現(xiàn)場總線技術及其應用

1 引言

隨著計算機、控制、通信、網絡等技術的發(fā)展，作為工業(yè)控制數字化、智能化與網絡化典型代表的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術也得到了發(fā)展迅速、影響巨大，引起了工程技術界的普遍興趣與重視，使計算機控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System DCS）走向以現(xiàn)場總線位基礎的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System,FCS），被譽為工業(yè)自動化領域具有革命性的新技術?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一。

2 被譽為自動化領域的計算機局域網

2．1 現(xiàn)場總線及其特點

（1）什么是現(xiàn)場總線？

根據國際電工委員會（IEC）和美國儀表協(xié)會(ISA)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數字、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標志是能支持雙向多節(jié)點、總線式的全數字通訊，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統(tǒng)安全、造價低廉、維護成本低等特點。

國際電工協(xié)會（IEC）的SP50委員會對現(xiàn)場總線有以下三點要求：

（1）同一數據鏈上過程控制單元（PCU）、PLC等與數字1/0設備互連；
（2）現(xiàn)場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執(zhí)行機構等進行數據存??；
（3）通信媒體安裝費用較低。

SP50委員會提出的兩種現(xiàn)場總線結構模型是：

●星型總線用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線
●總線型總線數據傳輸距離長、速率高，采用點對點、點對多點和廣播式通信方式

2．2 現(xiàn)場總線技術特征

現(xiàn)場總線完整地實現(xiàn)了控制技術、計算機技術與通信技術的集成，具有以下幾項技術特征。

（1）現(xiàn)場設備已成為以微處理器為核心的數字化設備，彼此通過傳輸媒體（雙繪線、同軸電纜或光纖）以總線拓撲相連；
（2）網絡數據通信采用基帶傳輸（即數字數據數字傳輸），數據傳輸速率高（為Mbit/s或10Mbit/s級），實時性好，抗干擾能力強；
（3）廢氣了集散控制系統(tǒng)（DCS）中的I/O控制站，將這一級功能分配給通信網絡完成；
（4）分散的功能模塊，便于系統(tǒng)維護、管理與擴展，提高可靠性；
（5）開放式互連結構，既可與同層網絡相連，也可通過網絡互連設備與控制級網絡或管理信息級網絡相連；
（6）互操作性，在遵守同一通信協(xié)議的前提下，可將不同廠家的現(xiàn)場設備產品統(tǒng)一組態(tài)，構成所需要的網絡。

3 現(xiàn)場總線控制技術

3．1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是集當今計算機技術、網絡技術和控制技術為一體的當代最先進的計算機控制技術，是一種全分散、全數字、全開放的控制系統(tǒng)。它適用于工業(yè)過程控制、制造業(yè)及樓宇自動化等領域，將成為現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)的主流。

3．2 FCS對計算機控制系統(tǒng)的影響

傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)一般采用DCS結構。在DCS中，對現(xiàn)場信號需要進行點對點的連接，并且I/0端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜，布線復雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結構復雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現(xiàn)數據共享。而基于FCS的控制系統(tǒng)則完全克服了這些缺點。

（1）FCS借助于現(xiàn)場總線技術，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場被轉換成標準數字信號，只需一根電纜（兩線或四線）就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送到控制室監(jiān)控設備上，減低了成本，又便于安裝和維護，同時數字化的數據傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。
（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設計采用IEC11314五種國際標準編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。
（3）系統(tǒng)的效率高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設備才能完成的PLC和NC/CNC任務。在多任務的Windows NT操作系統(tǒng)下，PC中的軟PLC可以同時執(zhí)行多達十幾個PLC任務，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。
（4）在FCS中，系統(tǒng)的基本結構為：工控機或商用PC、現(xiàn)場總線主站接口卡、現(xiàn)場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實時多任務控制軟件包、組態(tài)軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數據報表組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數據報表組態(tài)、實時數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控制運算調節(jié)、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個方面，并真正實現(xiàn)控制集中、危險分散、數據共享、完全開放的控制要求。

