西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8使用方法

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现场总线在过程工业中
        当终端用户发现现场总线应用在过程自动化的好处时，他们就开始考虑，他们为什么不能在安全仪表系统中也享受同样的好处呢？大多数客户反映，使用现场总线的好处并不是前期的安装节省费用，而是在使用过程中使用高级诊断和评估管理工具所带来的费用节省。
        安全现场总线可以进行高级的诊断，并可以很容易的进行互锁测试，这是一项每年都需要重复的工作。分布式控制（DCS）用户使用标准现场总线一直在享有这项服务，然而，DCS用户却*频繁的测试互锁。
是什么阻止用户在他们的安全系统上使用现场总线技术呢？这份白皮书研究了安全现场总线的历史、现状，预测了安全现场总线在过程工业上的未来发展前景。

安全现场总线的历史
        在安全系统之内进行数字通讯这个概念和应用已经不再陌生了。实际上，自从20世纪末期，可编程安全系统出现在市场上开始，安全总线通讯就已经在商业系统上使用了。
        在可编程安全系统上较常见的安全现场总线就是在控制模块和I/O模块之间的通讯总线，通常是指系统I/O总线。如果在这些通讯中有未诊断错误，后果将是灾难性的（如输入输出任意的开启或是断开）。所以，整个系统的整体性安全要求通讯可靠、即时、无损失的进行。这些年来，制造商已经研发了很多专有的、安全的I/O总线已经满足了这些要求，并且已经应用于他们的系统当中。
        随着系统变的越来越庞大，在系统之间传递关键安全信号变的越来越重要。所以，制造商们又在系统范围内的通讯总线上开发了专有的通讯协议，支持无故障点对点通讯，这又一次成为系统的一部分。图1描述的系统同时拥有无故障、点对点通讯和安全认证的I/O通讯。

图1 拥有无故障、点对点通讯和安全认证I/O通讯的系统
       在20世纪90年代末，一些制造商生产的为机械安全应用而设计自动化产品，开发了安全认证总线，根据IEC61508达到EN954-1、Category 4 和SIL3标准。这些总线支持很多类型的机械安全传感器，如安全光幕、激光扫描仪、限位开关、紧急停车按钮。此类总线包括SafetyBus p、Interbus S、PROFIsafe、AS-I Safety@ work、还有 DeviceNet Safty。图2显示了一个典型的配有完整的安全现场总线的机械安全系统。
        安全现场总线的安全电路不是特别复杂，应为电缆和连接的减少，设计、安装、调试费用也相对降低。另外，因为综合诊断的有效性，安全总线设备在可靠性上有很大改善，并且维护费用降低。正因为此，机械自动化部门正在迅速的采用安全现场总线。例如，PROFIBUS总部较近声明，PROFIsafe-abled型号的系统在**的应用已经**过20,000。在安全设备方面，已经显示**过188,000,000个节点。

在过程应用方面已经取得安全通讯认证
        为什么还有一些过程自动化部门在他们的过程安全应用中没有采用安全现场总线呢？
其中一个原因可能是，许多用安全仪表应用系统的国家的或是特殊应用目的的标准禁止为与安全相关的信号使用总线通讯。例如，ANSI/SA S84.01-1996中条款7.4.1.3声称，每个独立的现场总线设备与系统之间应该有自己的专有布线。另外一个原因，可能是NFPA 8502-1999条款4-3.2.3.6所表述的那样，“控制传输轨道的信号应该要格外准确”。

