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July 28, 2007
自动化专业英语教程
教学课件
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Automation Networking Application Areas
第五部分第一单元课文 A
自动化网络的应用领域
A
自动化网络的应用领域

  1.课文内容简介:这篇文章是对《工业现场总线》, 《网络控制技术》的一种补充.主要讲述如何根据不同 的控制要求选用不同的网络结构和通讯协议,较详细地 介绍了在工厂自动化,过程自动化中常用的总线协议, 并对现场级,主站级的网络结构和通讯协议,均一化的 网络体系结构作了说明.
  2.温习有关现场总线,自动化网络方面的内容.
  3. 生词与短语
building automation 楼宇自动化 harsh adj. 苛刻的 modulating n. 调制
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calibration n. 校准,标度 commissioning n. 试车,试运转 hierarchy v. 层次,级别 marshaled n. 整顿,配置 superimposed adj. 有层次的 moderate adj. 缓和的 fault tolerant 容错 transparency n. 透明 ongoing v. 使机械化
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  4. 难句翻译
[1] For example, factory automation and process automation are often used in harsh and hazardous environments where people, nature, and expensive machinery are at stake or where a production interruption is costly. These requirements contrast significantly with building automation, for example, where keeping costs low is a main driving force. 举例而言,工厂自动化与过程自动化通常应用在苛刻和危险 的场合.而在这些场合,人员,环境及昂贵的机器设备处于危险 之中,或者生产的中断会造成巨大损失.这些需求同追逐低成本 的楼宇自动化相比,有明显的差异. [2] The network types ideal for simple discrete I/O focus on low overhead and small data packets, but they are unsuitable for larger messages like configuration download and the like. 对简单的离散I/O较为理想的网络类型注重低开销及小的数据 包,但它们不适用于组态下载等较大的报文.
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  5. 参考译文
A 自动化网络的应用领域
网络已应用于自动化的所有领域.在工厂自动化,过程自 动化及楼宇自动化的领域内,网络完成各种各样的任务.而且, 由于不同的工业领域具有各自的特性和各种不同的要求,不同自 动化网络所执行的任务也有明显的差异.此外,网络中设备的连 接,组态及数据的交换也不同. 没有一种单一的总线能适用于所有工业控制;相反,每种总 线总是针对其所运用领域的特点而优化的.举例而言,工厂自动 化与过程自动化通常应用在苛刻的和危险的场合.而在这些场合, 人员,环境及昂贵的机器设备处于危险之中,或者生产的中断会 造成巨大损失.这些需求同追逐低成本的楼宇自动化相比,有明 显的差异.
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工厂自动化 在具有装配线的制造业类工厂中,如汽车,灌装与机械工业, 离散逻辑控制处于主导地位,而传感器所感受到的将只是"是" 或"否",例如,是否有一个箱子处于流程机器的前方.对简单 的离散I/O较为理想的网络类型注重低开销及小的数据包,但它 们不适用于组态下载(Configuration download)等较大的报文.这 些类型的网络有 Seriplex,Interbus-S及AS?I(AS?Interfa-ce), 有时将它们称为传感器总线或比特(bit)级总线.其他更为先进的 (bit) 离散逻辑协议则包括DeviceNet ,ControlNet ,及 PROFIBUS (DP及FMS应用行规).这些总线有时被归类于设备 总线或字节(byte)级总线.工厂自动化含有快速移动的机械,因 此同较慢的过程相比要有更快的响应.这些任务在传统上是由 PLC来处理的. 过程自动化
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对炼油,造纸,电力以及化工等过程对象而言 ,连续的调节 性控制占支配地位.测量是模拟的(此处意味着标量值是以数字 信号传送的),而执行则是调节性的.当然,过程工业也采用一 些离散控制,而以离散为主的制造业也采用一些调节性控制.现 在,市场上已经存在现场总线开/关,它是用作通/断传感器的小 型远程安装的I/O模块.以前,是由集散控制系统(DCS)或单回路 调节器完成这种工作. 本文将重点讨论三种与过程相关的网络:基金会现场总线 (FF),PROFIBUS (PA应用行规)与HART.这些总线目前一般都 被笼统地称为现场总线,尽管有些人会有争议,说其中有的不属 于现场总线.这三种协议在设计时已明确了现场仪表由总线供电, 也规定了现场仪表应具备所定义的参数与指令用于设备管理,如 识别,诊断,材质及用于校验及调试的功能.就规模而论,一般 认为,工业自动化网络所组成的局域网(LAN)跨越不大于直径为 1km或2km的区域,而且一般限制在一幢建筑物或一群建筑物内. 显然,只能延伸几米的网络是不够用的,而跨越城市或甚至全球 的网络则过大了.
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现场与主站网络的层次 即使在过程工业的控制系统中,其体系结构的每一层次也都 具有不同的网络特性.在现场端的许多仪表如变送器与阀门定位 器有其特定的需求,而在主站级的工作站,链接设备与控制器则 有其它的需求(见图5-1A-
  1). 当现场总线开始发展时, 过程工业对现场级网络 提出了大量其他网络不 曾遇到的要求.因此. 需要考虑许多新的设计 思路.在上层,所有来 自现场级网络的数据都 需要被集中到单一的主 站级网络中.