3．3 IEC61158國際標準規(guī)定的8種總線及其特點

（1）Profibus主要由德國西門子公司支持，是按照ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線德國國家標準。Profibus由三部分組成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及 Profibus-PA。其中，F(xiàn)MS主要用于非控制信息的傳輸，PA主要用于過程自動化的信號采集及控制，Profibus-DP是制造業(yè)自動化主要應用的協(xié)議內容，是滿足用戶快速通信的最佳方案，傳輸速度為12Mb/s。掃描1000個I/O點的時間少于1ms。
（2）基金會現(xiàn)場總線FF（H1，IEC技術報告）是針對過程自動化而設計，它是通過數字、串行、雙向的通信方法來連接現(xiàn)場裝置的。FF通信不是簡單的數字4-20mA信號，而是使用復雜的通信協(xié)議，它可連接能執(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個現(xiàn)場裝置，通信速度為31。25kb/s ，每段最大通信距離為1900m。
（3）Interbus主要由德國Phoenix Contact公司支持，其網絡簡單，且易于安裝與配置。網上的節(jié)點類似簡單的移位寄存器，位流經過節(jié)點則發(fā)生翻轉。Interbus-S啟動網絡并自動配置，不需要節(jié)點地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規(guī)定。一個網絡上最多可有64個裝置，速度可達500K/s，最長距離為25600m，移動節(jié)點間距離為400m。
（4）ControlNet主要由美國Rockwell公司支持，具有非常高的實時性能，界于設備級總線（像DeviceNet）與工廠級總線（通?；贓thernet）之間。在相同的通信鏈路上提供了適合于I/O控制設備的帶寬、實時聯(lián)鎖響應、對等信息和程序傳輸，為斷續(xù)和連續(xù)過程控制系統(tǒng)應用提供了確定性和重復性功能；并且允許多控制器處理I/O控制設備，提供了輸入數據和對等數據兩者之間的多點傳送、通信傳輸媒體的冗余和本征安全的選擇、靈活的網絡拓撲結構選擇（總線、樹型、星型）和媒體傳輸介質（同軸電纜、光纖等）。
（5）WorldFIP主要由法國的Alstom公司支持，支持雙重冗余總線運行方式，總線上可以連接PLC、I/O現(xiàn)場設備、控制器、HMI系統(tǒng)等。通過雙重冗余總線，能夠完全確?？刂葡到y(tǒng)不會因為控制電纜損壞等原因造成其他控制系統(tǒng)被迫停機的事故。

另外還有三種：主要由Fisher-Rosemount公司支持的FF HSE，美國波音公司支持的swift Net以及由丹麥Process。

3．4 其他幾種被工業(yè)控制領域廣泛采用的幾種總線

（1）CANBUS（Controller Area Network）：是德國Bosch公司于1983年為汽車應用而開發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網絡，屬于現(xiàn)場總線（FieldBus）的范疇。1993年11月，ISO正式頒布了控制器局域網CAN國際標準（ISO11898），CAN總線的通訊介質可采用雙絞線，同軸電纜和光導纖維。通訊距離與波持率有關，最大通訊距離可達10km，最大通訊波持率可達1Mdps。CAN總線仲裁用11位（CAN2.0A協(xié)議）和29位（CAN2.0B協(xié)議）標識和非破壞性位仲裁總線結構機制，可以確定數據塊的優(yōu)先級，保證在網絡節(jié)點沖突時最高優(yōu)先級點不需要沖突等待。CAN結構模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數據鏈層和應用層。CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數通訊。
（2）CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現(xiàn)場總線，其數據容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統(tǒng)，能夠適用于較高的管理層網絡到較低的傳感器層網絡的不同范圍。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，一般情況下，CC-Link整個一層網絡可由一個主站和六十四個從站組成。CC-Link具有高速的數據傳輸速度，最高可達10Mbps，其底層通信協(xié)議遵循RS-485。2 CC-Link的數據通信方式可分為2種方式：循環(huán)通訊和瞬時傳送。信息從主站傳遞到從站，信息數據將以150字節(jié)為單位分割，并以每批150字節(jié)傳遞。若從站傳遞到主站或其他從站，每批信息數據最大為34字節(jié)。瞬時傳送需要由專用指令來完成。瞬時傳送不會影響循環(huán)通信的時間。
（3）Leo Works總線：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。Lon Works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Lon Works的Lon Talk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為網絡處理器，作為前兩者的中介，它進行網絡變量尋址、更新、路徑選擇、網絡通信管理等。由神經芯片構成的節(jié)點之間可以進行對等通信。Lon Works支持多種物理介質并支持多種拓撲結構，組網方式靈活。Lon Works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)控網絡方面有較優(yōu)越的性能。

3．5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通訊標準

FCS采用ISO的OSI模型7層體系結構中的第1、2、7層，即物理層（Physical Layer），鏈路層（Data Link Layer），應用層（Application Layer），外加一個第八層，用戶層（User Layer）構成其總線通訊標準。用戶層是現(xiàn)場總線標準在OSI層模型之外增加的一層，它使該標準超過一項通訊標準而成為一項系統(tǒng)標準，是FCS開放性與互操作性的關鍵。用戶層定義了29個標準功能模塊，用于數據處理和組成控制算法，標準功能模塊的數量少于一般的DCS，它允許用戶自己定義算法模塊，另外還定義了兩個工具，即設備描述語言DDL（Device Description Language）和對象字典OD(Object Dictionary)，用以登記網絡上的"可見對象"，以實現(xiàn)可互操作性。

4 小結

當前，各種形式的現(xiàn)場總線協(xié)議并存于控制領域。在樓宇自控領域，Lon works 和CAN具有一定的優(yōu)勢；在過程自動化領域，主要有CAN、基金會現(xiàn)場總線FF以及PROFIBUS協(xié)議。考慮到統(tǒng)一的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議標準制定的長期性和艱巨性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進過程。在一段時間內，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線共存、同一生產現(xiàn)場有幾種異構網絡互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范，真正形成開放式互連系統(tǒng)，是大勢所趨。