作者：張強(qiáng)1 程姝丹2 1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院 2．天津水泥設(shè)計(jì)研究院 
隨著控制、計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。而作為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)之一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，則標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。它被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷完善和推廣，這一技術(shù)在許多大、中型水泥廠得到了廣泛的應(yīng)用。 
1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介 
1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的基本認(rèn)識(shí) 
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通訊系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它作為一個(gè)紐帶，把單個(gè)分散的各個(gè)測(cè)量設(shè)備連接在一起，使它們之間可以互相通訊，成為共同完成控制任務(wù)的系統(tǒng)。 
1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) 
在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備與控制室的控制器之間，通常采用一對(duì)一的物理連接，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的通訊。而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備多采用智能化設(shè)備，通訊方式由數(shù)字信號(hào)取代了模擬信號(hào)，只需一根電纜即可將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多個(gè)運(yùn)行參數(shù)傳入控制室，同時(shí)還可為多個(gè)設(shè)備提供電源，這樣不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了硬件投資，同時(shí)還便于安裝和維護(hù)。 
1.3 應(yīng)用較多的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 
1.3.1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus) 
它是以美國(guó)Fisher-Rosemount公司和Honeywell公司為首，聯(lián)合ABB、西門(mén)子等多個(gè)公司合并后，成立的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，制定了Word FIP協(xié)議。它以ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通訊模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語(yǔ)言規(guī)定了通用的功能塊集。由于這些公司是這一領(lǐng)域的主要供貨商，因此由他們組成的基金會(huì)所制定現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范具有一定的性。 
1.3.2 Lon Works 
它是由美國(guó)Echelon公司推出并由摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布形成的，它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps 至1.5Mbps不等,直接通訊距離可達(dá)2700m(78kbps，雙絞線)；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線電、力線等多種通訊介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。是具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。 
1.3.3 PROFIBUS 
PROFIBUS是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等，而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型，它遵循IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。它采用OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kbps ~12Mbps，zui大傳輸距在12Mbps時(shí)為100m，1.5Mbps時(shí)為400m,可用中繼器延長(zhǎng)至10k m。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，zui多可連接127個(gè)站點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電和本質(zhì)安全防爆。 
1.3.4 CAN總線 
CAN是控制局域網(wǎng)總線（Control Area Network）的簡(jiǎn)稱，zui早有德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO標(biāo)準(zhǔn)組織制定為標(biāo)準(zhǔn)。由于得到了Motorola,In,Philip,Siemens,NEC等公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取OSI低層的物理層，數(shù)據(jù)鏈層和頂層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線。通訊速率zui高可達(dá)1Mbps/40m,直接傳輸距離zui遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps,可接設(shè)備數(shù)zui多達(dá)110個(gè)。CAN信號(hào)傳輸采用短楨結(jié)構(gòu)，每一貞的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能。以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗*力。 
1.3.5 HART 
HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫(xiě)。zui早由Rosemount公司開(kāi)發(fā)并得到八十多家儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會(huì)。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是現(xiàn)在有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向熟悉系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過(guò)度時(shí)期具有教強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到了較快發(fā)展。 
它規(guī)定了 一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令，*類稱為通用命令，這是所有設(shè)備都理解，執(zhí)行的命令；第二類成為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（盡管不是全部）中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括zui常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功能庫(kù)；第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會(huì)中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所*。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這三類命令。 
HART采用同意的設(shè)備描述語(yǔ)言DDL?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備特性，由HART基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù)來(lái)理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開(kāi)發(fā)接口。但由于這些模擬數(shù)字混合信號(hào)制，導(dǎo)致那儀開(kāi)發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。 
HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可以組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。 
2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在水泥廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用 
在以往水泥廠窯系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)中，我們采用的是一對(duì)一的模擬控制方式，見(jiàn)圖1 
窯尾系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站 

這種方式中，現(xiàn)場(chǎng)每一臺(tái)儀表的測(cè)量信號(hào)，均通過(guò)各自的電纜以模擬量信號(hào)方式傳入現(xiàn)場(chǎng)控制站，在現(xiàn)場(chǎng)控制站中還需要配備相應(yīng)的AI、AO模件，每一個(gè)模擬量信號(hào)需占用一個(gè)通道，由于窯系統(tǒng)的儀表測(cè)點(diǎn)很多，控制站需設(shè)大量的模擬量模件，硬件投資大，而且設(shè)備維護(hù)任務(wù)也很重。 
讓我們看一下采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的控制方式的結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖2 


在這種方式中，現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)儀表的測(cè)量信號(hào)，通過(guò)一根總線電纜，采用數(shù)字信號(hào)的通訊方式，經(jīng)PROFIBUS DP/PA耦合器傳入現(xiàn)場(chǎng)控制站，在現(xiàn)場(chǎng)控制站中通過(guò)PROFIBUS DP卡件與控制器相連。省去大量模擬量模件。 
水泥廠用于窯系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)的儀表設(shè)備較多且分布較為集中，采用現(xiàn)場(chǎng)總線的控制方式，業(yè)主既可省去許多的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件及電纜投資，還可減少大量的電纜敷設(shè)工作，不僅節(jié)約安裝費(fèi)用，還便于生產(chǎn)維護(hù)。此外水泥工業(yè)生產(chǎn)中的一些大型設(shè)備如輥壓機(jī)、篦冷機(jī)、立磨等,這些設(shè)備的自動(dòng)化控制較為復(fù)雜,他們與DCS系統(tǒng)通訊的點(diǎn)數(shù)很多,采用現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng),設(shè)備本體控制參數(shù)及時(shí)全面的傳入DCS系統(tǒng),這樣不僅便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制監(jiān)測(cè),對(duì)優(yōu)化設(shè)備的使用性能也有幫助。在天津院設(shè)計(jì)的山東叢林集團(tuán)水泥項(xiàng)目中,對(duì)篦冷機(jī)、立磨均采用現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)控制方式，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。 
水泥廠的工況較差，粉塵大，特別是燒成系統(tǒng)環(huán)境溫度高，對(duì)測(cè)量的儀表設(shè)備性能要求很高。目前很多廠商的總線儀表性能可靠，調(diào)試和維護(hù)方便，為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣提供了有力的支持，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展完善，它在水泥行業(yè)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。