現(xiàn)場總線技術及控制系統(tǒng)

標簽：FCS DCS

一、前言

七十年代以前，控制系統(tǒng)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(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當?shù)慕涌陔娐酚糜?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)，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(tǒng)。隨著過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網(wǎng)絡技術的成熟和發(fā)展，控制領域又發(fā)生了一次技術變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)(如集散控制系統(tǒng))無論在結構上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生。

現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡，它也被稱為現(xiàn)場底層設備控制網(wǎng)絡(INFRANET)。80年代以來，各種現(xiàn)場總線技術開始出現(xiàn)，人們要求對傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高，從而使現(xiàn)場總線成為一次世界性的技術變革浪潮。美國儀表協(xié)會(ISA)于1984年開始制訂現(xiàn)場總線標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現(xiàn)場總線標準陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線FF(Foundation Fieldbus)、控制局域網(wǎng)絡CAN(Controller Area Network)、局部操作網(wǎng)絡LonWorks(Local Operating Network)、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS(Process Field Bus)和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，總線標準的制定工作并非一帆風順，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場總線的國際化標準工作進展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國際現(xiàn)場總線標準是發(fā)展的必然。

二、當前流行的幾類現(xiàn)場總線

1、基金會現(xiàn)場總線FF

基金會現(xiàn)場總線FF是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的一種技術。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，其傳輸信號采用曼切斯特編碼?；饡F(xiàn)場總線以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。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(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。FF總線包括FF通信協(xié)議、ISO模型中的2～7層通信協(xié)議的通棧、用于描述設備特性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典，用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉換的應用功能塊，實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術以及構筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。

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，并且廣泛應用于離散控制領域。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、應用層，提高了實時性。其節(jié)點有優(yōu)先級設定，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。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，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。

3、LonWorks總線

LonWorks技術是美國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。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結構。LonWorks技術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)絡處理器，作為前兩者的中介，它進行網(wǎng)絡變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡通信管理等。由神經(jīng)芯片構成的節(jié)點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓撲結構，組網(wǎng)方式靈活，其IS-78本安物理通道使得它可以應用于危險區(qū)域。LonWorks應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)絡方面有較優(yōu)越的性能。

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，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(fā)送、獲取信息。PROFIBUS-DP用于分散外設間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領域。FMS型適用于紡織、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。

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。

三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的結構與特點

1、結構

隨著現(xiàn)場總線技術的出現(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)行復雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應用，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，構成分布式控制系統(tǒng)。