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)場總線標準之一。 較詳細地介紹了Interbus 現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)、故障診斷能力、優(yōu)越性和實現(xiàn)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驗室的系統(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Interbus總線系將所有的現(xiàn)場設(shè)備(傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動器等與控制統(tǒng)可有255中繼站這個限制僅僅因為考慮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 個遠程總線完成現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測、控制、遠程傳輸?shù)裙δ?。?jù)統(tǒng)計,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而整個系統(tǒng)的總長為12. 8kmo如果遠程總線供布的IEC61158國際標準中將8種總線( FF H1、Control-電則稱為安裝遠程總線,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)同時也傳輸電壓信號。列入了國際標準形成了多種總線共同競爭的局面。1.2 本地總線段作為IEC61158 標準之- -的Interbus 現(xiàn)場總線由德每個遠程總線終端模塊BK引出一個由本地總線國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)行器到計算機控離的信號主要運用在控制柜里。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(zhí)行器的附加電源。按照采用不同類成為IEC61158 一員后,Interbus 將會得到更大的發(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 的拓撲結(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Master/Slave 結(jié)Interbus Loop本地總線段是具有IP65 等級的、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個一個環(huán)路。所有的數(shù)據(jù)信號和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)線進行傳輸與安裝遠程總線相對應(yīng),Interbus三種不同的總線段,即遠程總線段、本地總線段及Loop中國煤化工1個Loop 環(huán)路可帶63Interbus Loop段。個模HCNMHG塊之間的最大距離是1.1遠程總線段20mo值得注意的是在遠程總線和本地總線中數(shù)據(jù)除了第一個遠程總線段與總線適配控制板相聯(lián)接的進出線在同一根電纜中,而在Intebus Loop段中進外其他每個遠程總線段開始于-個遠程總線終端模出線并不包含在同- -電纜中,因此需要連接成-個環(huán)《自動化儀表》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，利用以錯歷史記錄統(tǒng)計的功能,記錄最新的10個故障。上不同的Interbus總線段可以構(gòu)成不同的能夠滿足實2.2軟件際要求的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1是一個典型的In-①CMD軟件terbus 拓撲圖。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以實時采集到Interbus總線的運作情況,包括運行狀態(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。當出現(xiàn)故(最多8個設(shè)備)障時,CMD將顯示總線的當前狀態(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)計的功能能詳細記錄每-次故障。|樊重閨p②Diag+軟件Diag+是一個通用性的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的運行信息(運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸周期、識口.別周期、總線故障等等)都可以通過Diag+取得。此LEnerbus I外Jnterbus總線的詳細樹狀拓撲結(jié)構(gòu)也能在Diag+中反映出來。最大20m③標準寄存器圖1 Interbus 典型拓撲結(jié)構(gòu)圖控制板提供兩種類型共5個16位(2個字節(jié))標準寄存器其中診斷寄存器(2個)和標準功能寄存器(32 Interbus 的故障診斷能力個)用于總線狀態(tài)監(jiān)控和總線運行的控制。其中CPU現(xiàn)場總線強大的診斷功能是現(xiàn)場總線應(yīng)用于工業(yè)(PLC通過診斷寄存器(輸入)來對總線運行狀態(tài)進行控制中的一個的基本要求,也就是說當系統(tǒng)發(fā)生故障監(jiān)控和診斷并通過標準功能寄存器(輸出來控制In-時現(xiàn)場總線的診斷功能不僅能找出故障而且不需要terbus總線。同時診斷寄存器包含2個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)寄存器反映出當前總線故障的類型故障的以減少停機時間提高工作效率。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 的拓撲網(wǎng)絡(luò)是-一個環(huán)形系統(tǒng)當總線系統(tǒng)的是在DSC控制器、CMD軟件、Diag+和標準寄存器出現(xiàn)故障、短路或者總線中斷時從控制器開始逐個模中故障標識是-致的。塊形成環(huán)路，從而找到故障點。與線性系統(tǒng)相比較環(huán)形系統(tǒng)的最大優(yōu)點是在系統(tǒng)發(fā)生故障時能精確定位線性系統(tǒng)如圖2所示。0凸同時,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行/故障狀態(tài)這些信息可以提供給操作人員進行在線診斷。