系統(tǒng)總線的組成及其特點

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概念、組成、特點
FCS
　　現(xiàn)場總線控制是工業(yè)設(shè)備自動化控制的一種計算機局域網(wǎng)絡(luò)。它是依靠具有檢測、控制、通信
能力的微處理芯片，數(shù)字化儀表（設(shè)備）在現(xiàn)場實現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場分散的測量，控
制設(shè)備單個點作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。它是屬
于最底層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，它將原來集散型的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制機的功能
，全部分散在各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處。為此，可以將原來封閉、專用的系統(tǒng)變成開放、標準的系統(tǒng)。使得
不同制造商的產(chǎn)品可以互連，是DCS系統(tǒng)的更新?lián)Q代，大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，更好滿足了實
事性要求，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。不同通信協(xié)議的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一般通過工業(yè)PC機內(nèi)總線
插槽的PC接口板與現(xiàn)場總線網(wǎng)段連接。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)三個部分組成，而通信部分的硬、軟件是
它最有特色的部分。
　　1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：
　　它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、設(shè)備軟
件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過組態(tài)軟件，完成功能塊
之間的連接，選定功能塊參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)運行過程中對系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)
處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等。
　　2、現(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)：
　　其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號，具
有高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設(shè)備的狀態(tài)信息，可以對處理過
程進行調(diào)整。
　　3、設(shè)備管理系統(tǒng)：
　　可以提供設(shè)備自身及過程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠商
提供的設(shè)備制造信息。例如Fisher-Rosemoune公司，推出AMS管理系統(tǒng)，它安裝在主機算機內(nèi)，由它
完成管理功能，可以構(gòu)成一個現(xiàn)場設(shè)備的綜合管理系統(tǒng)信息庫，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備的可靠性分析
以及預測性維護。將被動的管理模式改變?yōu)榭深A測性的管理維護模式AMS軟件是以現(xiàn)場服務(wù)器為平臺
的T型結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場服務(wù)器上支撐模塊化，功能豐富的應用軟件為用戶提供一個圖形化界面。
　　4、總線系統(tǒng)計算機服務(wù)模式：
　　以客戶機/服務(wù)器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò)計算機服務(wù)模式。服務(wù)器表示數(shù)據(jù)源（提供者
），應用客戶機則表示數(shù)據(jù)使用者，它從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，并進一步進行處理?？头繖C運行在
ＰＣ機或工作站上。服務(wù)器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數(shù)據(jù)來完成任務(wù)
。
　　5、數(shù)據(jù)庫：
