s 趾de x p l o s i v e p r o t e c t i o n ，t a l ( eu s e r sd e m a i l di i lt 0 a b s t r a c t c o n s i d e r a t i o n ，b a s e d - 0 nf i e l d b u st e c l u l o l o g ) ，w i 也r e m o t ei os 切t i o nd e s i g n 廿l e m o n i t o r i i l gs y s t e mb yu s i i l g p l ca n di t sr e d u i l d 锄c yn e 铆o r k nr e a l i z e dm e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni i l t e l l i g e n tm e t e r su s i l l gi i l c o m p a t i b l ep r o t o c o la i l d 也e p r o 丘b u ss y s t e m na l s od e v e l o p e dt l l em o n i t o 血gs y s t e mi 1 1p cs t a t i o nw i t l lm u l t i p l e 劬c t i o n s i na l l ，b a s e do nf i e l d b u st e c h n o l o g 蜘i tc o m p l e t e dt h ew h o l em o n i t o r i n g s y s t e mf o r t a i l l 【f 锄 t h ef i s tc h a p t e ro f 也i sp a p e ri i i t r o d u c e s 也eb a c k g r o u n do fm ep a p e ra l l di t s m e a l l i i l g 1 t l es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e s 廿l ec o n c e p to ff i e l d b u s n e1 1 1 矾c h a p t e r m a i l l l y i i l 仃o d u c e sa i l dr e s e a r c h e st h ep r o f i b u st e c l l i l o l o 夥1 1 1 ef o m lc h a p t e r r e s e a r c h e sm ek r o h n ei n t e l l i g e n tm e t e r s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 锄dc o m p l e t e st l l e c o m i n u n i c a t i o nb e 觚e e nk r o h i l em e t e r sa n dt 1 1 em o n i t o r i r 喀s y s t e m t h ef i 筋c h a p t e r 磁a l y z e s 趾dc o m p a r e st h r e e sl 【i l l d so fs o l u t i o n sw i 也e a c ho 廿l e r ，a n d 百v eo u t 也e r e s u l to fc o r n p 撕s o n i ta l s og i v e so u tt h ei i i l p l e m e n t a t i o np r o c e s s e sf 0 rt a n l 【f a n n m o n i t o r i n gs y s t e m i 1 1h 幽a r ea i l ds o 你 ，a r e t h es i x t hc h 印t e rg i v e so u tn l e c o l l u s i o na i l de x p e c t a t i o n k e y w o 剐d s ：1 a n kf a r mm o n i t o r i n g ；f e i d l b u s ；p r o f i b u s ；s i e m e n ss 7 - 3 0 0p l c ； i n t e l n g e n tm e t e r ；p m t o c o lc o n v e r s i o n 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 中国作为亚太地区经济发展最快、能源消费量大、对外依赖程度日趋上升的 发展中国家，其能源市场的竞争将日趋激烈。石化炼油企业要适应这种变化，除 不断提高炼制工艺，提升产品质量外，加快生产管理自动化和安全监控设备的建 设，也是提高竞争力的有效手段之一。 石化炼油企业的储罐区是企业生产、储存、运输过程中的重要区域，它具有 占地面积广、布置分散和储存量大的显著特征。其储存的物料大多具有易燃性、 易爆性和毒性，属高危害性操作区域。而在石油液化气罐区，因其储存物品为压 力液化或低温液化，一旦发生泄漏事故，后果不堪设想。因此，石油液化气罐区 一般是石化炼油企业罐区内的最高危险单位，具有极高的安全要求。这些罐区的 管理部门需要实时掌握罐区每个储罐存储物料的液位、温度、压力、体积和质量， 罐区内可燃气体浓度以及消防管道压力、联通管道流量、阀门状态和可燃气体浓 度等重要数据，既要保证数据的准确和及时，又要保证储罐安全，防止意外事故 的发生。因此，罐区储罐和码头参数的准确检测，罐区各作业流程的有效管理是 非常重要的。 在我国，长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行，某些大型企业吸收国外 的经验在各罐区的储罐上安装了能够对液位、温度、压力等进行检测的智能检测 仪表，但这些仪表的数据仅仅能供维护人员在控制室里对各储罐的状态进行观 察，并没有真正意义上的“监控系统”。