現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化典型代表的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術(shù)也得到了發(fā)展迅速、影響巨大，引起了工程技術(shù)界的普遍興趣與重視，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System DCS）走向以現(xiàn)場總線位基礎(chǔ)的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System,FCS），被譽(yù)為工業(yè)自動化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)。現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

2 被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)

2．1 現(xiàn)場總線及其特點(diǎn)

（1）什么是現(xiàn)場總線？

根據(jù)國際電工委員會（IEC）和美國儀表協(xié)會(ISA)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(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)字通訊，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、造價低廉、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

國際電工協(xié)會（IEC）的SP50委員會對現(xiàn)場總線有以下三點(diǎn)要求：

（1）同一數(shù)據(jù)鏈上過程控制單元（PCU）、PLC等與數(shù)字1/0設(shè)備互連；
（2）現(xiàn)場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行數(shù)據(jù)存取；
（3）通信媒體安裝費(fèi)用較低。

SP50委員會提出的兩種現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型是：

●星型總線用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線
●總線型總線數(shù)據(jù)傳輸距離長、速率高，采用點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和廣播式通信方式

2．2 現(xiàn)場總線技術(shù)特征

現(xiàn)場總線完整地實(shí)現(xiàn)了控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的集成，具有以下幾項(xiàng)技術(shù)特征。

（1）現(xiàn)場設(shè)備已成為以微處理器為核心的數(shù)字化設(shè)備，彼此通過傳輸媒體（雙繪線、同軸電纜或光纖）以總線拓?fù)?/strong>相連；
（2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信采用基帶傳輸（即數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字傳輸），數(shù)據(jù)傳輸速率高（為Mbit/s或10Mbit/s級），實(shí)時性好，抗干擾能力強(qiáng)；
（3）廢氣了集散控制系統(tǒng)（DCS）中的I/O控制站，將這一級功能分配給通信網(wǎng)絡(luò)完成；
（4）分散的功能模塊，便于系統(tǒng)維護(hù)、管理與擴(kuò)展，提高可靠性；
（5）開放式互連結(jié)構(gòu)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)相連，也可通過網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與控制級網(wǎng)絡(luò)或管理信息級網(wǎng)絡(luò)相連；
（6）互操作性，在遵守同一通信協(xié)議的前提下，可將不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的網(wǎng)絡(luò)。

3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)

3．1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是集當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當(dāng)代最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，是一種全分散、全數(shù)字、全開放的控制系統(tǒng)。它適用于工業(yè)過程控制、制造業(yè)及樓宇自動化等領(lǐng)域，將成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主流。

3．2 FCS對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的影響

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般采用DCS結(jié)構(gòu)。在DCS中，對現(xiàn)場信號需要進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接，并且I/0端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設(shè)大量的信號傳輸電纜，布線復(fù)雜，既費(fèi)料又費(fèi)時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護(hù)。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而基于FCS的控制系統(tǒng)則完全克服了這些缺點(diǎn)。

（1）FCS借助于現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，只需一根電纜（兩線或四線）就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進(jìn)而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送到控制室監(jiān)控設(shè)備上，減低了成本，又便于安裝和維護(hù)，同時數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強(qiáng)的抗干擾能力。
（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標(biāo)準(zhǔn)，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設(shè)計(jì)采用IEC11314五種國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。
（3）系統(tǒng)的效率高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設(shè)備才能完成的PLC和NC/CNC任務(wù)。在多任務(wù)的Windows NT操作系統(tǒng)下，PC中的軟PLC可以同時執(zhí)行多達(dá)十幾個PLC任務(wù)，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調(diào)試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。
（4）在FCS中，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：工控機(jī)或商用PC、現(xiàn)場總線主站接口卡、現(xiàn)場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實(shí)時多任務(wù)控制軟件包、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件。上位機(jī)的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)報(bào)表組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數(shù)據(jù)報(bào)表組態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)打印輸出、數(shù)據(jù)輸入及參數(shù)修改、控制運(yùn)算調(diào)節(jié)、報(bào)警處理、故障處理、通信控制和人機(jī)接口等各個方面，并真正實(shí)現(xiàn)控制集中、危險分散、數(shù)據(jù)共享、完全開放的控制要求。

3．3 IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8種總線及其特點(diǎn)

