现场总线与虚拟仪表技术相融合的发展

    引 　言
    工业生产的过程测控技术由分离设备向共享设备发展;自动化技术由模拟仪表向智能化仪表发展;计算机网络技术向现场延伸。同时经历了五个发展阶段:人工控制阶段、模拟仪表控制系统阶段、计算机集中式数字控制系统阶段、集散式控制系统阶段和现场总线控制系统阶段。集散式控制系统(distributed control system ,DCS)是目前普遍使用的一种控制结构 ,它按照多级计算机分布控制系统的设计思想 ,采用功能分层方法 ,信息一方面自下而上逐渐集中 ,同时它又自上而下逐渐分散 ,构成了系统的基本结构 ,分散控制为其最主要的特征;系统中信息的传递主要依赖于 4～20 mA 的模拟信号 ,采用点对点的通信方式。常见的集散式控制系统有美国和日本等某些公司的产品。随着计算机集成制造系统的发展和控制系统的日益复杂化 ,集散式控制系统逐渐不能满足发展的需求。现场总线技术为解决问题提供了途径。
   
    1.现场总线技术及其发展
    现场总线技术将专用的微处理器植入传统的测控仪表 ,使其具备了数字计算和通信的能力 ,采用连接简单的双绞线、同轴电缆、光纤等作为总线 ,按照公开、规范的通信协议 ,在位于现场的多个微机化测控仪表之间、远程监控计算机之间实现数据共享 ,形成适应现场需要的控制系统。它的出现改变了以往使用电压、电流模拟信号进行测控信号变化慢、信号传输抗干扰能力差的特点 ,提高了信号的测控和传输准确度 ,同时丰富了控制信息的内容 ,也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。因此 ,现场总线替代4～20 mA 模拟总线是控制系统发展的必然趋势 ,形成了新型的网络集成式全分布控制系统即现场总线控制系统(fieldbus cont rol system FCS) 。
    现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术发展的产物;是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络 ,它的关键标志是支持全数字通信。它是应用在生产现场 ,在微机化测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的网络系统 ,同时还具有与 Internet 和Int ranet 直接连接的能力。因此现场总线可以被看作是信息系统的直接终端。
    现场总线控制系统具有以下的特点: ①开放式、互操作性、互换性、可集成性。不同厂家产品只要使用同一种总线标准 ,就具有互操作性、互换性 ,因此设备具有很好的可集成性。开放性的控制系统 ,允许其他厂商将自己专长的控制技术 ,如控制算法、工艺方法、配方等集成到通用控制系统中 ,因此市场上将具有很多面向行业特点的控制系统; ②系统内部从传感器、变送器到执行器 ,传递的都是数字信号 ,可以很容易的处理更复杂、更精确的信号 ,通过采用数字通信的各种错误检测与纠错算法使系统内部通信的可靠性得到提高; ③控制功能分散到现场设备中 ,控制室内仪表装置和监控计算机主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能; ④系统可靠性高、可维护性好。现场总线控制系统采用总线连接方式代替一对一的 I/ O 连线,对于大规模系统来说 ,减少了由接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、报警和记录功能 ,也增加了系统的可靠性和可维护性; ⑤降低了系统及工程成本。对于大范围大规模的 I/ O分布式系统来说,省去了大量的电缆、I/ O 模块及电缆敷设费用,降低了系统及工程成本。
    当今典型的现场总线产品有: FF 现场总线、LonWorks现场总线、Profibus 现场总线、WorldFIP现场总线、 CAN 现场总线、 HART 协议

LonWorks现场总线采用了面向对象的设计方法 ,通过使用网络变量把网络通信简化为参数设置,外部设备使用LonWorks现场总线通信只需对Lon2Works的神经元芯片的 I/ O 口进行编程;WorldFIP现场总线的特点是具有单一的总线 ,可用于过程控制及离散控制 ,而且没有任何网桥或网关 ,低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决 ,已有较完整的系列产品 ,不像 FF现场总线目前只有低速部分 H1的产品;CAN 现场总线的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为 8 个 ,因而传输时间短 ,受干扰的概率低。当节点发生严重错误时 ,具有自动关闭的功能 ,以切断该节点的信息; HART 协议的特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品 ,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力 ,得到了较快发展。
     2000 年 IEC 公布了 IEC 61158 现场总线标准,该国际标准容纳了8 种互不兼容的协议,每种协议及其系列产品背后都有一定的跨国公司支持,多种现场总线标准并存成为事实 ,过多的标准给用户选用带来了很大的困惑和不便。近年来由于以太网技术的飞速发展 ,以太网正逐渐应用于工业自动化领域。
    
