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現場總線技術
 
  上世紀70年代以前,控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉換、傳遞,其精度差、受干擾信號影響大,因而整個控制系統的控制效果及系統穩定性都較差。隨著大規模集成電路的出現,微處理器技術得到很大發展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當的接口電路用于控制系統,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。隨著過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網絡技術的成熟和發展,控制領域又發生了一次技術變革。這次變革使傳統的控制系統(如集散控制系統)無論在結構上還是在性能上都發生了巨大的飛躍,這次變革的基礎就是現場總線技術的產生。
  現場總線是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節點通信網絡,也稱為現場底層設備控制網絡(INTRANET)。80年代以來,各種現場總線技術開始出現,使之成為一次世界性的技術變革浪潮。美國儀表協會ISA于1984年開始制訂現場總線標準,在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等,各種現場總線標準陸續形成。其中主要的有:基金會現場總線FF(Foundation Field bus)、控制局域網絡CAN(Controller Area Network)、局部操作網絡Lon Works(Local Operating Network)、過程現場總線PROFIBUS(Process Field Bus)和HART協議(Highway Addressable Remote Transducer)等。國際電工委員會IEC對現場總線的定義是:安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通訊的數據總線。
  現場總線控制系統的構成是以某一標準現場總線為基礎的。一旦現場總線標準確定,其對應的控制系統的結構體系也就確定了。
  現場總線技術的特點:
 ?。?)數字化通信取代4~20MA模擬信號傳統技術,現場層設備與控制器之間的連接是一對一(一個I/O點對設備的一個測控點)所謂I/O接線方式,信號傳遞4~20MA(傳送模擬量信息)或24VDC(傳送開關量信息)信號。應用現場總線技術可用一條通信電纜將控制器與現場設備(智能化、帶有通信接口)連接,使用數字化通信完成底層設備通信及控制要求。 
 ?。?)現場設備智能化應用現場總線技術,要求現場設備(傳感器、驅動器、執行機構等設備)是帶有串行通信接口的智能化(可編程或可參數化)設備。因此,現場總線技術以計算機大規模集成電路的發展為基礎。
 ?。?)集現場設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體,現場總線采用計算機數字化通信技術連接智能化現場設備,因此,控制器可從現場設備獲取大量豐富信息,可實現設備狀態、故障、參數信息傳送,可完成設備遠程控制、參數化及故障診斷工作。
 ?。?)現場總線是計算機網絡通信向現場級的延伸,傳統的現場層設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。這種通信技術信息量有限,難以實現設備之間及系統與外界之間的信息交換,使自控系統成為工廠中的“信息孤島",嚴重制約了企業信息集成及企業綜合自動化的實現。現場總線技術采用計算機數字化通信技術,使自控系統與設備加入工廠信息網絡,成為企業信息網絡底層,使企業信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現場。
 ?。?)現場總線技術是實現工廠底層信息集成的關鍵技術。現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備的延伸,是支撐現場級與車間級信息集成的技術基礎。
總之,現場總線是3C技術(計算機、通訊、控制)的融合。其技術的特點是:信號輸出全數字、控制功能全分散、標準統一全開發。
現場總線與局域網的區別:
 ?。?)按功能比較:現場總線是一種實時控制網絡,它連接自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備,網線上傳輸的是小批量數據信息,如檢測信息、狀態信息、控制信息等,傳輸速率低,但實時性高;而局域網用于連接局域區域的各臺計算機,網線上傳輸的是大批量的數字信息,如文本、聲音、圖像等,傳輸速率高,但不要求實時性。
 ?。?)按實現方式比較:現場總線可采用各種通訊介質,如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等,實現成本低;局域網需要專用電纜,如同軸電纜、光纖等,實現成本高。
現場總線系統FCS與集散控制系統DCS的比較:
