现场总线技术及其在水泥厂中的应用

 作者：张强1 程姝丹2 1.河北工业大学 电气与自动化学院 2．天津水泥设计研究院 
随着控制、计算机、通讯、网络技术的发展，计算机网络集成自动化系统在现代工业企业中已得到广泛应用。而作为当今自动化领域技术发展热点之一的现场总线技术的出现，则标志着工业控制领域又一个新时代的开始。它被誉为自动化领域的计算机局域网，随着现场总线技术的不断完善和推广，这一技术在许多大、中型水泥厂得到了广泛的应用。 
1 现场总线技术简介 
1.1 现场总线的基本认识 
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯系统，也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。它作为一个纽带，把单个分散的各个测量设备连接在一起，使它们之间可以互相通讯，成为共同完成控制任务的系统。 
1.2 现场总线的特点 
在传统的模拟控制系统中，现场的仪表设备与控制室的控制器之间，通常采用一对一的物理连接，实现模拟信号的通讯。而在现场总线控制系统中，现场的仪表设备多采用智能化设备，通讯方式由数字信号取代了模拟信号，只需一根电缆即可将多个现场设备的多个运行参数传入控制室，同时还可为多个设备提供电源，这样不仅简化了系统结构，节约了硬件投资，同时还便于安装和维护。 
1.3 应用较多的几种现场总线技术 
1.3.1 基金会现场总线(FF，Foundation Fieldbus) 
它是以美国Fisher-Rosemount公司和Honeywell公司为首，联合ABB、西门子等多个公司合并后，成立的现场总线基金会，制定了Word FIP协议。它以ISO/OSI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FF通讯模型的相应层次，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。由于这些公司是这一领域的主要供货商，因此由他们组成的基金会所制定现场总线规范具有一定的性。 
1.3.2 Lon Works 
它是由美国Echelon公司推出并由摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布形成的，它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通讯设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps 至1.5Mbps不等,直接通讯距离可达2700m(78kbps，双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线电、力线等多种通讯介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。是具有强劲实力的现场总线技术。 
1.3.3 PROFIBUS 
PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。DP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。FMS意为现场信息规范，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵循IEC1158-2标准。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9.6kbps ~12Mbps，zui大传输距在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m,可用中继器延长至10k m。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，zui多可连接127个站点，可实现总线供电和本质安全防爆。 
1.3.4 CAN总线 
CAN是控制局域网总线（Control Area Network）的简称，zui早有德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信，其总线规范现已被ISO标准组织制定为标准。由于得到了Motorola,In,Philip,Siemens,NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在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OSI低层的物理层，数据链层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通讯速率zui高可达1Mbps/40m,直接传输距离zui远可达10km/5kbps,可接设备数zui多达110个。CAN信号传输采用短桢结构，每一贞的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能。以切断该节点与总线的，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗*力。 
1.3.5 HART 
HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。zui早由Rosemount公司开发并得到八十多家仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是现在有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向熟悉系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过度时期具有教强的市场竞争能力，得到了较快发展。 
它规定了 一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，*类称为通用命令，这是所有设备都理解，执行的命令；第二类成为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括zui常用的现场设备功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所*。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。 
HART采用同意的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发接口。但由于这些模拟数字混合信号制，导致那仪开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。 
HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可以组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 
2 现场总线技术在水泥厂自动化系统中的应用 
在以往水泥厂窑系统工况监测中，我们采用的是一对一的模拟控制方式，见图1 
窑尾系统现场控制站 

这种方式中，现场每一台仪表的测量信号，均通过各自的电缆以模拟量信号方式传入现场控制站，在现场控制站中还需要配备相应的AI、AO模件，每一个模拟量信号需占用一个通道，由于窑系统的仪表测点很多，控制站需设大量的模拟量模件，硬件投资大，而且设备维护任务也很重。 
让我们看一下采用PROFIBUS现场总线的控制方式的结构图，见图2 


在这种方式中，现场多个仪表的测量信号，通过一根总线电缆，采用数字信号的通讯方式，经PROFIBUS DP/PA耦合器传入现场控制站，在现场控制站中通过PROFIBUS DP卡件与控制器相连。省去大量模拟量模件。 
水泥厂用于窑系统工况监测的仪表设备较多且分布较为集中，采用现场总线的控制方式，业主既可省去许多的计算机系统硬件及电缆投资，还可减少大量的电缆敷设工作，不仅节约安装费用，还便于生产维护。此外水泥工业生产中的一些大型设备如辊压机、篦冷机、立磨等,这些设备的自动化控制较为复杂,他们与DCS系统通讯的点数很多,采用现场总线局域网,设备本体控制参数及时全面的传入DCS系统,这样不仅便于对设备进行控制监测,对优化设备的使用性能也有帮助。在天津院设计的山东丛林集团水泥项目中,对篦冷机、立磨均采用现场总线局域网控制方式，取得了很好的经济效益。 
水泥厂的工况较差，粉尘大，特别是烧成系统环境温度高，对测量的仪表设备性能要求很高。目前很多厂商的总线仪表性能可靠，调试和维护方便，为现场总线技术的推广提供了有力的支持，随着现场总线技术的发展完善，它在水泥行业中的应用会更加广泛。