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现场总线的现状及其发展趋势

发布:2016-08-10 | 作者: | 来源: zhoushibo | 查看:1648次 | 用户关注:

现场总线的现状及其发展趋势现场总线的现状1.现场总线的国际标准(1)IECTC65(IEC第65技术委员会)1999年底IEC通过的现场总线标准IEC1158共有8种类型,2003年有了修订版,将8种类型增加了2种,达10种类型,其内容如付表所示。(2)IECTC17(IEC第17技术委员会)IEC62026有4中现场总线类型即AS-i(ActuatorSensor-interface执行器传感器接口),主要由Siemens公司支持;DeviceNet(Rockwell公司);SDS(SmartDistributedSystem
现场总线的现状及其发展趋势
现场总线的现状
1.现场总线的国际标准
(1)IECTC65(IEC第65技术委员会)
1999年底IEC通过的现场总线标准IEC1158共有8种类型,2003年有了修订版,将8种类型增加了2种,达10种类型,其内容如付表所示。


(2)IECTC17(IEC第17技术委员会)
IEC62026有4中现场总线类型即AS-i(Actuator Sensor-interface执行器传感器接口),主要由Siemens公司支持;DeviceNet( Rockwell公司);SDS(Smart Distributed System灵巧式分散型系统)(美Honeywell);Serilex(串联多路控制总线)。
(3)ISO11898与ISO11519
ISO(International Standardization Organization国际化标准组织)亦是制订国际标准的3个组织之一。
CAN ISO11898(1Mbit/s)
CAN ISO11519(125kbit/s)
CAN主要由德国Robert Bosch公司支持。
综上所述,IEC61158虽有10种类型,但类型1、5、9实际上都属于FF,因此可归纳为8中现场总线,加上IEC62026的4种与ISO的1种,共计有13种现场总线技术国际标准。
2.实际工业以太网的国际标准
(1)PAS
由于实时工业以太网的技术发展很快,而IEC/TC65在2002年决定,在2007年开始对现场总线国际标准IEC61158进行修订之前,不再增加新的类型,但又考虑到要适应市场的需要和技术的发展,经过相关成员得闷投票同意(简单多数赞成票)而将某些成熟的技术规范直接发布的一种标准化文件PPAS(Publicly Available Specification),即公共可用规范。
在2004年1月在法国召开的IEC会议上,有6种实时工业以太网申请成为PAS ,这6种是中国的EPA( Ethernet for Plant Automation主要由浙大中控支持),德国Beckhoff公司的Ether CAT(Ethernet for Control and Automation Technology),日本横河的V-net,日本东芝的TCnet,欧洲开放网络联合会的IAONA的EPL(Ethernet Powerlink)和法国施耐得的MODBUS TUP(RIPS)。
2005年2月26日经过投票表决EPA正式称为IEC的PAS。有效期为2年。
(2)IEC61784-2
〕IEC61784是“与工业控制系统中使用的现场总线有关的用于连续和离散制造的行规集”。它描述IEC61158中规定的“服务”集的子集,该子集用于特定的现场总线系统的通信或基于以太网系统的通信。用这种方法定义的特定的通信行规(CP)被组合在“通信行规簇(CPF Communication Profile Family)中并对应于他们在各自通信系统中的使用情况。”
2004年1月IEC/SC65C在法国召开会议,会上规定起草实时以太网标准,即IEC61784-2。它包括IEC61158中规定的现场总线在实时以太网应用中的行规(类型1~9)以及将要发布的PAS行规,即CPF作为类型10~15。