  FCS是在DCS的基礎上發展起來的,FCS順應了自動控制系統的發展潮流,它必將替代DCS。現階段FCS尚沒有統一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢,DCS則以其成熟的發展,完備的功能及廣泛的應用而占據著一個尚不可完全替代的地位。以工程成本與效益看,現場總線的根本優勢是良好的互操作性;因結構簡單而布線費用低;控制功能分散,靈活可靠,以及現場信息豐富。然而這些優勢是建立在FCS系統初裝的前提下,倘若企業建立有完善的DCS,現在要向FCS過渡,則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。雖然現場總線對已有的數字現場協議有優勢可言,但向其過渡的代價與風險是必須分析清楚的。再者,從技術的繼承及控制手段上,也要求FCS與DCS應相兼容。FCS實現控制功能下移至現場層,使DCS的多層網絡被扁平化,各個現場設備節點的獨立功能得以加強,因此,在FCS中有必要增加和完善現場子層設備間的數據通訊功能。而DCS通常擁有大型控制柜用以協調各個設備,同時更強調層與層的數據傳輸。DCS適用于較慢的數據傳輸速率;FCS則更適用于較快的數據傳輸速率,以及更靈活的處理數據。然而,當數據量超過一定值過于偏大時,如果同層的設備過于獨立,則很容易導致數據網絡的堵塞。因此設立一個適當的監控層用以協調相互通訊的設備是有益的,而DCS卻能輕松地勝任這一工作。要把握新世紀工業過程控制的發展趨勢,無論在學術研究或是工程應用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略;與此同時,DCS的發展也應追尋FCS控制策略的新思想,使其具有新的生命力。
  當前流行的幾類現場總線:
 ?。?)基金會現場總線FF:基金會總線(FF,Foundation Fieldbus)是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有專有良好發展前景的技術。它以ISO/OSI開放系統層上增加用戶層,主要針對自動化測控應用的需要,定義了信息存取的統一規則,采用設備描述語言規定了通用的功能塊集?;鴰嵯殖∽芟叻值退貶1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1900m(可加中繼器延長),可支持總線供電防爆環境。H2的傳輸可為1Mbps和2.5Mbps兩種,其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發射,協議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。 基金會現場總線的主要技術內容,包括FF通信協議、用于完成開放互連模型中第2~7層通信協議的通信棧(Communication Stack)用于描述設備特征、參數、屬性及操作功能塊;實現系統組態、調度、管理等功能的系統軟件以及構筑集成自動化系統、網絡系統的系統集成技術。
 ?。?)CAN總線:CAN總線最早是由德國Bosch公司推出,用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準,并且廣泛應用于離散控制領域。它也是基于OSI模型,但進行了優化,采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層,提高了實時性。其節點有優先級設定,支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節點可隨時發送消息。傳輸介質為雙絞線,通信速率與總線長度有關。CAN總線采用短消息報文,每一幀有效字節數為8;當節點出錯時,可自動關閉,抗干擾能力強,可靠性高。
 ?。?)Lon Works總線:Lon Works技術是美國ECHELON公司開發,并與Motorola和東芝公司共同倡導的現場總線技術。它采用了OSI參考模型全部的七層協議結構。Lon Works技術核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現完整的Lon Works的Lon Talk通信協議。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,稱為介質訪問處理器。一個CPU是應用處理器,運行操作系統與用戶代碼?;褂幸桓鯟PU為網絡處理器,作為前兩者的中介,它進行網絡變量尋址、更新、路徑選擇、網絡通信管理等。由神經芯片構成的節點之間可以進行對等通信。Lon Works支持多種物理介質并支持多種拓撲結構,組網方式靈活,其IS-78本質安全物理通道使得它可以應用于危險區域。Lon Works應用范圍主要包括樓宇自動化、工業控制等,在組建分布式監控網絡方面有較優越的性能。
 ?。?)PROFIBUS總線:PROFIBUS是德國DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。由PROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PS組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外部設備間的高速數據傳輸,適合于加工自動化領域的應用。FMS為現場信息規范,PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型,它遵從IEC1158-2標準。該項技術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、數據鏈路層。FMS還采用了應用層。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。其傳輸介質可以是雙絞線,也可以是光纜。最多可掛接127站點??墑迪腫芟吖┑纈氡局拾踩辣?。 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,主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權。取得控制權的主站,可向從站發送、獲取信息。
