探讨现场总线网络在DCS系统中的应用

1 引言

abb dcs是瑞士asea brown boveri公司（简称abb公司）设计开发的集散控制系统，它适用范围广泛，既可应用于离散制造业，如：机床、汽车、飞机制造等工业，更可应用于大中小型连续性生产的流程工业，如：石油、化工、火电机组、炼钢、建材等工业。abb dcs系统从硬件设计到软件设计，通信都采用国际标准。abb dcs的软件编程语言ampl是控制系统的一种编程模式，本文介绍abb dcs的体系结构及其现场总线网络。

2 abb dcs分布式工业控制计算机系统体系结构

abb dcs集散控制系统采用先进的微处理器（33mhz的motorola 68020和33mhz的intel80386、80486芯片）、crt图形显示技术、高速安全通信技术和现代控制理论，形成了以现场控制站（mp200、ac410、ac450系列和本地、远程i/o系列）、操作员站（as500 系列）、工程师站（master aid系列）、信息管理系统站（advant station系列）、计算机和网络接口站（master gate 系列）、计算机网络（master bus系列）和其它计算机通信设备为基础的，物理位置分散、系统功能分散、控制功能分散以及操作显示管理集中的过程控制、过程决策管理的大型智能网络。abb dcs的通信网络结构分三层：（网络结构如图1所示）。


图1 网络结构图

3 集散控制系统的特点

（1）、系统构成灵活。从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。你可以把他现象成“因特网”。根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。系统组态很灵活。

（2）、操作管理便捷。DCS的人机反馈都是通过CRT跟键盘、鼠标等实现的。你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。

（3）、控制功能丰富。原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。

（4）、信息资源共享。你可以把工作站想象成因特网上的各个网站，只要你在DCS系统中，并且权限够大，你就能了解到你要的任何参数。

（5）、安装、调试方便。相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似头发丝的电线。DCS系统算是很方便了。

（6）、安全可靠性高。

4 信息管理网络层

可下联9个控制网络，网络由类型为mb300的总线组成，总线传输速率达10mbps。

5 控制网络层

控制网络层由9个类型为mb300的总线组成。一个控制网络可包括99个站（包括在局部控制网络中的站）。在控制网络中的每个mp200/1或ac450站都可下联一个局部控制网络。一个局部控制网络可包括9个类型为mb300的总线。mb300是一个高性能、串行、同步、半双工的大数据量高速总线。它采用ieee 802.2逻辑链路控制（llc）协议和ieee 802.3带冲突检测的载波帧听多路存取（csma/cd）的介质存取控制（mac）协议，属于ethernet型局域网，总线可带载45个节点。在不使用中继器时，最大通讯节点距离为500m;使用3个同轴段、4个中继器和2个点对点链路时最大通讯节点距离为2500m,总线传输速率为10mbps。

mb300通过每一个结点实现对上位机的联接以及与mp200等plc系统的通信。它一般遵循543规则，即由5段组成，4个中继器（repeater）联接，其中3段可以挂接设备，必须注意的是，只有在电缆的标记处方可通过收发器（tranceiver）挂接设备，不同的设备联结又采用不同的联结电缆，如到pu510操作站用tk526电缆，而到控制站则选用tk576电缆。tranceiver 只能安装在主干电缆段上的2.5米标志处，在两个线接头间同轴电缆段上的tranceiver 间距应为25米的整数倍，其联接方式如图2所示：


图2 mb300网络连接图

t1、t2为终端电阻，其中只要一端接地，终端电阻为50欧姆，mb300总线为同轴电缆，具体又分为粗缆、细缆和光缆，作用各不相同，敷设同轴电缆时，需注意与其它信号电缆的隔离，如距离信号电缆30cm以外，距离380v低压电缆50cm以外，距离高压电缆5m以外。mb300总线选用cs513接口卡，上面的3个拨码开关s1、s2、s3分别用于对网络号、节点号、协议号的设置，其中的s1低四位用于设置主/从站的选择，高四位用于设置协议号，s2用于设置节点号，s3用于设置网络号。当需要修改或通过故障信息找出故障原因，可以进入工程师站进行数据修改或通过故障代码知道mb300总线的故障所在。了解影响mb300的通讯因素，针对这些因素逐一分析。