而很多中小型企业，或是设备比较陈旧 的企业，因为技术的原因，至今还在使用完全人工的观测方式。以储罐液位为例， 某些企业还在依靠有经验的工人利用检尺或者是通过“玻璃板液位”计对各储罐 的液位进行测量的方法来获得液位高度。 随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，液体化工原料，油品的 种类也不断增加。对罐区的管理也提出了越来越高的要求，而由操作人员依靠机 械或者人工的方式对罐区储罐、管道、阀门的数据以及状态进行定时巡检的方式 已经不能满足对于数据的实时性与准确性的需要，也不能满足对于紧急情况作出 第1 章绪论 快速反应的需要。 随着计算机技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低， 计算机在工业生产中的应用越来越普及。可编程控制器( p l c ) 以及由多台计算 机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t 】r o l s y s t e m ) 被广泛地应用到各行各业。因此，近年来人们开始尝试使用计算机构成 罐区监控系统，以此实现对罐区的综合管理。 根据资料显示，在发达国家，罐区监控系统已经普遍使用d c s 。在罐区d c s 监控系统中，罐区现场的仪表将温度、液位、压力等参数转换成模拟量信号( 如 4 2 0 n 认电流信号) ，通过电缆送往控制室可编程控制器。然而因为罐区占地面积 大、储罐分布广，控制分散，因此如果系统结构采用点对点的连接方式时，就需 要用到比一般装置更多的电缆、接线端子及桥架等附件，系统施工成本和原材料 成本较高，且为数众多的连接点使得后期维护和故障诊断也较为麻烦，降低了系 统的可靠性与可扩展性。并且，因为信号的衰减和外界干扰，长距离的模拟信号 传输使得信号的精度大大降低。 为了解决这些问题，国内外的一些科研单位和控制工程专家已经开始利用将 近年来发展较快，技术成熟的现场总线技术应用到罐区的管理中来。现场总线是 今年来迅速发展起来的一种数据总线，它主要用于现场的智能化仪器仪表，控制 器、执行机构、i o 模块等现场设备间的信息传递。智能仪表和装置之间采用现 场总线技术进行数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆进行互联，使信号 传递方式发生了根本性变化。从而将大大节省电线、电缆数量，使信号传递更加 可靠、经济，各个仪表及装置的互连更加方便灵活。采用现场总线技术构成的分 散控制系统，功能将更加分散，系统构成将更加灵活，系统地可靠性将大大提高。 本文正是基于西门子p r o f i b u s 现场总线技术，构建p l c 系统为核心的控 制网络，提出某石化厂贮运罐区自动化监控系统的解决方案，实现了包括罐区监 控，生产管理和安全管理在内的功能。 2 硕士学位论文 1 2 现场总线技术的特点及发展状况 现场总线是应用在现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信 的数字通信系统。或者说，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控 制设备作为网络节点，以总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功 能的网络系统与控制系统【l 】。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统 ( f c s ，f i e l d b u sc o n 仃d ls y s t e m ) 。 现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字 计算和数字通信能力，采用一定的介质作为通信总线，按照公开、规范的通信协 议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据 传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。现场总线使自控系 统加入到信息网络的行列【2 】。 现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统【2 】。 它把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自 动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及测、 控、管一体化的综合自动化功能。这是一项以自动控制、计算机、数字通信、网 络为主要内容的综合技术，现阶段现场总线在过程自动化、制造业自动化、楼宇 自动化、交通、电力等领域都有广泛的应用。 现场总线在网络方面的特点使其与信息网络的集成变得十分自然。随着工业 以太网的迅猛发展，工业以太网已成为事实上的工业标准。随着以太网的通信速 率的不断提高和全双工交换式以太网的诞生，以太网的非确定性问题已经解决。 目前火电站的厂级信息网络系统几乎都是采用以太网，通过工业以太网可实现现 场总线与信息网络的集成。现场总线最终将向e m e m e t 过渡。许多基于现场总线 的f c s 最终都将连接以太网，直至与i i l t e m e t 相连接。现场总线不断向以太网靠 拢是不可改变的趋势【4 】。 1 3 国内外研究及应用现状 从上世纪9 0 年代开始，随着计算机技术，网络技术的飞速发展，基于控制、 计算机、通信和网络的一体化自动控制方法在工业企业中得到了广泛的应用。在 第2 章绪论 国外，化工原料罐区，油品罐区早已经采用d c s 系统进行自动控制。随着现场总 线技术的发展，已经有越来越多的罐区监控系统开始采取现场总线的技术进行设 计与开发。 