現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

現(xiàn)場(chǎng)總線綜述設(shè)計(jì)題目：現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化姓名：+++班級(jí)：電氣112班學(xué)號(hào)：11401170236指導(dǎo)教師：邱雪娜2014年11月17日現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)是自動(dòng)化領(lǐng)域里的一項(xiàng)新技術(shù)。本文闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展及各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀及特點(diǎn),最后展望了該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；產(chǎn)生與發(fā)展；特點(diǎn)；發(fā)展趨勢(shì)PresentsituationanddevelopmentprospectofFieldbusTechnologyLIGensheng（SchoolofElectronandInformationEngineering,NingboUniversityofTechnology,Ningbo315000,China）Abstract:Thefieldbustechnologyisanewtechnologyinautomatization.Thispaperexpoundstheoriginanddevelopmentoffieldbustechnologyandallkindsofhistory,presentsituationandcharacteristicsoffieldbustechnology,thefuturedevelopmenttrendofthistechnologyarediscussed.Keywords：fieldbus;generationanddevelopment;characteristic;thedevelopmenttrend引言現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理，降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)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(dòng)控制領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不斷向數(shù)字化、微型化、個(gè)性化，專用化發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，前景廣闊。1現(xiàn)場(chǎng)總線的定義與特點(diǎn)1.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的定義從名詞定義來(lái)講，現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)電器、現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制主機(jī)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定某個(gè)控制系統(tǒng)中一定數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線電等等。通俗地講，現(xiàn)場(chǎng)總線是用在現(xiàn)場(chǎng)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(gè)電器元件，對(duì)應(yīng)每一個(gè)元件有一個(gè)I/O口，兩者之間需用兩根線進(jìn)行連接，作為控制和/或電源。當(dāng)PLC所控制的電器元件數(shù)量達(dá)到數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的接線就顯得十分復(fù)雜，容易搞錯(cuò)，施工和維護(hù)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(lái)連接所有設(shè)備，所有的數(shù)據(jù)和信號(hào)都在這根線上流通，同時(shí)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(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線概念一樣。由于控制對(duì)象都在工礦現(xiàn)場(chǎng)，不同于計(jì)算機(jī)通常用于室內(nèi)，所以這種總線被稱為現(xiàn)場(chǎng)的總線，簡(jiǎn)稱現(xiàn)場(chǎng)總線。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)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(hào)傳輸和連接方式的方法，它依次實(shí)現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)在保證傳輸實(shí)時(shí)下特點(diǎn)：1）ControlNet在單根電纜上支持兩種類型的信息傳輸：有實(shí)時(shí)性的控制信息和I/O數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)時(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，而且允許同時(shí)向多個(gè)設(shè)備傳遞信息。生產(chǎn)者/客戶模式使用時(shí)間片算法保證各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率；3）ControlNet使用同軸電纜可達(dá)6km，節(jié)點(diǎn)數(shù)99個(gè)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離最長(zhǎng)達(dá)1000m，48個(gè)節(jié)點(diǎn)距離可長(zhǎng)達(dá)250m，采用光纖和中繼器后通訊距離可達(dá)幾十公里。ControlNet應(yīng)用于過(guò)程控制，自動(dòng)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(gè)CAN節(jié)點(diǎn)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(shí)際位傳送過(guò)程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)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(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告及處理，確認(rèn)哪個(gè)信息要發(fā)送的，確認(rèn)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(diǎn)：CANBUS網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。通訊靈活，可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)及分布式監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。采用非破壞性總線裁決技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送接收數(shù)據(jù)的功能。通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5KBPS，通訊速率最高可達(dá)1MBPS/40M。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，可靠性極高．通訊介質(zhì)采用廉價(jià)的雙絞線即可，無(wú)特殊要求。在傳輸信息出錯(cuò)嚴(yán)重時(shí)，節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)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(chǎng)總線的發(fā)展前景雖然現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一還有種種問(wèn)題，但現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展卻已經(jīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線思想的日益深入人心，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品和應(yīng)用的不斷增多，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)日益清晰，具體發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。FCS將會(huì)在一定的時(shí)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(lái)的，F(xiàn)CS順應(yīng)了自動(dòng)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(shí)．然而．任何新事物的發(fā)生發(fā)展都是在對(duì)舊事物的揚(yáng)棄中進(jìn)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(dú)具優(yōu)勢(shì)的事物．特別是現(xiàn)階段，F(xiàn)CS尚沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而呈群雄逐鹿之勢(shì)，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(gè)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(guò)程中，智能I／o是DCS向現(xiàn)場(chǎng)總線的一種過(guò)渡．遠(yuǎn)程智能I／o以其可靠性高、分散性好，而具備了現(xiàn)場(chǎng)總線的性能．所以，現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS將會(huì)長(zhǎng)期共存，但FCS必將會(huì)在一定的時(shí)期內(nèi)成為主流控制系統(tǒng)．

現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的關(guān)系隨著商用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的局域通信逐步被以太網(wǎng)(ethernet)壟斷，過(guò)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(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)控制系統(tǒng)。進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和服務(wù)的愿望越來(lái)越強(qiáng)烈，因此TCP／IP協(xié)議也進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域．但所有這些僅限于故障診斷，維護(hù)等實(shí)時(shí)性要求很低的工作．工業(yè)過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)總線控制不會(huì)被計(jì)算機(jī)通信技術(shù)取代，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線與一般計(jì)算機(jī)通信在功能、要求和結(jié)構(gòu)上有所不同．從功能上講，計(jì)算機(jī)通信的基本功能是可靠地傳遞信息；現(xiàn)場(chǎng)總線的功能有：一是經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地傳遞信息；二是正確使用所傳信息；三是及時(shí)處理所傳信息．從要求上講，對(duì)計(jì)算機(jī)通信的主要要求是快；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線不僅要求傳輸速度快，在過(guò)程控制領(lǐng)域還要求響應(yīng)時(shí)間短，即實(shí)時(shí)性要求高，以及巡回時(shí)間短，過(guò)程控制系統(tǒng)希望最長(zhǎng)巡回時(shí)間是預(yù)先可知的，并小于一定值．從結(jié)構(gòu)上講，計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)狀的，從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的通信路徑可以是不固定的；而大部分現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)是線狀的，雖然現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(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(chǎng)總線中，從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的通信路徑是比較固定的．然而在實(shí)時(shí)性要求低、被控信息簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，例如建筑物自動(dòng)化等方面，新動(dòng)向的發(fā)展確實(shí)值得關(guān)注，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)正逐步深入到現(xiàn)場(chǎng)控制．國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)是：①多種現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)內(nèi)展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)是應(yīng)用工程；②國(guó)內(nèi)自己開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品開始投入市場(chǎng)；③國(guó)內(nèi)各行業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用工程迅速發(fā)展。4總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)總線屬于尚在發(fā)展之中的技術(shù)，我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步?？傮w說(shuō)來(lái)，自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)。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(biāo)準(zhǔn)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。有理由認(rèn)為，在從現(xiàn)在起的未來(lái)十年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過(guò)路由網(wǎng)關(guān)互連實(shí)現(xiàn)信息共享的局面?，F(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(lái)說(shuō)可以避免很多彎路和資源浪費(fèi)，是適合我國(guó)國(guó)情的一個(gè)實(shí)用的發(fā)展途徑。

智能化控制系統(tǒng)