Interbus現(xiàn)場總線技術(shù)馬玉敏 等Interbus現(xiàn)場總線技術(shù)The Technology of Interbus Fieldbus馬玉敏張浩朱志浩陸劍峰樊留群(同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心上海200092)摘要Intebus現(xiàn)場總線是IEC61158 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。 較詳細(xì)地介紹了Interbus 現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障診斷能力、優(yōu)越性和實(shí)現(xiàn)管控-體化的方法。給出了同濟(jì)大學(xué)一菲尼克斯管控一體化實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞現(xiàn)場總線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(xiàn)場總線是-種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng),它可塊BK總線終端模塊又稱中繼站。1 個(gè)Interbus總線系將所有的現(xiàn)場設(shè)備(傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器等與控制統(tǒng)可有255中繼站這個(gè)限制僅僅因?yàn)榭紤]Interbus協(xié)器用一根電纜相聯(lián)接形成設(shè)備層的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)可議長度( 4096位= 256x 16位)的原因。1 個(gè)遠(yuǎn)程總線完成現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測、控制、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?。?jù)統(tǒng)計(jì),目段的最大長度取決于所用的傳輸介質(zhì)如用銅纜則為前市場.上約有40種左右的現(xiàn)場總線,在2000年1月宣400m而整個(gè)系統(tǒng)的總長為12. 8kmo如果遠(yuǎn)程總線供布的IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)中將8種總線( FF H1、Control-電則稱為安裝遠(yuǎn)程總線,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(shù)據(jù)同時(shí)也傳輸電壓信號(hào)。列入了國際標(biāo)準(zhǔn)形成了多種總線共同競爭的局面。1.2 本地總線段作為IEC61158 標(biāo)準(zhǔn)之- -的Interbus 現(xiàn)場總線由德每個(gè)遠(yuǎn)程總線終端模塊BK引出一個(gè)由本地總線國Phoenix Contact 公司開發(fā),InterBus 俱樂部支持。它模塊組成的本地總線段本地總線的任務(wù)是傳輸短距是一種串行總線系統(tǒng)聯(lián)接傳感器/執(zhí)行器到計(jì)算機(jī)控離的信號(hào)主要運(yùn)用在控制柜里。本地總線段的模塊制站,廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)的現(xiàn)場控制中。Interbus 已供電電源由遠(yuǎn)程終端中繼模塊提供。本地模塊只需要先后成為德國標(biāo)準(zhǔn)DIN19258和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50254。在提供給變送器和執(zhí)行器的附加電源。按照采用不同類成為IEC61158 一員后,Interbus 將會(huì)得到更大的發(fā)展。型的本地總線模塊本地總線段主要可分ST-本地總線和Inline--本地總線。 本地總線可聯(lián)接的模塊1 Interbus 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)量由終端模塊BK的最大輸出電流及所聯(lián)接的本地Interbus總線系統(tǒng)是-個(gè)數(shù)據(jù)環(huán)結(jié)構(gòu)。此數(shù)據(jù)環(huán)模塊所消耗的功率決定。由一個(gè)總線適配控制板和帶有Interbus總線接口的I/O1.3 Interbus Loop段設(shè)備所組成。Interbus 總線系統(tǒng)是-個(gè)Master/Slave 結(jié)Interbus Loop本地總線段是具有IP65 等級(jí)的、可直構(gòu)總線適配控制板是數(shù)據(jù)環(huán)控制的中央設(shè)備控制數(shù)接應(yīng)用于現(xiàn)場的本地總線段。傳輸介質(zhì)是采用一根兩據(jù)與外設(shè)之間的交互。芯無屏蔽的導(dǎo)線。每個(gè)Loop模塊通過這根導(dǎo)線聯(lián)成Interbus 總線由互相聯(lián)接的總線段(最多255個(gè)一個(gè)環(huán)路。所有的數(shù)據(jù)信號(hào)和24V的模塊供電電源通段)所組成。按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?Interbus可劃分成過這根導(dǎo)線進(jìn)行傳輸與安裝遠(yuǎn)程總線相對應(yīng),Interbus三種不同的總線段,即遠(yuǎn)程總線段、本地總線段及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(yuǎn)程總線段20mo值得注意的是在遠(yuǎn)程總線和本地總線中數(shù)據(jù)除了第一個(gè)遠(yuǎn)程總線段與總線適配控制板相聯(lián)接的進(jìn)出線在同一根電纜中,而在Intebus Loop段中進(jìn)外其他每個(gè)遠(yuǎn)程總線段開始于-個(gè)遠(yuǎn)程總線終端模出線并不包含在同- -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(shù)據(jù)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(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)以及工業(yè)現(xiàn)場的需要，利用以錯(cuò)歷史記錄統(tǒng)計(jì)的功能,記錄最新的10個(gè)故障。