     2.虚拟仪表技术及其应用
     虚拟仪表是利用现有的计算机加上特殊的仪表硬件和专用软件 ,形成既有普通仪表的基本功能 ,又有一般仪表所没有的特殊功能的新型仪表。用户通过显示器上各处虚拟的按键、开关、旋扭 ,去使用仪表的各种功能 ,控制仪表的运行。从显示器上的虚拟显示屏、数码显示器和指示灯 ,了解仪器的状态,读取测试结果。虚拟仪表以计算机为基础 ,配合各种数据采集卡、输入/输出设备 ,完成普通仪表的信号采集与控制功能。普通仪表的另外两个主要功能:信号分析与处理、结果的表达与输出 ,则主要由计算机内运行的专用软件实现。
     虚拟仪表性能价格比高具体表现在: ①基于通用计算机的虚拟仪表可以使多种仪表共享计算机资源和数据采集设备 ,从而大大增强了仪表的功能和降低了成本; ②虚拟仪表是一个开放性、模块化系统 , 用户能根据各自具体的测试任务、通过各种标准化、模块化的软件模块和硬件板卡组成自己的测试仪表 , 仪表的升级也可以通过简单的软件模块重组完成 ,在多数情况下甚至无需更换硬件; ③虚拟仪表智能化程度高 , 普通仪表的信号分析与处理、输入与输出控制在虚拟仪表中都由计算机软件完成,充分利用了软件强大的运算分析和逻辑判断能力。[page]
     近年来 ,世界各国的虚拟仪表公司开发了不少虚拟仪表开发平台软件 ,其中最早和最具影响的开发软件 ,是 NI 公司采用图形化编程方案的 LabVIEW软件。科研人员和工程师只需选用 LabVIEW中合适的信号分析处理模块和显示控件 ,通过简单的连线和参数设置即可组成各种不同组态的虚拟仪表。在硬件方面,虚拟仪表产品主要以各种数据采集卡为主,辅以各种标准总线组成虚拟仪表系统。
     在实际应用方面 ,国外已有一些应用虚拟仪表的例子。美国 Geomatics公司于采用虚拟仪器开发平台软件开发而成的自动灌溉监测系统。该系统运行在 Macintosh 计算机上 ,以星型结构连接一系列的土壤温度计、压力与流量传感器、电磁阀、水泵等,现场处理器配置有模拟量输入通道、锁存器、继电器 ,并通过 RS232 接口与主机实行串行通信。国内也开发出基于虚拟仪表的原油管道泄漏监测系统。
    

     3.现场总线与虚拟仪表技术相融合的发展趋势
     随着现代工业生产的发展 ,特别是计算机集成制造系统的日益推广和普及 ,生产过程中的各种传感器、智能仪表和智能变送器正呈现出越来越明显的分布式发展趋势 ,这对虚拟仪表的分布性和网络化提出了发展的要求。现场总线技术的发展和应用满足了虚拟仪表这种发展的要求。现场总线的双向数字通信、连接简单可靠、成本低廉正是日趋复杂和网络化的虚拟仪表系统所必需的特性。现场总线控制系统中 ,控制功能分散到现场设备中 ,控制室内仪表装置和监控计算机主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。而虚拟仪表系统中通过现场总线连接起来的各种传感器也可以充分利用监控计算机强大的计算分析和逻辑判断能力 ,提供统一、友好的人机交互界面 ,与控制系统更紧密的融合在一起。现场总线控制系统适应了工业界对数字通信和自动控制的要求 ,而且使控制网络与 Internet 互连 ,构成不同层次的复杂网络成为可能 ,代表了今后工业控制体系发展的一个方向。虚拟仪表技术应用于现场总线控制系统 ,将使现场总线控制系统成为企业的信息神经网络的一部分。企业的信息神经网络通过虚拟仪表系统收集生产过程中的各种信息 ,为企业的经营策略和生产调度提供支持;同时 ,各种生产调度信息也可以直接通过现场总线控制系统传送到生产现场的各国内外已开始有将现场总线与虚拟仪表技术相融合的测控系统面世。如国内的大庆三维公司于2001 年 8 月推出的 HMI/ SCADA 平台 ,采用了LonWorks现场总线作为现场级网络 ,借鉴了 LabVIEW的虚拟仪表思想和技术形成了其组态控制策略编辑器。
    

     4.结束语
     应用现场总线与虚拟仪表技术相融合的测控系统将会充分发挥这两种技术的优势 ,形成互补。借助于现场总线技术的虚拟仪表系统将能实现分布式网络化 ,充分发挥网络上其它设备强大的计算分析和逻辑判断能力。融合虚拟仪表的现场总线控制系统将能提供统一、友好的人机界面 ,适应当代多网合一的发展要求。在完成广州市重点攻关项目“现代温室的网络化人机协同调控系统及开发应用”中融合运用了现场总线和虚拟仪表技术 ,在目前正在进行的研究工作中取得了较好的效果。可以预见 ,现场总线与虚拟仪表技术的融合将是工业自动化和过程控制领域的重要发展趋势之一。