現場總線技術的研究
2018-3-28 來源：天津市勞動經濟學校 作者：高雪蓮
【摘要】隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應用，設備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。因此對主流現場總線在不同領域的對比研究具有非常大的應用價值，本文對基金會現場總線、Lonworks現場總線、profibus現場總線的對比必將對同類課題的研究提供一定的參考。
【關鍵詞】現場總線 數控系統 應用比較
1、前言
微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高，使分布式控制系統得到了廣泛的應用，由多臺計算機和一些智能儀表以及智能部件實現的分布式控制是其最主要的特征，而數字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號 ,隨著科學技術的快速發(fā)展，過程控制領域在過去的兩個世紀里發(fā)生了巨人的變革。150多年前出現的基于5一13psi的氣動信號標準(PCS, Pneumatic Control System動控制系統)，標志著控制理論初步形成，但此時尚未有控制室的概念20世紀50年代，隨著基于0一10mA或4一20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志了電氣自動控制時代的到來，三大控制論的確立奠定了現代控制的基礎，設立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今。
2、現場總線的現狀
由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會(IEC /ISA)就著手開始制定現場總線的標準，至今統一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場總線技術，但彼此的開放性和互操作還難以統一。目前現場總線市場有著多種現場總線并存的特點:
現場總線人都用于過程自動化、醫(yī)藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航人、農業(yè)和樓宇等領域，大概不到十種的總線占有80%左右的市場。
每種總線大都有其應用的領域，比如FF. PROFIBUS一PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領域 LonWrks.PROFIBUS一FMS. DevieceNet適用于樓宇、交通運輸、農業(yè)等領域DeviceNet.PROFIBUS一DP適用于加工制造業(yè)，而這此劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透，各種總線都有其應用的領域。
3、現場總線技術的發(fā)展
80年代初，最初的現場總線出現在歐洲，由于現場總線具有數字方式通訊帶來的優(yōu)點，使其得到很快發(fā)展，一時間出現了各種各樣的現場總線.據統計，目前約有40多種現場總線，由于沒有一個統一的標準可以遵循，各廠家開發(fā)的現場總線都是自行其是，各種產品之間無法直接互相操作，帶來了極大的混亂和負，另一方面，用戶對現場總線通信協議標準化的要求非常強烈.采用標準化的現場總線將允許不同供應商的設備都可能與現場總線相連:用戶仁將可以隨心所欲地從不同供應商那里選擇他們所需要的產品，現場總線標準的一致性將確保網絡中的所有節(jié)點都良好地工作在一起。
在今后的發(fā)展中，FCS將會成為主流，FCS是在DCS的基礎上發(fā)展起來的，FCS順應了自動控制系統的發(fā)展潮流，它必將替代DCS，這已是業(yè)內人士的基木共識，盡管現階段FCS尚沒有統一的國際標準而旱群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應用而占據著一個尚不可完全替代的地位，并且DCS也在朝開放性、分散性和可互操作方向發(fā)展，所以就目前現狀看，工業(yè)控制處在DCS木身成熟和FCS發(fā)展過程中。智能I/O是DCS向現場總線的一種過渡。遠程智能I/O以其可靠性高、分散性好。而具備了現場總線的性能。所以，現場總線和DCS將會長期共存。但FCS必將會在一定的時期內成為主流控制系統。
4、現場總線的優(yōu)點
4. 1 數量與投資
由于現場總線系統中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信弓調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。
4. 2 安裝費用
現場總線系統的接線十分簡中一，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可拄接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60%以上。
4. 3 提高了系統的準確性與可靠性
由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根木上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強:減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優(yōu)點。
5、現場總線技術特點
5. 1 系統的開放性
開放系統是指通信協議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換，現場總線開發(fā)者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的，開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
5.2 互可操作性與互用性
這里的互可操作性，是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。
5.3 現場設備的智能化與功能自治性
它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。
5.4 系統結構的高度分散性
由于現場設備本身已可完成自動控制的基木功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。
5.5 對現場環(huán)境的適應性
工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。
6、主流現場總線
下面就幾種主流的現場總線做一簡單介紹。
6.1 基金會現場總線
基金會現場總線，即FoudationFieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。其前身是以美國Fisher一Rousemount公司為首，聯合Foxboro.橫河、ABB.西門子等80家公司制訂的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協議。屈于用戶的壓力，這兩人集團于1994年9月合并，成立了現場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統一的現場總線協議。它以ISO / OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。
基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為3125 Kbps，通信距離可達1900 m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1 Mbps和2 5 Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協議符合IEC1158 -2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數據的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表1，從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來判斷數據的“1”“0”狀態(tài)，也可根據數據的中心位置精確定位。
為滿足用戶需要，Honeywell. Ronan等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分數據鏈路層協議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合FF協議的產品，I總線已通過α測試和β測試，完成了由13個不同廠商提供設備而組成的FF現場總線工廠試驗系統。2總線標準也已經形成。
1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現場總線基金會組織實施，向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協議的產品，并將這此分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的FF展品，用配目的橙紅色電纜，互連為七段現場總線演示系統，各展臺現場設備之間可實地進行現場互操作，展現了基金會現場總線的成就與技術實力。
6.2 Profibus
Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN50170的現場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus一Dp. Profibus一FMS. Profibus一PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158 -2標準。該項技術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。它采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3 -7層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶接日，FMS型只Is去第3 -6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158 -2 (1 )標準，可實現總線供電與木質安全防爆。
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