现场总线模块与DCS软件的集成

1  引言
       我厂新建的硫磺回收装置是一个规模较小的装置，出于建设成本方面的考虑，我们设计将mtl公司的基于过程i/o的现场总线模块与foxboro公司的dcs控制系统结合，达到了较高的费效比。
       现将系统的设计思路简述如下:
       mtl公司的i/o模块是符合profibus标准的过程i/o模块，它的特点是在现场安装，从而节省电缆、降低成本，而且防爆、耐腐蚀。
       foxboro公司的i/a｀s是功能强大的dcs系统，其micro-i/a工作站提供了与其它厂商协议的通讯接口。
       将两家的产品集成，实现优势互补，组成一个造价低、功能强的集中分散控制系统是我们的目标。
   2  profibus总线技术
2.1 profibus的主要特点
（1） profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。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由三个兼容部分组成，即profibus-dp（ decentralized periphery）、profibus-pa（process automation）和profibus-fms （field bus message specification）。
（3） profibus - dp:是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i/o的通信。使用profibus-dp可取代办24vdc或4-20ma信号传输。
（4） profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信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现场通信网络，从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。
（5） 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、过程控制和自动化等。profibus开放性和不依赖于厂商的通信的设想，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有国际着名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。
2.2 profibus协议结构
       profibus协议结构是根据iso7498国际标准，以开放式系统互联网络（osi）作为参考模型。该模型共有七层。
       profibus－dp:定义了第一、二层和用户接口，第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三～六层末使用，第七层为应用层。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同profibus－dp设备的设备行为。
2.3 profibus传输技术
（1） profibus提供了三种数据传输类型:
       （a） 用于dp和fms的rs485传输。
       （b） 用于pa的iec1158-2传输。
       （c） 光纤
（2） 用于dp/fms的rs485传输技术
       rs-485传输是profibus最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为h2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。
2.4 rs－485传输设备安装要点
       （1） 全部设备均与总线连接。
       （2） 每个分段上最多可接32个站（主站或站）。
       （3） 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。
       （4） 当分段站超过32个时，必须使用中继器连接各段总线。串联的中继器一般不超过3个。中继器没有站地址，但被计算在每段的最多站数中。
       （5） 电缆最长长度取决于传输速率。如使用a型电缆，则传输速率与长度如表

       （6） a型电缆参数: 阻抗:135-165ω 电容:＜30 pf/m 回路电阻:110ω;导线面积:0.64mm2＞0.34mmω
         （7） rs-485的传输技术的profibus网络最好使用9针d型插头。　　
       （8） 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（emc）。
       （9） 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来覆盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。
       （10） 超过500k bit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头连接可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。
2.5 profibus控制系统组成
（1） 一类主站:指plc、pc或可做一类主站的控制器。主要完成总线通信控制与管理。（2） 二类主站
     a） 分散式i/o（非智能型i/o）:通常由电源部分、通信适配器部分和接线端子部分组成。分散式i/o不具有程序存储和程序执行功能，通信适配器部分接收主站指令，按主站指令驱动i/o，并将i/o输入及故障诊断等住处返回给主站。通常分散型i/o是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式i/o与使用主站的i/o没有什么区别。
     b） 驱动器、传感器、执行机构等现场设备:即带profibus接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改数据交换等功能。至于那些参数可进行通信及参数格式由profibus行规决定。
   3  mtl的过程i/o模块
3.1 过程i/o的概念
       传统的过程控制系统是由一个控制器与和之相连的控制室里的i/o子系统组成的，与现场仪表的连接是通过多芯电缆及接线盒。如图1所示，图1中为现场接线盒、2为多芯电缆、3为安全栅、4为i/o子系统、5为过程i/o机柜、6为现场总线电缆。

       对现场总线来说，控制器通过开放的总线直接与现场仪表柜里的i/o节点进行通讯，模块化的组件可以使你从小规模节点到大规模高密度的应用之间任意搭配。
使用过程i/o的好处:
       过程i/o比“远程i/o”和“分布式i/o”节约时间和资金。而且它还有精确、可靠、耐用等适于连续操作的过程环境，它通过开放的现场总线连接不同的现场仪表（传统设备和危险场合的特殊设备）。过程i/o最显着的好处是节约成本，因为它用单根或一对通讯总线电缆来取代几百对的不同电缆。系统设计、安装和调试都更便捷。由于把i/o移到现场，控制室就不需要庞大的空间了。再有节约成本的地方就是低级信号传感器只连接到现场节点上，消除了为每路输入的传送。间接的节约来自于提高诊断、在线维护和便于集成商设计方案。
3.2 mtl8000系统的主要特点
       mtl的过程控制i/o符合国际公认的安全要求。能在zone 2/division 2和zone 1/division 1安装使用。mtl被认为是世界上最安全最现代的防爆保护技术的领导者。mtl的产品可以经受住极端的温度和振动及危险的、有腐蚀性气体等常规输入输出卡件不能应用的环境考验。由于输入输出卡件不再局限于控制室内，而且多线回路减少为几对双绞线，这为你在设计方案时摆脱布线限制提供了很大空间。
   4  foxboro的micro ia
       micro-i/a系列产品提供了一个可组态的、适合各种分布的和现场自动功能的可组态、可扩展的处理器的通用处理平台。根据不同硬、软件，可以实现控制、设备集成、现场通讯网络集成、用户监视和管理功能。
       micro-i/a是被设计来运行各种各样的连续、批处理及离散控制的实时控制软件包的，集成各种现场设备及现场总线技术的工作站。第一个软件包是集成了控制软件的foxblock，它允许选择各种i/o子系统其中包括profibus-dp。其中心处理器有以下特点:
       基于pcmcia技术的可堆叠可扩展的开放架构，可适配不同的网络通讯规范，提高了兼容性。
       可在不同的系统和现场通讯之间进行选择。通过10base2 或10baset接口方式可连接到i/a｀s的以太网控制总线上，这就为构建中小规模的系统提供可能。还可再挂接到i/a｀s的节点总线上，来构成大规模系统。
       它压缩的封装外型使它适合安装在现场。
       适应从小到大的系统规模，支持不同的操作系统平台（unix或windows nt），小系统一般采用windows nt平台。
   5  应用实例
       我厂的系统构架如下:
       （1） 一台aw70，在系统软件是采用的是基于windows nt的i/a｀s 的6.3版，应用软件上用aim＊at（包括historian历史库、datalink远程通讯工具）。
       （2） 一个micro-i/a。有profibus接口，能与mtl的卡件连接。
       （3） 上位的dcs系统的站之间用以太网hub相联。在控制室安装。下位的控制卡件及i/o模块在模块房安装。如图1所示。
       （4） 三个mtl的bim卡件，下挂47个i/o模块（包括模拟输入、模拟输出、触点输入、触点输出、热电阻、热电偶模块）。共269个回路。
       （5） 组态分为两个层次:mtl的硬件参数设置和i/a｀s软件组态。
       利用mtl的软件通过串行接口直接对bim进行组态，同时可以监视模块运行状态及实时数据。在i/a｀s方面，除了i/o通道的编址不同外，其它功能照旧。

   6  结束语
       这个系统的优点功能齐全且成本很低。但由于是集成两家的产品，所以在模块监测上还不能完全一体化，这是系统的缺点。总体说来，对于小系统，尤其是现场环境恶劣的应用提供了一个很好的思路。