Interbus现场总线技术

Interbus现场总线技术马玉敏 等Interbus现场总线技术The Technology of Interbus Fieldbus马玉敏张浩朱志浩陆剑峰樊留群(同济大学CIMS研究中心上海200092)摘要Intebus现场总线是IEC61158 现场总线标准之一。 较详细地介绍了Interbus 现场总线的拓扑结构、故障诊断能力、优越性和实现管控-体化的方法。给出了同济大学一菲尼克斯管控一体化实验室的系统框架结构。关键词现场总线Interbus 管控一 体化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现场总线是-种数字化的串行双向通信系统,它可块BK总线终端模块又称中继站。1 个Interbus总线系将所有的现场设备(传感器、执行机构、驱动器等与控制统可有255中继站这个限制仅仅因为考虑Interbus协器用一根电缆相联接形成设备层的数字化通信网络可议长度( 4096位= 256x 16位)的原因。1 个远程总线完成现场状态监测、控制、远程传输等功能。据统计,目段的最大长度取决于所用的传输介质如用铜缆则为前市场.上约有40种左右的现场总线,在2000年1月宣400m而整个系统的总长为12. 8kmo如果远程总线供布的IEC61158国际标准中将8种总线( FF H1、Control-电则称为安装远程总线,它的联接电缆是-种混合电Net、Profibus、P-Net、FF HSE、Swif-Net. WorldFIP、Interbus )缆即既传输数据同时也传输电压信号。列入了国际标准形成了多种总线共同竞争的局面。1.2 本地总线段作为IEC61158 标准之- -的Interbus 现场总线由德每个远程总线终端模块BK引出一个由本地总线国Phoenix Contact 公司开发,InterBus 俱乐部支持。它模块组成的本地总线段本地总线的任务是传输短距是一种串行总线系统联接传感器/执行器到计算机控离的信号主要运用在控制柜里。本地总线段的模块制站,广泛地应用于制造业的现场控制中。Interbus 已供电电源由远程终端中继模块提供。本地模块只需要先后成为德国标准DIN19258和欧洲标准EN50254。在提供给变送器和执行器的附加电源。按照采用不同类成为IEC61158 一员后,Interbus 将会得到更大的发展。型的本地总线模块本地总线段主要可分ST-本地总线和Inline--本地总线。 本地总线可联接的模块1 Interbus 的拓扑结构数量由终端模块BK的最大输出电流及所联接的本地Interbus总线系统是-个数据环结构。此数据环模块所消耗的功率决定。由一个总线适配控制板和带有Interbus总线接口的I/O1.3 Interbus Loop段设备所组成。Interbus 总线系统是-个Master/Slave 结Interbus Loop本地总线段是具有IP65 等级的、可直构总线适配控制板是数据环控制的中央设备控制数接应用于现场的本地总线段。传输介质是采用一根两据与外设之间的交互。芯无屏蔽的导线。每个Loop模块通过这根导线联成Interbus 总线由互相联接的总线段(最多255个一个环路。所有的数据信号和24V的模块供电电源通段)所组成。按照数据传输的特性,Interbus可划分成过这根导线进行传输与安装远程总线相对应,Interbus三种不同的总线段,即远程总线段、本地总线段及Loop中国煤化工1个Loop 环路可带63Interbus Loop段。个模HCNMHG块之间的最大距离是1.1远程总线段20mo值得注意的是在远程总线和本地总线中数据除了第一个远程总线段与总线适配控制板相联接的进出线在同一根电缆中,而在Intebus Loop段中进外其他每个远程总线段开始于-个远程总线终端模出线并不包含在同- -电缆中,因此需要连接成-个环《自动化仪表》第25卷第8期2004 年8月路以形成数据环。找出故障点并予以排除。此外,DSC控制器还具有出根据工业控制系统以及工业现场的需要，利用以错历史记录统计的功能,记录最新的10个故障。上不同的Interbus总线段可以构成不同的能够满足实2.2软件际要求的现场总线网络结构。图1是一个典型的In-①CMD软件terbus 拓扑图。CMD软件不仅具有总线组态的功能,而且还具有总线监控和诊断的功能。通过RS- 232接口,CMD 可Interbus以实时采集到Interbus总线的运作情况,包括运行状态总线适配控制板IBsS sT本地总线(ready、active,run等)数据传输的质量等。当出现故(最多8个设备)障时,CMD将显示总线的当前状态、故障类型、故障位置和故障代码并给出可能造成故障的原因及其相应的解决方法。与DSC控制器一样,CMD诊断功能也提供故障统计的功能能详细记录每-次故障。|樊重闺p②Diag+软件Diag+是一个通用性的Interbus 总线诊断软件是加速现场调试、快速诊断的有力工具。与CMD软件相LL似Intebus的运行信息(运行状态、数据传输周期、识口.别周期、总线故障等等)都可以通过Diag+取得。