現(xiàn)場總線技術(shù)綜述
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5、HART
HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會(huì)。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。
HART通信模型由3層組成 :物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術(shù)在 4～20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào)，頻率信號(hào)采用Bell202國際標(biāo)準(zhǔn);數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps,邏輯“0”的信號(hào)頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號(hào)傳輸頻率為 1200Hz。
數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開頭碼、顯示終端與現(xiàn)場設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)終止位。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實(shí)現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。它規(guī)定了一系列命令;按命令方式工作。它有 3類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備理解、執(zhí)行的命令;第二類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設(shè)備 (盡管不是全部 )中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設(shè)備的功能庫;第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類命既可以在基金會(huì)中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這3類命令。HART支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。按應(yīng)答應(yīng)方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次/ｓ,按廣播方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為 3～4次 /ｓ,它還可支持兩個(gè)通信主設(shè)備?？偩€上可掛設(shè)備數(shù)多達(dá) 15個(gè)，每個(gè)現(xiàn)場設(shè)備可有256個(gè)變量，每個(gè)信息最大可包含4個(gè)變量。最大傳輸距離3000m，HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL?，F(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語言來描述設(shè)備特性，由HART基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù)，來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混信號(hào)制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
6、RS-485
盡管ＲＳ-485不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的鼻祖，還有許多設(shè)備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用RS-485通訊具有設(shè)備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎(chǔ)的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
四、現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢
發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣為注的焦點(diǎn)課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對我國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個(gè)極好的機(jī)會(huì)，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，涉及的內(nèi)容十分廣泛，筆者認(rèn)為應(yīng)不失時(shí)機(jī)地抓好我國現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的研究與開發(fā)。自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有:智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù) ;組態(tài)抗術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等;網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸 ;人機(jī)接口、軟件技術(shù);現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)?，F(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展之中的技術(shù)，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步，了解國際上該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向，對我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，對自動(dòng)化技術(shù)、設(shè)備的更新，無疑具有重要的作用?？傮w說來，自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)，這一發(fā)展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎覆蓋了
所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動(dòng)化、制造加工自動(dòng)化、樓半自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。大千世界，眾多領(lǐng)域，需求各異，一個(gè)現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術(shù)均具有自己的特點(diǎn)，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。加上商業(yè)利益的驅(qū)使，它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發(fā)展。有理由認(rèn)為:在從現(xiàn)在起的未來 10ａ內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個(gè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實(shí)現(xiàn)信息共享的局面。在連續(xù)過程自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，今后10ａ內(nèi)，F(xiàn)F基金會(huì)現(xiàn)場總線將成為主流發(fā)展趨勢，LonWorks將成為有力的競爭對手，HART作為過渡性產(chǎn)品也能有一定的市場。這3種技術(shù)是從這一領(lǐng)域的工業(yè)需求出發(fā)，其用戶層的各種功能是專業(yè)連續(xù)過程設(shè)計(jì)的，而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境，如支持總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。另外，F(xiàn)F基金會(huì)幾乎集中了世界上主要自動(dòng)化儀表制造商;LonWorks形成了全面的分工合作體系。這些因素對成為這一領(lǐng)域的主流技術(shù)是十分關(guān)鍵的。
由于HART建立在目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)之上，它可以充分照顧到現(xiàn)有設(shè)備和已有投資的效益，技術(shù)上也充分考慮連續(xù)過程使用環(huán)境的需要。目前它已經(jīng)占有一定的市場份額，其技術(shù)本身還在不斷完善與更新，如提高傳輸速率等。目前國外HART儀表的市場份額還在不斷增長，呈上升趨勢，但是它畢竟是過渡性產(chǎn)品，其生存周期不會(huì)很長。國內(nèi)則由于很多項(xiàng)目都是新項(xiàng)目，所以對兼容性的考慮較少，而對先進(jìn)性的考慮較多，相信HART在國內(nèi)的市場份額不會(huì)很大。國內(nèi)市場與國外市場會(huì)有比較大的差異。一方面國外市場上占優(yōu)勢的產(chǎn)品會(huì)不斷滲透到國內(nèi);另一方面，由于國內(nèi)廠商的規(guī)模相對較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術(shù)供應(yīng)商 (芯片制造商等)對國內(nèi)的支持和市場推廣力度的影響。國內(nèi)目前僅LonWorks技術(shù)有實(shí)質(zhì)性的市場活動(dòng)，所以大部分國內(nèi)廠商將首先將接受LonWorks技術(shù)。盡管FF號(hào)稱儀器儀表行業(yè)的未來標(biāo)準(zhǔn)，但是由于沒有明確的市場策略和在國內(nèi)的積極的市場活動(dòng)，市場份額將會(huì)受到很大影響。而且事實(shí)表明，所有的現(xiàn)場總線基金會(huì)(FF)會(huì)員在研制符合FF標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，都同時(shí)推出采用LonWorks技術(shù)的應(yīng)用，由此可見LonWorks技術(shù)的生命力十分頑強(qiáng)。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因，其主流技術(shù)會(huì)有一些差別。Profibus和CAN在這一領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競爭力。他們已經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。
在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。由于LonWorks技術(shù)的特點(diǎn)，在多樣化控制系統(tǒng)的應(yīng)用上將會(huì)有較大的發(fā)展。
現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進(jìn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，因而會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，并推動(dòng)自動(dòng)化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。
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