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现场总线技术在工业领域的应用探讨

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摘要:从工业化背景出发,首先介绍了现场总线的基本概念、技术优点和分类,其次深入剖析了现场总线技术在工业领域的应用现状,并以其在汽车制造、电力发电、水泥工业、锅炉控制和矿井监控等典型领域中的应用为例分析了其在工业领域的应用,最后对现场总线技术的发展趋势进行了展望。希望该研究可以为相关人员了解现场总线在工业领域的应用提供有用的参考。

关键词:现场总线;PROFIBUS;过程控制;工业领域

1前言

在“互联网+”的时代背景下,现场总线技术以其开放性、数字化、双向传输、多站通信等独特优势脱颖而出,在集成电路、工业控制、仪器仪表、测试检测、通信互联等领域得到了极为广泛的应用,成为了工业种类控制系统实现智能化、网络化、分散化的重要技术支撑,自动控制领域和仪器仪表领域更是由于现场总线技术的出现而发生了革命性的变化。现场总线技术实现了控制功能的底层化,优化了传统的工业控制系统原理和结构,在各工业领域起到了不替代的作用[1]。

2现场总线概述

现场总线最突出的特点是标准化、开放化、成本低、数字化、互操作性好和控制分散,它通常处于控制设备和生产区域之间,承担着多点通信、信号数字化和串行传输等任务。现场总线的标准化和开放性体现在它既可与异层网络相连,又可与本层网络相连,既可与同一厂商的设备相连,又可与不同厂商的设备相连,使控制系统的软硬件配置可以更加灵活。由于采用了总线传输,并接入了现代化智能仪表,拥有现场总线的工业控制系统可以节省许多传统通信线路的端子和线缆,使系统更加简洁。现场总线技术的全数字化通信特点特别适用于纠错和信息防撞的设计,进一步提高多点双向通信的可靠性[2]。工业控制领域广泛采用现场总线技术还有一个重要原因是设备可以在系统中实现“即接即用”,使现场总线控制系统的集成更加方便快捷。现场总线系统通过引入微处理器可以将常规的控制任务下移至控制现场,而不再局限于专门的控制室。另外,现场总线还具备很强的网络拓扑适应性,还能综合应用多种传输介质为工业控制提供服务。

3工业现场总线的分类

到目前为止,工业现场广泛应用的现场总线技术包括基金会现场总线、CAN总线、Lonworks协议、DeviceNet协议、PROFIBUS现场总线标准、HART总线和WorldFIP等等[3],它们各有各的优势,分别在不同的行业中受到关注。(1)基金会现场总线。该总线标准由WorldFIP协议和ISP协议合并而成,采用了互联OSI的简化模型,由于兼容性较好,自发布以后在工业控制领域得到了很大的发展。(2)CAN总线。CAN(ControllerAreaNetwork)总线又被称为控制器局域网,是ISO国际标准之一,主要应用于离散控制领域。CAN总线技术具有抗干扰、速度快、扩展性强的优点。(3)Lonworks协议。该协议是Chelon、Toshiba、Motorola等公司推出的面向对象的协议,传输速度快、距离远,主要应用于智能监控、智能家居、楼宇自动化、工业过程控制等领域。(4)DeviceNet协议。该协议是在CAN总线技术的基础上发展而来的,它是一种开放的网络互联标准,为不同的设备互联提供了极大的方便。(5)PROFIBUS现场总线标准。PROFIBUS现场总线技术由PROFIBUS-PA、PROFIBU-FMS、PROFIBUS-DP等标准构成,是一个完整的标准体系,来自于欧洲和德国的现场总线标准。PROFIBUS现场总线具有传输方式多样、传输速率高、传输距离远、多站点通信等优点。(6)HART总线。HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)总线的主要贡献在于,它为模拟系统向数字系统的转变提供了最新的思路,该总线技术支持采取多点广播和点对点主从应答等方式进行通信。此外,全球工业领域应用较广的现场总线技术还有CC-Link、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等。

4现场总线控制系统应用现状

现场总线技术起源于国外,也最先在国外的工业现场得到了高效应用。早在20世纪90年代,SMAR公司就将当时的多种智能仪表、PROFIBUS-PA设备和可编程控制器等先进技术应用于工业现场,其中以SYSTEM302现场总线控制系统在世界发电市场的应用最为成功,一度成为当时最先进的现场总线控制系统。2002年,德国Niederaussem电厂中大量采用了西门子PROFIBUS总线技术和产品,实现了全机组控制系统的数字化和智能化[4]。经过半个世纪的发展,我国的现场总线技术经历了从引进、模仿到自主研发的漫长历程,目前基本上走向了成熟,在石油、化工、冶金等各领域已得到广泛应用。但是在一些像电力等工艺较复杂的行业,现场总线应用还不够成熟[5],还有很大的发展空间,主要原因是电力生产过程过于复杂,目前在用的很多电力生产设备都与现场总线技术不兼容,还需要进一步改革和更新才能更好地应用现场总线技术。但随着电力企业改革的深化,我国主要发电企业已开始应用现场总线技术,例如,华能玉环电厂就在废水处理和锅炉补给水处理等辅控系统中大量使用了最先进的PROFIBUS现场总线,并配备了相关控制软件,形成了一整套功能完备的现代化控制体系。

