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現場總線縱橫談
 
  摘 要:分析了現場總線產生的原因,闡述了現場總線的概念、體系結構和特點,給出了現場總線的發展現狀,提出了為迎接現場總線這場自控領域內的技術變革應采取的對策,并結合實例說明了現場總線具體開發應用方法。
  關鍵詞:現場總線;分布式體系結構;通訊協議;開放性;可互操作性;LonWorks
 
一、引言
 
  現場總線在控制領域嶄露頭角不過是最近幾年,然而其來勢兇涌,且有愈演愈烈之趨勢。那么,究竟什么是現場總線?什 么是現場總線控制系統?現場總線控制系統較之目前在工控界仍占主導地位的集散控制系統(DCS)有何特點和優點?在現場總 線標準尚未統一之前,能采用嗎?若欲采用,40多種現場總線,應選用哪一種?
 
  本文將圍繞以上問題展開論述,從控制系統的發展歷程角度探討現場總線的成因;闡述現場總線的概念、體系結構和特點給出現場總線的發展現狀;提出面對現場總線百家爭鳴的現狀應采取的對策;結合具體實例說明現場總線開發應用方法。
 
二、現場總線的產生
 
  縱觀控制系統的發展史,不難發現,每一代新的控制系統推出都是針對老一代控制系統存在的缺陷而給出的解決方案,最終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動下占領市場的主導地位,現場總線和現場總線控制系統的產生也不例外
   
  1、模擬儀表控制系統
  模擬儀表控制系統于六七十年代占主導地位。其顯著缺點是:模擬信號精度低,易受干擾。
   
    2、集中式數字控制系統
  集中式數字控制系統于七八十年代占主導地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器,控制器內部傳輸的是數字信 號,因此克服了模擬儀表控制系統中模擬信號精度低的缺陷,提高了系統的抗干擾能力。集中式數字控制系統的優點是易于根據全局情況進行控制計算和判斷,在控制方式、控制機時的選擇上可以統一調度和安排;不足的是,對控制器本身要求很高,必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性,當系統任務增加時,控制器的效率和可靠性將急劇下降。
 
    3、集散控制系統(DCS
  集散控制系統(DCS)于八、九十年代占主導地位。其核心思想是集中管理、分散控制,即管理與控制相分離,上位機用于集中監視管理功能,若干臺下位機下放分散到現場實現分布式控制,各上下位機之間用控制網絡互連以實現相互之間的信息傳遞。因此,這種分布式的控制系統體系結構有力地克服了集中式數字控制系統中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系統中,分布式控制思想的實現正是得益于網絡技術的發展和應用,遺憾的是,不同的DCS廠家為達到壟斷經營 的目的而對其控制通訊網絡采用各自專用的封閉形式,不同廠家的DCS系統之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網絡之間難以實現網絡互連和信息共享,因此集散控制系統從該角度而言實質是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統且DCS造價昂貴。在這種情況下,用戶對網絡控制系統提出了開放化和降低成本的迫切要求。
 
    4、現場總線控制系統(FCS
  FCS正是順應以上潮流而誕生,它用現場總線這一開放的,具有可互操作的網絡將現場各控制器及儀表設備互連,構成現場總線控制系統,同時控制功能徹底下放到現場,降低了安裝成本和維護費用。因此,FCS實質是 一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統,有望成為21世紀控制系統的主流產品。
 
三、現場總線及現場總線控制系統
 
    1、現場總線的概念
  現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通訊網絡,遵循ISOOSI開放系統互連參考模型的全部或部分通訊協議。FCS則是用開放的現場總線控制通訊網絡將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統
 
    2、現場總線與局域網的區別
 ?。?FONT face="宋體, MS Song">1)按功能比較,現場總線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。簡而言之,現場總線是一種實時控制網絡。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。從這個意義而言,局域網是一種高速信息網絡。
 ?。?FONT face="宋體, MS Song">2)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。
 
    3、現場總線控制系統體系結構
  如圖1所示,最底層的Infranet控制網即FCS,各控制器節點下放分散到現場,構成一種徹底 的分布式控制體系結構,網絡拓撲結構任意,可為總線形、星形、環形等,通訊介質不受限制,可用雙絞線、電力線、無線、紅外線等各種形式。FCS形成的Infranet控制網很容易與Intranet企業內部網和Internet全球信息網互連,構成一個完整的企業 網絡三級體系結構。 
 
