紫金橋淺談現場(chǎng)總線(xiàn)
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控制系統的發(fā)展以及現場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)生
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，過(guò)程控制領(lǐng)域在過(guò)去的兩個(gè)世紀里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現的基于5－13psi的氣動(dòng)信號標準（PCS，Pneumatic Control System氣動(dòng)控制系統），標志著(zhù)控制理論初步形成，但此時(shí)尚未有控制室的概念；20世紀50年代，隨著(zhù)基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號的模擬過(guò)程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來(lái)，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；20世紀70年代，隨著(zhù)數字計算機的介入，產(chǎn)生了"集中控制"的中央控制計算機系統，而信號傳輸系統大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號，不久人們也發(fā)現了伴隨著(zhù)"集中控制"，該系統存在著(zhù)易失控、可靠性低的缺點(diǎn)，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統（DCS，Distributed Control System分布式控制系統）；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(shí)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(zhù)微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應用，數字通信網(wǎng)絡(luò )延伸到工業(yè)過(guò)程現場(chǎng)成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規電子線(xiàn)路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設備。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。由此，導致了現場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)生。
現場(chǎng)總線(xiàn)的實(shí)質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)
1984年，現場(chǎng)總線(xiàn)的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,國際電工委員會(huì )）對現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）的定義為：現場(chǎng)總線(xiàn)是一種應用于生產(chǎn)現場(chǎng)，在現場(chǎng)設備之間、現場(chǎng)設備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結點(diǎn)的數字通信技術(shù)。
不同的機構和不同的人可能對現場(chǎng)總線(xiàn)有著(zhù)不同的定義，不過(guò)通常情況下，大家公認現場(chǎng)總線(xiàn)的本質(zhì) 體現在以下六個(gè)方面：
現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )
用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀表互連的現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )。
現場(chǎng)設備互聯(lián)
依據實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現場(chǎng)設備或者現場(chǎng)儀表相互關(guān)聯(lián)。
互操作性
用戶(hù)可以根據自身的需求選擇不同廠(chǎng)家或不同型號的產(chǎn)品構成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。
分散功能塊
FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現場(chǎng)儀表, 從而構成虛擬控制站，徹底地實(shí)現了分散控制。
通信線(xiàn)供電
通信線(xiàn)供電方式允許現場(chǎng)儀表直接從通信線(xiàn)上攝取能量, 這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現場(chǎng)儀表, 與其配套的還有安全柵。
開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )
現場(chǎng)總線(xiàn)為開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，既可以與同層網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，還可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據庫的共享。
從以上內容我們可以看到，現場(chǎng)總線(xiàn)體現了分布、開(kāi)放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)，而這些正是DCS系統的缺點(diǎn)。DCS通常是一對一單獨傳送信號，其所采用的模擬信號精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調整參數和預測故障，處于"失控"狀態(tài)，很多的儀表廠(chǎng)商自定標準，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿(mǎn)足現代的要求，而且幾乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數字信號精度高、可靠性強，設備也始終處于操作員的遠程監控和可控狀態(tài)，用戶(hù)可以自由按需選擇不同品牌種類(lèi)的設備互聯(lián)，智能儀表具有通信、控制和運算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個(gè)智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進(jìn)步。
也正是由于FCS的以上特點(diǎn)使得其在設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)都具有很大的優(yōu)越性：首先由于分散在前端的智能設備能執行較為復雜的任務(wù)，不再需要單獨的控制器、計算單元等，節省了硬件投資和使用面積；FCS的接線(xiàn)較為簡(jiǎn)單，而且一條傳輸線(xiàn)可以?huà)旖佣嗔嗽O備，大大節約了安裝費用；由于現場(chǎng)控制設備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護工作；同時(shí)，由于用戶(hù)擁有高度的系統集成自主權，可以通過(guò)比較靈活選擇合適的廠(chǎng)家產(chǎn)品；整體系統的可靠性和準確性也大為提高。這一切都幫助用戶(hù)實(shí)現了減低安裝、使用、維護的成本，最終達到增加利潤的目的。
現場(chǎng)總線(xiàn)的現狀
由于各個(gè)國家各個(gè)公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會(huì )/國際標準協(xié)會(huì )（IEC/ISA）就著(zhù)手開(kāi)始制定現場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，但彼此的開(kāi)放性和互操作性還難以統一。目前現場(chǎng)總線(xiàn)市場(chǎng)有著(zhù)以下的特點(diǎn)：
多種現場(chǎng)總線(xiàn)并存
目前世界上存在著(zhù)大約四十余種現場(chǎng)總線(xiàn)，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門(mén)子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現場(chǎng)總線(xiàn)大都用于過(guò)程自動(dòng)化、醫藥領(lǐng)域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線(xiàn)占有８０％左右的市場(chǎng)。
各種總線(xiàn)都有其應用的領(lǐng)域
每種總線(xiàn)大都有其應用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫藥、冶金等行業(yè)的過(guò)程控制領(lǐng)域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運輸、農業(yè)等領(lǐng)域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對的，每種現場(chǎng)總線(xiàn)都力圖將其應用領(lǐng)域擴大，彼此滲透。
每種現場(chǎng)總線(xiàn)都有其國際組織和支持背景
大多數的現場(chǎng)總線(xiàn)都有一個(gè)或幾個(gè)大型跨國公司為背景并成立相應的國際組織，力圖擴大自己的影響、得到更多的市場(chǎng)份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶(hù)組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺，成立了WorldFIP國際用戶(hù)組織。
多種總線(xiàn)成為國家和地區標準
為了加強自己的競爭能力，很多總線(xiàn)都爭取成為國家或者地區的標準，比如PROFIBUS已成為德國標準，WorldFIP已成為法國標準等。
設備制造商參與多個(gè)總線(xiàn)組織
為了擴大自己產(chǎn)品的使用范圍，很多設備制造商往往參與不止一個(gè)甚至多個(gè)總線(xiàn)組織。
各個(gè)總線(xiàn)彼此協(xié)調共存
由于競爭激烈，而且還沒(méi)有哪一種或幾種總線(xiàn)能一統市場(chǎng)，很多重要企業(yè)都力圖開(kāi)發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線(xiàn)能和其他總線(xiàn)相連，在國際標準中也出現了協(xié)調共存的局面。
工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應用于各行各業(yè)，要求也千變萬(wàn)化，使用一種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)也很難滿(mǎn)足所有行業(yè)的技術(shù)要求；現場(chǎng)總線(xiàn)不同于計算機網(wǎng)絡(luò )，人們將會(huì )面對一個(gè)多種總線(xiàn)技術(shù)標準共存的現實(shí)世界。技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場(chǎng)規律、商業(yè)利益的制約；技術(shù)標準不僅是一個(gè)技術(shù)規范，也是一個(gè)商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。而現場(chǎng)總線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性，實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的統一是所有用戶(hù)的愿望。
主流現場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介
下面就幾種主流的現場(chǎng)總線(xiàn)做一簡(jiǎn)單介紹。
1基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FoundationFieldbus 簡(jiǎn)稱(chēng)FF）
這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門(mén)子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線(xiàn)在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應用，具有良好的發(fā)展前景。
基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)采用國際標準化組織ISO的開(kāi)放化系統互聯(lián)OSI的簡(jiǎn)化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，另外增加了用戶(hù)層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達1900m，可支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158-2標準。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。
CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域網(wǎng)）
最早由德國B(niǎo)OSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線(xiàn)規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，通過(guò)設置優(yōu)先級來(lái)避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數實(shí)際可達110個(gè)。目前已有多家公司開(kāi)發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。
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