現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

現(xiàn)場總線綜述設(shè)計題目：現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景學(xué)院名稱：電子與信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：+++班級：電氣112班學(xué)號：11401170236指導(dǎo)教師：邱雪娜2014年11月17日現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景+++（寧波工程學(xué)院，電子與信息工程學(xué)院，浙江寧波315000）摘要：現(xiàn)場總線技術(shù)是自動化領(lǐng)域里的一項新技術(shù)。本文闡述了現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展及各類現(xiàn)場總線技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀及特點,最后展望了該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；產(chǎn)生與發(fā)展；特點；發(fā)展趨勢PresentsituationanddevelopmentprospectofFieldbusTechnologyLIGensheng（SchoolofElectronandInformationEngineering,NingboUniversityofTechnology,Ningbo315000,China）Abstract:Thefieldbustechnologyisanewtechnologyinautomatization.Thispaperexpoundstheoriginanddevelopmentoffieldbustechnologyandallkindsofhistory,presentsituationandcharacteristicsoffieldbustechnology,thefuturedevelopmenttrendofthistechnologyarediscussed.Keywords：fieldbus;generationanddevelopment;characteristic;thedevelopmenttrend引言現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護和管理，降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性引起人們的廣泛注意，得到大范圍的推廣，導(dǎo)致了自動控制領(lǐng)域的一場革命。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)不斷向數(shù)字化、微型化、個性化，專用化發(fā)展?，F(xiàn)場總線技術(shù)的市場不斷擴大，前景廣闊。1現(xiàn)場總線的定義與特點1.1現(xiàn)場總線技術(shù)的定義從名詞定義來講，現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場電器、現(xiàn)場儀表及現(xiàn)場設(shè)備與控制主機系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線標準規(guī)定某個控制系統(tǒng)中一定數(shù)量的現(xiàn)場設(shè)備之間如何交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)可以是電線電纜、光纜、電話線、無線電等等。通俗地講，現(xiàn)場總線是用在現(xiàn)場的總線技術(shù)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的接線方式是一種并聯(lián)接線方式，從PLC控制各個電器元件，對應(yīng)每一個元件有一個I/O口，兩者之間需用兩根線進行連接，作為控制和/或電源。當PLC所控制的電器元件數(shù)量達到數(shù)十個甚至數(shù)百個時，整個系統(tǒng)的接線就顯得十分復(fù)雜，容易搞錯，施工和維護都十分不便。為此，人們考慮怎樣把那么多的導(dǎo)線合并到一起，用一根導(dǎo)線來連接所有設(shè)備，所有的數(shù)據(jù)和信號都在這根線上流通，同時設(shè)備之間的控制和通信可任意設(shè)置。因而這根線自然而然地稱為了總線，就如計算機內(nèi)部的總線概念一樣。由于控制對象都在工礦現(xiàn)場，不同于計算機通常用于室內(nèi)，所以這種總線被稱為現(xiàn)場的總線，簡稱現(xiàn)場總線。1.2現(xiàn)場總線的特點現(xiàn)場總線技術(shù)實際上是采用串行數(shù)據(jù)傳輸和連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并聯(lián)信號傳輸和連接方式的方法，它依次實現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場總線設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時在保證傳輸實時下特點：1）ControlNet在單根電纜上支持兩種類型的信息傳輸：有實時性的控制信息和I/O數(shù)據(jù)傳輸，無時間苛求的信息發(fā)送和程序上/下載；2）ControlNet技術(shù)采取了一種新的通信模式，以生產(chǎn)者/客戶模式取代了傳統(tǒng)的源/目的模式它不僅支持傳統(tǒng)的點對點通訊，而且允許同時向多個設(shè)備傳遞信息。生產(chǎn)者/客戶模式使用時間片算法保證各節(jié)點實現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率；3）ControlNet使用同軸電纜可達6km，節(jié)點數(shù)99個，兩個節(jié)點間距離最長達1000m，48個節(jié)點距離可長達250m，采用光纖和中繼器后通訊距離可達幾十公里。ControlNet應(yīng)用于過程控制，自動化制造等領(lǐng)域。2.5、CAN