    4、現場總線控制系統的特點
 ?。?FONT face="宋體, MS Song">1)開放性和可互操作性
  開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷,給中小企業發展帶來了平等競爭的機遇??苫ゲ僮饜允迪摯刂撇返摹凹床寮從?功能,從而使用戶對不同廠家工控產品有更多的選擇余地。
 ?。?FONT face="宋體, MS Song">2)徹底的分散性
  徹底的分散性意味著系統具有較高的可靠性和靈活性,系統很容易進行重組和擴建,且易于維護。
 ?。?FONT face="宋體, MS Song">3)低成本
  衡量一套控制系統的總體成本,不僅考慮其造價,而且應該考察系統從安裝調試到運行維護整個生命周期內總投入。相對DCS而言,FCS開放的體系結構和OEM技術將大大縮短開發周期,降低開發成本,且徹底分散的分布式結構將11模擬信號傳輸方 式變為1N的數字信號傳輸方式,節省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉換裝置、布線安裝成本和維護費用。因此從總體上來看,FCS的成本大大低于DCS的成本。
  可以說,開放性、分散化和低成本是現場總線最顯著的三大特征,它的出現將使傳統的自動控制系統產生劃時代的變革,這場變革的深度和廣度將超過歷史上任何一次變革,必將開創自動控制的新紀元。
 
四、現場總線的發展現狀
 
  現場總線發展迅速,現處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發出有40多種現場總線,如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等,其中最具影響力的有5種,分別是FF、Profitbus、HART、CANLonWorks(性能對照見表1
  
  1、FFFoundation Fieldbus現場基金會總線)由美國儀器協會(ISA1994推出,代表公司有HoneywellFisher-Rosemount,主要應用于石油化工、連續工業過程控制中的儀表。FF的特色是其通訊協議在ISOOSI物理層、數據鏈路 層和應用層3層之上附加了用戶層,通過對象字典ODObject Dictionary)和設備描述語言DDLDevice Description Language)實現可互操作性。目前基于FF的現場總線產品有,美國Smar公司生產的壓力溫度變送器,Honeyweill&Rockweill 推出的ProcessLogix系統,Fisher-Rosemount推出的PlantWeb。
 
  2、ProfibusProcess Fieldbus)德國西門子公司1987年推出,主要應用于PLC。產品有三類:FMS用于主站之間的通訊;DP用于制造行業從站之間的通訊;PA用于過程行業從站之間的通訊。由于Profibus開發生產的現場總線產品開發時間早至 十年前,限于當時計算機網絡水平,大多建立在IT網絡標準基礎上,隨著應用領域不斷擴大和用戶要求越來越高,現場總線的 產品只能在原有IT協議框架上進行局部的修改和補充,以致在控制系統內增加了很多的轉換單元(如各種耦合器),這為該產 品今后的進一步發展帶來了一定的局限性。
 
  3、HARTHighway Addressable Remote Tranducer可尋址遠程傳感器數據通路)美國Rosemount公司1989年推出,主要應 用于智能變送器。HART為一過渡性標準,它通過在4-20mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波(2200HZ表“0",1200HZ表“1")來傳送數字信號,從而保證了數字系統和傳統模擬系統的兼容性,預計其生命周期為最近20年。
 
  4、CANController Area Network控制局域網絡)德國Bosch 6公司1993年推出,應用于汽車監控、開關量控制、制造業 等。介質訪問方式為非破壞性位仲裁方式,適用于實時性要求很高的小型網絡,且開發工具廉價。Motorala、Intel、Philips 均生產獨立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線產品有AB公司的DeviceNet、臺灣研華的ADAM數據采集產品等。
 
