《檢測(cè)與控制技術(shù)》課件第12章

第12章現(xiàn)場(chǎng)總線與測(cè)控網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介12.1現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介12.2測(cè)控網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介12.1現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

12.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線及其特點(diǎn)

1.現(xiàn)場(chǎng)總線的定義根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）的定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快、系統(tǒng)安全、造價(jià)低廉、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FF)的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有以下5個(gè)主要特點(diǎn)：

(1)用數(shù)字信號(hào)完全取代4～20mA模擬信號(hào)。

(2)使基本過(guò)程控制、報(bào)警和計(jì)算功能等完全分布在現(xiàn)場(chǎng)完成。

(3)使設(shè)備增加非控制信息，如自診斷信息、組態(tài)信息以及補(bǔ)償信息等，提高設(shè)備的智能化。

(4)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理和控制的統(tǒng)一。

(5)真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開放性、互操作性。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特征

(1)開放式互連結(jié)構(gòu)：開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的。開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)力交給了用戶，用戶可按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

(2)互可操作性與互用性：這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。

(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，依靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。廢棄了DCS系統(tǒng)中的I/O控制站，將這一級(jí)功能分配給通信網(wǎng)絡(luò)完成，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

(5)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性：工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足安全防爆要求等。

3.現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上技術(shù)特征，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)等都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

(1)節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站。由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積，從而節(jié)省了一大筆硬件投資。

(2)節(jié)省安裝費(fèi)用。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，一對(duì)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、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無(wú)需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。

(3)節(jié)省維護(hù)開銷。由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，因此用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行和診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除。這樣，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。

(4)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)，避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過(guò)程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。

(5)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

12.1.2典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

1.基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，即FoundationFieldbus，簡(jiǎn)稱FF，這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為3125kb/s，通信距離可達(dá)1900m（可加中繼器延長(zhǎng)），支持總線供電。H2的傳輸速率為1Mb/s和2.5Mb/s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、光纜和無(wú)線發(fā)射。其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼。

2.LonWorks（局部操作網(wǎng)絡(luò)）

LonWorks是由美國(guó)Echelon公司推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，于1990年正式公布。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300b/s至15Mb/s不等，直接通信距離可達(dá)到2700m（78kb/s，雙絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

3.Profibus（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）

Profibus是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，也采用ISO/OSI參考模型。由ProfibusDP、ProfibusFMS、ProfibusPA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動(dòng)化領(lǐng)域，而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型。

Profibus支持主－從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。Profibus的傳輸速率為9.6kb/s～12Mb/s，最大傳輸距離在9.6kb/s時(shí)為1000m，1.5Mb/s時(shí)為200m。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

4.CAN

CAN是ControlAreaNetwork（控制局域網(wǎng)絡(luò)）的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。

CAN協(xié)議也是建立在OSI基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1Mb/s(40m)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(5kb/s)，最多可掛接設(shè)備110個(gè)。

CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

5.HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer（可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道）的縮寫。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品。

HART通信模型由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層組成。物理層采用FSK技術(shù)在4～20mA模擬信號(hào)上疊加一個(gè)數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸速率為1200b/s，邏輯“0”的信號(hào)傳輸頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號(hào)傳輸頻率為1200Hz。

數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開頭碼、顯示終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)終止位。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實(shí)現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。它規(guī)定了三類命令：第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備理解、執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，包括最常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù)；第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能。HART支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。按應(yīng)答方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次/ｓ，按廣播方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為3～4次/ｓ。HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言DDL，總線上最多可掛15個(gè)設(shè)備，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可有256個(gè)變量。最大傳輸距離為3000m。

12.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)

(1)多種總線并存?，F(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中采用的8種類型，以及其他一些現(xiàn)場(chǎng)總線，將在今后一段時(shí)間內(nèi)共同發(fā)展，并相互競(jìng)爭(zhēng)、取長(zhǎng)補(bǔ)短。此外，國(guó)際跨國(guó)公司除了從事他們所支持的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究與開發(fā)外，還兼顧其他總線的應(yīng)用。