相比较而言，国内的化工、油品罐区的监控系统设计开发起步较晚，应用的 技术也相对国外稍显落后。许多国内的化工罐区采用的还仅仅停留在现场级一次 仪表检测的水平上，并没有形成统一的网络化，系统化的监控管理。 随着现场总线技术的发展，很多国外仪器仪表公司结合现场总线技术，开发 出成套的罐区自动监控系统解决方案，从现场设备到核心控制器，以及人机界面， 都可以采用同一公司的全集成自动化产品。这些成套解决方案虽然运行可靠，应 用成熟，但是整套方案的实施价格很高，并且因为从上到下只能应用同一公司的 产品，降低了系统的兼容性和可扩展性。 如何有效利用现有的技术和资源，针对国内化工企业的罐区工业特点，设计 和实现罐区的自动化监控系统，是本文研究和讨论的重点。 1 4 本论文的主要工作 本文针对某企业石油、液化气罐区现状，对该企业生产过程进行全面分析， 在基于智能仪表测量技术、p r o f i b u s 现场总线技术和计算机控制技术基础上， 应用网络技术、通信技术以及安全分析方法，设计和建立了具有状态监控、工艺 控制、安全控制等功能的液化石油气罐区生产与安全双重控制系统。 本论文主要工作如下： ( 1 ) 介绍现场总线的概念、特点、应用及发展趋势； ( 2 ) 系统地研究了p r o f i b u s 总线，尤其是遵从p r o f m u s d p 协议的现 场总线技术。介绍系统现场总线网络的结构和组态过程； ( 3 ) 提出了一种实现智能仪表同现场总线系统进行通信的方法，并实现了 k d 0 b n e 仪表与现场总线监控系统的数字化实时通信，从而使得控制系统不仅 能实时采集现场智能仪表的主要检测数据，也能对仪表进行远程诊断和参数 设置； ( 4 ) 研究设计储罐监控系统，该系统包括：储罐监控，生产工艺控制，物 料收付控制，安全控制等内容。这其中描述了现场雷达液位计，智能压力表 4 硕士学位论文 以及温度变送器的现场信号采集方法。p c 机与下位机通信方法，监控操作 界面设计，报表分析功能的实现等内容； ( 5 ) 通过现场安装，调试，运行研究了基于现场总线的罐区监控系统在工 业现场应用的情况和存在的问题，并对其问题作具体分析，提出相关改进意 见和方案，以满足实际需要。 5 第2 章现场总线概述 2 1 现场总线的概念 第2 章现场总线概述 2 1 1 什么是现场总线 现场总线是应用在现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信 的数字通信系统1 3 】。或者说，所谓现场总线，就是一条设立在控制现场智能化装 置与控制室自动化系统之间标准化数字式通信链路，它可进行全数字化、双向、 多站总线式的数字通信，实现仪表与控制系统之间相互操作以及数据共享。现场 总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。现场总线通信协议的基本 要求是操作的响应速率和可预测性的最优化【4 】。现场总线作为一个控制现场的低 层次的网络协议，在其之上还允许有上级的监控和管理网络，负责信息传输等工 作。单从现场总线一词的理解，所谓现场是指处于过程设备底层的工作环境；而 总线则是须遵循同一技术规范的通信系统。基于现场总线构筑的控制系统被称为 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字 计算和数字通信能力，采用一定的介质作为通信总线，按照公开、规范的通信协 议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据 传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统【6 】。现场总线的应用， 连接起了企业内部因为场地或距离原因而相互孤立的控制系统，使整个工厂的控 制系统网络提升到信息网络的层面上来。 对于挂接在现场总线网络上的仪表，控制系统来讲，现场总线是一个开放的 通信网络，而对于整个工厂的生产控制系统来说，现场总线是一种全分布控制系 统。它把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构 成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化 及测、控、管一体化的综合自动化功制7 】。现场总线是一项整合了自动控制、计 算机、数字通信、网络技术等现代先进技术在内的综合性应用技术，在过程自动 6 硕士学位论文 化、制造业自动化、楼宇自动化、交通、电力等领域都有广泛的应用前景。 2 1 2 现场总线在企业管控一体化网络中的位置 现代企业的通信网络可划分为三级：企业级、车间级和现场级【8 】。 企业级通信网络企业级通信网络用于企业的土层管理，为企业提供生产、经 营、管理等数据，通过信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。在 企业级通信网络中，i t 技术的应用十分广泛，如i n t e m e t 和e t 。 车间级通信网络车间级通信网络介于企业级和现场级之间。它的主要任务是 解决车间内需要协调工作的不同工艺段之间的通信，从通信需求角度来看，要求 通信网络能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。 车间级通信网络使用的主要解决方案是工业以太网。 现场级通信网络：现场级通信网络处于工业网络系统的最底层，直接连接现 场的各种设备，包括i o 设备、传感器、变送器、变频与驱动等装置，由于连接 的设备千变万化，因此所使用的通信方式也比较复杂。而且，由于现场级通信网 络直接连接现场的设备，网络上传递的主要是控制信号，因此，对网络的实时性 和确定性有很高的要求。 在现场级通信网络中，现场总线是一种重要的解决方案。