2005年12月IEC、SC65C在美国开会确定了IEC61158新版本(第4版)将以现版本(第3版)为基础,加入已称为PAS文件的实时以太网解决方案,成为新的IEC61158现场总线标准。经讨论IEC61158(第4版)将包括14类现场总线技术,IEC61784中将包括39种通信行规。
IEC61158的第4版将在2007年投票表决,确定是否成立正式的国际标准。
3.现场总线的应用状况
()PROFIBUS
PROFIBUS非常注意市场的推广。到2005年为止,PROFIBUS已在世界上安装了1300万个节点。占世界上第1位,主要是他的DP,而且PROFIBUS以每年30%的速度在增涨。到2007年将达到2000万个节点以上。
(2)Interbus
2005年Interbus累计销售了750万个节点。占世界上第2位。主要应用于FA领域。
(3)FF
2006年2月28日FF的年会在上海召开。FF总载Timong在会上的报告中提到,FF在全世界已安装运行了60万台现场设备和1万套现场总线系统。特别是上海的Secco90万t乙烯工程和广东惠州的80万t乙烯工程建成,标志着FF进入了大型工程应用的新阶段。FF的安全仪表系统(SIS)完成了开发,得到了TÜV的认证。
4.二个“示范工程”
(1)上海赛科(Secco)90万T乙烯工程
1)概况
①10套独立的工厂,他们是聚乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯、聚丙烯、芳烃油提、丁二烯和乙烯、甲基丙烯酸甲脂、有机硅树脂、丙烯腈、OSBL(公用工程和界外设施)。年产230万t。
②工程总投资:27.48亿美元。
③投资比例:亿诺化学(原为英国石油BP公司)50%;中国石化30%;上海石化20%。
④工程进度:2004年8月启动,2005年6月29日宣布正式投产。
2)自控规模
①总回路数:48200个
②总位号:168000个。
③现场总线仪表设备54025台,其中FF现场设备14375台,占26.6%。
④电缆根数:66000根,其中FF的HI网段2473个,平均每个网段上挂5.8台FF现场设备。
⑤工作站数目:164个。
⑥MD控制站130个。
⑦现场接线箱5300个。
3)主要仪表供货商(MIV)为Emerson公司
4)中央控制室和外站
①全厂设一个中央控制室,所有生产控制、公用工程及辅助设备的操作控制和生产管理全部集中。
②全厂设15个外站,分别设在各生产装置设施内,除各种控制系统和机柜外,还有带工程师属性的操作站,外站面积在50~300m2之间,全部按防爆结构设计。
③各外站到中央控制室之间采用双冗余光纤电缆通信方式传输,最长距离约2.5km。
5)自控系统的设备选型
①DCS与FCS相结合:系统框架为Emerson的PlantWeb,采用10套DeltaV。
②安全仪表系统,HIMA。
③现场仪表:FF、HART。
6)现场总线的控制方式
基本的调节功能原则上放在现场只能阀门定位器中执行。
7)HI网段上的设备数量
规定每个HI要安装12台设备,色计为9台,实际平均安装5.8台。
(2)德国尼德豪森电厂
1)概况 尼德豪森电厂位于德国西部,该厂的K机组采用了热电联产方式,总出力达到101.2万kW,该机组为超超临界机组,主汽温度为580℃,主汽压力达到27MPa。由于采用了过程优化技术,整个机组的效率达到了45%。由于采用了PROFIBUS现场总线技术,号称目前全球范围内全面采用数字化电厂技术的装机容量最大的机组。
2)工程进度2002年12月投入商业运行。
3)供货商及供货范围 西门子。包括DCS、DEH、变送器、智能高中压配电系统,低压配电系统、电磁阀、阀门定位器、电动执行机构、MIS、SIS及主控室设计。
4)自控规模 模拟量I/O 2703个,开关量I/O 3865个。智能马达保护装置721个,电磁阀670个、阀门定位器957个、电动执行机构698台。
5)系统配置:共分3个层次,即操作管理层、过程控制层和现场设备层。操作管理层集成了SIS(监控信息系统Supervisory Information System),MIS(信息管理系统)和ERP(企业资源规划)功能。
