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现场总线技术
 
  上世纪70年代以前,控制系统中采用模拟量?#28304;?#36755;及控制信号进行转换、传递,其精度差、受干扰信号影响大,因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都较差。随着大规模集成电路的出现,微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统,控制效果得到提高;但是尽管如此,还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展,控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统(如集散控制系统)无论在结构上还是在性能上都发生?#21496;?#22823;的飞跃,这次变革的基础就是现场总线技术的产生。
  现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,也称为现场底层设备控制网络(INTRANET)。80年代以来,各种现场总线技术开始出现,使之成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会ISA于1984年开始制订现场总线标准,在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等,各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有:基金会现场总线FF(Foundation Field bus)、控制局域网络CAN(Controller Area Network)、局部操作网络Lon Works(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(Process Field Bus)和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)?#21462;?#22269;际电工委员会IEC对现场总线的定义是:安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线。
  现场总线控制系统的构成是以某一标准现场总线为基础的。一旦现场总线标准确定,其对应的控制系统的结构体系也就确定了。
  现场总线技术的特点:
  (1)数字化通信取代4~20MA模拟信号传统技术,现场层设备与控制器之间的连接是一对一(一个I/O点对设备的一个测控点)所谓I/O接线方式,信号传递4~20MA(传送模拟量信息)或24VDC(传送开关量信息)信号。应用现场总线技术可用一条通信电?#38470;?#25511;制器与现场设备(智能化、带有通信接口)连接,使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。 
  (2)现场设备智能化应用现场总线技术,要求现场设备(传感器、驱动器、执行机构等设备)是带有串行通信接口的智能化(可编程或可参数化)设备。因此,现场总线技术以计算机大规模集成电路的发?#21038;?#22522;础。
  (3)集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体,现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备,因此,控制器可从现场设备获取大量丰富信息,可实现设备状态、故障、参数信息传送,可完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。
  (4)现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸,传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线的方式,传输4~20MA/24VDC信号。这种通信技术信息量有限,难以实现设备之间及系统与外界之间的信息?#25442;唬?#20351;自控系统成为工厂中的“信息孤岛",?#29616;?#21046;约了企业信息集成及企?#24213;?#21512;自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术,使自控系统与设备加入工厂信息网络,成为企业信息网络底层,使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。
  (5)现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键技术。现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸,是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
总之,现场总线是3C技术(计算机、通讯、控制)的融合。其技术的特点是:信号输出全数字、控制功能全分散、标准统一全开发。
现场总线与局域网的区别:
  (1)按功能比较:现场总线是一种实时控制网络,它连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备,网线上传输的是小批量数据信息,如检测信息、状态信息、控制信息等,传输速?#23454;停?#20294;实时性高;而局域网用于连接局域区域的各台计算机,网线上传输的是大批量的数字信息,如文?#23613;?#22768;音、图像等,传输速率高,但不要求实时性。
  (2)按实现方式比较:现场总线可采用各种通讯介质,如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等,实现成本低;局域网需要专用电缆,如同轴电缆、光纤等,实现成本高。
现场总线系统FCS与集散控制系统DCS的比较:
  FCS是在DCS的基础上发展起来的,FCS顺应了自动控制系统的发展潮流,它必将替代DCS。现阶段FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势,DCS则以其成熟的发展,完备的功能及广泛的应用而占据着一个尚不可完全替代的地位。以工程成本与效益看,现场总线的根本优势是良好的互操作性;因结构简单而布线费用低;控制功能分散,灵活可靠,以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在FCS系统初装的前提下,倘若企?#21040;?#31435;有完善的DCS,现在要向FCS过渡,则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言,但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者,从技术的继承及控制手段上,也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至现场层,使DCS的多层网络被扁平化,各个现场设备节点的独立功能得以加强,因此,在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。而DCS通常拥有大型控制柜用以协调各个设备,同?#22791;?#24378;调层与层的数据传输。DCS适用于?#19979;?#30340;数据传输速率;FCS则更适用于较快的数据传输速率,以?#26696;?#28789;活的处理数据。然而,当数据量超过一定值过于偏大时,如果同层的设备过于独立,则很容易导致数据网络的堵塞。因此设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备是有益的,而DCS却能轻松地胜任这一工作。要把握新世纪工业过程控制的发展趋势,无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟控制策略;与?#36865;?#26102;,DCS的发展也应?#36153;癋CS控制策略的新思想,使其具有新的生命力。
  当前流行的几类现场总线:
  (1)基金会现场总线FF:基金会总线(FF,Foundation Fieldbus)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统层上增加用户层,主要针对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规则,采用设备描述语言规定?#36865;?#29992;的功能块集。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长),可支持总线供电防爆环?#22330;2的传输可为1Mbps和2.5Mbps两种,其通信距离?#30452;?#20026;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IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 基金会现场总线的主要技术内容,包括FF通信协议、用于完成开放互连模型中第2~7层通信协议的通信栈(Communication Stack)用于描述设备特征、参数、属性及操作功能块;实现系统组态、调?#21462;?#31649;理等功能的系统软件以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