现场总线与传统总 线的结构差异主要如图2 1 所示： ( a ) 曩：巾挖制( b ) 曩：敝挖制 【c ) 现场总线艇捌 ( i ) d r 托td i g ；t a ic o 曲稍( b ) d i s b u l c dc 如叫 ( c ) f c l 曲u $ c i 图2 1 现场总线控制系统与传统控制系统网络结构比较 f i 醇- lc 啪p a r i s o no fn e tw o r k 咖c t u r eb e 铆e e nf i e l d b u s 绷dt r a d i t i o n a lc o 曲o ls y s 钯m 如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示，在传统结构的控制系统中，现场仪表设备与控制 系统采用一对一的i o 连接方式，仪表检测信号以模拟信号( 如4 2 0 i i 俄电流信 号) 直接进入控制系统的i o 模块。而现场总线技术的主要特征是采用数字式通 7 第3 章现场总线概述 信方式取代设备级的模拟量和开关量信号，用一根总线电缆即可连接所有设备。 如图2 一l ( c ) 所示，采用现场总线的控制系统可以简化系统机构、节约硬件设备、 节约连接电缆与各种安装、维护费用。现场总线比较传统控制系统的优势会在下 一节详细阐述。 2 2 现场总线的特点 2 2 1 现场总线的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点：【9 】 ( 1 ) 现场总线的开放性 开放性是指相关标准的一致性、公开性，强调对统一标准的共识与遵从。现 场总线制定者和开发者一直致力于建立统一的设备层网络的开放系统。使不同厂 商的设备可方便互连并实现信息通信。一个开放系统允许与任何遵守相同标准的 其它设备或系统互连。开放系统也为用户提供了更多的选择权，用户可按自己的 需求，选择不同厂商的设备构建所需要的系统，有利于降低系统集成的费用，提 高系统集成的灵活性。 ( 2 ) 互操作性与互用性 互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味 着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成， 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现 有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠 性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设 计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的 硕士学位论文 抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2 2 2 现场总线控制系统相对传统控制系统的优势 传统现场仪表的4 2 0 m a 两线制( 或四线制) 标准，在一对线上只能传输单个 模拟信号信息，与全数字化的现场总线相比，资源利用率低。而现场总线可完全 取代传统的模拟信号回路，不仅可提高数据传输的可靠性和准确性；而且还可通 过双向的数字通信，实现对现场监控设备的远程测试、诊断、管理。 显然，与传统模拟信号的点对点接线法相比，现场总线具有如下优势： ( 1 ) 节省硬件数量与投资，由于现场仪表功能强，不再需要单独的调节器、 计算单元等，从而节省了一大笔硬件投资； ( 2 ) 减少安装费用由于现场总线可采用数字式集线器( c l u s t e r ) 法，先将现场装 置通过集线器连接到分布在整个工厂内的配电盒，然后用一对线缆将配电盒连接 到上级控制终端。所以，现场总线系统的接线十分简单，可减少电缆、端子、槽 盒、桥架的用量，既节省了投资，也减少了设计、安装工作量； ( 3 ) 节省维护开销由于现场仪表具有自诊断能力，同时因系统结构简化，连 线简单，可减少维护工作量，缩短维护时间及节省维护开销： ( 4 ) 用户具有系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商的设备来集成系 统，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中； ( 5 ) 提高了系统的可靠性由于系统结构简化，设备与连线减少，现场仪表功 能加强，有助于提高系统的可靠性。 2 3 几种应用范围较广的现场总线技术 l 、基金会现场总线1 1 卜1 3 1 基金会现场总线( f f ) ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到广泛支持 和具有良好发展前景的技术。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理 层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户 层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用 设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域自控设备的主要供 9 第3 章现场总线概述 应商，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设 备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的 权威性。 基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为 3 1 2 5 0 b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本质 安全防爆环境。h 2 的传输速率可为l 1 0 6 b p s 和2 5 1 0 6 b p s 两种，其通信距离 分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符 合i e c l l 5 8 2 标准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 2 、l o nw o r k s 1 1 】 1 3 】 l o nw b r l ( s 是于1 9 9 0 年正式公布而形成的一种具有强劲实力的现场总线技 术。