现场总线采用PROFIBUS,包括DP与PA,也有部分HAPT仪表。DP总线有20个双绞线总线段和40个光纤总线段。
6)达到的水平:由于DCS系统中大量采用了PROFIBUS。通过现场总线将智能仪表、高低压智能保护装置接入DCS,同时现场设备的管理信息、设备维修信息等通过现场总线进入DCS和上层SIS/MIS软件,从而实现了机组的优化操作及优化维修管理,使整个机组仅配备一个操作员。
5、实时工业以太网是当前的一个热点
以太网在信息领域内已获得广泛应用,由于以太网的优势在于技术上成熟,软硬件资源丰富;市场上容易购得;通信速率高,目前已有100~1000M,而且发展潜力大;价格便宜;热已有熟练的经验,因此已成功地用于工业控制领域,当然以太网要从条件优越的IT环境下进入工业领域,必须采取下列措施:采用优质元器件及材料;要适应机械环境(如耐振动、耐冲击)气候环境(如温度要求-40℃~85℃,并要耐腐蚀,防尘与防水)以及适应电磁的干扰。这样价格就要贵得多,但由于具有优越的性能,目前已获得广泛应用。在国内比较知名的厂商就有德国的赫斯曼,美国的卓越等公司。但目前只在车间一级的主干网上应用。
那么工业以太网能否在企业内部现场这一层上获得应用呢?如果能行,那么从企业的ERP(企业资源规划)、MES(制造执行系统),PCS(过程控制系统)层再往下到现场层,实现e网到底无缝连接岂不更好,但由于以太网所采用的CSMA/CD载波监听多路访问冲突检测的方法是一种非实际性,在时间上不具有确定性的通信方式,不能满足现场仪表或设备这一层的通信要求。
但是在采用增加带宽,提高通信速率(如达到100M);降低网络负荷(如低于10%);采用全双工通信以及采用星形网络结构的交换机以后,就可以满足实时通信和在时间上具有确定性的通信要求了。因此实时工业以太网一下子就热了起来,目前就有PROFINET和浙大中控的EPA等。但都还不完善(如供电、防爆等)都还有待于妥善解决。
6、仪表安全系统SIS(Safety Instrumented System)成为当前的一个亮点
当前安全问题日益得到人们的重视,这是由于生产的规模不断扩大,生产工艺日益强化,一旦发生事故其危害的程度也越大,这些血的教训使我们记忆犹新。为此IEC制定了有关功能安全的标准IEC61508及有关流程工业的安全标准IEC61511。现在各大公司纷纷提出了有关功能安全的产品和措施,一时成为当前的一个亮点。如PROFIBUS首先推出了PROFIsafe的行规,Emerson也有了SIS的概念与产品,横河也推出了PROsafe-RS,浙大中控也有了EPAsafety。这个潮流正方兴未艾。
存在的问题及今后的发展趋势
1.现场总线的国际标准还会更多
到2007年现场总线的国际标准还会增加,单以IEC61158而言,由于有IEC61784-2实时以太网的加入,其标准将会由目前的10种增加到18种。甚至还会更多。
2.种类虽多,但却会此消彼长
SwiftNet将会在标准中被删去而SDS也会“淡出江湖”;World FIP源自法国的国家标准FIP,过去受到法国大企业Alstom及Schneider等的支持,但目前Schneider已有了自己的MODBUS-TCP和MODBUS-RTPS,对World FIP的支持力度将会下降;SERCOS(Serial Real time Communication System)也一样,Rockwell由于也有了自己的ConrtolNet/IP,将会减少对他的支持力度;而P-NET的前途也堪忧。
3.实时工业以太网还会快速发展
已有的PROFINET和EPA等将会不断完善;而新的实时工业以太网(RTE)也会不断出现。
4.网络附件存在着商机
由于各种现场总线包含今后的实时工业以太网在内将会同时并存,因此沟通他们的一些接口,网桥等附件,存在着商机建议一些中小企业雨衣关注。
5.实时以太网目前在PA方向存在着薄弱环节
