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現(xiàn)場總線及通訊協(xié)議現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和未來發(fā)展一、引言 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)(DCS)后,今后將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的方向發(fā)展?,F(xiàn)場總線(field bus)是指現(xiàn)場儀表和數(shù)字控制系統(tǒng)輸入輸出之間的全數(shù)字化、雙向、多站的通訊系統(tǒng)。二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史,不難發(fā)現(xiàn),每一代新的控制系統(tǒng)推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案,最終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動(dòng)下占領(lǐng)市場的主導(dǎo)地位,現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外。1、模擬儀表控制系統(tǒng) 模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導(dǎo)地位。其顯著缺點(diǎn)是:模擬信號精度低,易受干擾。 2、集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導(dǎo)地位。采用單片機(jī)、PLC、SLC或微機(jī)作為控制器,控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號,因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計(jì)算和判斷,在控制方式、控制機(jī)時(shí)的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排;不足的是,對控制器本身要求很高,必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性,當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時(shí),控制器的效率和可靠性將急劇下降。 3、集散控制系統(tǒng)(DCS) 集散控制系統(tǒng)(DCS)于八、九十年代占主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、分散控制,即管理與控制相分離,上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能,若干臺下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)分布式控制,各上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此,這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系統(tǒng)中,分布式控制思想的實(shí)現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,遺憾的是,不同的DCS廠家為達(dá)到壟斷經(jīng)營的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用各自專用的封閉形式,不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享,因此集散控制系統(tǒng)從該角度而言實(shí)質(zhì)是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)且DCS造價(jià)昂貴。在這種情況下,用戶對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求。 4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS) FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生,它用現(xiàn)場總線這一開放的,具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀表設(shè)備互連,構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場,降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此,F(xiàn)CS實(shí)質(zhì)是一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng),有望成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。 三、現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 1、現(xiàn)場總線的概念 現(xiàn)場總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò),遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 2、現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別 (1)按功能比較,現(xiàn)場總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備,網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息,如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等,傳輸速率低,但實(shí)時(shí)性高。簡而言之,現(xiàn)場總線是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計(jì)算機(jī),網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息,如文本、聲音、圖像等,傳輸速率高,但不要求實(shí)時(shí)性。從這個(gè)意義而言,局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。 (2)按實(shí)現(xiàn)方式比較現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質(zhì),如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等,實(shí)現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需 要專用電纜,如同軸電纜、光纖等,實(shí)現(xiàn)成本高。 3、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)在傳統(tǒng)的DCS中,體現(xiàn)的是集中管理與分散控制的思想。其結(jié)構(gòu)體系可描述為“三站一線”,即工程師站、操作員站、I/O站和通信網(wǎng)絡(luò)。工程師站負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理、控制組態(tài)、系統(tǒng)生成與下裝;操作員站實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制操作、過程狀態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)的收集、報(bào)警狀態(tài)顯示以及趨勢顯示和報(bào)表生成打印等;現(xiàn)場I/O站實(shí)現(xiàn)各種信號的采集和處理、回路的運(yùn)算和控制結(jié)果輸出等;通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)提供各種功能站之間的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)絡(luò)?,F(xiàn)場總線的突出特點(diǎn)在于它克服了DCS系統(tǒng)中通信由封閉的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷,把基于封閉專用的解決方案變成基于公開標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案;同時(shí)把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu),變成新型的全分布式結(jié)構(gòu),把控制功能徹底下放到現(xiàn)場,依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本控制功能。現(xiàn)場總線的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)以數(shù)字信號完全取代傳統(tǒng)DCS的420mA模擬信號,且雙向傳輸信號。一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)設(shè)備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大為減少,連線設(shè)計(jì)與接頭校對工作量也大為減少。同時(shí),通信總線延伸到現(xiàn)場傳感器、變送器、控制器和伺服機(jī)構(gòu),操作人員在控制室就能實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的在線監(jiān)視、診斷、校驗(yàn)和參數(shù)整定, 從而提高了系統(tǒng)的精度、可監(jiān)視性和抗干擾能力,節(jié)省了硬件數(shù)量與投資。(2)相對于傳統(tǒng)的DCS三層結(jié)構(gòu)而言,現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)上只有現(xiàn)場設(shè)備和操作管理站兩個(gè)層次,將傳統(tǒng)DCS的I/O控制站并入現(xiàn)場智能設(shè)備,取消了I/O模件,現(xiàn)場儀表都是內(nèi)裝微處理器的,它們各自進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)換、線性化或校正運(yùn)算處理、報(bào)警判斷以及控制算法功能等,輸出的結(jié)果直接送到鄰近的調(diào)節(jié)閥上,完全不需要經(jīng)過控制室主控系統(tǒng),從根本上改變了傳統(tǒng)DCS集中與分散相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的徹底分散。