現(xiàn)場總線技術(shù)及控制系統(tǒng)樣本

現(xiàn)場總線技術(shù)及控制系統(tǒng)摘要：文章介紹了現(xiàn)場總線概念,回顧了其產(chǎn)生及發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)相對于集散控制系統(tǒng)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。針對目前流行多個現(xiàn)場總線，簡明介紹了各自技術(shù)特色，指出控制系統(tǒng)開放互連是發(fā)展肯定。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線，集散控制系統(tǒng)，分布式控制，F(xiàn)CS，DCS，開放式互連系統(tǒng)一、序言七十年代以前，控制系統(tǒng)中采取模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳輸，其精度差、受干擾信號影響大，所以整個控制系統(tǒng)控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性全部很差。七十年代末，伴隨大規(guī)模集成電路出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功效強(qiáng)、體積小、可靠性高、經(jīng)過合適接口電路用于控制系統(tǒng)，控制效果得到提升；不過盡管如此，還是屬于集中式控制系統(tǒng)。伴隨過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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)控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）不管在結(jié)構(gòu)上還是在性能上全部發(fā)生了巨大飛躍，這次變革基礎(chǔ)就是現(xiàn)場總線技術(shù)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)備雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，它也被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。80年代以來，多種現(xiàn)場總線技術(shù)開始出現(xiàn)，大家要求對傳統(tǒng)模擬儀表和控制系統(tǒng)變革呼聲也越來越高，從而使現(xiàn)場總線成為一次世界性技術(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PROFIBUS和法國FIP等，多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成。其中關(guān)鍵有：基金會現(xiàn)場總線FF（FoundationFieldbus）、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN（ControllerAreaNetwork）、局部操作網(wǎng)絡(luò)LonWorks（LocalOperatingNetwork）、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（ProcessFieldBus）和HART協(xié)議(HighwayAddressableRemoteTransducer)等。不過，總線標(biāo)準(zhǔn)制訂工作并非一帆風(fēng)順，因?yàn)樾袠I(yè)和地域發(fā)展等歷史原因，加上各企業(yè)和企業(yè)集團(tuán)受本身利益驅(qū)使，致使現(xiàn)場總線國際化標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展緩慢。不過不管怎樣，制訂單一開放國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)展肯定。二、目前流行幾類現(xiàn)場總線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)域得到廣泛支持和含有良好發(fā)展前景一個技術(shù)。其前身是以美國Fisher－Rosemount企業(yè)為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家企業(yè)制訂ISP協(xié)議和以Honeywell企業(yè)為首，聯(lián)合歐洲等地150家企業(yè)制訂WorldFIP協(xié)議。這兩大集團(tuán)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)一現(xiàn)場總線協(xié)議?；饡F(xiàn)場總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達(dá)1.9km，可支持總線供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2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，其傳輸信號采取曼切斯特編碼?；饡F(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通信模型對應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層關(guān)鍵針對自動化測控應(yīng)用需要，定義了信息存取統(tǒng)一規(guī)則，采取設(shè)備描述語言要求了通用功效塊集。FF總線包含F(xiàn)F通信協(xié)議、ISO模型中2～7層通信協(xié)議通棧、用于描述設(shè)備特征及操作接口DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典，用于實(shí)現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換應(yīng)用功效塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功效系統(tǒng)軟件技術(shù)和構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)系統(tǒng)集成技術(shù)。