  (2)CAN总线:CAN总线最早是由德国Bosch公司推出,用于汽?#30340;?#37096;测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型,但进行了优化,采用了其中的物理层、数据链路层、应用层,提高了实时性。其节点有优?#29123;?#35774;定,支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线,通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文,每一帧有效字节数为8;当节点出错时,可自动关闭,抗干扰能力强,可靠性高。
  (3)Lon Works总线:Lon Works技术是美国ECHELON公司开发,并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。Lon Works技术核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的Lon Works的Lon Talk通信协议。其上集成三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能,称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器,运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器,作为前两者的中介,它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理?#21462;?#30001;神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。Lon Works支持多种物理介质并支持多种拓扑结构,组网方式灵活,其IS-78?#23616;?#23433;全物理通道使得它可以应用于危险区域。Lon Works应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等,在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。
  (4)PROFIBUS总线:PROFIBUS是德国DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PS组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外部设备间的高速数据传输,适合于加工自动化领域的应用。FMS为现场信息规范,PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关?#21462;?#32780;PA型则是用于过程自动化的总线类型,它遵从IEC1158-2标准。该项技术是西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9.6kbps-12Mbps,最大传输距离在12Mbps时为100m 1.5Mbps时为400m,可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线,也可以是光缆。最多可挂接127站点。可实现总线供电与?#23616;?#23433;全防爆。 PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多?#27833;?#20449;方式。主站对总线具有控制权,主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站,?#19978;?#20174;站发送、获取信息。
  (5)HART总线:HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一?#20013;?#35758;。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这?#20013;?#35758;?#24378;?#23547;址远程传感器高速通道的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品,因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力,在智能仪表市场上占有很大的份额。
  (6)P-NET现场总线:P-NET现场总线技术是由丹麦Proces-Data A/S公司研究并开发,是一种全世界通用的开放型标准化总线。它可以将生产过程的各个部分,如过程控制计算机、传感器、执行器、I/O模块、小型可编程控制器等,通过共用一根双芯电缆加以连接。与传统布线相比,P-NET现场总线技术在工业控制应用中具有很大的优势,它将简化设计和安装,减少布线的数量和费用,避免各种设备故?#31995;?#21457;生,实现更直接也更广泛的使用功能。 P-NET是现场总线的一种,它不同于其它总线的特点是:安装简单;成本?#31995;停?#29992;户开发方便,可在Windows NT平台上用高级语言开发;整个系统的?#24067;?#37117;采用标准的商品芯片,所以改进较快(其它的现场总线都用专门设计的芯片,不易改动);P-NET?#29616;?#20854;它总线有许多实际?#31995;?#20248;点,特别适合于食品、饲养、农业方面的应用。
  (7)INTERBUS总线:INTERBUS作为IEC61158标准之一,广泛地应用于制造业和机器加工行业中,用于连接传感器/执行器的信号到计算机控制站,是一种开放的串行总线系统。INTERBUS总线于1984年推出,其主要技术开发者为德国的PhoenixContact公司。INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络,两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离传送数据,采用RS-485传输,远程网络采用全双工方式进行通讯,通讯速率为500k/s。本地总线网络连接到远程网络上,网络?#31995;?#24635;线终端BT(BUS Terminal)?#31995;腂K模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。 INTERBUS总线?#31995;?#20027;要设备有总线终端BT(BUS Terminal)?#31995;腂K模块、I/O模块和安装在PC或PLC等上位主设备中的总线控制板。总线控制板是INTERBUS总线?#31995;?#20027;设备,用于实现协议的控制、错误的诊断、组态的存储等功能。I/O模块实现在总线控制板和传感器/执行器之间接收和传输数据,可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。
  (8)World FIP是欧洲标准的组成部分,是在法国标准FIP-C46-601/C46-607的基础上采纳了IEC物理层国际标准1158-2发展起来的,由三个通信层组成。World FIP的显著特点是为所有的工业和过程控制提供带有一个物理层的单一现场总线。底层控制系统、制造系统和驱动系统都可直接连到控制一级的World FIP总线上,毋需采用将RS485和其它低速总线相混和的方式来接连底层设备以实现同样的功能。
现场总线技术尚不能完全满足工业现场控制的所有要求:
  (1)成本问题:现场总线技术的?#23616;适?#32593;络通讯技术,只有电源线与通讯线合用,才是现场总线的意义所在,要做到这一点成本是不低的。每个传感器都要有单独的信号放大调节电路、A/D转换、载波与通讯电路、电源部件及其它智能部件,使成本大大提高。
  (2)现场总线的?#23616;适?#29616;场传感器和执行器等设备与控制装置之间的通讯,它既不能取代现场设备,也不能代替PLC/DCS/IPC等控制装置。实现系统功能所需的信息全部依赖总线来?#25442;唬?#24635;线的可靠性和总线上任一节点的可靠性决定了整个系统的命运。
  (3)现场总线的故障确定与排除也?#19988;资攏?#22240;为当总线?#31995;?#26576;个节点出故障而封锁总线时,要确认是那个节点出故障是不容易的。
  (4)合理的现场总线应用应是:传感器完成信号的数字化,并进行一些必要的预处理(如热电偶非线性补偿,传感器故障诊断),执行器完成后处理和动作,控制装置接收传感器的信号,进行统一运算,将运算结果送给执行器。
  (5)由于现场总线所有信息均需通过总线串行?#25442;唬?#20854;实时性必然受到限制。选用现场总线时,在对电缆数量有要求的场合十分有意义,因为现场总线能大大减少电缆。而在机电设备、小型系统、重要安全的装置或系统以及2/3以?#31995;?#34987;控量是短距离开关量信号时不宜用现场总线。
 
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