Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)馬玉敏 等Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)The Technology of Interbus Fieldbus馬玉敏張浩朱志浩陸劍峰樊留群(同濟大學(xué)CIMS研究中心上海200092)摘要Intebus現場(chǎng)總線(xiàn)是IEC61158 現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一。 較詳細地介紹了Interbus 現場(chǎng)總線(xiàn)的拓撲結構、故障診斷能力、優(yōu)越性和實(shí)現管控-體化的方法。給出了同濟大學(xué)一菲尼克斯管控一體化實(shí)驗室的系統框架結構。關(guān)鍵詞現場(chǎng)總線(xiàn)Interbus 管控一 體化Abstract Interbus is one of the fieldbus standards of IEC61 158. The topologic structure , capability of fault diagnostics , and advantages of Intebus aswell as the implementation of integration of management and control are described in detail. The frame structure of the system of Tongji University-Phoenix Comprehensive Lab for Fieldbus and Integration of Managementand Control is given.Key words Fieldbus Intebus Integration of management and control現場(chǎng)總線(xiàn)是-種數字化的串行雙向通信系統,它可塊BK總線(xiàn)終端模塊又稱(chēng)中繼站。1 個(gè)Interbus總線(xiàn)系將所有的現場(chǎng)設備(傳感器、執行機構、驅動(dòng)器等與控制統可有255中繼站這個(gè)限制僅僅因為考慮Interbus協(xié)器用一根電纜相聯(lián)接形成設備層的數字化通信網(wǎng)絡(luò )可議長(cháng)度( 4096位= 256x 16位)的原因。1 個(gè)遠程總線(xiàn)完成現場(chǎng)狀態(tài)監測、控制、遠程傳輸等功能。據統計,目段的最大長(cháng)度取決于所用的傳輸介質(zhì)如用銅纜則為前市場(chǎng).上約有40種左右的現場(chǎng)總線(xiàn),在2000年1月宣400m而整個(gè)系統的總長(cháng)為12. 8kmo如果遠程總線(xiàn)供布的IEC61158國際標準中將8種總線(xiàn)( FF H1、Control-電則稱(chēng)為安裝遠程總線(xiàn),它的聯(lián)接電纜是-種混合電Net、Profibus、P-Net、FF HSE、Swif-Net. WorldFIP、Interbus )纜即既傳輸數據同時(shí)也傳輸電壓信號。列入了國際標準形成了多種總線(xiàn)共同競爭的局面。1.2 本地總線(xiàn)段作為IEC61158 標準之- -的Interbus 現場(chǎng)總線(xiàn)由德每個(gè)遠程總線(xiàn)終端模塊BK引出一個(gè)由本地總線(xiàn)國Phoenix Contact 公司開(kāi)發(fā),InterBus 俱樂(lè )部支持。它模塊組成的本地總線(xiàn)段本地總線(xiàn)的任務(wù)是傳輸短距是一種串行總線(xiàn)系統聯(lián)接傳感器/執行器到計算機控離的信號主要運用在控制柜里。本地總線(xiàn)段的模塊制站,廣泛地應用于制造業(yè)的現場(chǎng)控制中。Interbus 已供電電源由遠程終端中繼模塊提供。本地模塊只需要先后成為德國標準DIN19258和歐洲標準EN50254。在提供給變送器和執行器的附加電源。按照采用不同類(lèi)成為IEC61158 一員后,Interbus 將會(huì )得到更大的發(fā)展。型的本地總線(xiàn)模塊本地總線(xiàn)段主要可分ST-本地總線(xiàn)和Inline--本地總線(xiàn)。 本地總線(xiàn)可聯(lián)接的模塊1 Interbus 的拓撲結構數量由終端模塊BK的最大輸出電流及所聯(lián)接的本地Interbus總線(xiàn)系統是-個(gè)數據環(huán)結構。此數據環(huán)模塊所消耗的功率決定。