(3)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是開放的。將系統(tǒng)集成的權(quán)力交給用戶,用戶可以按自己的需要和考慮,把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成規(guī)模各異的系統(tǒng)。因而現(xiàn)場總線稱為自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng),其開放性和互操作性體現(xiàn)在可以用不同廠家的現(xiàn)場儀表去替換出現(xiàn)故障的另一廠家的現(xiàn)場儀表,更換后通信能夠恢復(fù)正常,同時(shí)又可以查詢新的現(xiàn)場儀表的自身信息。四、現(xiàn)場總線的未來(1)能否出現(xiàn)全世界統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)(2)現(xiàn)場總線能否全面取代現(xiàn)時(shí)風(fēng)靡世界的DCS系統(tǒng)。五、現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)場總線發(fā)展迅速,現(xiàn)處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線,如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等,較流行的有5種,分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks(性能對照見表1) 表1 5種現(xiàn)場總線性能對照表特性現(xiàn)場總線類型FFProfibusHARTCANLonWorks應(yīng)用范圍儀表PLC智能變送器汽車樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化等OSI網(wǎng)絡(luò)層次1 2 3 41 2 71 2 71 2 717通訊介質(zhì)雙絞線、電纜、光纖、無線等雙絞線、光纖電源信號線雙絞線雙絞線、電力線、電纜、光纖、無線等介質(zhì)訪問方式令牌、主從令牌、主從令牌、查詢位仲裁PP CSMA CRC糾錯(cuò)方式CRCCRCCRCCRCCRC通訊速率(Mbps)2.51.21.211.25最大字節(jié)數(shù)3212815110248優(yōu)先級有有有有有保密性身份認(rèn)證安全性是是是是是開發(fā)工具有有有有(1)基金會(huì)現(xiàn)場總線(foundation fieldbus)在現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的研究制訂過程中,出現(xiàn)過多種企業(yè)集團(tuán)或組織,通過不斷的競爭,到1994年在國際上基本上形成了兩大陣營,一個(gè)以Fisher-Rosemount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;另一個(gè)以Honeywell公司為首,聯(lián)合歐洲150家公司制訂的World FIP協(xié)議。這兩大集團(tuán)于1994年合并,成立現(xiàn)場總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation,FF),致力于開發(fā)國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。FF的體系結(jié)構(gòu)參照ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,另外增加了用戶層。FF提供兩種物理標(biāo)準(zhǔn):H1和H2。H1為用于過程控制的低速總線,速率為31.25kbps,傳輸距離為200m、400m、1200m和1900m四種。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種,其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、同軸電纜和光纖,協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。(2)Profibus現(xiàn)場總線它是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。分散化的外圍設(shè)備(DP)型隱去了第3層至第7層,而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口;現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)型則只隱去第三至第六層,采用了應(yīng)用層。過程自動(dòng)化(PA)型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過程之中。其最大傳輸速率為12Mbps,傳輸距離為100m和400m,傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,也可以是光纜,最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。(3)LonWork(Local Operating Network局部操作網(wǎng))現(xiàn)場總線它是由美國Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7層協(xié)議,采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法,通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置,其最大傳輸速率為1.5Mbps,傳輸距離為2700m,傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等。采用的LonTalk協(xié)議被封裝在Neuron芯片中,內(nèi)含三個(gè)8位微處理器,一個(gè)負(fù)責(zé)介質(zhì)訪問控制,一個(gè)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)處理,一個(gè)負(fù)責(zé)應(yīng)用處理。(4)控制局域網(wǎng)(Control Area Network,CAN)控制網(wǎng)絡(luò)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結(jié)構(gòu)模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。通信速率最高可達(dá)1Mbps,通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10000m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線,最多可掛接設(shè)備110個(gè)。CAN在我國的應(yīng)用較早,我國華控技術(shù)公司基于CAN協(xié)議開發(fā)了SDS智能分布式系統(tǒng);和利時(shí)公司開發(fā)的HS2000系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)就是應(yīng)用CAN3。(5)HART(Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路)美國Rosemount公司1989年推出,主要應(yīng)用于智能變送器。HART為一過渡性標(biāo)準(zhǔn),它通過在4-20mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波(2200HZ表“0”,1200HZ表“1”)來傳送數(shù)字信號,從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性,其數(shù)字通信由于采用調(diào)制/解調(diào)方式,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品,因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的競爭力,得到了較快的發(fā)展。預(yù)計(jì)其生命周期為最近20年。HART通訊協(xié)議簡介HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議,是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。 HART裝置提供具有相對低的帶寬,適度響應(yīng)時(shí)間的通信,經(jīng)過10多年的發(fā)展,HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟,并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號,在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊,數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0,不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小,保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送,在需要的情況下,另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。HART通信采用的是半雙工的通信方式,其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(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,得到了較快發(fā)展。HART 規(guī)定了一系列命令,按命令方式工作。它有三類命令,第一類稱為通用命令,這是所有設(shè)備都理解、都執(zhí)行的命令;第二類稱為一般行為命令,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,以便于工作在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功
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