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          現(xiàn)場總線技術(shù)綜述

          作者: 時間:2016-12-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          現(xiàn)場總線(Fieldbus)是80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò),而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù),已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注,成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點,并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)。現(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層,作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò),要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 :具有一定的時間確定性和較高的實時性要求,還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定,多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點,現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù),都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。
          一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng),也稱作FCS——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代,把4~20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代,把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代,而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?,F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng),一方面,突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限,采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案,克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu),變成了新型全分布式結(jié)構(gòu),把控制功能徹底下放到現(xiàn)場??梢哉f,開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。
          術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起,分散割據(jù)的初始階段后,盡管已有一定范圍的磋商合并,但至今尚未形成完整統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。其中有較強實力和影響的有
          :FoudationFieldbus(FF)、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它們具有各自的特色,在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。本文將在簡要描述術(shù)特點的基礎(chǔ),緊扣系統(tǒng)的可靠性、實用性等,介紹現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)及目前較為流行的幾種有實力的現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀,最后闡述現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢與技術(shù)展望。
          一、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點
          1、系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換,現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性,強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個開放系統(tǒng),它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的,開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。
          2、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。
          3、現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成,僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。
          4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了可靠性。
          5、對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場設(shè)備前端,作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線,是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的,它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗干擾能力,能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信,并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。
          二、現(xiàn)場總線的優(yōu)點
          由于現(xiàn)場總線的以上特點,特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化,使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護,都體現(xiàn)出優(yōu)越性。
          1、節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能,因而可減少變送器的數(shù)量,不再需要單獨的控制器、計算單元等,也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線,還可以用工控PC機作為操作站,從而節(jié)省了一大筆硬件投資,由于控制設(shè)備的減少,還可減少控制室的占地面積。
          2、節(jié)省安裝費用?,F(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單,由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設(shè)備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時,無需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,既節(jié)省了投資,也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料,可節(jié)約安裝費用60%以上。
          3、節(jié)省維護開銷。由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力,并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室,用戶可以查詢所有設(shè)備的運行,診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除??s短了維護停工時間,同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,連線簡單而減少了維護工作量。
          4、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍,不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展,使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。
          5、提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,與模擬信號相比,它從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度,減少了傳送誤差。同時,由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,設(shè)備與連線減少,現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強:減少了信號的往返傳輸,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外,由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化,因而還具有設(shè)計簡單,易于重構(gòu)等優(yōu)點。
          三、典型現(xiàn)場總線簡介
          1、基金會現(xiàn)場總線
          基金會現(xiàn)場總線,即FoudationFieldbus,簡稱FF,這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首,聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首,聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力,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。它以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。
          基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達 1900m (可加中繼器延長),可支持總線供電,支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2 5Mbps兩種,其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射,協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼,每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變,或是負(fù)跳變。正跳變代表0,負(fù)跳變代表1,從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息,以保持發(fā)送雙方的時間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài),也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。

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