由一個(gè)總線(xiàn)適配控制板和帶有Interbus總線(xiàn)接口的I/O1.3 Interbus Loop段設備所組成。Interbus 總線(xiàn)系統是-個(gè)Master/Slave 結Interbus Loop本地總線(xiàn)段是具有IP65 等級的、可直構總線(xiàn)適配控制板是數據環(huán)控制的中央設備控制數接應用于現場(chǎng)的本地總線(xiàn)段。傳輸介質(zhì)是采用一根兩據與外設之間的交互。芯無(wú)屏蔽的導線(xiàn)。每個(gè)Loop模塊通過(guò)這根導線(xiàn)聯(lián)成Interbus 總線(xiàn)由互相聯(lián)接的總線(xiàn)段(最多255個(gè)一個(gè)環(huán)路。所有的數據信號和24V的模塊供電電源通段)所組成。按照數據傳輸的特性,Interbus可劃分成過(guò)這根導線(xiàn)進(jìn)行傳輸與安裝遠程總線(xiàn)相對應,Interbus三種不同的總線(xiàn)段,即遠程總線(xiàn)段、本地總線(xiàn)段及Loop中國煤化工1個(gè)Loop 環(huán)路可帶63Interbus Loop段。個(gè)模HCNMHG塊之間的最大距離是1.1遠程總線(xiàn)段20mo值得注意的是在遠程總線(xiàn)和本地總線(xiàn)中數據除了第一個(gè)遠程總線(xiàn)段與總線(xiàn)適配控制板相聯(lián)接的進(jìn)出線(xiàn)在同一根電纜中,而在Intebus Loop段中進(jìn)外其他每個(gè)遠程總線(xiàn)段開(kāi)始于-個(gè)遠程總線(xiàn)終端模出線(xiàn)并不包含在同- -電纜中,因此需要連接成-個(gè)環(huán)《自動(dòng)化儀表》第25卷第8期2004 年8月路以形成數據環(huán)。找出故障點(diǎn)并予以排除。此外,DSC控制器還具有出根據工業(yè)控制系統以及工業(yè)現場(chǎng)的需要，利用以錯歷史記錄統計的功能,記錄最新的10個(gè)故障。上不同的Interbus總線(xiàn)段可以構成不同的能夠滿(mǎn)足實(shí)2.2軟件際要求的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構。圖1是一個(gè)典型的In-①CMD軟件terbus 拓撲圖。CMD軟件不僅具有總線(xiàn)組態(tài)的功能,而且還具有總線(xiàn)監控和診斷的功能。通過(guò)RS- 232接口,CMD 可Interbus以實(shí)時(shí)采集到Interbus總線(xiàn)的運作情況,包括運行狀態(tài)總線(xiàn)適配控制板IBsS sT本地總線(xiàn)(ready、active,run等)數據傳輸的質(zhì)量等。當出現故(最多8個(gè)設備)障時(shí),CMD將顯示總線(xiàn)的當前狀態(tài)、故障類(lèi)型、故障位置和故障代碼并給出可能造成故障的原因及其相應的解決方法。與DSC控制器一樣,CMD診斷功能也提供故障統計的功能能詳細記錄每-次故障。|樊重閨p②Diag+軟件Diag+是一個(gè)通用性的Interbus 總線(xiàn)診斷軟件是加速現場(chǎng)調試、快速診斷的有力工具。與CMD軟件相LL似Intebus的運行信息(運行狀態(tài)、數據傳輸周期、識口.別周期、總線(xiàn)故障等等)都可以通過(guò)Diag+取得。此LEnerbus I外Jnterbus總線(xiàn)的詳細樹(shù)狀拓撲結構也能在Diag+中反映出來(lái)。最大20m③標準寄存器圖1 Interbus 典型拓撲結構圖控制板提供兩種類(lèi)型共5個(gè)16位(2個(gè)字節)標準寄存器其中診斷寄存器(2個(gè))和標準功能寄存器(32 Interbus 的故障診斷能力個(gè))用于總線(xiàn)狀態(tài)監控和總線(xiàn)運行的控制。其中CPU現場(chǎng)總線(xiàn)強大的診斷功能是現場(chǎng)總線(xiàn)應用于工業(yè)(PLC通過(guò)診斷寄存器(輸入)來(lái)對總線(xiàn)運行狀態(tài)進(jìn)行控制中的一個(gè)的基本要求,也就是說(shuō)當系統發(fā)生故障監控和診斷并通過(guò)標準功能寄存器(輸出來(lái)控制In-時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)的診斷功能不僅能找出故障而且不需要terbus總線(xiàn)。同時(shí)診斷寄存器包含2個(gè)寄存器其中專(zhuān)用工具就能將故障排除。并且要求更換模塊簡(jiǎn)便診斷狀態(tài)寄存器反映出當前總線(xiàn)故障的類(lèi)型故障的以減少停機時(shí)間提高工作效率。