它采用i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，面向对象的设计方法为基础，通 过网络变量将网络通信设计简化为参数设置，通信速率从0 0 0 0 3 1 0 6 1 5 x 1 0 6 b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 0 0 0 b p s ，双绞线) ；支持双绞线、同轴 电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全 防爆产品，被誉为通用控制网络。 3 、p r o f i b u s 1 1 】- 1 3 】 p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标 准。由p r o f i b u s d p ，p r o f i u s f m s ，p r o f i b u s a 组成了p r o f i b u s 系 列。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 意为现场信息规范，p r o f i b u s f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、 低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准。 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司与研究所共同推出的，采用了 0 5 1 模型的物理层、数据链路层。f m s 还采用了应用层。传输速率为9 6 0 0 1 2 1 0 p s ，最大传输距离在1 2 1 0 6 b p s 时为1 0 0 m ，1 5 1 0 6 b p s 时为4 0 0 m ，可 用中继器延长至1 0 。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接 1 2 7 个站点，可实现总线供电与本质安全防爆。 4 、c a n 1 l 】一 1 3 】 c a n ( c 0 n 仃d la r e an e t 、) l ，o r k ) 是控制局域网络的简称，其总线规范现己被1 5 0 硕士学位论文 国际标准组织制订为国际标准，被广泛应用于离散控制领域。c a n 协议也是建 立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过其模型结构只有三层，即 只取0 5 l 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。 通信速率每4 0 m 最高可以达到l 1 0 6 b p s ，直接传输距离最远可以达到 1 0 k m ( 5 0 0 0 b p s ) 。可挂接数量最多可达1 1 0 个站点。 5 、h a r t 1 1 】一 1 3 h a i 汀( h i 曲w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 被称为可寻址远程传感器高 速通道的开放通信协议，特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属 于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较 强的市场竞争能力，得到了较快发展。 2 4 现场总线的发展趋势 现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展 和完善；二是高速现场总线技术的发展“。 目前，现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对 网络的性能要求不是很高。高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制 计算机、p l c 等智能程度较高、处理速度快的设备以及实现低速现场总线网桥间 的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。到目前为止，这一领域 还比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也 将是现场总线技术实现统一的重要机会而选择什么样的网络技术作为高速现场 总线的整体框架将是其首要内容。 随着各种智能现场设备产品的丰富和应用以及工业管理自动化的深入，有资 料认为在未来数年里，估计信息量还要再增加1 0 3 0 倍。管理者根据经营管理 的需要，希望得到更多的实时信息，并通过建立开放的信息管理系统去实现信息 的交流与共享，因此，随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂， 未来传输的数据可能已不满足于几个字节。信息需求量的不断增加，将推动现场 总线技术的发展，因此有人认为，以太网向控制系统底层延伸是必然的。统一的 t c p d 协议使得i n t e m e t 网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直 第3 章现场总线概述 为不同协议的兼容问题所困扰的工业界看到一线希望，许多现场总线组织正致力 于发展e t h e m e ti p 技术，以太网以其廉价高速方便的特性被引入底层网络不仅使 现场层、控制层和管理层在垂直面的集成获得方便，更能降低不同厂家在水平层 面的集成成本。 