现场总线技术及其在天然气贮配站自控系统中的应用.docx

《现场总线技术及其在天然气贮配站自控系统中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现场总线技术及其在天然气贮配站自控系统中的应用.docx（20页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、现场总线技术及其在天然气贮配站自控系统中的应用现场总线技术及其在天然气贮配站自控系统中的应用jiangf导语：保定市燃气总公司经太多年的努力解决了其在防爆场所区应用的技术难题现场总线是当今自动化领域技术开展的热门，是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通讯系统，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开场，并将对该领域的开展产生重大的影响。保定市燃气总公司自90年代初上马第一套煤气消费自动化控制系统以来就一直致力于工业自动化技术尤其是工业现场总线技术的研究。经太多年的努力解决了其在防爆场所区

2、应用的技术难题，并成功的将其应用在本公司天然气贮配站自控系统中，获得了良好的经济效益和社会效益。一工业现场总线技术一现场总线技术的来历1CIMS体系构造及工业数据构造的层次划分根据工厂治理、消费经过及功能要求，CIMS体系构造可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS那么分为3层，即工厂级、车间级和现场级。现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通讯连网、在线设备状态监测及现场设备运行、消费数据的收集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成消费任务，并将现场设备消费及运行数据信息传送到工厂治理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。

3、同时也可承受工厂治理层下达的消费治理及调度命令并执行。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的根底。2传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统的特点传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统，其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一的一个I/O点对设备的一个测控点所谓I/O接线方式，传送模拟量或者开关量信息。这种构造主要存在以下几个缺陷：1信息集成才能不强：控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或者24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大

4、量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成才能不强，不能完全知足CIMS系统对底层数据的要求。2系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操纵性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。3可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加本钱，也增加了系统的不可靠性。4可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线

5、故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。3现场总线技术的产生由于大规模集成电路的开展，很多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备趋于智能化，即内置CPU控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口如RS-232/485是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通讯方式而不是I/O方式完成对现场设备的监控。假如设想全部或者大局部现场设备都具有串行通讯接口并具有统一的通讯协议，控制器只需一根通讯电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的

6、监控，设备层传递的不再是I/O4-20mA/24VDC信号，而是基于现场总线的数字信号，由数字化通讯网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统，这就形成了现场总线技术。二现场总线技术的概念1.现场总线技术现场总线技术可概括如下：现场总线是安装在消费经过区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通讯的数据总线。其中，“消费经过包括断续消费经过和连续消费经过两类。或，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，用总线相连接，实现互相交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。2.现场总线技术产生的意义现场总线技术是实现现场级设

7、备数字化通讯的一种工业现场层网络通讯技术。这是一次工业现场级设备通讯的数字化革命。与传统的基于一对一连线采用模拟信号传输的现场级自动化监控系统相比基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通讯技术，使自控系统参加到工厂信息网络中，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消费现场。在CIMS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根底。3基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点1增强了现场级信息集成才能现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，可以更好的知足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通讯网络，它不单纯

8、取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。2开放式、互操纵性、互换性、可集成性不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操纵性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有很多面向行业特点的监控系统。3系统可靠性高、可维护性好基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替换一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来讲，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设

9、定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。4降低了系统及工程本钱对大范围、大规模I/O的分布式系统来讲，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程本钱。三现场总线技术标准现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通讯协议技术标准，制造商们能按照标准消费产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种：1PROFIBUS现场总线1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN50170V.2。PROFIBU

10、S产品在世界市场上已被普遍承受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个消费厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于经过自动化的PROFIBUS-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。其主要有以下几个应用领域有：制造业自动化：汽车制造机器人、装配线、冲压线等、造纸、纺织。经过控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。电力：发电、输配电。楼宇：空调、风机、照明。铁路交通：信号系统2FF现场总线1994年由ISP基金会和WorldFIP北美两大集团合并成立FF

