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| 現(xiàn)場總線技術(shù) |
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上世紀(jì)70年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都較差。隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，控制效果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生。
現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，也稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INTRANET）。80年代以來，各種現(xiàn)場總線技術(shù)開始出現(xiàn)，使之成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會ISA于1984年開始制訂現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Field bus）、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡(luò)Lon Works（Local Operating Network）、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協(xié)議（Highway Addressable Remote Transducer）等。國際電工委員會ＩＥＣ對現(xiàn)場總線的定義是：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)總線。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構(gòu)成是以某一標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的。一旦現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)確定，其對應(yīng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系也就確定了。
現(xiàn)場總線技術(shù)的特點(diǎn)：
（1）數(shù)字化通信取代4～20MＡ模擬信號傳統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點(diǎn)對設(shè)備的一個測控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，信號傳遞4～20MA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)可用一條通信電纜將控制器與現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，使用數(shù)字化通信完成底層設(shè)備通信及控制要求。
（2）現(xiàn)場設(shè)備智能化應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，要求現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備）是帶有串行通信接口的智能化（可編程或可參數(shù)化）設(shè)備。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)以計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成電路的發(fā)展為基礎(chǔ)。
（3）集現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體，現(xiàn)場總線采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)連接智能化現(xiàn)場設(shè)備，因此，控制器可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，可完成設(shè)備遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷工作。
�。�4）現(xiàn)場總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場級的延伸，傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的通信采用一對一連線的方式，傳輸4～20MA/24VDC信號。這種通信技術(shù)信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島"，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場總線技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。
�。�5）現(xiàn)場總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工廠底層信息集成的關(guān)鍵技術(shù)�，F(xiàn)場總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場級設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。
總之，現(xiàn)場總線是3C技術(shù)（計(jì)算機(jī)、通訊、控制）的融合。其技術(shù)的特點(diǎn)是：信號輸出全數(shù)字、控制功能全分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開發(fā)。
現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別：
（1）按功能比較：現(xiàn)場總線是一種實(shí)時控制網(wǎng)絡(luò)，它連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實(shí)時性高；而局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計(jì)算機(jī)，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實(shí)時性。
�。�2）按實(shí)現(xiàn)方式比較：現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質(zhì)，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實(shí)現(xiàn)成本低；局域網(wǎng)需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實(shí)現(xiàn)成本高。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS與集散控制系統(tǒng)DCS的比較：
FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，ＦＣＳ順應(yīng)了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代DCS�，F(xiàn)階段FCS尚沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占據(jù)著一個尚不可完全替代的地位。以工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；因結(jié)構(gòu)簡單而布線費(fèi)用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現(xiàn)場信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在FCS系統(tǒng)初裝的前提下，倘若企業(yè)建立有完善的DCS，現(xiàn)在要向FCS過渡，則必須仔細(xì)考慮現(xiàn)有投資對已有投資的回報(bào)率。雖然現(xiàn)場總線對已有的數(shù)字現(xiàn)場協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過渡的代價與風(fēng)險(xiǎn)是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應(yīng)相兼容。FCS實(shí)現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場層，使DCS的多層網(wǎng)絡(luò)被扁平化，各個現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立功能得以加強(qiáng)，因此，在FCS中有必要增加和完善現(xiàn)場子層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊功能。而DCS通常擁有大型控制柜用以協(xié)調(diào)各個設(shè)備，同時更強(qiáng)調(diào)層與層的數(shù)據(jù)傳輸。DCS適用于較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率；FCS則更適用于較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及更靈活的處理數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過一定值過于偏大時，如果同層的設(shè)備過于獨(dú)立，則很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的堵塞。因此設(shè)立一個適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設(shè)備是有益的，而DCS卻能輕松地勝任這一工作。要把握新世紀(jì)工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢，無論在學(xué)術(shù)研究或是工程應(yīng)用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時，DCS的發(fā)展也應(yīng)追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。
當(dāng)前流行的幾類現(xiàn)場總線：
�。�1）基金會現(xiàn)場總線FF：基金會總線（FF,Foundation Fieldbus）是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有專有良好發(fā)展前景的技術(shù)。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)層上增加用戶層，主要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集�；饡F(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kbps，通信距離可達(dá)1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電防爆環(huán)境。H2的傳輸可為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。 基金會現(xiàn)場總線的主要技術(shù)內(nèi)容，包括ＦＦ通信協(xié)議、用于完成開放互連模型中第2～7層通信協(xié)議的通信棧（Communication Stack）用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作功能塊；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。