硕士学位论文 第3 章p r o f i b u s 现场总线技术 3 1p r o f i b u s 总线技术要点 3 1 1p r o f i 叫s 总线协议结构和类型 过程现场总线p r o f l b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 诞生于1 9 8 7 年，最初是由以 s i e m e n s 公司为主的十几家德国公司和研究所共同推出的。2 0 0 0 年初，p r o f i b u s 被国际电工委员会( i e c ) 批准为国际标准i e c 6 1 1 5 8 中的8 种现场总线之一。 p i 的f i b u s 使用以及那个存在的国家标准和国际标准。其协议基于内部i s o ( i n t e m a t i o n a ls t a n ( k do 唱a n i z a t i o n ) 标准内的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o r u l e c t i o n ) 参考模型。通信标准i s o o s i 模型包括7 个层次，两个类别。第一个类别包括面 向用户的五层到七层，第二个类别包括面向网络的一层到四层。第一层到第四层 描述数据从一个地方传输到另一个地方，第五层到第七层给用户提供适当的方式 去访问网络系统。p r o f i b u s 协议采用i s 0 o s i 模型的第一层、第二层和第七层。 p r o f i b u s 现场总线可以将数字自动化设备从低级( 传感器执行器) 到中间 执行级( 单元级) 分散开来。根据应用特点和用户不同的需要，p r o f i b u s 提供 了3 中兼容版本通信协议：p r o f i b u s d p 、p r o f m u s f m s 和p r o f i b u s p a 。 p r o f i b u s 协议结构如图3 1 所示： l l 刚曼一l 呻j；( 触 ：、一 。 ll ；l f m s o p 杼媳；纠嗍 设鲁 行鼹饼l 扩晨 d p i 搴确麓 璁蝠怠曩 报文翘兹 泰证用 l f m 8 ) 曩臻簋蠼囊曩警奠c f d | l ) i 基c 接口 r s 棚晦，先抒哐c 5 参2 图3 1 p r o f i b u s 参考模型体系结构图 f i g m 3 一lp r o f i b u sp r o t o c o ls t n i c t m 七 1 3 第3 章p r o f i b u s 现场，总线技术 p r o f i b u s 的三种协议类型： 1 p r o f i b u s - d p p r o f i b u s d p 定义了第1 ，2 层和用户接口、第3 到7 层未加描述。这种精 简的结构保证了数据的高速传送，直接数据链路映像( d d l m ，d h c td a t al i i l l ( m 印p e r ) 提供易于进入第2 层的用户接口，用户接口规定了用于及系统以及不 同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种p i 的f i b u s d p 设备的行为，还 提供了传输用的r s 4 8 5 传输技术或光缆，特别适合控制器与现场分散加设备 之间的通信。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详 细说明了各种不同p r o f i b u s d p 设备的设备行为。 2 p r o f i b u s f m s p r o f i b u s f m s 定义了第1 ，2 ，7 层，应用层包括现场总线信息规范( f m s ， f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和低层接口( l l i ，l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。l l i 协调不同 的通信关系并给f m s 提供不依赖设备第2 层的访问接口。f m s 处理单元级的 数据通信，功能强大的f m s 服务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通 信任务提供了很大的灵活性。 3 p r o f i b u s p l a p r o f i b u s p a 采用扩展的p r o f i b u s d p 协议进行数据传输。另外，p a 还 描述了现场设备行为的p a 行规。根据m c l l 5 8 2 标准队的传输技术可确保其本 质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上扩展p a 网 络。 3 1 2p r o f i b u s 物理层传输技术 现场总线的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，选用依据是既要考虑 传输可靠性、传输距离和传输速度，又要考虑费用和实用性等因素。因为自动化 控制现场的复杂性，所以单一的传输技术不能满足所有的要求，故p r o f i b u s 提供了3 种类型的传输： ( 1 ) 用于p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 的r s - 4 8 5 传输 p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 系统使用了同样的传输技术和统一的总 线访问协议，因此这两套系统可在同一根屏蔽双绞线上同时操作。r s _ 4 8 5 是 1 4 硕士学位论文 p r o f i b u s 最常用的一种传输技术，其应用领域包括需要高速传输和需要简单而 廉价安装的所有领域。r s - 4 8 5 的传输特点如下： 数据传输：依据r s 4 8 5 ，异步n r z 传输。 传输速率：波特率从9 6 k b p s 到1 2 mb p s 可选。 传输介质：屏蔽双绞电缆。 站点数量：每段