6 现场总线网络层

6.1 mfb（master field bus）总线

mfb总线属于现场局域网总线，它联系于mp200、mp90、s400i/o、opc（小型控制站）及传动系统之间。 mfb通讯总线采用同轴电缆、双绞线，它联接ci520/ci525/ci526通讯接口模块与dstc452 modem ，每根双绞线线端必须隔离开，其中一个端头的屏蔽层必须接地，mfb的通讯速率为375kb/s，其电阻为75欧姆，其硬件配置图如图3所示。mfb的相关系统信息从工程师站获得，大体顺序为时间、信息型号、代码、任务号、顺序号、数据，主要它表现有以下几种状态。

代码20 :cpu通信接口接触丢失 [page]

代码21 :fatal硬件故障

代码39 :device/station ok

代码72 :device/station 地址ok

代码120 :过程故障

代码-1 :执行错误

代码-4 :系统错误

代码-5 :小系统站点错误

代码-6 :通讯故障

代码-9 :灾难性总线故障

代码-10 :冗余电缆中断



图3 硬件配置图

6.2 af100（advant field）/mb90（master bus）总线

af100/mb90的目的是提供在多个apc站点之间或在apc站点与abb工业系统设备之间的通讯，mb90支持两个不同类型的通讯、数据处理和信息发送，数据集是动态的数据，用来监视和控制某个处理过程，这个过程是服务信息用作参数化法，程序安装、诊断。af100/mb90是一个高性能的区域总线，能够最多连接79个apc站点。mb90最长可达300米，而如果装备了适当的信号电缆和信号中继器，并且在单个传动设备之间长距离的配置是可用的，最长可达2000米。总线的技术特点：

（1） 通讯速率1.5mbit/s

（2） 衰减总线长度＜300m，增殖延迟<2000m

（3） 电报长度2,4,6,8，…32字节的用户数据。

（4） 识别编码（电报编码）范围１…4000

（5） 周期时间2,4,8,16,32,64,128…2048或4096ms

af100/mb90依靠一个集中的总线管理器，总线管理器功能是比较复杂的，要求也较多，例如：apc站点不能用作总线管理器，它们不包含总线管理器的功能。为使通过af100/mb90的apc之间的如何通讯变为可能，每个解决方案（独立和嵌入）都可用来安排af100/mb90的总线主机，当apc开始执行它们的应用程序，总线主机必须是可操作的，否则，当本地配置的数据集在规定时间限制内没有被总线管理器确认，在apc支内的数据集功能块将进入错误状态。，如果系统只有apc站点，没有masterpiece与mb90或ac450与af100相连，应安装一个独立的总线管理器。

abb dcs与传动系统（如acv700／dcv700）的通讯是依靠图4所示drrtra（drive transmit）元素和drrec（drive reciver）元素来实现的。


图4 通讯元素

drrtra（drive transmit）元素用来传给abb传动控制器给定的数据集和选择传动信号的控制字和命令字信号的定义在应用传动软件说明给出。drrtr元素能产生由传动通讯协议支持的周期信息的不同类型，发送信号的目的地由传动信号选择，drrtr元素也可以写参数，在正常阶段，drrtr的过载可以被检测出来。

drrec（drive reciver）元素用来接收来自abb传动控制器的信号和控制字值这些信号的定义在应用传动软件说明给出。drrec元素只是用传动连接协议支持的周期信息，接收数据源是通过元素输入参数确定传动信号和信号索引来选择的。drrec元素也能够访问参数，当配置阶段drrec的过载可以被检测到。

7 现场总线集成于dcs系统是现阶段控制网络的发展趋势

尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。

目前在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换；另一方面，dcs系统及其仪表的消失或完全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。现阶段最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的dcs系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。

8 结束语

信息站、操作员站、mb300总线、af100（mb90）总线与控制站的相互联接，则具体形成了的abb网络控制系统，系统投入运行以来，工作稳定可靠，大大减少了原控制系统的现场布线，增加了系统的稳定性与可靠性，值得推广应用。

现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中，通过对过程控制系统进行一些必要的修改，将现场总线技术引入到dcs中，将会给用户带来大量的收益；另一方面，即使大多数的连续控制环路将由现场总线系统来完成，dcs系统仍将在许多诸如实时要求较高的控制场合扮演重要的角色。现阶段现场总线与dcs系统的共存将使用户拥有更多的选择，以实现更合理的控制系统。