1、現場總線技術在卷煙企業中的應用與發展摘要由于采用現場總線技術將使控制系統結構簡單，系統安裝費用減少并且易于維護，用戶可以自由選擇不同廠商、不同品牌的現場設備實現系統集成的最優化等一系列優點，現場總線技術已經成為自動化技術發展的熱點。由于在現場總線技術的開始階段沒有一個統一的國際標準，各企業和企業集團相繼開發自己的總線產品,制定現場總線標準,形成了百花齊放的局面。目前世界上存在著大約四十余種現場總線，典型的有Profibus現場總線、CAN現場總線、LonWorks現場總線、WorldFIP現場總線、HART現場總線、Interbus現場總線、SwiftNET現場總線等。 本文將介紹各主流現場總

2、線的特點，以某卷煙企業為例著重闡述幾種現場總線在卷煙行業中的應用，并對總線技術在卷煙企業中的發展趨勢進行闡述。關鍵詞：現場總線，卷煙行業，工業以太網，現場總線porfbius-dp引言二十一世紀是信息經濟的時代，網絡成為各項信息交流的熱門手段。現場總線是當今自動化領域發展的熱點之一,是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線,被譽為自動化領域的計算機局域網。現場總線作為工業數據通信網絡的基礎,溝通了生產過程現場級設備之間及其與更高控制管理層之間的聯系,主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題,是以智能傳感器、控制計

3、算機、數據通信為主要內容的組合技術。1、場總線控制系統的發展及其技術特點11現場總線的發展歷程現場總線先后經歷了模擬儀表控制系統（ACS）；集中式數字控制系統（CCS）；集散式控制系統（DCS）；現場總線控制系統(FCS)四個階段。（1）模擬儀表控制系統（ACS）20世紀50年代左右，較早的過程控制體系結構（電動單元組合式模擬儀表控制系統）使用的是420mA的模擬信號。（2）集中式數字控制系統（CCS）這種控制系統采用了單片機、PLC或微機作為控制器，控制器內部傳輸的是數字信號，克服了模擬儀表控制系統中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統的抗干擾能力。（3）集散式控制系統（DCS）其核心思想是集中

4、管理，分散控制，即管理與控制相分離。上位機用于集中監視管理功能，若干臺下位機下放分散到現場實現分布式控制，各上下位機之間用控制網絡互連以實現相互之間的信息傳遞。但其是一對一結構：一臺儀表，一對傳輸線，單向傳輸一個信號，這種一對一結構造成接線繁雜、工程周期長、安裝費用高、維護困難等；可靠性差。（4）現場總線控制系統(FCS)隨著大規模集成電路的發展，許多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備智能化，如果全部或大部分現場設備都具有串行通信接口并具有統一的通信協議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現場設備連接，完成對所有現場設備的監控，于是，現場總線及現場總線控制系統（FCS）應運而生。12現場總線

5、的特點和優點傳統的控制系統的主要特點之一是：現場設備與控制器之間的連接是一對一的接線方式，信號傳遞4-20mA模擬信號或24V直流開關量信號，如圖11所示。這種系統的主要缺點有：信號集成能力不強,控制器與現場設備之間靠IO連線連接，傳送420mA模擬信號或24VDC等開關量信號，并以此監控現場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障記錄等數據很難得到。底層數據不全，信息集成能力不強，不能完全滿足企業信息系統對底層數據的要求。系統不開放、可集成性差、專業性不強除現場設備均靠標準4-20mA24VDC連接外，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產品。圖1.1集散控制系統結構圖

6、現場總線控制系統是基于底層控制網絡、開放式、數字化、多點通信的控制系統。它將微處理器置人傳統的測量控制儀表，使它門各自都具有數字計算和數字通信能力，然后采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連成網絡系統，并按公開、統一、規范的通信協議，在位于現場的多個智能測量控制設備之間以及現場儀表與監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自控系統，如圖12所示圖1.2總線控制網絡結構圖2、幾種流行現場總線特點目前世界上存在著大約四十余種現場總線,典型的有Profibus現場總線、CAN現場總線、LonWorks現場總線、WorldFIP現場總線、HART現場總線、In