（2）CAN總線：CAN總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提高了實(shí)時性。其節(jié)點(diǎn)有優(yōu)先級設(shè)定，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、廣播模式通信。各節(jié)點(diǎn)可隨時發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。CAN總線采用短消息報(bào)文，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8；當(dāng)節(jié)點(diǎn)出錯時，可自動關(guān)閉，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。
�。�3）Lon Works總線：Lon Works技術(shù)是美國ECHELON公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。Lon Works技術(shù)核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現(xiàn)完整的Lon Works的Lon Talk通信協(xié)議。其上集成三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì)訪問處理器。一個CPU是應(yīng)用處理器，運(yùn)行操作系統(tǒng)與用戶代碼。還有一個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對等通信。Lon Works支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，其IS-78本質(zhì)安全物理通道使得它可以應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域。Lon Works應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。
�。�4）PROFIBUS總線：PROFIBUS是德國DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PS組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外部設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS為現(xiàn)場信息規(guī)范，PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。ＦＭＳ還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kbps-12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m 1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127站點(diǎn)�？蓪�(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。 PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權(quán)，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。
�。�5）HART總線：HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通信可以有點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強(qiáng)市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。
�。�6）P-NET現(xiàn)場總線：P-NET現(xiàn)場總線技術(shù)是由丹麥Proces-Data A/S公司研究并開發(fā)，是一種全世界通用的開放型標(biāo)準(zhǔn)化總線。它可以將生產(chǎn)過程的各個部分，如過程控制計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行器、I/O模塊、小型可編程控制器等，通過共用一根雙芯電纜加以連接。與傳統(tǒng)布線相比，P-NET現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢，它將簡化設(shè)計(jì)和安裝，減少布線的數(shù)量和費(fèi)用，避免各種設(shè)備故障的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)更直接也更廣泛的使用功能。 P-NET是現(xiàn)場總線的一種，它不同于其它總線的特點(diǎn)是：安裝簡單；成本較低；用戶開發(fā)方便，可在Windows NT平臺上用高級語言開發(fā)；整個系統(tǒng)的硬件都采用標(biāo)準(zhǔn)的商品芯片，所以改進(jìn)較快（其它的現(xiàn)場總線都用專門設(shè)計(jì)的芯片，不易改動）；P-NET較之其它總線有許多實(shí)際上的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于食品、飼養(yǎng)、農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。
�。�7）INTERBUS總線：INTERBUS作為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)之一，廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)和機(jī)器加工行業(yè)中，用于連接傳感器/執(zhí)行器的信號到計(jì)算機(jī)控制站，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。INTERBUS總線于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國的PhoenixContact公司。INTERBUS總線包括遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)和本地總線網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)傳送相同的信號但電平不同。遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)用于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS-485傳輸，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)采用全雙工方式進(jìn)行通訊，通訊速率為500k/s。本地總線網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上的總線終端BT（BUS Terminal）上的BK模塊負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。 INTERBUS總線上的主要設(shè)備有總線終端BT（BUS Terminal）上的BK模塊、I/O模塊和安裝在PC或PLC等上位主設(shè)備中的總線控制板�？偩�控制板是INTERBUS總線上的主設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)協(xié)議的控制、錯誤的診斷、組態(tài)的存儲等功能。I/O模塊實(shí)現(xiàn)在總線控制板和傳感器/執(zhí)行器之間接收和傳輸數(shù)據(jù)，可處理的數(shù)據(jù)類型包括機(jī)械制造和流程工業(yè)的所有標(biāo)準(zhǔn)信號。
（8）World FIP是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，是在法國標(biāo)準(zhǔn)FIP-C46-601/C46-607的基礎(chǔ)上采納了IEC物理層國際標(biāo)準(zhǔn)1158-2發(fā)展起來的，由三個通信層組成。World FIP的顯著特點(diǎn)是為所有的工業(yè)和過程控制提供帶有一個物理層的單一現(xiàn)場總線。底層控制系統(tǒng)、制造系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)都可直接連到控制一級的World FIP總線上，毋需采用將RS485和其它低速總線相混和的方式來接連底層設(shè)備以實(shí)現(xiàn)同樣的功能。
現(xiàn)場總線技術(shù)尚不能完全滿足工業(yè)現(xiàn)場控制的所有要求：
（1）成本問題：現(xiàn)場總線技術(shù)的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，只有電源線與通訊線合用，才是現(xiàn)場總線的意義所在，要做到這一點(diǎn)成本是不低的。每個傳感器都要有單獨(dú)的信號放大調(diào)節(jié)電路、A/D轉(zhuǎn)換、載波與通訊電路、電源部件及其它智能部件，使成本大大提高。
�。�2）現(xiàn)場總線的本質(zhì)是現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備與控制裝置之間的通訊，它既不能取代現(xiàn)場設(shè)備，也不能代替PLC/DCS/IPC等控制裝置。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的信息全部依賴總線來交換，總線的可靠性和總線上任一節(jié)點(diǎn)的可靠性決定了整個系統(tǒng)的命運(yùn)。
�。�3）現(xiàn)場總線的故障確定與排除也非易事，因?yàn)楫?dāng)總線上的某個節(jié)點(diǎn)出故障而封鎖總線時，要確認(rèn)是那個節(jié)點(diǎn)出故障是不容易的。
（4）合理的現(xiàn)場總線應(yīng)用應(yīng)是：傳感器完成信號的數(shù)字化，并進(jìn)行一些必要的預(yù)處理（如熱電偶非線性補(bǔ)償，傳感器故障診斷），執(zhí)行器完成后處理和動作，控制裝置接收傳感器的信號，進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送給執(zhí)行器。
（5）由于現(xiàn)場總線所有信息均需通過總線串行交換，其實(shí)時性必然受到限制。選用現(xiàn)場總線時，在對電纜數(shù)量有要求的場合十分有意義，因?yàn)楝F(xiàn)場總線能大大減少電纜。而在機(jī)電設(shè)備、小型系統(tǒng)、重要安全的裝置或系統(tǒng)以及2/3以上的被控量是短距離開關(guān)量信號時不宜用現(xiàn)場總線。 |
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