11、基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线FundationFieldbus。目前，FF现场总线的应用领域以经过自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。3LONWORKS总线LONWORKS现场总线全称为LONWORKSNetWorks,即分布式智能控制网络技术，希望推出可以合适各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据收集、SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。4CANBUS现场总线CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898通讯速率小于1M

12、bps和ISO11519通讯速率小于125Kbps。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。5WorldFIP现场总线9091年FIP现场总线成为法国国家平安标准。96年成为欧洲标准EN50170V.3。下一步目的是靠近IEC标准，如今技术上已做好充分预备。WorldFIP现场总线采用单一总线构造来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。经过控制采用31.25Kbit/s,制造业为1Mbit/s,驱动控制为1-2.5Mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来治理总线上包括各支线的各

13、控制站的通讯。可进展1对1、1对多点组、1对全体等多重通讯方式。在应用系统中，可采用双总线构造，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的平安性。WorldFIP现场总线适用范围广泛，在经过自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。6P-NET现场总线P-NET现场总线筹建于1983年。1984年推出采用多重主站现场总线的第一批产品。1986年通讯协议中参加了多重网络构造和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完好标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一局部EN50170V.1。1997年组建国际P-NET用户组织

14、，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。P-NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域四怎样选择现场总线技术现场总线技术问世初期，人们有一个良好的愿望，即制定一部国际自动化行业统一使用的现场总线技术标准，这样，所有现场设备都可以方便实现互连。经过十多年的努力，却出现了一个令人们绝望的结果，即1999年12月IEC61158TS，通过决议，将8种国际上现存的现场总线标准，合并到IEC61158TS文本中，做为国际现场总线标准。人们没有得到期望的统一的现场总线

15、标准。面对现实，多数现场总线技术专家以为：由于自动化技术涉及的应用领域广泛、对控制性能要求各不一样，差异很大，另一方面，现场设备种类繁多，涉及的技术标准和标准繁杂；因此，希望使用一种现场总线标准覆盖所有自动化行业的应用是不现实的；多种总线技术并存的状况将维持相当一段时间。2怎样选择面对多种总线技术并存，用户怎样选择呢？1技术指标：一些敏感的技术指标，如传输介质电缆、光纤、无线、数据传输速率、实时性、总线控制方式及功能主从、多主、令牌、播送、同步。2行业：现场总线技术在其特定行业中具有明显上风；如LONWORKS在楼宇自动化、CAN在车辆及船舶系统、PROFIBUS在制造业、FF在化工流程行业等

16、。3业绩：现场总线在行业中的应用业绩。二PROFIBUS现场总线标准一概貌1.PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依靠于设备消费商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化，流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。2.PROFIBUS由三个兼容局部组成，即PROFIBUS-DPDecentralizedPeripheryPROFIBUS-PAProcessAutomationPROFIBUS-FMSFieldbusMessageSpecification3.PROFIBUSDP:是一种高速低本钱通讯，用于设备级控制系统与分散式IO的通讯。使用PROFIBUSDP可取代24VDC或者42

17、0mA信号传输。4.PORFIBUSPA：专为经过自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征平安标准。5.PROFIBUSFMS：用于车间级监控网络，是一个令牌构造的实时多主网络。6.PROFIBUS是一种用于工厂自动化中车间级监控和现场设备层数据通讯与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和通讯，进而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。7.与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造经过控制和自动化等。PROFIBUS开放性和

18、不依靠于厂商的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的消费厂商支持，它们都具有各自的技术上风并能提供广泛的、优质的新产品和技术效劳。二根本特性1协议构造PROFIBUS协议构造是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络OpenSystemInterconnection-SIO作为参考模型的，该模型共有七层。注：第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三六层未使用，第七层为应用层。1PROFIBUSDP：定义了第一二层和用户接口。第三到七层未加描绘。用户接口规定了