　　它能有組織的、動態(tài)的存儲大量有關(guān)數(shù)據(jù)與應用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享、交叉訪問，具有
高度獨立性。工業(yè)設(shè)備在運行過程中參數(shù)連續(xù)變化，數(shù)據(jù)量大，操作與控制的實時性要求很高。因
此就形成了一個可以互訪操作的分布關(guān)系及實時性的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，市面上成熟的供選用的如關(guān)系數(shù)
據(jù)庫中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；實時數(shù)據(jù)庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。
　　6、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件與軟件：
　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件有：系統(tǒng)管理主機、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換器、集線器，用戶計算機等及底層
智能化儀表。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件有網(wǎng)絡(luò)操作軟件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服務(wù)器操作軟件如
Lenix，os/2，Window NT。應用軟件數(shù)據(jù)庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等。
　　1、在功能上管理集中，控制分散，在結(jié)構(gòu)上橫向分散、縱向分級。
　　2、要有快速實時響應能力，對于工業(yè)設(shè)備的局域網(wǎng)絡(luò)，它主要的通信量是過程信息及操作管理
信息，信息量不大，傳輸速率不高在1MPS以下，信息傳輸任務(wù)相對比較簡單但其實時響應時間要求
較高為0.01-0.5S。所謂實時性是在網(wǎng)絡(luò)通信過程中能在線實時采集過程的參數(shù)，實時對系統(tǒng)信息進
行加工處理，并迅速反饋給系統(tǒng)完成過程控制，滿足過程控制對時間限制的要求。除了控制管理計
算機系統(tǒng)的外部設(shè)備外，還要控制管理控制系為統(tǒng)的設(shè)備，并具有處理隨機事件能力。實際操作系
統(tǒng)應保證在異常情況下及時處置，保證完成任務(wù)，或完成最重要的任務(wù)，要求能及時發(fā)現(xiàn)糾正隨機
性錯誤，至少保證不使錯誤影響擴大，應具有抵制錯誤操作和錯誤輸入信息的能力。實現(xiàn)現(xiàn)場總線
控制系統(tǒng)實時性的主要措施為：
　?。?）OSI協(xié)議中7層都是提供高度的功能性服務(wù)，為此降低了通信流量和增大傳輸時間，因而影
響實時響應能力。因此將OSI七層通信協(xié)議，采取不同程度的簡化，減少由于層間轉(zhuǎn)換的復雜性，而
影響實時響應能力?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通信協(xié)議一般為物理層、鏈路層、應用層，再增加一個用
戶作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，互連成底層總線網(wǎng)。如PRUFIBUS總層的四層結(jié)構(gòu)。
　　（2)）把基本控制功能下放到現(xiàn)場具有智能的芯片或功能塊中，使控制功能徹底分散，直接面
對對象，接口直觀簡、結(jié)。把同時具有控制、測量與通信功能的功能塊，與功能塊應用進程，作為
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，互連成底層總線網(wǎng)。如PRUFIBUS總線系統(tǒng)，按照主站、從站分，把底層的通信及控制集
中在從站來完成。各公司廠商提供較齊全的各類主站與從站列芯片，實現(xiàn)起來簡單又便宜。有如
LONWORKS雖然通信協(xié)議與OSI相同為七層，但全部固化在一個神經(jīng)芯元片中，不需要經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，同
樣可加快實時響應能力，同時應用程序定義一個特殊對象網(wǎng)絡(luò)變量存在于神經(jīng)元芯片ROM中
，它是在節(jié)點代碼編譯時確定，將不同節(jié)點。同類型的網(wǎng)絡(luò)變量連接起來進行自控，大大簡化了開
發(fā)和安裝分布系統(tǒng)過程。
　?。?）介質(zhì)訪問協(xié)議：一般采用令牌傳遞總線訪問方式（TOKEN BUS）既可達到通信快速的目的
，又可以有較高的性價比，對于多路訪問沖突檢測（CSMA/CD）方法，雖然通信管理上較為簡單，但
并不能完全避免碰撞現(xiàn)象，實現(xiàn)沖突檢測比較復雜，此外在線路中常態(tài)干擾與差錯往往和碰撞難以