5现场总线技术在工业领域的应用

5.1汽车制造

在重型汽车制造领域,驱动桥壳的生产现场控制是一道非常关键的工艺,生产线中主要有工业机器人、伺服启动器、变频器等受控设备,实际生产中经常采用PROFINET总线对其进行整体控制。基于PROFINET现场总线的驱动桥壳生产控制系统具有效率高、精度高、系统简洁、运维方便、节省成本等特点,使系统中的各个加工设备之间实现了自由通信,设备运行所需的运行参数、工艺卡片、维护信息等都可以存储在上位机中,从而通过PROFINET总线实现了全生产过程的自动化控制。

5.2电力发电

随着我国电力体制改革的深化,各种先进技术被不断应用于发电现场,其中PROFIBUS现场总线就是典型代表之一。现场总线技术是建立数字电厂和智能电网的重要技术之一,在我国发电领域中得到了广泛的应用。我国一些大型发电厂通过现场总线技术使发电设备的控制进一步分散化,通过PROFIBUS通信主站的建立,形成了一套功能完备的PROFIBUS发电厂现场总线控制系统。现场总线可以布置在电厂的机组主辅控车间中,使DCS、监控设备和故障诊断模块实现了互通互连。现场总线在电厂中的应用,无论是在网络结构、控制方式、可靠性方面还是在发电效率方面都很好地满足了我国发电厂的技术要求。

5.3水泥工业

水泥工业是国民经济支柱产业之一,随着经济社会对水泥需求量的进一步增加,水泥生产企业也必然走向自动化生产的道路。在信息技术的推动下,水泥生产领域的生产控制系统也逐渐向智能化、数字化和网络化方向发展。现场总线作为一项前沿技术被引进水泥工业中,使得水泥生产的现场设备层、控制层和管理层的信息传输、参数监控和故障检测等工作变得更加快捷方便。现场总线技术在水泥工业中的应用改变了传统的模拟控制方式,控制站与现场控制器之间由光缆连接,而控制器又经过耦合器与现场总线仪表通信,现场控制器和各I/O站采用PROFIBUS-DP进行通信,耦合器和现场总线仪表之间采用PROFIBUS-PA进行通信。节省了大量线缆费用和维护成本,提高了生产效率。

5.4锅炉控制

锅炉在很多工业领域有着重要的地位,而锅炉的可靠运行主要依赖于锅炉机组控制系统的可靠性,锅炉控制一般可以分为过程控制和辅机控制两个部分。国内的锅炉过程控制以采用西门子过程控制系统为主,同时,配备STEP7V5.2编程软件和WinCC6.0监控软件。而下位机监控系统则可以由操作员站和工程师站采用以PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA为现场总线的控制系统。为了提高系统的可靠性,还可以采用西门子冗余系统的设计方法,将现场总线网络也设计为冗余PROFIBUS,保证仪表总线随时可以可靠地连接到PROFIBUS-PA仪表上。

5.5矿井监控

近年来,矿井现场事故频发,保证矿井生产现场的安全性已成为相关企业安全生产的重中之重。而基于PROFIBUS-DP标准的煤矿井下胶带监控系统正是高效的安全措施之一。系统通常由上位机、PROFIBUS-DP主站、PROFIBUS-DP从站和大量现场设备构成,其中总线的作用是实现所有现场设备的互连。通过ET200通信模块与PROFIBUS-DP相连以实现分布式I/O系统,采用集成了PROFIBUS-DP现场总线接口的PLC装置实现对现场设备的控制。PROFIBUS网络通过MPI驱动程序采集数据,经过软件运行后进行动态显示并反馈给现场设备,通过PID等环节使系统稳定运行。

6结语

现场总线技术致力于实现不同厂商设备之间的无缝互连。经过多年的发展,现场总线技术出现了许多不同的分支,不同的现场总线技术之间采用的标准并不完全一致,而各自关注的领域也不尽相同,因此,它们的发展也必然会呈现出不同的特点。根据目前的发展形势不难预测,多种现场总线技术并存,是未来几十年现场总线技术的发展趋势之一,并且各种现场总线技术都将在相应的领域得到长足的发展。IndustrialEthernet现场总线技术将在工业网络中进一步延伸,同时统一各种现场总线的标准也将被逐渐提上议事日程。另外,在信息技术的影响下,现场总线与工业以太网技术相结合已是不可扭转的局面。

参考文献

[1]姜爱兰.自动化控制与信息技术的有效结合[J].电子技术与软件工程,2017(15):142.

[2]焦存柱,王杰峰,王希钰.多种现场总线协议在工业生产中的应用与比较[J].数字通信世界,2017(7):199-200.

[3]陈尚文.现场总线标准的发展与工业以太网技术[J].通信电源技术,2016,33(4):150-151,200.

[4]于清澄.基于现场总线技术的工业控制系统研究[J].价值工程,2014,33(1):68-69.

[5]张铁军.工业自动化系统现场总线技术的现状与展望[J].现代工业经济和信息化,2012(14):56-57.

作者:黄正勇 单位:天津汇盟科技有限公司

湖北工业大学学报责任编辑:张雨    阅读:人次