現(xiàn)場總線技術(shù)及控制系統(tǒng)研究

方寶義

[摘 要]介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)的特點及發(fā)展概況,分析了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)相對于集散控制系統(tǒng)的特點。針對當前流行的幾種現(xiàn)場總線,簡要介紹了各自的技術(shù)特色,指出控制系統(tǒng)的開放互連是發(fā)展的必然。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)場總線 集散控制系統(tǒng) FCS 開放式互連系統(tǒng)

[中圖分類號]TB[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)12-0017-02

1 引言

現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。現(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備連接,用數(shù)字化通信代替DC4～20mA/24V信號,完成現(xiàn)場設(shè)備控制、檢測、遠程參數(shù)化等功能[1]。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點,因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。現(xiàn)有的多數(shù)現(xiàn)場設(shè)備,為提高其性能價格比,在實現(xiàn)其內(nèi)部操作時都采用了微處理器和數(shù)字化元件,于是就提出了必須在這些領(lǐng)域的數(shù)字設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)字通信的要求。采用現(xiàn)場總線的目的就是為了滿足這種要求,為工業(yè)領(lǐng)域中的測量和調(diào)節(jié)控制設(shè)備提供實現(xiàn)串行數(shù)字通信的手段[2]。

2 典型現(xiàn)場總線簡介

2.1 基金會現(xiàn)場總線FF

基金會現(xiàn)場總線FF是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的一種技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首,聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首,聯(lián)合歐洲等地150家公司制定的World FIP協(xié)議。這兩大集團于1994年9月合并,成立了現(xiàn)場總線基金會,致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。

基金會現(xiàn)場總線分為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1.9km,可支持總線供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種,通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線、光纜和無線發(fā)射,協(xié)議符合IEC1158-2標準。其物理介質(zhì)的傳輸信號采用曼切斯特編碼。基金會現(xiàn)場總線以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ),取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次,并在應(yīng)用層上增加了用戶層。

2.2 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國際標準組織制定為國際標準,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,提高了實時性。其節(jié)點有優(yōu)先級設(shè)定,支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節(jié)點可隨時發(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總線采用短消息報文,每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個;當節(jié)點出錯時,可自動關(guān)閉,抗干擾能力強,可靠性高。

2.3 LonWorks總線

LonWorks技術(shù)是美國ECHELON公司開發(fā),并與Motorola和東芝公司共同倡導的現(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)。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個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)點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓撲結(jié)構(gòu),組網(wǎng)方式靈活,其IS-78本安物理通道使得它可以應(yīng)用于危險區(qū)域。LonWorks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]。

2.4 PROFIBUS總線

PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現(xiàn)場總線,包括?PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。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。PROFIBUS-DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸,適合于加工自動化領(lǐng)域。FMS型適用于紡織、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。

2.5 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通信可以有點對點或多點連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議,其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(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。

3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的結(jié)構(gòu)與特點

3.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)和成熟,促使了控制系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)(DCS)向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的過渡。在一般的FCS系統(tǒng)中,遵循一定現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場儀表可以組成控制回路,使控制站的部分控制功能下移分散到各個現(xiàn)場儀表中。從而減輕了控制站負擔,使得控制站可以專職于執(zhí)行復(fù)雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應(yīng)用,甚至可以把控制站取消,在控制站的位置代之以起連接現(xiàn)場總線作用的網(wǎng)橋和集線器,操作站直接與現(xiàn)場儀表相連,構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點

分布式的FCS系統(tǒng)比DCS系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了“信息集中,控制分散”的思想[3]。與傳統(tǒng)的DCS相比,FCS有其自身的特點。FCS系統(tǒng)具有高度的分散性,它可以由現(xiàn)場設(shè)備組成自治的控制回路。現(xiàn)場儀表或設(shè)備具有高度的智能化與功能自主性,可完成控制的基本功能,并可以隨時診斷設(shè)備的運行情況。另外,FCS的結(jié)構(gòu)比DCS簡化。有的FCS系統(tǒng)省略了DCS中控制站這一層,操作站直接與現(xiàn)場儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有開放性。系統(tǒng)對相關(guān)標準具有一致性、公開性,強調(diào)對標準的共識與遵從。通信協(xié)議一致公開,各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換,通過現(xiàn)場總線可構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。系統(tǒng)的開放性決定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互連設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通;而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線還對現(xiàn)場環(huán)境有較強地適應(yīng)性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等,具有較強的抗干擾能力。

由于結(jié)構(gòu)上的改變,FCS比DCS更節(jié)約硬件設(shè)備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口,這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間;同時減少了大量電纜,可以極大地節(jié)省安裝費用。與此同時,FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換,使儀表精度得到極大的提高;通過將PID功能植入到相應(yīng)的智能傳感器中去,使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2～5次增加到每秒調(diào)節(jié)10～20次,改善了調(diào)節(jié)性能。

4 結(jié)語

當前,各種形式的現(xiàn)場總線協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域,Lonworks和CAN網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢;在過程自動化領(lǐng)域,主要有過渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現(xiàn)場總線協(xié)議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內(nèi)智能化儀表的主要通信協(xié)議;基金會現(xiàn)場總線是過程自動化領(lǐng)域中較有前途的一種現(xiàn)場總線,得到許多自動化儀表設(shè)備廠商的支持;由于Lonworks技術(shù)的開放性,國內(nèi)出現(xiàn)了利用它開發(fā)控制系統(tǒng)的許多開發(fā)商。考慮到統(tǒng)一的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議標準制定的長期性和艱巨性,傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進過程。在一段時期內(nèi),會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但是,發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范,真正形成開放式互連系統(tǒng),是大勢所趨。

[參考文獻]

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[2] 王勤.計算機控制技術(shù)[M].南京:東南大學出版社,2003.

[3] 王常力,廖道義.集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社,1993.