現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

　　2.3現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)基礎(chǔ)：

　　現(xiàn)場(chǎng)總線以數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，在3C技術(shù)即計(jì)算機(jī)（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，一大批數(shù)字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)以嶄新的面貌呈現(xiàn)在廣大用戶面前。一般認(rèn)為“現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國際電工委員會(huì)IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　從現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）的角度來看，它的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是ISO的通訊模型的七層結(jié)構(gòu)（一般簡(jiǎn)化為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層）。

　　2.4各種現(xiàn)場(chǎng)總線與標(biāo)準(zhǔn)

　　2.4.1 IEC 1984年提出現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)的草案。1993年才通過了物理層的標(biāo)準(zhǔn)IEC1158－2。

　　2.4.2 SP50 IEC/ISA SP50國際總線規(guī)范由Honeywell等公司共同開發(fā)。1984年美國儀表協(xié)會(huì)ISA（Instrument Society of America）下屬的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施（Standard and Practice）第50組，簡(jiǎn)稱ISA/SP50開始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，1992年IEC批準(zhǔn)了SP50的物理層標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.4.3 Profibus,過程現(xiàn)場(chǎng)總線，1987年德國聯(lián)邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個(gè)研究所成立了一個(gè)專門委員會(huì)開始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中發(fā)表，對(duì)其進(jìn)行了論述從而正式為德國現(xiàn)場(chǎng)總線的國家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在是歐洲標(biāo)準(zhǔn)pr ENS50170的三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱為“德國派”。

　　2.4.4 ISP和ISPF 1992年由Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB等公司成立ISP組織（Interoperable System Project,可互操作系統(tǒng)規(guī)劃），是一個(gè)以Profibus為基礎(chǔ)制定的現(xiàn)場(chǎng)總線，1993年成立ISPF（ISP Foundation,ISP基金會(huì)）。

　　2.4.5 World FIP工廠儀表世界協(xié)議，1993年由Honeywell,Bailey等公司牽頭成立FIP（Factory Instrumentation Protocol），120家公司加盟，以法國標(biāo)準(zhǔn)46－602/603/604/606為基礎(chǔ)制定.該標(biāo)準(zhǔn)與德國的Profibus同時(shí)在歐洲投票通過為歐洲標(biāo)準(zhǔn)pr EN50170,成為三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱為“法國派”。

　　2.4.6 FF（Fielbdus Foundation,現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)）1994年6月ISPF和World FIP握手言和成立了FF，總部設(shè)在美國Texas州的Austin，有會(huì)員120家，它是一個(gè)非商業(yè)化的公正的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和協(xié)會(huì)組織，無專利許可要求，供任何人使用（World FIP的歐洲部分在1995年3月才參加）。低速總線H1已進(jìn)入實(shí)用階段。FF發(fā)展的主要障礙來自Profibus的商業(yè)利益。

　　2.5幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線

　　2.5.1 CAN 由德國Robert Basch以及幾個(gè)集成電路制造商一起開發(fā)，最初是專門為汽車工業(yè)設(shè)計(jì)，后來推廣到各個(gè)領(lǐng)域.目前已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是現(xiàn)場(chǎng)總線中唯一被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。值得注意的是一些微處理器的生產(chǎn)商也在微處理器芯片中附加CAN的接口，并且成為一種潮流。而其他現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議芯片基本上是以專用的芯片來供應(yīng)，這樣CAN在低成本方面優(yōu)勢(shì)明顯，此外CAN技術(shù)在抗干擾技術(shù)方面頗有特色。

　　2.5.2 LON works（Local Operation Network）局部操作網(wǎng)絡(luò)；1991年3月由美國的Echelon公司推出，是一種“智能網(wǎng)”，核心技術(shù)是節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片（含三個(gè)CPU）構(gòu)成，帶有OSI的七層網(wǎng)模型，適應(yīng)面最廣，開發(fā)工具約10－30萬，價(jià)格較貴。據(jù)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品的40％用于工業(yè)控制，30％用于樓宇自動(dòng)化。

　　2.5.3 Hart和HCF 1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)議HART（Highway Addressable Remote Transducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在4－20mA的DC信號(hào)上疊加FSK（Frequency Shift Keying，頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號(hào)，是現(xiàn)場(chǎng)總線的過渡性協(xié)議，它對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的形成有重大影響，但是在電器行中發(fā)展的可能性很小。

　　2.5.4一些可能對(duì)電器行業(yè)產(chǎn)生影響的低層次的現(xiàn)場(chǎng)總線：如：Bitbus,Interbus,AS－Interface,DEVICE Net,VXL等等。