具體參數則在診斷參數寄存器中反映出來(lái)。值得一- 提Interbus 的拓撲網(wǎng)絡(luò )是-一個(gè)環(huán)形系統當總線(xiàn)系統的是在DSC控制器、CMD軟件、Diag+和標準寄存器出現故障、短路或者總線(xiàn)中斷時(shí)從控制器開(kāi)始逐個(gè)模中故障標識是-致的。塊形成環(huán)路，從而找到故障點(diǎn)。與線(xiàn)性系統相比較環(huán)形系統的最大優(yōu)點(diǎn)是在系統發(fā)生故障時(shí)能精確定位線(xiàn)性系統如圖2所示。0凸同時(shí),Interbus 為用戶(hù)的現場(chǎng)診斷提供了多種渠.道具體可劃分為硬件和軟件兩個(gè)方面。2.1硬件環(huán)性系統①I(mǎi)nterbus 模塊Interbus 的電子模塊上的二極管指示燈反映出當圖2環(huán)形系統與線(xiàn)性系統前總線(xiàn)以及本模塊的一些運行/故障狀態(tài)這些信息可以提供給操作人員進(jìn)行在線(xiàn)診斷。中國煤化工3②DSC 控制器YCNMHGInterbus C4 DSC控制器上具有中央診斷顯示,當總IEC61158標準中的八種現場(chǎng)總線(xiàn)都有各自特有的線(xiàn)出現故障時(shí),中央診斷顯示將給出故障類(lèi)型、故障的應用領(lǐng)域。Interbus 適用于過(guò)程領(lǐng)域,與其它的總線(xiàn)相具體位置以及故障代碼操作人員可以根據故障信息比較其優(yōu)越性主要表現在:PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION , Vol.25 ,No.8 Aug. , 2004Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)馬玉敏 等①簡(jiǎn)單即插即用、 無(wú)須設定地址無(wú)終端電阻;僅需一根電纜即可實(shí)現從I/O層到控制層之間的數據②開(kāi)放系列化產(chǎn)品適用各種形式的傳感器、交換?？刂栖浖刹捎梅螴EC1131- 3標準的PC-執行器;WORX軟件,包括組態(tài)軟件SystemWORX.硬件編程軟③標準國際標準IEC 61158、 歐洲標準EN件ProgamWORX、控制圖形化軟件GraphWORX。對50254 ;PLC主控板、組態(tài)軟件則采用CMD軟件,用PLC程序④穩定具有15年應用成熟的技術(shù),15萬(wàn)套系實(shí)現控制。上位設備通過(guò)OPCServer實(shí)現數據的開(kāi)放統運行;和共享。⑤高速4096點(diǎn)傳輸時(shí)間小于7.8ms ;管理層:Interbus通過(guò)專(zhuān)用的接口與以太網(wǎng)實(shí)現互⑥遠程傳輸距離長(cháng),雙絞線(xiàn)為12 . 8km;⑦媒介3種傳輸介質(zhì)(雙絞線(xiàn)、光纖、紅外線(xiàn))因此現場(chǎng)層、控制層使用Interbus系統上層管理可以混合使用;層通過(guò)以太網(wǎng)相連接并和Interbus相聯(lián)，從而用戶(hù)可通⑧可靠較高傳輸效率 較低傳輸速率;過(guò)PC撥號上網(wǎng)對遠方的Interbus網(wǎng)絡(luò )的設備進(jìn)行監⑨診斷準確故障定位 ，詳實(shí)故障信息;控和故障診斷。?發(fā)展PC-Based、以太網(wǎng)、WEB。同濟大學(xué)菲尼克斯管控一體化實(shí)驗室除了能完成現場(chǎng)總線(xiàn)與管控-體化技術(shù)相關(guān)的教學(xué)與技術(shù)培訓4 Interbus 管控-體化的實(shí)現外整個(gè)實(shí)驗裝置也應用在中德政府合作項目遠程服工業(yè)以太網(wǎng)是現場(chǎng)總線(xiàn)的一個(gè)發(fā)展方向也是統務(wù)與工程支持”和數字化工廠(chǎng)”"中為設備的遠程診斷-現場(chǎng)總線(xiàn)標準的一個(gè)解決方案?，F場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現了設和維護以及工廠(chǎng)數字化提供了先進(jìn)的實(shí)驗環(huán)境。備層和過(guò)程層的控制優(yōu)化給企業(yè)帶來(lái)-定的效益 但SCAIDA是要給企業(yè)帶來(lái)整體效益現場(chǎng)總線(xiàn)控制層則必須與企業(yè)管理自動(dòng)化相結合,即管控一體化,Interbus 管控-體化的實(shí)現有以下兩種不同的方案:SCADA數據服務(wù)站 。