  5、LonWorksLON Local Operating System局部操作系統)美國Echelon公司1991年推出,主要應用于樓宇自動化、工業 自動化和電力行業等。LonTalk的全部7層協議,介質訪問方式為P-P CSMA(預測P-堅持載波監聽多路復用),采用網絡邏輯地 址尋址方式,優先權機制保證了通訊的實時性,安全機制采用證實方式,因此能構建大型網絡控制系統。Echelon公司推出的Neuron神經元芯片實質為網絡型微控制器,該芯片強大的網絡通訊處理功能配以面向對象的網絡通訊方式,大大降低了開發人 員在構造應用網絡通訊方面所需花費的時間和費用,而可將精力集中在所擅長的應用層進行控制策略的編制,因此業內許多專家認為LonWorks總線是一種很有希望的現場總線?;?FONT face="宋體, MS Song">LonWorks的總線產品有美國Action公司的Flexnet&Flexlink等。
 
五、我們的對策
 
  1、要不要搞FCS在國外正蓬勃發展,我國工控界應如何迎接自控領域這場變革的到來呢?這個問題可從分析我國工控業的發展歷程和現狀中找到答案。我國民族工控產品如PLC、DCS長期落后于國外,根本原因是國外少數幾家大公司為保證其壟斷經營的地位對其工控產品采用封閉式結構,我國對其關鍵核心技術只有通過引進消化后方可掌握,因此貽誤了市場時機而總是落后于人家,受制于人。現場總線技術的開放性策略無疑為我國工控界在國際市場上的發展帶來了一個千載難逢的平等競爭機遇,當游戲規則的變更使大家站在同一起跑線上時,就看誰捷足先登,搶先占領市場,把握主動權,最終領導市場。因此,我們應當緊緊抓住這一契機,率先推出有中國特色的現場總線產品,開創中國自己的國際工控產品的名牌,從而翻開中國工控界發展的新篇章。
 
  2、搞哪種FCS ?既然確定搞FCS,面對種類繁多的現場總線,應該搞哪種呢?分析現場總線多樣性產生的原因,有助于理清這一思想。造成現場總線多樣性的局面,一是因為行業習慣,如Profibus一直應用于PLC行業,FF應用于儀表行業;二是由于利益沖突,各工控廠商都不愿意放棄自己的標準而喪失已占用的市場份額。顯而易見,現場總線標準完全統一尚為時過早。鑒于此,對于我國工控界的發展,建議采取以下策略:
 ?。?FONT face="宋體, MS Song">1)短期目標根據具體針對的行業特征,如樓宇自動化、過程自動化等,選擇這一領域有較好業績的一種(或兩種)現場總線,加以研究開發,一方面搶先推出自己有特色的產品,占領市場,產生應用價值和社會效益;另一方面在于重點掌握現場總線的本質和精髓,以不變應萬變,萬一選用的總線沒能成為最終標準總線,由于各總線之間本質的相通性,因此也能很快轉產到最終的標準總線。
 ?。?FONT face="宋體, MS Song">2)長期目標掌握各總線的精髓后,揚長避短,制定中國自己的現場總線標準,振興中國民族工控業。
 
六、開發實例
 
  針對樓宇自動化行業,鑒于LonWorks現場總線在該領域中突出的業績,我們開發研制出一種基于LonWorks通用網絡型智能控制器節點產品和可視圖形化控制組態平臺——Visual Control Configuration 。該套產品特色在于目前國外大多數LonWorks產品開發商仍停留在集成Echelon公司提供的Neuron C 編程環境階段,欲使用Neuron C 編制高效的控制應用程序,不僅需要熟悉這種高級指令語言本身,而且必須對Neuron1芯片的內部硬件結構、存儲器的地址空間分配等各個技術環節有深入的了解和掌握,這對最終用戶和現場技術人員來說顯然是不現實的要求,可視圖形化控制組態平臺Visual Control Configuration很好地解決了這一問題,類似流程圖的圖形化表示方法,控制組態語言按照國際電工委員會IEC1131-3標準,將控制程序變為工程技術人員所構思的控制策略的圖形化映象,而圖元間的連接關系則表示控制算法的數據流程,有經驗的現場 控制技術人員無須專門培訓即可在短期內完成控制策略的編制,方便高效。目前,我們已在工程項目中應用該控制組態軟件平臺Visual Control Configuration LonWorks 通用網絡智能控制器的節點,成功開發了南寧交通銀行的出入控制系統。
 
七、結束語
 
  現場總線的時代即將來臨,讓我們以熱情和主動的姿態迎接這場世紀之交的機遇和挑戰。
 
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