　　3.多現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　目前，在一些工程中通常的做法是在某種現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場(chǎng)總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，多種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現(xiàn)場(chǎng)總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場(chǎng)總線能統(tǒng)一于一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財(cái)力，但成效甚微。

　　 隨著自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應(yīng)用量越來越大，而且隨著用戶對(duì)智能化控制系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現(xiàn)場(chǎng)總線本身的特點(diǎn)以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在智能化配電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，采用一種現(xiàn)場(chǎng)總線總線的智能化產(chǎn)品往往不能滿足應(yīng)用的全面要求，多現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品共存于一個(gè)智能化控制系統(tǒng)已成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題。

　　由于多現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中不同類型的產(chǎn)品均配專用的通信協(xié)議，有的廠家還專門為自己的產(chǎn)品開發(fā)了專用的通信卡、通信控制器等專用設(shè)備，因此，整個(gè)系統(tǒng)中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無法直接和主控單元進(jìn)行通信，這嚴(yán)重防礙智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)智能設(shè)備的選擇。對(duì)應(yīng)用而言,如果在一個(gè)智能化控制系統(tǒng)中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個(gè)智能化控制系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，使得系統(tǒng)的性能價(jià)格比不高，而且在系統(tǒng)進(jìn)行改造或升級(jí)時(shí)，將要花費(fèi)用戶更多的時(shí)間和費(fèi)用。因此，多現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在一個(gè)智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為一個(gè)重要的研究課題。

　　對(duì)于智能化自動(dòng)化控制領(lǐng)域來說，它的現(xiàn)場(chǎng)總線有一定的特殊性。同時(shí)它又不能完全脫離上層現(xiàn)場(chǎng)總線。對(duì)于智能化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，特別是過程自動(dòng)化系統(tǒng)將不得不面對(duì)幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線其原因是：

　　3.1實(shí)際上過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)和高中壓電網(wǎng)控制系統(tǒng)存在各種不同的現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　3.2建筑自動(dòng)化系統(tǒng)在推廣Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線，用于智能大廈。

　　3.3FF有國家的大力支持，也許是重要的發(fā)展方向。

　　3.4CAN的價(jià)格優(yōu)勢(shì)對(duì)低壓電器有很大的吸引力。

　　3.5Profibus已經(jīng)有了不少應(yīng)用。這是一個(gè)需要認(rèn)真考慮的現(xiàn)實(shí)。

　　智能化召開系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是個(gè)多層次的網(wǎng)絡(luò), IEC62026本身就包含各種現(xiàn)場(chǎng)總線。IEC62026明確表示了高層的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)由IEC/SC65C考慮。FCS，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的發(fā)展方向是多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；向下連接低層次的現(xiàn)場(chǎng)總線，智能化控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)需要多層次的網(wǎng)絡(luò)。而智能設(shè)備需要非常靈活地與各種總線、控制對(duì)象等的配合控制和交換信息。實(shí)現(xiàn)各種總線相互間的轉(zhuǎn)換也是解決現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)的途徑之一。

　　目前，在一些工程設(shè)計(jì)中通常的做法是在某種現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場(chǎng)總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，多種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現(xiàn)場(chǎng)總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場(chǎng)總線能統(tǒng)一于一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，其技術(shù)復(fù)雜程度和管理、維護(hù)、擴(kuò)展等因素都是影響現(xiàn)場(chǎng)總線在智能化控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，國際上的個(gè)大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財(cái)力，但成效甚微。

　　針對(duì)上述在智能化控制系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實(shí)際問題，在工程中的解決方案是做一個(gè)統(tǒng)一而簡(jiǎn)單的子網(wǎng)：一個(gè)簡(jiǎn)單的子網(wǎng)可能解決自動(dòng)化控制系統(tǒng)的大部分控制問題。各智能化設(shè)備的各種現(xiàn)場(chǎng)總線接口的配合可以通過相應(yīng)的協(xié)議芯片來解決。統(tǒng)一的子網(wǎng)可能使整個(gè)行業(yè)的開發(fā)成本最低，開發(fā)速度最快。為此提出了通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行處理，解決智能化控制系統(tǒng)中多現(xiàn)場(chǎng)總線的兼容性問題，其目的是為了能將不同現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品和諧地融入一個(gè)系統(tǒng)中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長(zhǎng)處，為那些希望使用不同廠家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶提供更大的靈活性。

　　通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通用通信管理設(shè)備，由它把各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位機(jī)之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應(yīng)的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。

　　4.現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器

　　通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器是采用模塊化結(jié)構(gòu)和多CPU工作方式來設(shè)計(jì)的，因?yàn)槟K化的結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，為系統(tǒng)將來的升級(jí)換代帶來便利。