2、CAN總線CAN總線最早是由德國Bosch企業(yè)推出，用于汽車內(nèi)部測量和實(shí)施部件之間數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，而且廣泛應(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，采取了其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提升了實(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，通信速率和總線長度相關(guān)。CAN總線采取短消息報文，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個；當(dāng)節(jié)點(diǎn)犯錯時，可自動關(guān)閉，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。3、LonWorks總線LonWorks技術(shù)是美國ECHELON企業(yè)開發(fā)，并和Motorola和東芝企業(yè)共同提倡現(xiàn)場總線技術(shù)。它采取了OSI參考模型全部七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)關(guān)鍵是含有通信和控制功效Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現(xiàn)完整LonWorksLonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層功效，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)和用戶代碼。還有一個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前二者中介，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)芯片組成節(jié)點(diǎn)之間能夠進(jìn)行對等通信。LonWorks支持多個物理介質(zhì)并支持多個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方法靈活，其IS－78本安物理通道使得它能夠應(yīng)用于危險區(qū)域。LonWorks應(yīng)用范圍關(guān)鍵包含樓宇自動化、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)越性能。4、PROFIBUS總線PROFIBUS是符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50179現(xiàn)場總線，包含PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采取了OSI模型物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。PROFIBUS支持主從方法、純主方法、多主多從通信方法。主站對總線含有控制權(quán)，主站間經(jīng)過傳輸令牌來傳輸對總線控制權(quán)。取得控制權(quán)主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUS－DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域。FMS型適適用于紡織、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總線類型。5、HART總線HART協(xié)議是由Rosemount企業(yè)于1986年提出通信協(xié)議。它是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備間通信一個協(xié)議。它包含ISO/OSI模型物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通信能夠有點(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)變過程中過渡產(chǎn)品，所以在目前過渡時期含有較強(qiáng)市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大份額。三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)伴隨現(xiàn)場總線技術(shù)出現(xiàn)和成熟，促進(jìn)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）過渡。在通常FCS系統(tǒng)中，遵照一定現(xiàn)場總線協(xié)議現(xiàn)場儀表能夠組成控制回路，使控制站部分控制功效下移分散到各個現(xiàn)場儀表中。從而減輕了控制站負(fù)擔(dān)，使得控制站能夠?qū)Ｂ氂趯?shí)施復(fù)雜高層次控制算法。對于簡單控制應(yīng)用，甚至能夠把控制站取消，在控制站位置代之以起連接現(xiàn)場總線作用網(wǎng)橋和集線器，操作站直接和現(xiàn)場儀表相連，組成份布式控制系統(tǒng)。2、特點(diǎn)分布式FCS系統(tǒng)比DCS系統(tǒng)愈加好地表現(xiàn)了“信息集中，控制分散"思想。和傳統(tǒng)DCS相比，F(xiàn)CS有其本身特點(diǎn)。FCS系統(tǒng)含有高度分散性，它能夠由現(xiàn)場設(shè)備組成自治控制回路?，F(xiàn)場儀表或設(shè)備含有高度智能化和功效自主性，可完成控制基礎(chǔ)功效，并能夠隨時診療設(shè)備運(yùn)行情況。另外，F(xiàn)CS結(jié)構(gòu)比DCS簡化。有FCS系統(tǒng)省略了DCS中控制站這一層，操作站直接和現(xiàn)場儀表相連。這些使FCS可靠性得到提升?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)含有開放性。系統(tǒng)對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)含有一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)共識和遵從。通信協(xié)議一致公開，各不一樣廠家設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換，經(jīng)過現(xiàn)場總線可構(gòu)筑自動化領(lǐng)域開放互連系統(tǒng)。