此LEnerbus I外Jnterbus总线的详细树状拓扑结构也能在Diag+中反映出来。最大20m③标准寄存器图1 Interbus 典型拓扑结构图控制板提供两种类型共5个16位(2个字节)标准寄存器其中诊断寄存器(2个)和标准功能寄存器(32 Interbus 的故障诊断能力个)用于总线状态监控和总线运行的控制。其中CPU现场总线强大的诊断功能是现场总线应用于工业(PLC通过诊断寄存器(输入)来对总线运行状态进行控制中的一个的基本要求,也就是说当系统发生故障监控和诊断并通过标准功能寄存器(输出来控制In-时现场总线的诊断功能不仅能找出故障而且不需要terbus总线。同时诊断寄存器包含2个寄存器其中专用工具就能将故障排除。并且要求更换模块简便诊断状态寄存器反映出当前总线故障的类型故障的以减少停机时间提高工作效率。具体参数则在诊断参数寄存器中反映出来。值得一- 提Interbus 的拓扑网络是-一个环形系统当总线系统的是在DSC控制器、CMD软件、Diag+和标准寄存器出现故障、短路或者总线中断时从控制器开始逐个模中故障标识是-致的。块形成环路，从而找到故障点。与线性系统相比较环形系统的最大优点是在系统发生故障时能精确定位线性系统如图2所示。0凸同时,Interbus 为用户的现场诊断提供了多种渠.道具体可划分为硬件和软件两个方面。2.1硬件环性系统①Interbus 模块Interbus 的电子模块上的二极管指示灯反映出当图2环形系统与线性系统前总线以及本模块的一些运行/故障状态这些信息可以提供给操作人员进行在线诊断。中国煤化工3②DSC 控制器YCNMHGInterbus C4 DSC控制器上具有中央诊断显示,当总IEC61158标准中的八种现场总线都有各自特有的线出现故障时,中央诊断显示将给出故障类型、故障的应用领域。Interbus 适用于过程领域,与其它的总线相具体位置以及故障代码操作人员可以根据故障信息比较其优越性主要表现在:PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION , Vol.25 ,No.8 Aug. , 2004Interbus现场总线技术马玉敏 等①简单即插即用、 无须设定地址无终端电阻;仅需一根电缆即可实现从I/O层到控制层之间的数据②开放系列化产品适用各种形式的传感器、交换。控制软件可采用符合IEC1131- 3标准的PC-执行器;WORX软件,包括组态软件SystemWORX.硬件编程软③标准国际标准IEC 61158、 欧洲标准EN件ProgamWORX、控制图形化软件GraphWORX。对50254 ;PLC主控板、组态软件则采用CMD软件,用PLC程序④稳定具有15年应用成熟的技术,15万套系实现控制。上位设备通过OPCServer实现数据的开放统运行;和共享。⑤高速4096点传输时间小于7.8ms ;管理层:Interbus通过专用的接口与以太网实现互⑥远程传输距离长,双绞线为12 . 8km;⑦媒介3种传输介质(双绞线、光纤、红外线)因此现场层、控制层使用Interbus系统上层管理可以混合使用;层通过以太网相连接并和Interbus相联，从而用户可通⑧可靠较高传输效率 较低传输速率;过PC拨号上网对远方的Interbus网络的设备进行监⑨诊断准确故障定位 ，详实故障信息;控和故障诊断。➊发展PC-Based、以太网、WEB。同济大学菲尼克斯管控一体化实验室除了能完成现场总线与管控-体化技术相关的教学与技术培训4 Interbus 管控-体化的实现外整个实验装置也应用在中德政府合作项目远程服工业以太网是现场总线的一个发展方向也是统务与工程支持”和数字化工厂”"中为设备的远程诊断-现场总线标准的一个解决方案。现场总线实现了设和维护以及工厂数字化提供了先进的实验环境。备层和过程层的控制优化给企业带来-定的效益 但SCAIDA是要给企业带来整体效益现场总线控制层则必须与企业管理自动化相结合,即管控一体化,Interbus 管控-体化的实现有以下两种不同的方案:SCADA数据服务站 。I wen服务器①通过上位机与企业内部网相联通过OPC技术实现底层数据的开放与共享;S7.40015C OIC Senver HrCOFC senerT BSBAFCVT②应用Factory Line 以太网技术。Factory Line 在S7 4021印建立自动化操作方面自有一套完整的体系,FactoryLine组件采用紧凑的模块化结构具有高电磁兼容性系统2易于电缆的敷设和设备功能的诊断。同时，以WEB技系统3术为基础的网络管理软件Factory Management可方便地图3同济大学 Interbus 管控-体化实验室框架给每个网络模块设置IP地址查看在线设备的运行状况并当故障发生时进行快速定位。6结论5同济大学-菲尼克斯管控-体化实验室系现场总线技术实现了工业自动化革命,仅需一根统构成电缆实现了数据采集、传输和处理从而实现了工业控2002年同济大学与德国Phoenix公司共同建立同制的分散化控制。Interbus 作为IEC61158 标准之一在济大学菲尼克斯管控一体化实验 室,旨在推广Intebus全球得到了1000多家总线设备生产商支持，并广泛应技术的研究和应用。