淺談PLC的現(xiàn)場總線技術(shù)

在傳統(tǒng)的自動化工廠中，位于生產(chǎn)現(xiàn)場的許多設(shè)備和裝置，如：傳感器、調(diào)節(jié)器、變送器、執(zhí)行器等都是通過信號電纜與計算機、PLC相連的。當這些裝置和設(shè)備相距較遠、分布較廣時，就會使電纜線的用量和敷設(shè)費用大大地增加，造成了整個項目的投資成本增加、系統(tǒng)連線復(fù)雜、可靠性降低、維護工作量增大、系統(tǒng)進一步擴展困難等問題。因此人們迫切需要一種可靠、快速、能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、低廉的通信總線，將分散于現(xiàn)場的各種設(shè)備連接起來，實施對其監(jiān)控。現(xiàn)場總線（Field Bus）就是在這種背景下產(chǎn)生了。

1 現(xiàn)場總線的概念

根據(jù)國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基金會FF（Fieidbus Foundation）的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。也就是說基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)是以單個分散的，數(shù)字化，智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，用總線相連，實現(xiàn)信息的相互交換，使得不同網(wǎng)絡(luò)，不同現(xiàn)場設(shè)備之間可以信息共享。現(xiàn)場設(shè)備的各種運行參數(shù)狀態(tài)信息以及故障信息等通過總線傳送到遠離現(xiàn)場的控制中心，而控制中心又可以將各種控制、維護、組態(tài)命令又送往相關(guān)的設(shè)備，從而建立起了具有自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀器，但不是傳統(tǒng)的單功能的現(xiàn)場儀器，而是具有綜合功能的智能儀表。例如，溫度變送器不僅具有溫度信號變換和補償功能，而且具有PID控制和運算功能；調(diào)節(jié)閥的基本功能時信號驅(qū)動和執(zhí)行，另外還有輸出特性補償、自效驗和自診斷功能。現(xiàn)場設(shè)備具有互換性和互操作性，采用總線供電，具有本質(zhì)安全性。

現(xiàn)場總線不僅是一種通信技術(shù)，也不僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System），實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。

2 現(xiàn)場總線的發(fā)展

現(xiàn)場總線始于20世紀80年代，到90年代其技術(shù)日趨成熟，并受到世界各自動化設(shè)備制造商和用戶的廣泛關(guān)注。它成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。

一般把控制系統(tǒng)的發(fā)展分為五代。

1) 第一代控制系統(tǒng)：50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS。

2) 第二代控制系統(tǒng)：4~20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)。

3) 第三代控制系統(tǒng)：基于數(shù)字計算機的集中式控制系統(tǒng)。

4) 第四代控制系統(tǒng)：70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS。

5) 第五代控制系統(tǒng)：以開放性、分散性與數(shù)字通信為特征的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。

PLC的生產(chǎn)商也將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于各自的產(chǎn)品之中，構(gòu)成工業(yè)局域網(wǎng)的底層，使得PLC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了真正意義上自動控制領(lǐng)域發(fā)展的一個熱點，給傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)帶來了有一次革命。

3 現(xiàn)場總線的主要特點

1) 全數(shù)字化通信：采用現(xiàn)場總線技術(shù)后只用一條通信電纜就可以將控制器與現(xiàn)場設(shè)備（智能化的、具有通信口）連接起來，提高了信號傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

2) 系統(tǒng)具有很強的開放性：這里的開放是指對相關(guān)標準的一致性和公開性，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)。

3) 具有強的互可操作性與互用性：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，不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可以進行互用。

4) 現(xiàn)場設(shè)備具有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)。

5) 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集中于分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

6) 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，是專為現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持多種轉(zhuǎn)輸介質(zhì)，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送點與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

4 幾種主要的現(xiàn)場總線協(xié)議及其特點

現(xiàn)場總線發(fā)展的最初，各個公司都提出自己的現(xiàn)場總線協(xié)議，如AB公司的DeviceNet、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的InterBus-S等。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，現(xiàn)場總線的協(xié)議逐漸趨于統(tǒng)一。針對制造業(yè)自動化，DeviceNet在北美和日本用得比較普遍，PROFIBUS-DP在歐洲用得比較普遍。針對過程自動化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占據(jù)大部分市場。其他的總線協(xié)議如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的領(lǐng)域也有一些市場。

下面介紹幾種主要的現(xiàn)場總線協(xié)議及其特點。

1) PROFIBUS

PROFIBUS是在1987年，由德國科技部集中了13家公司和5家科研機構(gòu)的力量，按照ISO/OSI參照模型制訂的現(xiàn)場總線的德國國家標準，并已成為歐洲標準EN50170，主要由擁有400多個公司成員的PROFIBUS用戶組成（PNO）進行管理。

PROFIBUS有3部分組成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。

2) DeviceNet

DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)）是一種低價位的總線，最初由AB公司設(shè)計，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種開放式的現(xiàn)場總線的協(xié)議，可連接自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)中廣泛的工業(yè)設(shè)備。它的管理組織ODVA由全球多家公司組成，提供設(shè)備網(wǎng)的產(chǎn)品、支持設(shè)備網(wǎng)規(guī)范的進一步開發(fā)。

DeviceNet能夠降低設(shè)備安裝的費用和時間。控制系統(tǒng)中的接近開關(guān)、光電開關(guān)和閥門等可通過電纜、插件、站等產(chǎn)品進行長距離通信。并且能夠提高設(shè)備級的診斷能力。相對于PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更強大的通信功能，支持除了主-從方式之外的，多種通信方式，可以更靈活地應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。

3) Foundation Fieldbus

高級過程控制現(xiàn)場總線Foundation Fieldbus（基金會現(xiàn)場總線）是針對過程自動化而設(shè)計的，它是通過數(shù)字、串行、雙向的通信方法來連接現(xiàn)場裝置的。Foundation Fieldbus通信不是簡單的數(shù)字4~20mA信號，而是使用復(fù)雜的通信協(xié)議，它可連接執(zhí)行簡單的閉環(huán)算法（如PID）的現(xiàn)場智能裝置，一個通信段可配置32各現(xiàn)場裝置。

4) LonWorks

LonWorks（Local Operating Network）由美國Ecelon公司推出，它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300bit/s至15Mbit/s不等，直接通信距離可達2700m（78kbit/s，雙絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光線、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

5) CAN

CAN是控制網(wǎng)絡(luò)Control Area Network的簡稱，最早由德國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。

CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，但其模型結(jié)構(gòu)只有三層：OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈層和頂層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信頻率最高可達1Mbit/s/40m，具有較強的抗干擾能力。