图2 使用综合安全现场总线装置的典型结构安全系统
        2003年公布的国际标准IEC61511表明，“功能安全——加工部门的安全仪表系统”已经改变了人们的这种思考方式。这个标准，美国在2004年采纳，ANSI/ISA84.00.01-2004在条款11.6.3中所表述的那样，“每个现场总线设备都应该有自己专有的连到输入输出的布线，以下情况除外，一个服务于安全仪表功能的数字总线通讯，它为了满足完整性要求而拥有全部安全性能。”这项说明已经在安全仪表系统的应用上成为**的指示标，为制造商使用SIL认证的安全通讯总线开发进程打开了一扇门。
        相应的，一些标准组织开始根据在过程工厂使用安全现场总线的情况着手研制一系列的指导性建议和方针。NAMUR NE 97“安全应用现场总线”于2003年3月公布，规定了有关安全的信号可以通过的现场总线网络的原则。
        为了向可能应用数字现场总线且有可能产生不利影响的组织引起足够的注意，ISA SP84专题讨论会议，成立了一号工作小组（SP84.WG1），来进一步研究关于高水平、安全现场总线的问题。WG1已经起草了一份技术报告，为用已经通过的安全现场总线的设备和协议取代现行的4－20mA安全仪表系统提供一系列。“ISA TR-84.00.06：为过程工业部门应用安全现场总线设备设计的参考意见”。这份技术报告已经是*六版，正在准备通过SP84**的投票通过。

技术现状
        就像前边所讲述的那样，现在的安全现场总线大多数为机械安全应用而设计。还好，现在许多已经通过认证的技术可以应用于过程安全。例如，PROFIsafe是PROFIBUS的一个高度完善的通讯行规，它描述了无故障设备之间的通讯，并使用专门的检测机制来解决可能的通讯失败。
        PROFIsafe从1999年开始，已经通过了IEC61508 SIL3和EN954-1Category认证。PROFIsafe安全方法已经在软件中得以实现，知识简单的在设备的PROFIBUS*七层之上添加了安全层，而对其它层毫无影响。这就表示，如图3所示，PROFIsafe可以被PROFINET和PROFIBUS-DP使用，PROFIBUS-PA备用来连接过程仪表，支持电缆上的本质安全传输和电能。在过程自动化中PA设备中采用PROFIsafe行规在2004年12月通过批准，PROFIsafe-enabled PROFIBUSPA设备的认证已经开始。这个行规遵循NE 97的建议。根据PROFIBUS国际组织的调查显示，大约有10%的已安装的PROFIsafe设备在过程工厂，PROFIsafe设备备用来停止泵系统或是初始化停车。
        除了标准数据，安全信息也封装在PROFIBUS报文中，这样构成的PROFIsafe构架允许在发送和接收之间无损失的传送。安全方法压内置于通讯设备中，这样就形成了“黑色通道”，如图4所示。黑色通道的优点就是通讯的安全完整性是于传播媒质无关的，也就是说它可以在任何传输系统中传输，包括无线设备。

图3 PROFIsafe可以在PROFINET、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA中使用

图4安全方法内置于设备，于是形成“黑色通道”，允许网络与媒质独立

        这种封装方法的显著收益，图5所示，就是允许安全和非安全相关的通讯共同使用相同的通道，而且为了满足安全要求，各种功能之间保持必要程度的独立。
        除了PROFIBUS，基金会现现场总线在2006年宣布TUV已经批其协议类型，基金会现场总线安全仪表规范认证。这个规范与IEC61508标准要求兼容达到或包括安全完整等级3（SIL3）。
        PROFIsafe和FF-SIS认证实用性增强了制造商使用PROFIBUS-PA或是基金会现场总线设备与IEC61508的兼容性。第三方组织，例如TUV和，将会证明这些设备是否适合在安全仪表系统上应用。

图5 安全和非安全相关的通讯共享相同的相同通道，减少安装和调试费用
        **个安全现场使能仪表和安装的概念，首先在2006年4月在interkama＋和2006年5月在Achema 展会提出。在美国，它由ISA与2006年十月的秋季会议上引入，现在已经在正式使用。当然，下一步将会是已认证的现场设备（传感器和较终控制原件）在他们的功能上使用PROFIsafe协议。这篇文章同时也指出，这些功能上有限的，但是，许多大型的国际化制造商已经做了不少投资。