上不同的Interbus總線段可以構(gòu)成不同的能夠滿足實(shí)2.2軟件際要求的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1是一個(gè)典型的In-①CMD軟件terbus 拓?fù)鋱D。CMD軟件不僅具有總線組態(tài)的功能,而且還具有總線監(jiān)控和診斷的功能。通過RS- 232接口,CMD 可Interbus以實(shí)時(shí)采集到Interbus總線的運(yùn)作情況,包括運(yùn)行狀態(tài)總線適配控制板IBsS sT本地總線(ready、active,run等)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量等。當(dāng)出現(xiàn)故(最多8個(gè)設(shè)備)障時(shí),CMD將顯示總線的當(dāng)前狀態(tài)、故障類型、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(yīng)的解決方法。與DSC控制器一樣,CMD診斷功能也提供故障統(tǒng)計(jì)的功能能詳細(xì)記錄每-次故障。|樊重閨p②Diag+軟件Diag+是一個(gè)通用性的Interbus 總線診斷軟件是加速現(xiàn)場調(diào)試、快速診斷的有力工具。與CMD軟件相LL似Intebus的運(yùn)行信息(運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸周期、識(shí)口.別周期、總線故障等等)都可以通過Diag+取得。此LEnerbus I外Jnterbus總線的詳細(xì)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也能在Diag+中反映出來。最大20m③標(biāo)準(zhǔn)寄存器圖1 Interbus 典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖控制板提供兩種類型共5個(gè)16位(2個(gè)字節(jié))標(biāo)準(zhǔn)寄存器其中診斷寄存器(2個(gè))和標(biāo)準(zhǔn)功能寄存器(32 Interbus 的故障診斷能力個(gè))用于總線狀態(tài)監(jiān)控和總線運(yùn)行的控制。其中CPU現(xiàn)場總線強(qiáng)大的診斷功能是現(xiàn)場總線應(yīng)用于工業(yè)(PLC通過診斷寄存器(輸入)來對總線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制中的一個(gè)的基本要求,也就是說當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障監(jiān)控和診斷并通過標(biāo)準(zhǔn)功能寄存器(輸出來控制In-時(shí)現(xiàn)場總線的診斷功能不僅能找出故障而且不需要terbus總線。同時(shí)診斷寄存器包含2個(gè)寄存器其中專用工具就能將故障排除。并且要求更換模塊簡便診斷狀態(tài)寄存器反映出當(dāng)前總線故障的類型故障的以減少停機(jī)時(shí)間提高工作效率。具體參數(shù)則在診斷參數(shù)寄存器中反映出來。值得一- 提Interbus 的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是-一個(gè)環(huán)形系統(tǒng)當(dāng)總線系統(tǒng)的是在DSC控制器、CMD軟件、Diag+和標(biāo)準(zhǔn)寄存器出現(xiàn)故障、短路或者總線中斷時(shí)從控制器開始逐個(gè)模中故障標(biāo)識(shí)是-致的。塊形成環(huán)路，從而找到故障點(diǎn)。與線性系統(tǒng)相比較環(huán)形系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能精確定位線性系統(tǒng)如圖2所示。0凸同時(shí),Interbus 為用戶的現(xiàn)場診斷提供了多種渠.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(tǒng)①Interbus 模塊Interbus 的電子模塊上的二極管指示燈反映出當(dāng)圖2環(huán)形系統(tǒng)與線性系統(tǒng)前總線以及本模塊的一些運(yùn)行/故障狀態(tài)這些信息可以提供給操作人員進(jìn)行在線診斷。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(dāng)總IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中的八種現(xiàn)場總線都有各自特有的線出現(xiàn)故障時(shí),中央診斷顯示將給出故障類型、故障的應(yīng)用領(lǐng)域。Interbus 適用于過程領(lǐng)域,與其它的總線相具體位置以及故障代碼操作人員可以根據(jù)故障信息比較其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在:PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION , Vol.25 ,No.8 Aug. , 2004Interbus現(xiàn)場總線技術(shù)馬玉敏 等①簡單即插即用、 無須設(shè)定地址無終端電阻;僅需一根電纜即可實(shí)現(xiàn)從I/O層到控制層之間的數(shù)據(jù)②開放系列化產(chǎn)品適用各種形式的傳感器、交換?？