实验室系统框架结构如图3所用在汽车、物流、造纸、烟草等行业。在我国,Interbus示这也是Interbus工厂自动化的整体解决方案。整个也已应用在生产线.上,如上海大众的Polo和Passat油实验室划分为3个层次:漆生产线上就全面使用了Interbus 技术。现场层:包括远程终端模块、数字和模拟I/O模.中国煤化工'全面的阐述并以同济块、专用模块如计数器和V.24模块、显示模块、电机驱大学YHC NMH G室为例提出了一个完动器等。整的自动化解决方案。由此,Interbus 在控制上可扩展控制层选用PLC( Simatic S7 - 400 ) PC和VME作性、故障可诊断性及在管控- -体化的实现等方面都具为主设备。只要在主设备上安装相应的控制板这样(下转第9页)3气动执行器故障诊断与容错控制的研究进展师黎等ence Publication，19980王景成邵惠鹤.不确定时滞系统的基于Razumikhin定理的鲁棒13 w. B. Bumbar,R. A. de Callafon, and J. B. Kosmatka. CoulonbH∞可靠控制.自动化学报2002 28( 2) 262 ~ 266and viscous friction fault detection with application to a pneumatic actua-21韩清龙 俞金寿.不确定性连续系统具有完整性的反馈设计新方tor. 2001 IEEE/ASME Intemational Conference on Advanced Itelligent法.自动化学报,1998 24( 6).768 ~ 775Mechatronics Proceedings , 20012向峥嵘陈庆伟胡作礼.具有执行器故障的不确定Delta算子系14王爱平.参考模型自适应方法在非线性执行器故障诊断中的应统鲁棒H∞控制控制与决策2201 16(4 )491 -493用.控制理论与应用1999 J64)587 ~ 59023孙金生王执铨.鲁棒容错H∞控制系统设计.控制理论与应用,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宋华张洪钺.模糊非线性奇偶方程故障诊断方法.自动化学报,Measurement: Joumal of the Intemational Measurement Conference ，2003 29 6) 965 ~ 9701997 20( 4)267 ~ 27525 张颖伟王剑张嗣瀛.一 类组合大系统的容错控制东北大学学16 s. Chillari , s. Guccione and G. Muscato An Experimental Comparison报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-第一作者师黎女,1964 年生,1985 年毕业于大连理工大学,1988 年natic Servo Sytem. Proe. of the Amerca Control Conference , 2000获硕士学位2001年作为上海大学和加拿曼尼托巴大学联合培养博士研19周玉国张颖伟，王福利.不确定非线性系统的容错控制.东北大究生赴加拿大进行博士论文的研究工作研究方向为智能故障诊断与容学学报(自然科学版)2002 23(5) 409 ~ 412错控制。(上接第3页)有强大的能力在工业控制领域具有广泛的应用前景。收稿日期2003-06 -30。参考文献第一作者马玉敏，女,1971年生1994年毕业于同济大学1999年获1张浩,谭克勤朱守云主编.现场总线与工业以太网络应用技术硕士学位2002年获博士学位,讲师研究方向制造系统与工业过程控制。手册.第1册.上海上海科学技术出版社2002(上接第11页)统的人机界面友好操作简单方便具有较好的抗干扰曲线亦有较大波动,即输送过程不稳定。采用流化空性、运行稳定性、可扩展性和较高的控制精度。气、罐压调整和补气相结合方法时其输送特性如图5由于采用了恰当的控制策略,该流化式气力输送所示补气后的称量曲线变得平滑,且近似成直线罐系统成功实现了固体物料的密相远距离输送输送固压被控制在一个较小范围内波动物料瞬时流量的变气比可达100,输送距离超过1000m具有较强的输送化量被控制在土7%以内。能力。参考文献.-400 S1赵军 刘宗明陆海东胡寿根.基于现场总线的粉煤灰浓相气力输送控制系统.仪器仪表学报2003 24(8)33- -35.2002黄标 .气力输送.上海上海科学技术出版社,1984.100 护3周建刚沈颐身,马恩祥等.粉体高浓度气力输送控制与分配技0102030405060术.北京冶金工业出版社,1996.时阃1/s1-R;2-G图5补 气调节后罐压与重量变化中国煤化工97201302 )山东省自然科学基金项HHCNMHG4结束语收桐日期2004-01 -07。第-作者赵军男,1967年生2004年于上海理工大学获博士学位;实验和现场实际应用表明, 气力输送集散控制系研究领域两相流理论流体机械及工程自动控制技术。9