現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及控制系統

標簽：FCS DCS

一、前言

七十年代以前，控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個(gè)控制系統的控制效果及系統穩定性都很差。七十年代末，隨著(zhù)大規模集成電路的出現，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過(guò)適當的接口電路用于控制系統，控制效果得到提高;但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統。隨著(zhù)過(guò)程控制技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統的控制系統(如集散控制系統)無(wú)論在結構上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生。

現場(chǎng)總線(xiàn)是連接現場(chǎng)智能設備和自動(dòng)化控制設備的雙向串行、數字式、多節點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò )，它也被稱(chēng)為現場(chǎng)底層設備控制網(wǎng)絡(luò )(INFRANET)。80年代以來(lái)，各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始出現，人們要求對傳統的模擬儀表和控制系統變革的呼聲也越來(lái)越高，從而使現場(chǎng)總線(xiàn)成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會(huì )(ISA)于1984年開(kāi)始制訂現場(chǎng)總線(xiàn)標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現場(chǎng)總線(xiàn)標準陸續形成。其中主要的有：基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF(Foundation Fieldbus)、控制局域網(wǎng)絡(luò )CAN(Controller Area Network)、局部操作網(wǎng)絡(luò )LonWorks(Local Operating Network)、過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS(Process Field Bus)和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，總線(xiàn)標準的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅使，致使現場(chǎng)總線(xiàn)的國際化標準工作進(jìn)展緩慢。但是不論如何，制定單一的開(kāi)放國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準是發(fā)展的必然。

二、當前流行的幾類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)

1、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF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)展前景的一種技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門(mén)子等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地150家公司制定的World

FIP協(xié)議。這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )，致力于開(kāi)發(fā)出國際上統一的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1.9km，可支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)，其傳輸信號采用曼切斯特編碼?；饡?huì )現場(chǎng)總線(xiàn)以ISO/OSI開(kāi)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(hù)層。用戶(hù)層主要針對自動(dòng)化測控應用的需要，定義了信息存取的統一規則，采用設備描述語(yǔ)言規定了通用的功能塊集。FF總線(xiàn)包括FF通信協(xié)議、ISO模型中的2～7層通信協(xié)議的通棧、用于描述設備特性及操作接口的DDL設備描述語(yǔ)言、設備描述字典，用于實(shí)現測量、控制、工程量轉換的應用功能塊，實(shí)現系統組態(tài)管理功能的系統軟件技術(shù)以及構筑集成自動(dòng)化系統、網(wǎng)絡(luò )系統的系統集成技術(shù)。

2、CAN總線(xiàn)

CAN總線(xiàn)最早是由德國B(niǎo)osch公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信協(xié)議。其總線(xiàn)規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層，提高了實(shí)時(shí)性。其節點(diǎn)有優(yōu)先級設定，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、廣播模式通信。各節點(diǎn)可隨時(shí)發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，通信速率與總線(xiàn)長(cháng)度有關(guān)。CAN總線(xiàn)采用短消息報文，每一幀有效字節數為8個(gè);當節點(diǎn)出錯時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉，抗干擾能力強，可靠性高。

3、LonWorks總線(xiàn)

LonWorks技術(shù)是美國ECHELON公司開(kāi)發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結構。LonWorks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)現完整的

LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個(gè)8位CPU。一個(gè)CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱(chēng)為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)處理器。一個(gè)CPU是應用處理器，運行操作系統與用戶(hù)代碼。還有一個(gè)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)芯片構成的節點(diǎn)之間可以進(jìn)行對等通信。LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓撲結構，組網(wǎng)方式靈活，其IS-78本安物理通道使得它可以應用于危險區域。LonWorks應用范圍主要包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等，在組建分布式監控網(wǎng)絡(luò )方面有較優(yōu)越的性能。

4、PROFIBUS總線(xiàn)

PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現場(chǎng)總線(xiàn)，包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層、應用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線(xiàn)具有控制權，主站間通過(guò)傳遞令牌來(lái)傳遞對總線(xiàn)的控制權。取得控制權的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUS-DP用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS型適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型。

5、HART總線(xiàn)

HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現場(chǎng)智能儀表和控制室設備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過(guò)程中的過(guò)渡產(chǎn)品，因而在當前的過(guò)渡時(shí)期具有較強市場(chǎng)競爭力，在智能儀表市場(chǎng)上占有很大的份額。

三、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)的結構與特點(diǎn)

1、結構

隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現和成熟，促使了控制系統由集散控制系統(DCS)向現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)的過(guò)渡。在一般的FCS系統中，遵循一定現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的現場(chǎng)儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個(gè)現場(chǎng)儀表中。從而減輕了控制站負擔，使得控制站可以專(zhuān)職于執行復雜的高層次的控制算法。對于簡(jiǎn)單的控制應用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現場(chǎng)總線(xiàn)作用的網(wǎng)橋和集線(xiàn)器，操作站直接與現場(chǎng)儀表相連，構成分布式控制系統。