 ?。?)HART總線:HART協議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協議。它是用于現場智能儀表和控制室設備間通信的一種協議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議,其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信,屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡產品,因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力,在智能儀表市場上占有很大的份額。
 ?。?)P-NET現場總線:P-NET現場總線技術是由丹麥Proces-Data A/S公司研究并開發,是一種全世界通用的開放型標準化總線。它可以將生產過程的各個部分,如過程控制計算機、傳感器、執行器、I/O???、小型可編程控制器等,通過共用一根雙芯電纜加以連接。與傳統布線相比,P-NET現場總線技術在工業控制應用中具有很大的優勢,它將簡化設計和安裝,減少布線的數量和費用,避免各種設備故障的發生,實現更直接也更廣泛的使用功能。 P-NET是現場總線的一種,它不同于其它總線的特點是:安裝簡單;成本較低;用戶開發方便,可在Windows NT平臺上用高級語言開發;整個系統的硬件都采用標準的商品芯片,所以改進較快(其它的現場總線都用專門設計的芯片,不易改動);P-NET較之其它總線有許多實際上的優點,特別適合于食品、飼養、農業方面的應用。
 ?。?)INTERBUS總線:INTERBUS作為IEC61158標準之一,廣泛地應用于制造業和機器加工行業中,用于連接傳感器/執行器的信號到計算機控制站,是一種開放的串行總線系統。INTERBUS總線于1984年推出,其主要技術開發者為德國的PhoenixContact公司。INTERBUS總線包括遠程總線網絡和本地總線網絡,兩種網絡傳送相同的信號但電平不同。遠程總線網絡用于遠距離傳送數據,采用RS-485傳輸,遠程網絡采用全雙工方式進行通訊,通訊速率為500k/s。本地總線網絡連接到遠程網絡上,網絡上的總線終端BT(BUS Terminal)上的BK??楦涸鸞凍掏縭葑晃鏡贗縭?。 INTERBUS總線上的主要設備有總線終端BT(BUS Terminal)上的BK???、I/O??楹桶滄霸赑C或PLC等上位主設備中的總線控制板。總線控制板是INTERBUS總線上的主設備,用于實現協議的控制、錯誤的診斷、組態的存儲等功能。I/O??槭迪衷謐芟嚦刂瓢搴痛釁?執行器之間接收和傳輸數據,可處理的數據類型包括機械制造和流程工業的所有標準信號。
 ?。?)World FIP是歐洲標準的組成部分,是在法國標準FIP-C46-601/C46-607的基礎上采納了IEC物理層國際標準1158-2發展起來的,由三個通信層組成。World FIP的顯著特點是為所有的工業和過程控制提供帶有一個物理層的單一現場總線。底層控制系統、制造系統和驅動系統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備以實現同樣的功能。
現場總線技術尚不能完全滿足工業現場控制的所有要求:
 ?。?)成本問題:現場總線技術的本質是網絡通訊技術,只有電源線與通訊線合用,才是現場總線的意義所在,要做到這一點成本是不低的。每個傳感器都要有單獨的信號放大調節電路、A/D轉換、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。
 ?。?)現場總線的本質是現場傳感器和執行器等設備與控制裝置之間的通訊,它既不能取代現場設備,也不能代替PLC/DCS/IPC等控制裝置。實現系統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點的可靠性決定了整個系統的命運。
 ?。?)現場總線的故障確定與排除也非易事,因為當總線上的某個節點出故障而封鎖總線時,要確認是那個節點出故障是不容易的。
 ?。?)合理的現場總線應用應是:傳感器完成信號的數字化,并進行一些必要的預處理(如熱電偶非線性補償,傳感器故障診斷),執行器完成后處理和動作,控制裝置接收傳感器的信號,進行統一運算,將運算結果送給執行器。
 ?。?)由于現場總線所有信息均需通過總線串行交換,其實時性必然受到限制。選用現場總線時,在對電纜數量有要求的場合十分有意義,因為現場總線能大大減少電纜。而在機電設備、小型系統、重要安全的裝置或系統以及2/3以上的被控量是短距離開關量信號時不宜用現場總線。
 
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