H ost lev el L inking D ev ice
F ield level
C onventio nal I/O -subsystem
图 5-1A-1 双层自动化网络结构
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同时,主站级网络还需执行所有与工厂自动化相关的任务. 现场级 在现场级,对于过程仪表占主导地位的协议有HART,基金 会现场总线(FF)的H1及PROFIBUS PA.HART协议与其他两个 协议有很大的不同.HART是所谓的智能(smart)协议,它是将数 字通信叠加在常规的4?20mA的信号上而产生的组合.正因如此, HART协议是从模拟向数字过渡过程中的一种理想的中间解决方 案.HART与现有的模拟记录仪,控制器与指示仪兼容,而同时 它又使用数字通信,使远程组态和诊断成为可能.尽管HA-RT协 议允许数台设备多挂接在一根双绞线上,但由于数据更新速度低 (一般为每台设备
  0.5s),所以不经常使用这种连接方式.在绝大 多数的系统中,HART设备采用点到点的连接方式,也就是每台 设备各用一根双绞线.同时,为了组态及维护,可经常
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地临时接上手持终端.基金会现场总线的H1与PROFIB-BUS PA 都完全是数字化的协议,甚至都遵循IEC 61158-2标准而使用同 样的布线.然而除此之外,这两种协议之间存在着很大的差异, 根据所需要的系统结构的不同,其中的一种协议可能比另一种更 适合. 在现场级有着大量仪表,往往是成百上千.线路往往也很长, 网络电缆必须从控制室一直连接到现场,或接到塔上,然后再分 支到遍及现场的所有设备.由于每个网络能多挂接的设备数量受 限制,因此,即使是一个中等规模的工厂,也可能有多条网络电 缆引向现场,尽管线缆数量比点到点的布线已减少了很多.现场 级网络从设计上使线缆可以延伸得很远,并允许现场设备从网络 中获得供电.这样,同一根双绞线不但可向设备供电而且同时传 送数字信号,从而避免了单独供电用的电缆,既简化了布线又降 低了成本.
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作为降低成本的另一种措施,设计者选择了适中的现场级网 络通信速度,以便可以使用标准的,仪表等级的电缆而非特殊的 数据电缆.由于也不需要特殊的连接器,耦合器和集线器,所以 可以完成简单而实用的连接.在多数场合下,常规仪表所使用的 电缆的等级完全可以满足现场总线网洛的要求.这也使得当现有 的工厂采用现场总线时,有可能可以使用原有的电缆.在可能出 现可燃流体的危险过程环境,本质安全常常是优先选用的保护措 施.所以现场总线网络在设计上允许将安全栅安装在总线上. 另外,由于设计者选择了适中的现场网络通信速度,因此所 连接的设备并不需要耗费大量的CPU处理能力来快速处理通信. 结果是它们也只消耗很少的功率.由于设备的低功耗意味着在线 路上的压降也低,因此,即使在长距离甚至还使用了本质安全栅 的情况下,仍可以将几台设备用分支线接在同一个网络上.现场 级网络的另一个突出优点是由布线自由而带来的网络拓扑结构上 的自由度.最后,这些现场总线网络的设计还使它们可以在相当 恶劣并有电气干扰的现场环境中运行.
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主站级 在主站级,以太网标准已经成为占支配地位的布线技术(图51A-2 ).有许多协议是基于以太网布线的,它们包括基金会现场 总线(HSE),PROFInet, Redundant Modbus/TCP等协议. Host level 使用现场总线及设备管 理软件的工厂会遇到带 Linking Device 宽需求的激增,因此在 主站级必须具有高速网 Field level 络. 现场级网络从现场 仪表采集了如此众多的 数据.结果使信息量剧 增.
图 5-1A-2 带冗余实用的主站级网络
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这一巨大的信息量是一个老式的专有控制级网络无法应对 的.以太网具备传送大量数据所需的吞吐量,这些数据用于传统 工厂的操作和历史趋势,用于新增的远程诊断,维护及组态功能, 以及用于对工厂自动化任务的快速响应.这些应用之所以选择以 太网,是因为其高速度使其有能力传送所有的这些信息.此外, 以太网已经成为标准,并被广大技术人员深入了解,也已获得广 泛的应用.用于以太网的各种各样的设备与解决方案都是现成的. 在许多应用中,对主站级协议的关键要求之一是有效性.网 络必须能容错,也就是说在有故障时能启动和运行.由于整个工 厂是通过该网络来操作并进行监控的,所以主站级网络的有效性 尤为关键.停车具有极大的破坏性并会造成巨大损失;网络的彻 底崩溃将导致极其严重的后果.虽然以太网源自办公环境,但在 工厂控制系统中可以采用坚固的工业级(与商业级不同)附件及布 线方案.主站级网络的设计允许冗余,以便使网络能容错 .
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采用多层冗余及工业增强型部件的工业级网络,能处理多个同时 发生的故障. 物理上的远距离对主站级网络来说并不重要.因为它一般只 局限在控制室内,所以以太网所规定的距离一般来讲是足够的. 作为公认的标准,以太网的一大优势是可以使用几种可供选择的 介质.采用铜芯介质的以太网不适合现场,因为它不能延伸很长 的距离.因此它的应用局限于控制室内(即"主站总线"而不是 "现场总线").然而,光纤及无线电以太网则可以延伸到很长 的距离,所以适用于远程应用. 主站级网络将过程自动化系统中所有的子系统连接在一起. 除基本控制功能以外,工厂里还经常有带辅助功能的成套设备, 如锅炉或压缩机.它们往往有随设备自带的控制单元需要同系统 的其余部分集成起来(图5-1A-
  3).
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