區(qū)別，因此對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實時性要求較高的場合，并不十分適合。所以大部分總線控制系統(tǒng)
均為令牌傳遞訪問。只有LONWORKS采用改進型的，即帶預測P的CSMA訪問方式。當一個節(jié)點需要發(fā)送
信息時，先帶預測Ｐ測一下網(wǎng)絡(luò)是否空閑，有空閑則發(fā)送，沒有空閑則暫時不發(fā)，這樣就避免了碰
撞減少了網(wǎng)絡(luò)碰撞率，提高了重載時的效率。并采用了緊急優(yōu)先機制，以提高它的實時性與可靠性
。
　?。?）通信方式：一般分調(diào)度通信和非調(diào)度通信多數(shù)為調(diào)度通信，用于設(shè)備間周期性傳輸，控制
的數(shù)據(jù)預先設(shè)定。非調(diào)度通信用于參數(shù)設(shè)置、設(shè)備診斷報警處理。從其功能上分，有主站與從站區(qū)
分。從站僅對收到信息時確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)信息，所以只需總線協(xié)議一小部分，既經(jīng)
濟，實時性也強。
　　3、產(chǎn)品要具有互操作性
　　各制造商產(chǎn)品要通過所屬各類總線制協(xié)議符合其規(guī)定的OSI標準一次性測試，及互操作性測試
，并以專門測試中心認證。為了提高其可靠性，還要經(jīng)過在惡劣環(huán)境下魯棒測試。接口技術(shù)采用了
OEM集成方法構(gòu)成產(chǎn)品，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)開放式傳輸。
　　因此，對于同一類型協(xié)議的不同制造商產(chǎn)品可以混合組態(tài)與調(diào)用為一個開放系統(tǒng)，使它具有互
操作性。
　　4、要求具有較高可靠性措施：
　?。?）硬件經(jīng)過嚴格挑選，采用專用芯片（ASIC）和表面安裝技術(shù)（SMT）。
　?。?）系統(tǒng)軟件選用成熟適合實際需要的簡單易用軟件，及好的工具軟件。應用軟件采用功能模
塊化設(shè)計，定義清晰明確。
　　（3）可通過在線可快速排除故障，強化硬件可修復性，如I/O模板可帶電插拔，且診斷故障顯
示，故障時部件自動隔離等
　?。?）軟件上分離化體系結(jié)構(gòu)及各過程站有地域上各自獨立的局部數(shù)據(jù)庫。并經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)在邏
輯上形成全局數(shù)據(jù)庫。
　?。?）有多級安全措施，采用容錯技術(shù)與冗余技術(shù)。
　　現(xiàn)場總線的主要產(chǎn)品
　　連接于總線上的產(chǎn)品，可以分為有源和無源兩大類。
　　有源產(chǎn)品可以產(chǎn)生通訊信號、響應信號、調(diào)整信號或者兼而有之。 有源產(chǎn)品包括以下部件：
　
　　1. 節(jié)點（Node）-總線上可以編址的設(shè)備。
　　2. 總線模塊(Bus Module)-任何形式的現(xiàn)場節(jié)點，可以使用端子或接插件連接傳感器、閥門、
按鈕等各種現(xiàn)場裝置。
　　3. 網(wǎng)關(guān)（Gateway）：一種特殊的節(jié)點，用于兩種不同的總線之間的信號和數(shù)據(jù)變換。
　　4. 放大器 - 一種用于實時（加強）信號，以精確復制原始信號。連接同一總線的兩部分，解
決通訊信號在通訊線上由于電氣損耗而造成的衰減。當信號變?nèi)醵蛔冃螘r可以使用放大器。
　　5. 中繼器（Repeater）-用于加強信號，產(chǎn)生不變形的新信號。連接同一總線的兩，當信號變
弱或變形時可以使用中繼器。
　　6. 橋（Bridge）- 有兩類橋。一種是用于連接同一種協(xié)議，不同傳輸速度的兩個段。另一種是
一種智能的中繼器，當通訊的源地址和目的地址位于不同總線段時，用于重復兩個段間的數(shù)據(jù)。橋
必須被編程設(shè)定地址和相關(guān)的段。當橋讀地址時，要有幾個位的等待時間。橋可以應用于設(shè)備級總
線，但應用并不普遍。
　　7. 路由器（Router）- 用于廣域網(wǎng)的高等級橋。這類產(chǎn)品很少應用于設(shè)備級總線。
　　8. 有源多端口分接器（Active hub）- 多端口中繼器或放大器，以增加總線的分支能力。
　　9. 接口卡、接口模塊（Interface card, interface module）-指網(wǎng)關(guān)的常用術(shù)語，作為PLC或
PC到設(shè)備及總線的接口。
　　無源總線產(chǎn)品包括：
　　a. T型分支（Tee）-用于產(chǎn)生總線上的一路分支 　　
　　b. 無源多端口分接器（Passive hub）-多端口T型分支。
　　c. 終端電阻（Terminating Resistor）-安裝在總線的始端和末端的電阻，用于穩(wěn)定和調(diào)整信
號。
　　d. 總線電纜（Busline）-連接節(jié)點，傳送數(shù)據(jù)的各種電纜。