19、用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并具体讲明了各种不同PROFIBUSDP设备的设备行为。2PROFIBUSFMS：定义了第一二七层，应用层包括现场总线信息标准FieldbusMessageSpecification-FMS和低层接口LowerLayerInterfaceLLI。FMS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讯效劳。LLI协调不同的通讯关系并提供不依靠设备的第二层访问接口。3PROFIBUSPA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUSDP协议。另外，PA还描绘了现场设备行为的PA行规。根据IEC11582标准，PA的传输技术可确保其本征平安性，而且可通过总线给

20、现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。2传输技术PROFIBUS提供了三种数据传输类型：1用于DP和FMS的RS485传输。2用于PA的IEC11582传输。三PROFIBUS控制系统的几种配置形式1.现场级1总线接口型：现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式IO作为总线接口与现设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期轻易推广。假如现场设备能分组，组内设备相对集中，这种形式会更好地发挥现场总线技术的优点。2单一总线型：现场设备都具备PROFIBUS接口。这是一种理想情况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式构造，可充分获得这一先进技术所带来的的利益。就目前来看，这种方案设备本

21、钱会较高。3混合型：现场设备局部具备PROFIBUS接口。这将是一种相当普遍的情况。这时应采用PROFIBUS现场设备加分散式IO混合使用的方法。无论是旧设备改造还是新建工程,希望全部使用具备PROFIBUS接口现场设备的场合可能不多，分散式IO可作为通用的现场总线接口，是一种灵敏的集成方案。2监控级根据实际需要及经费情况，通常有如下几种构造类型：1构造类型1：以PLC或者控制器做一类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种构造类型，PLC或者控制器完成总线通讯治理，从站数据读写，从站远程参数化等工作。2构造类型2：以PLC或者控制器做一类主站，监控站通过串口与PLC一对一的连接。这

22、种构造类型，监控站不在PROFIBUS网上，不是二类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能从PLC控制器中读取。3构造类型3：以PLC或者其它控制器做一类主站，监控站二类主站连接在PROFIBUS总线上。这种构造类型，监控站在PROFIBUS网上作为二类主站，可完成远程编程，参数化及在线监控功能。4构造类型4：使用PC机加PROFIBUS网卡做一类主站，监控站与一类主站一体化。这是一个低本钱方案，但PC机应选用具有高可靠性，能长时间连续运行的工业级PC机。对于这种构造类型，PC机故障将导致整个系统将瘫痪。另外，通讯厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制从站

23、控制程序监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会较大。5构造类型5：巩固式PC机COMOPACTCOMPUTERPROFIBUS网卡SOFTPLC的构造形式。假如构造类型4中PC机换成一台巩固式PC机COMOPACTCOMPUTER，系统可靠性将大大增强，足以使用户信服。近来出现一种称为SOFTPLC的软件产品，是将通用型PC机改造成一台由软件软逻辑实现的PLC。这种软件将PLC的编程、应用程序运行、在线监控和操纵员监控站图形界面开发等功能集成到一台巩固式PC机上，形成一个PLC与监控站一体的控制器工作站。6构造类型6：使用两级网络构造，这种方案充分考虑了将来扩展需要，比方要增加几条

24、消费线即扩展出几条DP网络，车间监控要增加几个监控站等，都可以方便进展扩展。采用了两级网络构造形式，充分考虑了阴影局部的扩展余地。三在保定市天然气贮配站的应用保定市燃气总公司天然气储配站于2002年3月建成并投入使用，它担负着保定市居民、公共福利及工业用户的天然气供气任务。设计才能1亿米3/年，全站包括高-中压A及高-中压B两套调压设备及4个2000米3的高压贮罐。本站计算机监控系统由现场数据收集与控制设备、计算机下位系统、计算机上位系统和计算机网络组成，预留与公司调度中心的接口，完成压力的调节控制、贮气送气控制、储气量实时检测、温度检测、流量检测、加臭控制及报警连锁控制等内容。是我公司SCA