刂栖浖刹捎梅螴EC1131- 3標(biāo)準(zhǔn)的PC-執(zhí)行器;WORX軟件,包括組態(tài)軟件SystemWORX.硬件編程軟③標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158、 歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定具有15年應(yīng)用成熟的技術(shù),15萬套系實(shí)現(xiàn)控制。上位設(shè)備通過OPCServer實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的開放統(tǒng)運(yùn)行;和共享。⑤高速4096點(diǎn)傳輸時(shí)間小于7.8ms ;管理層:Interbus通過專用的接口與以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互⑥遠(yuǎn)程傳輸距離長,雙絞線為12 . 8km;⑦媒介3種傳輸介質(zhì)(雙絞線、光纖、紅外線)因此現(xiàn)場層、控制層使用Interbus系統(tǒng)上層管理可以混合使用;層通過以太網(wǎng)相連接并和Interbus相聯(lián)，從而用戶可通⑧可靠較高傳輸效率 較低傳輸速率;過PC撥號(hào)上網(wǎng)對遠(yuǎn)方的Interbus網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)⑨診斷準(zhǔn)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(jì)大學(xué)菲尼克斯管控一體化實(shí)驗(yàn)室除了能完成現(xiàn)場總線與管控-體化技術(shù)相關(guān)的教學(xué)與技術(shù)培訓(xùn)4 Interbus 管控-體化的實(shí)現(xiàn)外整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置也應(yīng)用在中德政府合作項(xiàng)目遠(yuǎn)程服工業(yè)以太網(wǎng)是現(xiàn)場總線的一個(gè)發(fā)展方向也是統(tǒng)務(wù)與工程支持”和數(shù)字化工廠”"中為設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷-現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)解決方案。現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)了設(shè)和維護(hù)以及工廠數(shù)字化提供了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。備層和過程層的控制優(yōu)化給企業(yè)帶來-定的效益 但SCAIDA是要給企業(yè)帶來整體效益現(xiàn)場總線控制層則必須與企業(yè)管理自動(dòng)化相結(jié)合,即管控一體化,Interbus 管控-體化的實(shí)現(xiàn)有以下兩種不同的方案:SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)站 。I wen服務(wù)器①通過上位機(jī)與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)相聯(lián)通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的開放與共享;S7.40015C OIC Senver HrCOFC senerT BSBAFCVT②應(yīng)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(jié)構(gòu)具有高電磁兼容性系統(tǒng)2易于電纜的敷設(shè)和設(shè)備功能的診斷。同時(shí)，以WEB技系統(tǒng)3術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)管理軟件Factory Management可方便地圖3同濟(jì)大學(xué) Interbus 管控-體化實(shí)驗(yàn)室框架給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)置IP地址查看在線設(shè)備的運(yùn)行狀況并當(dāng)故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行快速定位。6結(jié)論5同濟(jì)大學(xué)-菲尼克斯管控-體化實(shí)驗(yàn)室系現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化革命,僅需一根統(tǒng)構(gòu)成電纜實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控2002年同濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)之一在濟(jì)大學(xué)菲尼克斯管控一體化實(shí)驗(yàn) 室,旨在推廣Intebus全球得到了1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商支持，并廣泛應(yīng)技術(shù)的研究和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖3所用在汽車、物流、造紙、煙草等行業(yè)。在我國,Interbus示這也是Interbus工廠自動(dòng)化的整體解決方案。整個(gè)也已應(yīng)用在生產(chǎn)線.上,如上海大眾的Polo和Passat油實(shí)驗(yàn)室劃分為3個(gè)層次:漆生產(chǎn)線上就全面使用了Interbus 技術(shù)。