图6 2006年4月interkoma+展会上展示的首批安全现场使能仪表

安全现场总线可以被过程工业接收吗？
       首先**个障碍就必须跨越，就是在安全现场总线被过程工业采纳之前，要保证安全现场总线要和传统的4－20mA系统一样稳定。

       安全问题比较好解决，因为IEC61508认证的安全现场总线的危险失败率已经被量化，所以，大多数*同意，倘若他们在*的平均故障率范围内使用IEC认证的协议，SIF可以设计成满足SIL3保护，当分析，SIF时可以通过对仪表和系统之间的“通讯线路”和相关通讯设备分配平均故障率的值来进行模拟。安全现场总线的一个经常被忽略的优点就是I/O卡没有必要使用了，所以卡连同它的相关品平均故障率时间值可以省去。实际上，省去了一些硬件可以使安全现场总线 SIF比传统的4－20mA设备更加安全。
         有效性的问题比较难解决，这是因为数据和模拟工具不能够分析平均误跳时间，无论是在传统设备还是安全现场总线的构架下。然而，随着技术的发展，SIL认软件供应商可以进入到这个领域。供应商还可以开发既标准又安全的容错现场总线系统。

安全现场总线在过程工业的未来
        从用户中反馈的信息表明，他们希望把SIS仪表系统集成在他们的资产评估系统。在智能SIS原件中对状态信息的连续的访问，有助于分析SIS的安全性能，帮助用户避免误跳。
        在过程自动化中使用有效的安全现场总线，一些用户已经转向使用HART技术作为达到这个目的的过渡方法。然而，HART不是，很可能永远也不会是一个安全认证的协议，问题就是要找到一种方法，使用HART数据的同时不干扰或是降低安全功能。长远来看，他们的过程控制系统和安全仪表系统使用相同的基础现场总线，用户是较大的受益者。
        与用户讨论安全现场总线和资产评估系统的过程中，定期的验证性测试是产生的较主要的问题。这是因为大多数公司可以设计出工作良好的安全仪表系统，但是相当多的公司却在测试上并不是十分用心。带有高级诊断功能的智能SIF可以帮助用户较小化、计划、执行和证明他们的手动测试。例如，一个智能的SIF可以用预测方法，在有必要进行手动测试时进行提醒，或是适当的时机出现时，发出通知，而不影响生产。当然，所有的不论是自动、手动、计划还是非计划，都需要备份。安全现场总线自动报告系统的访问数据和诊断信息的功能。

         剩下的似乎就是它被采用的速度问题了，毫无疑问，安全现场总线技术在不断发展。来自主要的过程现场总线组织（Profibus和FF）和过程自动化供应商处的巨大支持、安装、维护、测试费用的降低等优点，将会驱使这项技术与标准现场总线同步发展，甚至更快。

   随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，现场总线技术逐渐被广泛运用到工业控制系统中，在纺织工业中也开始得到应用。本文介绍了现场总线的基本原理，对现行的几种现场总线进行了比较，在分析总结数字化纺织生产控制系统发展新特点的基础上，介绍了现在国内外纺织行业在应用现场总线方面的情况。

1 引言
      随着我国纺织工业持续快速的发展，现代纺织技术将以电子信息技术为主导，以智能化生产为主要特征[1]。目前，国产纺织机械设备控制系统的开发多侧重于实现单台设备的纺织工艺性能自动化，将机器所具有的先进功能封闭在单机系统内，而忽略了系统的网络化构成，其结果势必使机器的结构（特别是其控制系统）愈来愈复杂，使机器成为纺织企业自动化体系中的“孤岛”。进入90 年代以来，现场总线技术以及基于该技术的控制系统在国内外引起人们高度重视，成为世界范围内的自动化技术发展的热点，它综合运用了微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，将微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信的能力，不但提高了信号测量、控制和传输的精度，也为实现其远程传输创造了条件。在纺织工业由传统工业向现代工业转变的过程中，基于现场总线的控制技术为纺织工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展提供了机遇。本文通过对现场总线基本原理的介绍，比较了当今比较常用的几种现场总线的特点及应用场合，搭建了基于现场总线控制技术的数字化纺织生产系统的框架模型。