25、DA系统中的远程操纵站。一网络构造及技术标准1网络构造结合我公司天然气贮配站监控系统详细情况，我们采用了星型拓扑与总线型拓扑相结合的混合型网络构造，网络构造见附图。2技术标准通过对多种现场总现技术标准的综合比拟并结合天然气行业的特点我们采用了PROFIBUS-DP现场总线技术。整个监控网络分为两级。一级网络以PLC做为一类主站，监控站二类主站连接在PROFIBUS总线上可完成远程编程，参数化及在线监控功能。二级为现场级网络，由于现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式IO作为总线接口与现场设备连接。二设备选型1现场I/O站的选择现场I/O站将现设备信号进展处理转化为数字信号，通过现场总线

26、接口与上位系统进展通讯。我们经过各方面的比拟，选用TURCK公司的EXCOM系列产品。EXCOM产品是是远程I/O技术、平安栅技术与现场总线技术的组合，是可以直接安装在危险1区的本安型现场总线部件。该系统由母板、及插在它上面的电源模块、网关模块、I/O模块组成。电源及网关模块均采用双电源双网关配置，大大增加了系统的平安性和稳定性。所有模块均支持在线热插拨，而且不用借助任何工具。系统可以自动检查新模块是否与原模块一样，系统支持替换值编程，方便了缺损模块的更换。网关提供了一个扩展了的PROFIBUS-DP的诊断功能，可向用户提供包括每一个通道的错误指示的全方位的诊断功能，另外，每一个模块均带有LE

27、D可指示整个模块各接入回路的状态，根据指示灯的颜色指示正常、错误及开关量输入/输出的开关状态，极大地方便了模块设备的维护与维修。灵敏的扩大性能，方便于现场设备的扩大。当增加现场设备时可直接在母板插槽上安装相应的模块，连接到现场设备，更改相应的控制程序即可，而不需要再挖沟敷设现场I/O站到监控室的电缆。由于模块的品种少功能强，因此不必再采购大量的备品备件，只需少量的备件即可知足维修维护的需要。目前已经形成消费规模并投放市场的现场I/O设备的消费厂家较多，如SEMENS、TURCK、WAGO，国内沈阳自动化所的FF产品可供选择。2PLC的选型考虑到以下几个因素：1PLC为系统核心设备必须具有高可靠

28、性及易维护性。2安装在非防爆区。3具有最正确性能价格比。我们决定采用西门子公司的S7-400系统中的412-2作为系统的主控PLC。它是西门子公司为工业控制设计的高端PLC，它通过PROFIBUS-DP总线完成与现场总线设备的通讯、监控任务，还完成对本地现场总线设备的监控，同时通过MPI多点通讯协议高可靠、高质量地完成与上位机的通讯任务，进而在不降低系统可靠性的根底上进一步降低设备投资。S7-400组成双网构造并结合冗余软件包和系统热备控制软件完成对现场设备进展控制，实现系统的高可靠运行。三缺乏之处1.有些仪表，执行器的选用与现场总线技术不够配套，如阀门的电动执行器，天然气泄漏探头、和流量检测仪表，未能选用带有总线接口的产品，使现场总线技术节省电缆的优越性未能最大限度的表达出来。建议国内相关仪表和执行器厂家尽快进步产品的适应性。2.应用于现场总线系统中的本安型现场I/O产品品种目前为数还不多，尚未形成规模。可供选择的余地还不大，价格还偏高。通过我公司储配站对总线控制技术的应用可以看出，总线控制技术在天然气储配站系统中有着无以伦比的上风，其采用的冗余技术不但扩大性强，易于维护治理，稳定性好，而且节省电缆，减少了施工费用、平安栅及接线端子机柜的购置费用，同时今后的维护费用及运行费用也将有很大程度的降低。因此，总线控制技术在天然气储配站系统中具有极其广泛的应用前景。0