控制网

1.引言

    随着科学技术的不断发展，现场总线控制技术也得到了相应的发展。它是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动化技术的产物。它将微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信的能力，这一方面提高了信号测量、控制和传输的精度，也为实现其远程传输创造了条件。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它一经出现便成为全球工业自动化技术的热点，得到了广泛的应用，对该领域产生了前所未有的冲击和影响。

2. 现场总线控制系统的结构和技术特点

所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义，是指安装在制造或生产区域的现场装置之间以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统(Fieldbus Control System，以下简称rcs)。

2.1现场总线控制系统的结构

现场总线控制系统通常有以下几部分组成：现场总线仪表、控制器；现场总线线路；监控、组态计算机。这里的仪表、控制器、计算机都要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网卡上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。

2.2现场总线控制系统的技术特点

现场总线这种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线，是企业网(Intranet)内处于最低层的控制系统(Infra―net)，其主要特点：

① 以数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关量信号；

② 车间级与设备级通信的数字化网络；

③ 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场；

④ 在C 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

3. 现场总线在工业控制中的应用

现场总线在工厂生产过程控制中的应用范围较广。以某大型加工厂为例，该厂为扩大生产规模，强化生产过程，同时为了保证安全生产和达到环保要求，被控设备种类多(这些种类繁多的进口和国产设备往往本身还配有控制系统)，需要检测的点数和控制回路较多，测控点分散。若采用传统的DCS系统控制，如此众多的检测信号汇集到DCS的入口处，会导致系统的安全性和可靠性下降。而采用现场总线控制系统，可将大多数的控制功能下放到现场电仪设备，减少DCS处理信息的压力，增强系统的可靠性和安全性，同时也可减少电缆及相关费用。

3.1 控制系统网络结构

传统的工厂级控制体系结构有五层，即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层。而Rockwell自动化系统将其简化为三层结构模式:信息层(Ethemet以太网)、控制层(ControlNet控制网)、设备层(DeviceNet设备网)。此系统为三层结构的集散控制系统，分别为管理总线( II))的管理级、控制总线(ControlNet)的监控级及现场总线(DeviceNet)的现场执行级。现场执行级的主要任务是直接负责现场控制，如现场数据采集、执行控制输出等；监控级用来对现场级进行监控，对整个系统进行集中监控和在线管理；管理级主要任务是将管理部门的决策引入到监控级的控制策略中去，实施各相关系统间的协调与信息共享。

3．2 DeviceNet控制系统

DeviceNet基于CANBUS技术，用于PLC与现场设备之间的通讯网络。它可连接开关、拖动装置、固态过载保护装置、条形码阅读器、I／0和人机界面等，传输速率125―500kbps。DeviceNet控制系统由DeviceNet辅助启动器(DSA)、E3固态热继电器、带输入点的通讯模件(2l0o― GK61)、PLC控制器、现场操作箱、软起动器、模拟量模件、变频器和InteliCenter软件等组成。

① DSA带有DeviceNet接口，用于非智能化设备上DeviceNet网，例如，电机启动单元配双金属片热继电器、SMP一1或SMP一2热继电器、馈电单元、主进线单元等。DSA带有4个输入点，用于监视接触器、断路器和热继电器状态以及手／自动转换开关点。DSA还带有2个输出点，用于驱动接触器合闸或正反运行；

② E3固态热继电器提供内置式DeviceNet接口和4个开关量输入，用于监视接触器、断路器和手动／自动转换状态。可编程保护功能包括：过载／欠载、失相／相间不平衡、堵转、接地和FIE热电阻输入；

③DeviceNet通讯模件(2l0o―GK61)，用作智能设备的通讯适配器，例AC drives(Bulletinsl305，1336PLUS，1336 PLUSH)、SMC Dialog Plus controlers和SMP一3热继电器。2l0o―GK61另外配置4个开关量输入，用于反馈断路器、旁路装置、手动自动转化开关状态；

④ 模拟量模件(如FLEXI／OTM模块)，可设置在MCC柜中或现场操作箱内，采集、传输各种传统现场测量仪表所提供的模拟信号(O一20mA、0―10v)或现场I／o信号，并可对相关现场设备进行监控，因此方便地实现了机一电一仪一体化控制，避免了一个车间内多个控制系统并存，提高了系统的安全性和可靠性。DeviceNet可以获得所控负载的多种数据，通过SMP一3及DSA等模件可以快速而准确地指示脱扣的原因(缺相、失速、过载或接地故障)。系统采用Intelli―center软件，可随时得到整个系统的实时状态、趋势图、控制原理图、备件表、用户手册，并允许对整个系统更有效地维护，避免由系统所导致的断路。这种有64个节点、多支路的网络，允许用l根电缆连接500m以内的100个以上的现场设备，并远至用户的可编程控制器，无需用导线把每一个设备和一个I／O机架连接起来，节省了PLC的大量I／O量模件。总之，所有这一切可以减少导线的费用并且方便安装。

3．3 ControlNet控制系统

ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输：实时性的控制信息和I／O数据传输、无时间苛求的信息发送和程序上／下载。ControlNet技术采用了一种新的通信模式，以生产者／客户模式取代了传统的源／目的模式，不仅支持传统的点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者／客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率。现场总线采用双绞线传送数字信号，一般在2根普通导线制成的双绞线上，可挂接几十个自控设备，与传统的设备间一对一的接线方式相比，可节省大量线缆、桥架、连接件，同时，由于所有的连线都变得简单明了，系统设计、安装、维护的工作量也随之大大减少。采用现场总线可实现控制网络、以太网络和设备网络之间的高速数据交换，并实现对网络的监视、控制和管理。由此可以看到，采用现场总线具有诸多好处，它既是通信网络，又是自控系统。作为通信网络所传送的是接通／关断电源、开关阀门的指令和数据，直接关系到操作运行过程中的设备及人身安全，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时到位，同时还具有节点分散、报文简短等特征；作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点，也可由多个网络节点共同完成所要求的自动化功能，是一个由网络集成的自动化系统。

3 结束语

现场工业总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰较为恶劣的环境下能够准确、及时到位，同时还具有节点分散、报文简短等特征。它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个字节、也可由多个网络节点共同完成所要求的自动化功能，是一种由网络集成的自动化系统。综上所述，现场总线技术的出现为自动化仪表行业和自控领域提供了良好的机遇，也提出了严峻的挑战。我们应该结合本单位具体情况，积极组织力量，开展现场总线技术研究与相关产品的开发。

参考文献：

赫晓红，马向华  论现场总线控制系统[J] 自动化仪表，2001，16（3）：1-5.

杨成林，现场总线技术在我国的应用[J] 国内外机电一体化技术 1999.