（1）Profibus主要由德國西門子公司支持，是按照ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線德國國家標(biāo)準(zhǔn)。Profibus由三部分組成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及 Profibus-PA。其中，F(xiàn)MS主要用于非控制信息的傳輸，PA主要用于過程自動化的信號采集及控制，Profibus-DP是制造業(yè)自動化主要應(yīng)用的協(xié)議內(nèi)容，是滿足用戶快速通信的最佳方案，傳輸速度為12Mb/s。掃描1000個I/O點(diǎn)的時間少于1ms。
（2）基金會現(xiàn)場總線FF（H1，IEC技術(shù)報(bào)告）是針對過程自動化而設(shè)計(jì)，它是通過數(shù)字、串行、雙向的通信方法來連接現(xiàn)場裝置的。FF通信不是簡單的數(shù)字4-20mA信號，而是使用復(fù)雜的通信協(xié)議，它可連接能執(zhí)行簡單的閉環(huán)算法（如PID）的現(xiàn)場智能裝置。一個通信段可配置32個現(xiàn)場裝置，通信速度為31。25kb/s ，每段最大通信距離為1900m。
（3）Interbus主要由德國Phoenix Contact公司支持，其網(wǎng)絡(luò)簡單，且易于安裝與配置。網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)類似簡單的移位寄存器，位流經(jīng)過節(jié)點(diǎn)則發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Interbus-S啟動網(wǎng)絡(luò)并自動配置，不需要節(jié)點(diǎn)地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規(guī)定。一個網(wǎng)絡(luò)上最多可有64個裝置，速度可達(dá)500K/s，最長距離為25600m，移動節(jié)點(diǎn)間距離為400m。
（4）ControlNet主要由美國Rockwell公司支持，具有非常高的實(shí)時性能，界于設(shè)備級總線（像DeviceNet）與工廠級總線（通?；贓thernet）之間。在相同的通信鏈路上提供了適合于I/O控制設(shè)備的帶寬、實(shí)時聯(lián)鎖響應(yīng)、對等信息和程序傳輸，為斷續(xù)和連續(xù)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了確定性和重復(fù)性功能；并且允許多控制器處理I/O控制設(shè)備，提供了輸入數(shù)據(jù)和對等數(shù)據(jù)兩者之間的多點(diǎn)傳送、通信傳輸媒體的冗余和本征安全的選擇、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇（總線、樹型、星型）和媒體傳輸介質(zhì)（同軸電纜、光纖等）。
（5）WorldFIP主要由法國的Alstom公司支持，支持雙重冗余總線運(yùn)行方式，總線上可以連接PLC、I/O現(xiàn)場設(shè)備、控制器、HMI系統(tǒng)等。通過雙重冗余總線，能夠完全確?？刂葡到y(tǒng)不會因?yàn)榭刂齐娎|損壞等原因造成其他控制系統(tǒng)被迫停機(jī)的事故。

另外還有三種：主要由Fisher-Rosemount公司支持的FF HSE，美國波音公司支持的swift Net以及由丹麥Process。

3．4 其他幾種被工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛采用的幾種總線

（1）CANBUS（Controller Area Network）：是德國Bosch公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實(shí)時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線（FieldBus）的范疇。1993年11月，ISO正式頒布了控制器局域網(wǎng)CAN國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），CAN總線的通訊介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維。通訊距離與波持率有關(guān)，最大通訊距離可達(dá)10km，最大通訊波持率可達(dá)1Mdps。CAN總線仲裁用11位（CAN2.0A協(xié)議）和29位（CAN2.0B協(xié)議）標(biāo)識和非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級，保證在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沖突時最高優(yōu)先級點(diǎn)不需要沖突等待。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)鏈層和應(yīng)用層。CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。
（2）CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡稱，是三菱電機(jī)于1996年推出的開放式現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復(fù)合的、開放的、適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適用于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感器層網(wǎng)絡(luò)的不同范圍。CC-Link是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，一般情況下，CC-Link整個一層網(wǎng)絡(luò)可由一個主站和六十四個從站組成。CC-Link具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速度，最高可達(dá)10Mbps，其底層通信協(xié)議遵循RS-485。2 CC-Link的數(shù)據(jù)通信方式可分為2種方式：循環(huán)通訊和瞬時傳送。信息從主站傳遞到從站，信息數(shù)據(jù)將以150字節(jié)為單位分割，并以每批150字節(jié)傳遞。若從站傳遞到主站或其他從站，每批信息數(shù)據(jù)最大為34字節(jié)。瞬時傳送需要由專用指令來完成。瞬時傳送不會影響循環(huán)通信的時間。
（3）Leo Works總線：是美國ECHELON公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。Lon Works技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現(xiàn)完整的Lon Works的Lon Talk通信協(xié)議。其上集成有三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì)訪問處理器。一個CPU是應(yīng)用處理器，運(yùn)行操作系統(tǒng)與用戶代碼。還有一個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對等通信。Lon Works支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活。Lon Works應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。

3．5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通訊標(biāo)準(zhǔn)

FCS采用ISO的OSI模型7層體系結(jié)構(gòu)中的第1、2、7層，即物理層（Physical Layer），鏈路層（Data Link Layer），應(yīng)用層（Application Layer），外加一個第八層，用戶層（User Layer）構(gòu)成其總線通訊標(biāo)準(zhǔn)。用戶層是現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在OSI層模型之外增加的一層，它使該標(biāo)準(zhǔn)超過一項(xiàng)通訊標(biāo)準(zhǔn)而成為一項(xiàng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，是FCS開放性與互操作性的關(guān)鍵。用戶層定義了29個標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，用于數(shù)據(jù)處理和組成控制算法，標(biāo)準(zhǔn)功能模塊的數(shù)量少于一般的DCS，它允許用戶自己定義算法模塊，另外還定義了兩個工具，即設(shè)備描述語言DDL（Device Description Language）和對象字典OD(Object Dictionary)，用以登記網(wǎng)絡(luò)上的"可見對象"，以實(shí)現(xiàn)可互操作性。

4 小結(jié)

當(dāng)前，各種形式的現(xiàn)場總線協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域，Lon works 和CAN具有一定的優(yōu)勢；在過程自動化領(lǐng)域，主要有CAN、基金會現(xiàn)場總線FF以及PROFIBUS協(xié)議?？紤]到統(tǒng)一的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的長期性和艱巨性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進(jìn)過程。在一段時間內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放式互連系統(tǒng)，是大勢所趨。