　　通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴(kuò)展槽、固定支架、系統(tǒng)總線、信號(hào)線構(gòu)成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶CPU。主控板負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)以及與上位機(jī)的通信，通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器通過RS232接口與上位機(jī)連接，主控板通過它與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，主要包括：管理系統(tǒng)總線，給協(xié)議板和接口板分配系統(tǒng)資源，與協(xié)議板進(jìn)行信息交換，對(duì)來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，等待上位機(jī)提取。協(xié)議板是通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器的關(guān)鍵部分，所有與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進(jìn)行一種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，接口種類有RS232、RS422、RS485等。通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器與上位機(jī)以及與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信都采用串行方式，而通信控制器內(nèi)部各插卡之間通過系統(tǒng)總線來完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過系統(tǒng)總線分別與協(xié)議板進(jìn)行通信，各協(xié)議板之間不能進(jìn)行通信。

　　通信過程如下：主控板在系統(tǒng)總線上，通過廣播方式發(fā)送協(xié)議板號(hào)來呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號(hào)識(shí)別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號(hào)相符的協(xié)議板才響應(yīng)主控板，從而實(shí)現(xiàn)主控板與協(xié)議板的通信。當(dāng)用戶增加新的協(xié)議設(shè)備時(shí)，不必改動(dòng)硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設(shè)置好協(xié)議板號(hào)，并在上位機(jī)的組態(tài)中添加相應(yīng)的系統(tǒng)信息存入計(jì)算機(jī)即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過系統(tǒng)中的局部總線來完成。

　　5.智能化配電系統(tǒng)

　　智能化配電系統(tǒng)由配各種智能化開關(guān)柜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件包括各種智能化開關(guān)柜、通用型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器、上位控制計(jì)算機(jī)。軟件由主控程序、通訊界面和人機(jī)界面三部分組成。根據(jù)以上硬件設(shè)備的配置情況，在上位機(jī)上輸入系統(tǒng)配置信息，通過串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統(tǒng)配置信息分類傳遞給各協(xié)議板，各協(xié)議板收到系統(tǒng)信息后與所屬硬件設(shè)備進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控板傳送到上位機(jī)，并通過主控板接受上位機(jī)命令。

　　5.1通訊功能

　　5.1.1遙訊功能：現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器向上站機(jī)報(bào)送斷路器現(xiàn)時(shí)的各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)。

　　5.1.2遙測(cè)：現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制器向上位機(jī)報(bào)送工作參數(shù)、故障參數(shù)，達(dá)到上位機(jī)對(duì)電力電網(wǎng)系統(tǒng)遙測(cè)的目的。

　　5.1.3遙調(diào)：現(xiàn)場(chǎng)總線控制器接收上位機(jī)的遙調(diào)參數(shù)來改變斷路器中智能型脫扣器的保護(hù)特性參數(shù)來達(dá)到改變電力電網(wǎng)干路參數(shù)設(shè)定值的目的

　　5.1.4遙控：現(xiàn)場(chǎng)總線控制器接收上位機(jī)的控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)電力電網(wǎng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的遙控功能。

　　5.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

　　5.2.1數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的由上位機(jī)主呼的主從網(wǎng)結(jié)構(gòu)（現(xiàn)場(chǎng)總線型）。

　　5.2.2通訊方式廣播應(yīng)答方式，半雙工類型

　　4.2.3硬件接口電路類型：RS－485、RS—232、RS—422接口電器，（具有瞬態(tài)保護(hù)或隔離型）

　　5.2.4通訊線路UTP雙絞線，8芯（4對(duì)），五類通訊線，（在干擾嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境或線路與電力線一同敷設(shè)時(shí)可選用屏蔽線STP）

　　5.2.5上位機(jī)：中央處理器應(yīng)為586以上。若上位機(jī)處于干擾嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境中，則應(yīng)選用工控機(jī)機(jī)型。

　　6.結(jié)束語

　　現(xiàn)場(chǎng)總線作為自動(dòng)化領(lǐng)域的一次革命，它的意義和產(chǎn)生的效益是非常巨大的。積極開展各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別是加強(qiáng)對(duì)于一些已有成功經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線在智能化控制系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于開電氣設(shè)備制造廠家來說可以避免很多彎路和資源浪費(fèi)，是適合我國國情的一個(gè)實(shí)用的發(fā)展途徑。

　　智能化控制系統(tǒng)采用多現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，全中文操作界面，具有很高的通用性和靈活性以及較低的成本，使其具有非常高性能價(jià)格比，可以使用戶方便、靈活地構(gòu)成一個(gè)實(shí)用可靠的智能化控制系統(tǒng)，其優(yōu)良的可擴(kuò)展性使其能夠適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展的潮流，滿足不同用戶的需要。