7、terbus現場總線、SwiftNET現場總線。下面分別對幾種主流的現場總線特點進行闡述。2.1、Profibus現場總線Profibus(Process Field BUS)是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170所規定的現場總線標準。Profibus由三個兼容部分組成,即Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。其中Profibus-DP是一種高速低成本通信系統。它按照OSI參考模型定義了物理層、數據鍵路層和用戶接口;Profibus-PA專為過程自動化設計,可使變送器與執行器連接在一根總線上,并提供本質安全和總線供電特性Profibus-

8、PA采用擴展的Profibus-DP協議,另外還有現場設備描述的PA行規;Profibus-FMS根據OSI參考模型定義了物理層、鏈路層和應用層,其中應用層包含了現場總線報文規范FMS(FieldBus MessageSpecification )和低層接口LLI ( Lower LayerInterface),最高通信速率為12Mb/s(通信距離不超過100m),最大通信距離為1 200m(通信速率為9.6kb/s)。如果采用中繼器可延長至10km ,其傳輸介質可以是雙絞線或光纜。每個網絡可掛32個節點,如帶中繼器,最多可掛127個節點。Profibus支持主-從系統、純主站系統、多主多從混

9、合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權,可主動發送信息。對多主站系統來說,主站之間采用令牌方式傳遞信息,得到令牌的站點可在一個事先規定的時間內擁有總線控制權,共事先規定好令牌在各主站中循環一周的最長時間。按Profibus的通信規范,令牌在主站之間按地址編號順序,沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時,可以按主-從方式,向從站發送或索取信息,實現點對點通信。主站可采取對所有站點廣播(不要求應答),或有選擇地向一組站點廣播。Profibus-DP主要應用在工廠自動化和樓宇自動化、Profibus-PA主要應用在流程工業、Profibus-FMS主要應用在工廠級或車間級通信。2.2、Lon

10、Works現場總線Lon Works是又一具有強勁實力的現場總線技術,它是由美國Echelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導,于1990年正式公布的,已被廣泛應用于樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。LonWorks采用OSI模型的全部七層通信協議,采用面向對象的設計方法,通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置,其通信速率從300bps到1.5Mbps不等,直接通信距離可達2700m(78Kbps、雙絞線);支持雙絞線,同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質,并開發了相應的本質安全防爆產品,被譽為通用控制網絡。LonWorks技術所采

11、用的LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron的神經元芯片中而得以實現。集成芯片中有3個8位CPU,一個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能,稱為媒體訪問控制處理器。第二個用于完成第36層的功能,稱為網絡處理器。第三個是應用處理器,執行操作系統服務與用戶代碼。國內市場上的神經元芯片主要包括MC143150和MC143120兩大系列,MC143150支持外部存儲器,適合復雜的應用;而MC143120不支持外部存儲器,本身帶有ROM。2.3、CAN現場總線CAN最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范已被指定為國際標準，由于得到了Motorola、I

12、ntel、Philip、Siemence等公司的支持，它廣泛應用于離散控制領域。CAN也是建立在國際標準組織的開放系統互聯模型基礎上的，不過，其模型只有三層，即只取底層的物理層、數據鏈路層和頂層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10Km/5Kbps，可掛接設備數最多可達110個。CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的頻率低。當節電嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，2.4、工業以太網控制網絡的發展,其基本趨勢是逐漸趨向于開放性、透明的通訊協議。以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢

13、,由于它支持幾乎所有流行的網絡協議,所以在商業系統中被廣泛采用。近些年來,隨著網絡技術的發展,以太網進入了控制領域,形成了新型的以太網控制網絡技術。這主要是由于工業自動化系統向分布化、智能化控制方面發展,開放的、透明的通訊協議是必然的要求。目前的現場總線由于種類繁多,互不兼容,尚不能滿足這一要求。而以太網的TCP/IP協議的開放性使得在工控領域通訊這一關鍵環節具有無可比擬的優勢。近些年來出現了快速交換式以太網技術,采用全雙工通信,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便地實現優先級機制,保證網絡帶寬的最大利用率和最好的實時性能。它完全避免了CSMA/CD、主從、令牌等可能的低效率。并且