I wen服務(wù)器①通過(guò)上位機與企業(yè)內部網(wǎng)相聯(lián)通過(guò)OPC技術(shù)實(shí)現底層數據的開(kāi)放與共享;S7.40015C OIC Senver HrCOFC senerT BSBAFCVT②應用Factory Line 以太網(wǎng)技術(shù)。Factory Line 在S7 4021印建立自動(dòng)化操作方面自有一套完整的體系,FactoryLine組件采用緊湊的模塊化結構具有高電磁兼容性系統2易于電纜的敷設和設備功能的診斷。同時(shí)，以WEB技系統3術(shù)為基礎的網(wǎng)絡(luò )管理軟件Factory Management可方便地圖3同濟大學(xué) Interbus 管控-體化實(shí)驗室框架給每個(gè)網(wǎng)絡(luò )模塊設置IP地址查看在線(xiàn)設備的運行狀況并當故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行快速定位。6結論5同濟大學(xué)-菲尼克斯管控-體化實(shí)驗室系現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現了工業(yè)自動(dòng)化革命,僅需一根統構成電纜實(shí)現了數據采集、傳輸和處理從而實(shí)現了工業(yè)控2002年同濟大學(xué)與德國Phoenix公司共同建立同制的分散化控制。Interbus 作為IEC61158 標準之一在濟大學(xué)菲尼克斯管控一體化實(shí)驗 室,旨在推廣Intebus全球得到了1000多家總線(xiàn)設備生產(chǎn)商支持，并廣泛應技術(shù)的研究和應用。實(shí)驗室系統框架結構如圖3所用在汽車(chē)、物流、造紙、煙草等行業(yè)。在我國,Interbus示這也是Interbus工廠(chǎng)自動(dòng)化的整體解決方案。整個(gè)也已應用在生產(chǎn)線(xiàn).上,如上海大眾的Polo和Passat油實(shí)驗室劃分為3個(gè)層次:漆生產(chǎn)線(xiàn)上就全面使用了Interbus 技術(shù)?，F場(chǎng)層:包括遠程終端模塊、數字和模擬I/O模.中國煤化工'全面的闡述并以同濟塊、專(zhuān)用模塊如計數器和V.24模塊、顯示模塊、電機驅大學(xué)YHC NMH G室為例提出了一個(gè)完動(dòng)器等。整的自動(dòng)化解決方案。由此,Interbus 在控制上可擴展控制層選用PLC( Simatic S7 - 400 ) PC和VME作性、故障可診斷性及在管控- -體化的實(shí)現等方面都具為主設備。只要在主設備上安裝相應的控制板這樣(下轉第9頁(yè))3氣動(dòng)執行器故障診斷與容錯控制的研究進(jìn)展師黎等ence Publication，19980王景成邵惠鶴.不確定時(shí)滯系統的基于Razumikhin定理的魯棒13 w. B. Bumbar,R. A. de Callafon, and J. B. Kosmatka. CoulonbH∞可靠控制.自動(dòng)化學(xué)報2002 28( 2) 262 ~ 266and viscous friction fault detection with application to a pneumatic actua-21韓清龍 俞金壽.不確定性連續系統具有完整性的反饋設計新方tor. 2001 IEEE/ASME Intemational Conference on Advanced Itelligent法.自動(dòng)化學(xué)報,1998 24( 6).768 ~ 775Mechatronics Proceedings , 20012向崢嶸陳慶偉胡作禮.具有執行器故障的不確定Delta算子系14王愛(ài)平.參考模型自適應方法在非線(xiàn)性執行器故障診斷中的應統魯棒H∞控制控制與決策2201 16(4 )491 -493用.控制理論與應用1999 J64)587 ~ 59023孫金生王執銓.魯棒容錯H∞控制系統設計.控制理論與應用,15 McCheeJ. , HendesonI. A. ,and Baird A. Neurl Network Applied2001 ,18 增刊)47 ~49for lenification and Fault Diagnosis of Process Valves and Actuators .24宋華張洪鉞.模糊非線(xiàn)性奇偶方程故障診斷方法.自動(dòng)化學(xué)報,Measurement: Joumal of the Intemational Measurement Conference ，2003 29 6) 965 ~ 9701997 20( 4)267 ~ 27525 張穎偉王劍張嗣瀛.