系統(tǒng)開放性決定了它含有互操作性和互用性?；ゲ僮餍灾富ミB設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送和溝通；而互用則意味著不一樣生產(chǎn)廠家性能類似設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層現(xiàn)場總線還對現(xiàn)場環(huán)境有較強(qiáng)地適應(yīng)性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等，含有較強(qiáng)抗干擾能力。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上改變，F(xiàn)CS比DCS更節(jié)省硬件設(shè)備。使用FCS能夠降低大量隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這么就節(jié)省了I/O裝置及裝置室空間；同時降低了大量電纜，能夠極大地節(jié)省安裝費(fèi)用。和此同時，F(xiàn)CS比DCS性能有所提升。因?yàn)槊馊チ薉/A和A/D變換，使儀表精度得到極大提升；經(jīng)過將PID功效植入到對應(yīng)智能傳感器中去，使控制周期大為縮短?，F(xiàn)在FCS能夠從DCS每秒調(diào)整2～5次增加到每秒調(diào)整10～20次，改善了調(diào)整性能。FCS控制系統(tǒng)和DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較見圖1。3、現(xiàn)場總線優(yōu)點(diǎn)因?yàn)楝F(xiàn)場總線以上特點(diǎn)，尤其是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，使其從設(shè)計、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，全部表現(xiàn)出優(yōu)越性。它不僅節(jié)省了硬件數(shù)量和投資，節(jié)省了安裝費(fèi)用，而且系統(tǒng)維護(hù)開銷也大大地降低。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅正確度和可靠性高，在方便使用和維護(hù)性方面，F(xiàn)CS也比DCS有優(yōu)勢。FCS使用統(tǒng)一組態(tài)方法，安裝、運(yùn)行、維修簡便；利用智能化現(xiàn)場儀表，使維修預(yù)報（Predictedmaintenance）成為可能；因?yàn)橄到y(tǒng)含有互操作性和互用性，用戶能夠自由選擇不一樣品牌設(shè)備達(dá)成最好系統(tǒng)集成，在設(shè)備出現(xiàn)故障時，能夠自由選擇替換設(shè)備，保障用戶高度系統(tǒng)集成主動權(quán)。另外，它還含有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等特點(diǎn)。四、發(fā)展趨向傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）含有集中監(jiān)控、分散控制、操作方便特點(diǎn)。不過，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)覺DCS結(jié)構(gòu)存在部分不足之處，如控制不能做到根本分散，危險仍然相對集中；因?yàn)橄到y(tǒng)不開放性，不一樣廠家產(chǎn)品不能交換、互聯(lián)，限制了用戶選擇范圍。利用現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)FCS系統(tǒng)目標(biāo)是針對現(xiàn)存DCS一些不足，改善控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升其性能和通用性。FCS想要在實(shí)際中替換DCS，既要含有DCS所含有功效，又要能克服DCS缺點(diǎn)。FCS因?yàn)椴扇×爽F(xiàn)場總線技術(shù)，在開放性、控制分散等方面優(yōu)于傳統(tǒng)DCS。不過因?yàn)樗且粋€新技術(shù)，現(xiàn)在連標(biāo)準(zhǔn)本身全部還沒有制訂統(tǒng)一，所以FCS和成熟DCS相比，還存在下列部分欠缺。（1）因?yàn)楝F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)本身尚在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品開發(fā)和測試帶來難度。這在一定程度上造成產(chǎn)品開發(fā)商、生產(chǎn)商少，產(chǎn)品品種單一而且價格昂貴。（2）在一些場所中，F(xiàn)CS還無法提供DCS已經(jīng)有控制功效。因?yàn)檐浻布较拗?，其功效塊功效還不是很強(qiáng)，品種也不夠齊全；用現(xiàn)場儀表還只能組成通?？刂苹芈啡鐔位芈贰⒋?、百分比控制等，對于復(fù)雜、優(yōu)異控制算法還無法在儀表中實(shí)現(xiàn)，對于單回路內(nèi)有多輸入、多輸出情況缺乏好處理方案。（3）現(xiàn)在FCS成功應(yīng)用實(shí)例不多，難以評定實(shí)際應(yīng)用效果。因?yàn)橐陨线@些原因，F(xiàn)CS替換DCS將是一個逐步過程。在這一過程中，會出現(xiàn)部分過渡型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如在DCS中以FCS替換DCS中一些子系統(tǒng)。用戶將現(xiàn)場總線設(shè)備連接到獨(dú)立現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，服務(wù)器配有DCS中連接操作站上層網(wǎng)絡(luò)接口，和操作站直接通信。在DCS軟件系統(tǒng)中可增添對應(yīng)通信和管理軟件。這么不需要對原有控制系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)上重大變動。五、結(jié)束語目前，多種形式現(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)含有一定優(yōu)勢；在過程自動化領(lǐng)域，關(guān)鍵有過渡型HART協(xié)議、得到廣泛支持FF現(xiàn)場總