現(xiàn)場層:包括遠(yuǎn)程終端模塊、數(shù)字和模擬I/O模.中國煤化工'全面的闡述并以同濟(jì)塊、專用模塊如計(jì)數(shù)器和V.24模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)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(kuò)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(xiàn)等方面都具為主設(shè)備。只要在主設(shè)備上安裝相應(yīng)的控制板這樣(下轉(zhuǎn)第9頁)3氣動(dòng)執(zhí)行器故障診斷與容錯(cuò)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(tǒng)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(bào)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(xù)系統(tǒng)具有完整性的反饋設(shè)計(jì)新方tor. 2001 IEEE/ASME Intemational Conference on Advanced Itelligent法.自動(dòng)化學(xué)報(bào),1998 24( 6).768 ~ 775Mechatronics Proceedings , 20012向崢嶸陳慶偉胡作禮.具有執(zhí)行器故障的不確定Delta算子系14王愛平.參考模型自適應(yīng)方法在非線性執(zhí)行器故障診斷中的應(yīng)統(tǒng)魯棒H∞控制控制與決策2201 16(4 )491 -493用.控制理論與應(yīng)用1999 J64)587 ~ 59023孫金生王執(zhí)銓.魯棒容錯(cuò)H∞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).控制理論與應(yīng)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.模糊非線性奇偶方程故障診斷方法.自動(dòng)化學(xué)報(bào),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 類組合大系統(tǒng)的容錯(cuò)控制東北大學(xué)學(xué)16 s. Chillari , s. Guccione and G. Muscato An Experimental Comparison報(bào)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(yǎng)博士研19周玉國張穎偉，王福利.不確定非線性系統(tǒng)的容錯(cuò)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?yàn)橹悄芄收显\斷與容學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2002 23(5) 409 ~ 412錯(cuò)控制。(上接第3頁)有強(qiáng)大的能力在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。收稿日期2003-06 -30。參考文獻(xiàn)第一作者馬玉敏，女,1971年生1994年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)1999年獲1張浩,譚克勤朱守云主編.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(tǒng)與工業(yè)過程控制。手冊.第1冊.上海上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2002(上接第11頁)統(tǒng)的人機(jī)界面友好操作簡單方便具有較好的抗干擾曲線亦有較大波動(dòng),即輸送過程不穩(wěn)定。采用流化空性、運(yùn)行穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和較高的控制精度。氣、罐壓調(diào)整和補(bǔ)氣相結(jié)合方法時(shí)其輸送特性如圖5由于采用了恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?該流化式氣力輸送所示補(bǔ)氣后的稱量曲線變得平滑,且近似成直線罐系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了固體物料的密相遠(yuǎn)距離輸送輸送固壓被控制在一個(gè)較小范圍內(nèi)波動(dòng)物料瞬時(shí)流量的變氣比可達(dá)100,輸送距離超過1000m具有較強(qiáng)的輸送化量被控制在土7%以內(nèi)。能力。參考文獻(xiàn).-400 S1趙軍 劉宗明陸海東胡壽根.基于現(xiàn)場總線的粉煤灰濃相氣力輸送控制系統(tǒng).儀器儀表學(xué)報(bào)2003 24(8)33- -35.2002黃標(biāo) .氣力輸送.上海上海科學(xué)技術(shù)出版社,1984.100 護(hù)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(bǔ) 氣調(diào)節(jié)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(xiàng)HHCNMHG4結(jié)束語收桐日期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(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)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(jī)械及工程自動(dòng)控制技術(shù)。9