2 现场总线的基本原理
      现场总线是当今3C（Computer、Communication、Control）技术发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。根据国际电工**（IEC，International Electrotechnical Commission）标准和现场总线基金会（FF，Fieldbus Foundation）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络[2]。现场总线技术将**微处理器置入传统的测量控制仪表，使其都具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。通过普通双绞线把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统；使用公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化测控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线主要是面向过程控制，除传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，网络交换的数据单元是帧（Frame）。与集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 相比，现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）具有可靠性高以及更好的安全性、互换性和互操作性、开放性、分散性等优点。综上所述，现场总线是将自动化较底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，它遵循ISO/OSI开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。

3 常见的几种现场总线技术
      上世纪80 年代以来，国际上的**大公司先后推出了几种工业现场总线和现场通讯协议，目前流行的主要有FF（Fieldbus Foundation 基金会现场总线）、Profibus（Process Fieldbus）、CAN（Controller Area Network 控制器局域网）、LonWorks （Local Operation Network 局部操作网）、WorldFIP（Factory Instrumentation Protocol 世界工厂仪表协议）等。其主要技术差异及适用场合如下：

3.1 FF 现场总线
      基金会现场总线以ISO/OSI 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通讯模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。FF 分低速H1 和高速H2 两种通讯速率。H1 的传输速率为1.25kbit/s，通讯距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防暴环境。H2 的传输速率为1M 和2.5kbit/s 两种，其通讯距离分别为750m 和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC11582 标准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。主要应用在过程自动化领域，如：化工、电力、油田和废水处理等。

3.2 Profibus 现场总线
      Profibus 系列由Profibus-DP、Profibus-FMS 和Profibus-PA 等3 个兼容部分组成。Profibus采用了OSI 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准**部分的子集。Profibus的传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s，较大传输距离在12Mbit/s 时为100m，1.5Mbit/s 时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线和光缆。主要应用领域有：DP 型适合于加工自动化领域的应用，如制、水泥、食品、电力、发电、输配电；FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化制造业自动化；PA 型则是用于过程自动化的总线类型。

3.3 CAN 现场总线
      CAN 的网络设计采用了符合ISO/OSI 网络标准模型的三层结构模型：即物理层、数据链路层和应用层，网络的物理层和链路层的功能由CAN 接口器件完成，而应用层的功能由处理器来完成。通信具有**的可靠性、实时性和灵活性；采用短帧结构，传输时间短，抗干扰；节点分不同**级，可满足不同的实时性要求。其传输介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤等，通讯速率较高可达1Mbit/s（40m），直接传输距离较远可达10km（5kbit/s）。主要应用领域有：汽车制造、机器人、液压系统、分散性I/O、工具机床、医疗器械。

3.4 Lonworks 现场总线
      LonWorks 采用了与OSI 参考模型相似的7 层协议结构，LonWorks 技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron 芯片。Neuron 芯片实现完整的LonWorks 的LonTalk 通信协议，节点间可以对等通信。LonWorks 通信速率为78K bit/s～1.25M bit/s，支持多种物理介质，有双绞线、光纤、同轴电缆、电力线载波及无线通信等；并支持多种拓扑结构，组网灵活。主要应用领域有：工业控制、楼宇自动化、数据采集、SA 系统等，在组建分布式监控网络方面有优越的性能。

3.5 WorldFIP 现场总线
      WorldFIP 现场总线体系结构分为过程级、控制级和监控级等3 级，其协议由物理层、数据链路层和应用层组成。其通信速率有31.25K bit/s、1M bit/s、2.5M bit/s、25M bit/s。传输介质采用屏蔽双绞线和光纤。它能满足用户的各种需要，适合于集中型、分散型和主站／从站型等多种类型的应用结构。用单一的WorldFIP 总线可满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统的需要。主要应用领域有：电力工业、铁路、交通、工业控制、楼宇。