(2)每種現(xiàn)場(chǎng)總線將形成其特定的應(yīng)用領(lǐng)域。目前全球用于連接分散的I/O產(chǎn)品和控制器的總線與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品多種多樣，但未來(lái)將有越來(lái)越多的市場(chǎng)份額集中在越來(lái)越少的總線和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品上，隨之會(huì)產(chǎn)生新的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。隨著時(shí)間的推移，占有市場(chǎng)80％左右的總線將只有六七種，而且其應(yīng)用領(lǐng)域比較明確。

(3)以太網(wǎng)的引入成為新的熱點(diǎn)。以太網(wǎng)（Ethernet）沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)化組織的支持，但它是目前通信技術(shù)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，正在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制市場(chǎng)上迅速增長(zhǎng)?？梢钥隙ǖ氖?，TCP（傳輸控制協(xié)議）已成為以太網(wǎng)事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)層、傳送層的通信規(guī)約；以太網(wǎng)已變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奈┮贿x擇。Ethernet技術(shù)滲透到工業(yè)控制中，出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與以太網(wǎng)／因特網(wǎng)開放型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自然結(jié)合，以太網(wǎng)不僅可以成為工業(yè)高層網(wǎng)絡(luò)上的信息系統(tǒng)，也可以上下貫通直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連。有專家預(yù)言，Ethernet是高性能現(xiàn)場(chǎng)總線極好的選擇。

12.2測(cè)控網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

12.2.1測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)是以單片機(jī)、PC機(jī)、工控機(jī)等為核心的多個(gè)分散單元構(gòu)成的，借助于S－100或STD等總線形成測(cè)控系統(tǒng)。這樣的測(cè)控系統(tǒng)由于采用集中式控制方式，系統(tǒng)的可靠性低，現(xiàn)場(chǎng)連線長(zhǎng)且多，穩(wěn)定性較差，抗干擾能力較弱，難以實(shí)現(xiàn)大范圍的有效測(cè)控。在用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出的開放化、徹底分散化和降低成本的迫切要求下，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)誕生了?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是用開放的現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的分布式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開放的、具有可互操作性的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)，F(xiàn)CS將控制功能徹底下放分散到現(xiàn)場(chǎng)各控制器和儀表設(shè)備上，提高了現(xiàn)場(chǎng)控制儀表設(shè)備的智能化程度和功能自治性，是一種工作站—現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備的二層分布式結(jié)構(gòu)。由于FCS廢棄了DCS的控制站，把DCS控制站分散到現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了徹底的全分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控，因此，F(xiàn)CS比DCS有更高的可靠性和靈活性、較低的安裝及維護(hù)成本。盡管現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)于面向工廠底層自動(dòng)化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)起到了巨大的推動(dòng)作用，但是其標(biāo)準(zhǔn)的多樣性和開放的不徹底性又不盡人意。12.2.2測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

測(cè)控網(wǎng)絡(luò)是以信息處理為核心，以智能節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，以信息網(wǎng)絡(luò)為框架，將系統(tǒng)中所有的測(cè)控設(shè)備、管理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)均通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，組成一個(gè)工業(yè)測(cè)控網(wǎng)，形成一個(gè)信息共享的有機(jī)整體。它具有實(shí)現(xiàn)信息共享、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控、實(shí)現(xiàn)最佳控制和個(gè)性化測(cè)控、將測(cè)控和科學(xué)管理相結(jié)合等特點(diǎn)。

測(cè)控網(wǎng)絡(luò)模型從底向上依次可分為現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層。（1）現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備層：智能設(shè)備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)采集、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制等各種功能。智能轉(zhuǎn)換器對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)儀表電流電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛接在網(wǎng)絡(luò)上，為保證節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，必須采用合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、樹型和環(huán)型三種。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層：這一層從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能。監(jiān)控層的功能一般由上位計(jì)算機(jī)完成，