一 類(lèi)組合大系統的容錯控制東北大學(xué)學(xué)16 s. Chillari , s. Guccione and G. Muscato An Experimental Comparison報200021(4)351 ~ 353Between Several Pneumatic Position Control Methods. Proe. of the 40"26 Su Wuchung and Kuo Chunyen. Vaniable structure control of a rodlessIEEE Conference on Decision and Control , 2001168 ~ 1173servoactuator with discontinuous sliding surfaces. Proc. of the America17 T. Acaman , C. Hatipoglu , A Robust Nonlinear Contoller Design for aControl Conference , 2000Pneumatic Actuator. Proc. of the America Control Conference , 2001 :4490 ~ 4495.收稿日期2004-02 -05。18 s. Shibata ,M. Jindai , and A. Shimiza. Neuro Fuzy Control for Pneu-第一作者師黎女,1964 年生,1985 年畢業(yè)于大連理工大學(xué),1988 年natic Servo Sytem. Proe. of the Amerca Control Conference , 2000獲碩士學(xué)位2001年作為上海大學(xué)和加拿曼尼托巴大學(xué)聯(lián)合培養博士研19周玉國張穎偉，王福利.不確定非線(xiàn)性系統的容錯控制.東北大究生赴加拿大進(jìn)行博士論文的研究工作研究方向為智能故障診斷與容學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2002 23(5) 409 ~ 412錯控制。(上接第3頁(yè))有強大的能力在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。收稿日期2003-06 -30。參考文獻第一作者馬玉敏，女,1971年生1994年畢業(yè)于同濟大學(xué)1999年獲1張浩,譚克勤朱守云主編.現場(chǎng)總線(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )應用技術(shù)碩士學(xué)位2002年獲博士學(xué)位,講師研究方向制造系統與工業(yè)過(guò)程控制。手冊.第1冊.上海上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2002(上接第11頁(yè))統的人機界面友好操作簡(jiǎn)單方便具有較好的抗干擾曲線(xiàn)亦有較大波動(dòng),即輸送過(guò)程不穩定。采用流化空性、運行穩定性、可擴展性和較高的控制精度。氣、罐壓調整和補氣相結合方法時(shí)其輸送特性如圖5由于采用了恰當的控制策略,該流化式氣力輸送所示補氣后的稱(chēng)量曲線(xiàn)變得平滑,且近似成直線(xiàn)罐系統成功實(shí)現了固體物料的密相遠距離輸送輸送固壓被控制在一個(gè)較小范圍內波動(dòng)物料瞬時(shí)流量的變氣比可達100,輸送距離超過(guò)1000m具有較強的輸送化量被控制在土7%以?xún)?。能力。參考文獻.-400 S1趙軍 劉宗明陸海東胡壽根.基于現場(chǎng)總線(xiàn)的粉煤灰濃相氣力輸送控制系統.儀器儀表學(xué)報2003 24(8)33- -35.2002黃標 .氣力輸送.上海上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1984.100 護3周建剛沈頤身,馬恩祥等.粉體高濃度氣力輸送控制與分配技0102030405060術(shù).北京冶金工業(yè)出版社,1996.時(shí)閫1/s1-R;2-G圖5補 氣調節后罐壓與重量變化中國煤化工97201302 )山東省自然科學(xué)基金項HHCNMHG4結束語(yǔ)收桐日期2004-01 -07。第-作者趙軍男,1967年生2004年于上海理工大學(xué)獲博士學(xué)位;實(shí)驗和現場(chǎng)實(shí)際應用表明, 氣力輸送集散控制系研究領(lǐng)域兩相流理論流體機械及工程自動(dòng)控制技術(shù)。9