4 基于现场总线技术的纺织生产控制系统
      纺织工业的信息化建设是未来几年纺织工厂的追求和建设重点，而数字化的纺织生产体系正是其的基础。它将全面提升纺织工厂的管理水平，对工厂的技术、质量、经济务推动的进步都将产生直接的明显的推进作用。数字化的纺织机械采用现代先进的控制技术：以CPU为核心的控制器，以电力电子技术为基础的新型驱动技术，以现场总线技术为代表的网络及高速数据通讯技术。实现数据的实时准确采集和高速传输，实现分布式、现场化和抗干扰性能的提高，实现生产过程的自动化、智能化，完成纺织机械与现代先进控制技术的结合，为纺织企业的信息化从设备层打下坚实的基础。按照网络的连接结构，一般将企业网络系统分为4层：控制层、监控层、管理层、信息层，基于现场总线技术的纺织生产信息化系统。
现场总线控制层是各种生产信息的来源。各种棉纺、织造、印染机械的控制器只要具有现场总线通讯接口，通过适当的编程，就可以将机械的运行数据实时传送到监控系统。现场总线监控层完成车间级设备检测和控制。应用组态软件编程和现场总线网络，整合车间内各个单台机械设备控制系统，以清晰友好的人机界面实现全车间设备的生产状态、产量、效率的监视，同时还可以对设备的工艺参数进行统一设置，故障报警、参数记录、显示历史趋势和实时曲线，生成和打印各种生产报表。管理层是工厂级的信息管理系统。控制系统均可以按照用户的需求，通过多种总线、工业网络建立数据库，对数据进行处理并分类送到各个管理部门，实现数据的查询、统计、分析和数据报表。现场总线信息层将控制过程、信息管理、通信网络融为一体，实现数据共享，有关人员登陆到Web 服务器，就可根据各自的权限监控到生产现场的设备的运行情况。

5 应用案例
      由于现场总线技术在可靠性、开放性、经济性、全数字化传送方面具有无比的优越性，适应了现代纺织工业的高质量、、小批量、多品种、快速响应、低耗、清洁生产的需要，目前，现场总线技术已经开始在纺纱、化纤、机织、针织、染整及服装等纺织机械设备中得到大量的应用，以简化生产系统组成结构，形成柔性化生产体系；**产品质量，降低生产成本；促进了纺织工业的计算机集成化生产。
      在国外推出的采用现场总线技术的化纤、织造及染整等设备中，将不同厂家标准的模块化的现场设备分散在机器的各个部位，利用控制网络集成技术将其组配成**系统，系统硬件设计变得简单明了，降低了布线成本。例如，瑞士Sulze Textile 推出的G6300 剑杆织机，机器中的引纬、送经、卷取、织边均采用伺服电动机，主控制器为32 位的多处理器结构，织机中各现场设备用CAN 现场总线连接组成控制网络，织物规格的机织条件设定、控制数据转换均可远程控制或现场设定。德国THEN 推出的AIRFLOW AFT 匹染机，采用LonWorks现场总线控制网络结构的THEN-DYNET（TDN）控制系统，机器中的气流控制阀、进水出水阀、换热器控制阀等执行器，染液温度及布料速度等传感器均为具备功能自治的现场设备，并且作为整机控制网络中的一个节点与上位PLC控制器连接。
      我国自1993年起开始对现场总线进行研究，并于1996年正式将现场总线技术的研究和产品开发列为“九五”国家重点科技攻关项目，至1998年己有一些不完全的现场总线OEM新产品推出。国内纺织机械厂不失时机地积极引进先进的现场总线技术，结合各类纺织机械的功能特点，在现场总线产品的系统集成上进行了重点研究。如上海二纺机股份有限公司开发的四电机驱动的粗纱机采用了CAN总线。大容量涤纶纺丝、后处理生产线全部采用Profibus总线。上海太平洋机电集团在开发的年产3万吨涤纶短纤维成套设备中，研制了基于现场总线的控制系统，达到了国际同类产品的先进水平。

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