14、網絡速度也在不斷提高,從最初的10M發展到快速以太網(100M)再到kM以太網,而作為全球結構化布線系統領頭羊的Avaya公司,已經開始為用戶提供由 “LazrSPEED 10Gbps多模光纜布線系統”加“擁有10Gbps模塊的P580和P882網絡交換機系統”組成的完整萬兆以太網解決方案。因此有理由相信,未來的以太網完全可以滿足工控系統實時性的要求。透明的TCP/IP協議已是國際共通的標準,TCP/IP協議極其靈活,幾乎所有的網絡底層技術都可用于傳輸TCP/IP的通信。應用TCP/IP協議的以太網已成為最流行的分組交換局域網技術,同時也是最具開放性的網絡技術。TCP/IP進入工業現場,使得工

15、廠的管理可以深入到控制現場,是Intranet延伸到現場設備的基礎,是通過Internet遠程監控工業生產過程和遠程系統調試、設備故障診斷的基礎。具有TCP/IP接口的現場設備可以無須通過現場的計算機,直接連接Internet,達到遠程監控或遠程維修的功能。3、現場總線技術在卷煙行業中的典型應用卷煙行業因其對財政的貢獻一直處于技術先鋒的位置。很多較為先進的工業技術都在卷煙行業中得以運用和發展。總線技術也不例外。早在九十年代中期卷煙行業基本完成了總線技術的統一化運用：設備層與控制層之間采用Profibus-DP進行通訊；控制層和管理層之間采用工業以太網進行通訊。圖3.1為某制絲車間的網絡拓撲圖圖

16、3.1 Profibus網絡在卷煙企業中的應用通過網絡拓撲圖我們可以清楚的看出由變頻器、觸摸屏等智能設備組成的設備層與由PLC（可編程邏輯控制器）組成的控制層之間是采用Profibus-DP進行通訊的而PLC和服務器之間以及服務器與工作站之間都是通過以太網進行通訊。由于Profibus-DP具有：系統的開放性，開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調對標準的共識和遵從。現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。用戶可按自己的需要和考慮，通過現場總線把來自不同供應商的產品組成大小隨意的開放互連系統。互操作性與互用性，實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通;而互用性則意味著不同生

17、產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。現場設備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。系統結構的高度分散性，現場總線己構成一種新的全分散性控制系統的體系結構。簡化了系統結構，提高了可靠性。以及對現場環境的高度適應性:工作在生產現場前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為現場環境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現供電與通信，得到了大部分卷煙企業的青睞。而到了90年代末期，隨著工業以太網的異軍突起和計算機和網絡技術的

18、發展，引發了控制領域深刻的技術變革。控制系統結構向網絡化、開放性方向發展是控制系統技術發展的主要潮流。以太網作為目前應用最為廣泛的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域得到了越來越多的應用，越來越多的底層智能設備增加了工業以太網通訊功能。為卷煙企業進行網絡通信的變革打下了基礎。由于以太網具有以下優點：(1)基于TCP/PI的以太網是一種標準的開放式網絡，不同廠商的設備很容易互聯。這種特性非常適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作性的問題。(2)以太網能便捷地訪問遠程系統，共享/訪問多個數據庫。(3)易于與Internet連接，能夠在任何城市、地方利用電話線通過nIternet對企業進行監控，是提高生產效率的有效手段。 (5)以太網能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接。另外，以太網可以克服現場總線不能與計算機網絡技術同步發展的弊病。所以大部分卷煙企業的網絡改造都瞄準在工業以太網的控制模式上，圖3.2是某卷煙企業制絲車間05年網絡拓撲圖。通過拓撲圖可以看出相比于以前的通信模式，此時的底層設備基本都是通過快速可靠的工業以太網與上層進行通訊；能通過局域網快捷的完成了多個數據庫共享；實現了辦公網絡與工業控