CAN(ControllerAreaNetwork)稱為控制局域網(wǎng)，屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線規(guī)范了任意兩個CAN節(jié)點之間的兼容性，包括電氣特性及數(shù)據(jù)解釋協(xié)議，CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層決定了實際位傳送過程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯、錯誤報告及處理，確認哪個信息要發(fā)送的，確認接收到的信息及為應(yīng)用層提供了接口。CAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：CANBUS網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。通訊靈活，可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)及分布式監(jiān)測、控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級以滿足不同的實時要求。采用非破壞性總線裁決技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。具有點對點，一點對多點及全局廣播傳送接收數(shù)據(jù)的功能。通訊距離最遠可達10KM/5KBPS，通訊速率最高可達1MBPS/40M。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)實際可達110個。每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，可靠性極高．通訊介質(zhì)采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。在傳輸信息出錯嚴重時，節(jié)點可自動切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其它操作不受影響。3現(xiàn)場總線的發(fā)展前景雖然現(xiàn)場總線的標準統(tǒng)一還有種種問題，但現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展卻已經(jīng)是一個不爭的事實。隨著現(xiàn)場總線思想的日益深入人心，基于現(xiàn)場總線的產(chǎn)品和應(yīng)用的不斷增多，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)日益清晰，具體發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面。FCS將會在一定的時期內(nèi)成為主流控制系統(tǒng)FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，F(xiàn)CS順應(yīng)了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代DCS．這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識．然而．任何新事物的發(fā)生發(fā)展都是在對舊事物的揚棄中進行的，F(xiàn)CS與DCS的關(guān)系必然也不例外．FCS代表潮流與發(fā)展方向，而DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物．特別是現(xiàn)階段，F(xiàn)CS尚沒有統(tǒng)一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占據(jù)著一個尚不可完全替代的地位．而且現(xiàn)階段，DCS也在朝開放性、分散性和可互操作方向發(fā)展．

所以就目前現(xiàn)狀看，工業(yè)控制處在DCS本身成熟和FCS發(fā)展過程中，智能I／o是DCS向現(xiàn)場總線的一種過渡．遠程智能I／o以其可靠性高、分散性好，而具備了現(xiàn)場總線的性能．所以，現(xiàn)場總線和DCS將會長期共存，但FCS必將會在一定的時期內(nèi)成為主流控制系統(tǒng)．

現(xiàn)場總線的發(fā)展與計算機通信技術(shù)的關(guān)系隨著商用計算機領(lǐng)域的局域通信逐步被以太網(wǎng)(ethernet)壟斷，過程控制領(lǐng)域中上層的通信也逐步統(tǒng)一到以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)．由于因特網(wǎng)的快速發(fā)展，人們通過因特網(wǎng)訪問控制系統(tǒng)。進行遠程診斷、維護和服務(wù)的愿望越來越強烈，因此TCP／IP協(xié)議也進入過程控制領(lǐng)域．但所有這些僅限于故障診斷，維護等實時性要求很低的工作．工業(yè)過程的現(xiàn)場總線控制不會被計算機通信技術(shù)取代，因為現(xiàn)場總線與一般計算機通信在功能、要求和結(jié)構(gòu)上有所不同．從功能上講，計算機通信的基本功能是可靠地傳遞信息；現(xiàn)場總線的功能有：一是經(jīng)濟、安全、可靠地傳遞信息；二是正確使用所傳信息；三是及時處理所傳信息．從要求上講，對計算機通信的主要要求是快；對現(xiàn)場總線不僅要求傳輸速度快，在過程控制領(lǐng)域還要求響應(yīng)時間短，即實時性要求高，以及巡回時間短，過程控制系統(tǒng)希望最長巡回時間是預(yù)先可知的，并小于一定值．從結(jié)構(gòu)上講，計算機通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)狀的，從一點到另外一點的通信路徑可以是不固定的；而大部分現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)是線狀的，雖然現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線型、星型、環(huán)行、回路型等；但在大多數(shù)現(xiàn)場總線中，從一點到另外一點的通信路徑是比較固定的．然而在實時性要求低、被控信息簡單的現(xiàn)場環(huán)境，例如建筑物自動化等方面，新動向的發(fā)展確實值得關(guān)注，計算機通信技術(shù)正逐步深入到現(xiàn)場控制．國內(nèi)現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢是：①多種現(xiàn)場總線在國內(nèi)展開激烈競爭，競爭的重點是應(yīng)用工程；②國內(nèi)自己開發(fā)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品開始投入市場；③國內(nèi)各行業(yè)的現(xiàn)場總線應(yīng)用工程迅速發(fā)展。4總結(jié)現(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?？傮w說來，自動化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進。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準規(guī)范，但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，一個現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標準。有理由認為，在從現(xiàn)在起的未來十年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標準的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實現(xiàn)信息共享的局面?，F(xiàn)場總線作為自動化領(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)場總線技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別是加強對于一些已有成功經(jīng)驗的現(xiàn)場總線在智能化控制系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用，對于開電氣設(shè)備制造廠家來說可以避免很多彎路和資源浪費，是適合我國國情的一個實用的發(fā)展途徑。

智能化控制系統(tǒng)