中國煤化工3②DSC 控制器YCNMHGInterbus C4 DSC控制器上具有中央診斷顯示,當總IEC61158標準中的八種現(xiàn)場總線都有各自特有的線出現(xiàn)故障時,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標準的PC-執(zhí)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(wěn)定具有15年應(yīng)用成熟的技術(shù),15萬套系實現(xiàn)控制。上位設(shè)備通過OPCServer實現(xiàn)數(shù)據(jù)的開放統(tǒng)運行;和共享。⑤高速4096點傳輸時間小于7.8ms ;管理層:Interbus通過專用的接口與以太網(wǎng)實現(xiàn)互⑥遠程傳輸距離長,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撥號上網(wǎng)對遠方的Interbus網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行監(jiān)⑨診斷準確故障定位 ，詳實故障信息;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驗室除了能完成現(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-體化的實現(xiàn)外整個實驗裝置也應(yīng)用在中德政府合作項目遠程服工業(yè)以太網(wǎng)是現(xiàn)場總線的一個發(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)備的遠程診斷-現(xiàn)場總線標準的一個解決方案?，F(xiàn)場總線實現(xiàn)了設(shè)和維護以及工廠數(shù)字化提供了先進的實驗環(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)管理自動化相結(jié)合,即管控一體化,Interbus 管控-體化的實現(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通過上位機與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)相聯(lián)通過OPC技術(shù)實現(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，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同濟大學(xué) Interbus 管控-體化實驗室框架給每個網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)置IP地址查看在線設(shè)備的運行狀況并當故障發(fā)生時進行快速定位。6結(jié)論5同濟大學(xué)-菲尼克斯管控-體化實驗室系現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)自動化革命,僅需一根統(tǒng)構(gòu)成電纜實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理從而實現(xiàn)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驗 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。實驗室系統(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工廠自動化的整體解決方案。整個也已應(yīng)用在生產(chǎn)線.上,如上海大眾的Polo和Passat油實驗室劃分為3個層次:漆生產(chǎn)線上就全面使用了Interbus 技術(shù)?，F(xiàn)場層:包括遠程終端模塊、數(shù)字和模擬I/O模.中國煤化工'全面的闡述并以同濟塊、專用模塊如計數(shù)器和V.24模塊、顯示模塊、電機驅(qū)大學(xué)YHC NMH G室為例提出了一個完動器等。整的自動化解決方案。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氣動執(zhí)行器故障診斷與容錯控制的研究進展師黎等ence Publication，19980王景成邵惠鶴.不確定時滯系統(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(xù)系統(tǒng)具有完整性的反饋設(shè)計新方tor. 2001 IEEE/ASME Intemational Conference on Advanced Itelligent法.自動化學(xué)報,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H∞控制系統(tǒng)設(shè)計.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 類組合大系統(tǒng)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(yǎng)博士研19周玉國張穎偉，王福利.不確定非線性系統(tǒng)的容錯控制.東北大究生赴加拿大進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)有強大的能力在工業(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(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,即輸送過程不穩(wěn)定。采用流化空性、運行穩(wěn)定性、可擴展性和較高的控制精度。氣、罐壓調(diào)整和補氣相結(jié)合方法時其輸送特性如圖5由于采用了恰當?shù)目刂撇呗?該流化式氣力輸送所示補氣后的稱量曲線變得平滑,且近似成直線罐系統(tǒng)成功實現(xiàn)了固體物料的密相遠距離輸送輸送固壓被控制在一個較小范圍內(nèi)波動物料瞬時流量的變氣比可達100,輸送距離超過1000m具有較強的輸送化量被控制在土7%以內(nèi)。能力。參考文獻.-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2003 24(8)33- -35.2002黃標 .氣力輸送.上海上海科學(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.時閫1/s1-R;2-G圖5補 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;實驗和現(xiàn)場實際應(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械及工程自動控制技術(shù)。9