目前对制订标准防线存在着两种截然不同的理念,一种是以PROFINET为代表,即先有标准,再有产品,其优点在于可以掌握先机,扩大影响,因此PROFINET首先进入IEC61158(第三版)正式成为国际标准。但这里的PROFINET仅是他的CBA是基于组件的自动化,这对莉萨工业(FA工厂自动化)是非常适用的,由于他将生产线的各个工序做成模块存储起来到应用时,选择各个模块再组合起来,的确是既省时又省钱,用在汽车或饮料生产线上真是得心应手非常方便。但是如要应用于连接工业PA过程自动化时,特别是以热交换为特征的生产过程就存在着问题。以炼铁的高炉为例,其理化反应十分复杂,至今尚未完全掌握其机理,很难用数学模型予以精确的描述,做成组件也难。因此在PA方面存在着薄弱环节。据悉西门子成立了专门小组以从事PA方面的研究。
而非常适用于PA的FF,却是另外一种理念,即只有当FF旗下有二家公司生产了实时以太网的产品,经过试验才制订自己的标准,也就是说得先有产品再有标准,这种做法当然稳妥,但未免有稳健有余而闯劲不足之嫌。
再看一下IEC61784-2标准中,几乎都是适用于FA的标准,只是EPA,根据浙大中控的企业文化,注定EPA会优先考虑在PA方向的应用。这正是EPA的机遇所在,希望EPA能珍重此良机而有所作为。
6.“示范工程”并不典型
从分析本文所列的2个所谓“示范工程”来看:系统的规模虽然并不算小,但实际上这2个工程并不是完全的现场总线控制系统FCS,而是DCS与现场总线仪表的混合系统。在Secco中FF仪表仅占26.6%,还有HART仪表并不能算属于现场总线的范畴,因为HART仪表是在4~20mA的直流信号上叠加了数字信号,而现场总线的定义明确规定现场总线是全数字化的,HART仅仅是从4~20mA的模拟信号制过渡到全数字化的现场总线的产品而已。因此这2个工程无论从结构和效益上来看都与真正的FCS存在着差异。
7.FCS的效益问题
从国外的报道,FCS整个产品周期来看是有效益的,但由于国情的不同,效益就要重新计算。首先国内一般对硬件的价格是敏感的;而从软的方向(指工程设计费用、调试、安装、运行和维护费用)所获得的效益,由于工资上存在着较大的差异这笔账是要细细地计算的,但不管怎么样,这折扣是肯定要打的。
其次,FCS所收集的数据经过分析,整理后上报,信息需要及时引用并采取相关措施后才能使生产创造效益,这又与该企业的人员素质和管理水平息息相关。虽然由先进的工具归纳出来的信息而不善于及时应用是徒劳的,最终只能浪费了投资。
8.目前的用户更加成熟,更加具有理性
试看有些项目,如新疆的独山子工程并不套用Secoo的模式,没有采用现场总线。不像过去20世纪60年代的计算机热和20世纪70年代末、80年代初的DCS热,那时候一哄而起,大部分DCS处于低于平运行,有些外商得了便宜还卖乖,说什么你们的DCS只发挥了25%~30%的功能。
9.实现SIS的集成缺乏可操作性
功能安全还会得到进一步的发展,目前有关的国际标准也已有了,有些公司也已推出了有关产品,有关功能安全的文章也在刊物上发表了不少,但是作为用户,迫切需要的却是集成仪表安全系统(SIS)的可操作性。
按照国际标准的规定,将安全等级分为4级即SIL1~4。其中SIL4等级为最高。所谓SIL其全名为安全完整性等级(Safety Integrity Level),英文缩写为SIL,由每小时发生的危险失效概率来区分(SIL2为≥10-7至<10-6;SIL3为≥10-8至<10-7)。
生产过程所需要的安全等级由专门的生产工艺公司来评估确定。一般对安全要求比较高的工艺生产过程需要的安全等级为SIL3。
因此,当用户选定了通过认证过的SIL3的仪表与装置组成的系统后如何简要地进行计算,验证符合SIL3的 要求,就成为当务之急了。
10.今后DCS与FCS在一段时期内将会共存。
现场总线的国际标准将会增多,第一代基于总线的现场总线尚未得到普及,而第二代基于网络(实时工业以太网)的现场总线又已崛起,未免使有些用户感到困惑,无奈而等待,因此,DCS与FCS将会共存一段时期。
结 束 语
EPA是我国自主创新的基于实时以太网的现场总线,已经入味IEC61784-2国际标准并正式成为PAS文件。遗憾的是EPA safety在2006年3月未能顺利进入正式起草的IEC61784-3中,好在2年后还能补考,还有着机会。因此谨以8个字寄望于EPA作为本文的结束语,这8个字就是“珍惜机遇、任重道远”。


转自: 电气时代杂志 

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