基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的工業(yè)控制系統研究

1 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

在現場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)中，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)作為一項先進(jìn)技術(shù)，是一種串行、數字式、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)。工作實(shí)踐中，在生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)設備/儀表和控制室內自動(dòng)控制裝置/系統之間廣泛安裝現場(chǎng)總線(xiàn)。借助現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現信息的相互交換，進(jìn)而自動(dòng)控制功能在一定程度上也得以完成，現場(chǎng)總線(xiàn)往往是從控制室連接到現場(chǎng)設備的雙向全數字通信總線(xiàn)。

2 現場(chǎng)總線(xiàn)的通信協(xié)議

如圖 1 所示，給出了現場(chǎng)總線(xiàn)相應的物理結構。與開(kāi)放式互連(OSI)參考模型相比，現場(chǎng)總線(xiàn)的物理結構只涉及到物理層、數據鏈路層和應用層，并且每個(gè)協(xié)議層各自完成功能，在這些層之間報文被解析。在數據鏈路實(shí)體中，物理層建立、維護和拆除相應的物理連接。

確保數據的完整性這是數據鏈路層的主要功能，何時(shí)與誰(shuí)進(jìn)行相應的對話(huà)等也是通過(guò)數據鏈路層來(lái)決定的，并且數據鏈路層不解釋傳輸的數據，只負責傳遞物理層和上一層之間數據傳。

應用層通常分為兩個(gè)子層，其中一個(gè)為用戶(hù)層提供服務(wù)，另一個(gè)與數據鏈路層進(jìn)行連接，其功能主要表現為：對現場(chǎng)總線(xiàn)的命令、響應、數據、以及事件信息等進(jìn)行控制。在應用層之上就是用戶(hù)層，通常情況下，用戶(hù)層通常是一些數據和信息查詢(xún)軟件等，通過(guò)用戶(hù)層將通信命令傳送到應用層。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)及其所構成的控制系統

3.1 常見(jiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)的比較

①基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn) FF。在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn) FF 應用較為廣泛，可以說(shuō)基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。②CAN 總線(xiàn)。對于 CAN 總線(xiàn)來(lái)說(shuō)支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)，以及廣播模式通信等，并且借助優(yōu)先級設定其節點(diǎn)，在一定程度上各節點(diǎn)可以隨時(shí)發(fā)送信息。在汽車(chē)內部測量，以及執行部件之間的數據通信協(xié)議中，該總線(xiàn)技術(shù)應用最早。③Lonworks 總線(xiàn)。具備通信和控制功能的 Neuron 芯片是 Lonworks 技術(shù)的核心。完整的Lonworks 的 LonTalk 通信協(xié)議通過(guò) Neuron 芯片來(lái)實(shí)現。④PROFIBUS 總線(xiàn)。該總線(xiàn)主要包括：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。⑤HART 總線(xiàn)。該總線(xiàn)作為一種協(xié)議，其功能是在現場(chǎng)智能儀表和控制室設備之間進(jìn)行相應的通信，在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信這是 HART 總線(xiàn)的特點(diǎn)。

3.2 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的構成

通常情況下，測量系統、控制系統、管理系統共同構成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，該系統最有特色的部分是通信部分的硬件和軟件。

①測量系統。為多變量提供高性能的測量，使測量?jì)x表在一定程度上具有計算能力等這是該系統的特點(diǎn)所在。在該系統中，因為使用了數字信號，所以在一定程度上其分辨率非常高，準確性也較高，并且具有較強的抗干擾和抗畸變能力。②控制系統。通常情況下，軟件是該系統的重要組成部分，維護軟件、組態(tài)軟件、仿真軟件等共同構成控制系統的軟件。③管理系統。設備自身及過(guò)程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(tài)信息等往往由該系統提供。

4 現場(chǎng)總線(xiàn)在工業(yè)控制系統中的應用

通常情況下，CAN 是一種雙向、半雙工的高速串行通信網(wǎng)絡(luò )系統，該系統由物理層 (PHY)、數據鏈路層(MAC;LLC)和應用層(APPL)共同構成組成。CAN 與 Profibus 之間相距比較遠。

如圖 2 所示，給出了相應的 CAN 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。根據ISO11898 的相關(guān)規定，在信息傳輸媒介方面，CAN 采用雙鉸線(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò )終端阻抗方面，CAN 取 120Ω±12Ω。傳輸速率通常情況下決定著(zhù)最大直接通信距離，比較典型的值為：40m 時(shí) 1Mbps；1000m 時(shí) 50kbps。

CAN 采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，對媒體按照節點(diǎn)信息的優(yōu)先級依次進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，在一定程度上滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的需要。信息幀傳輸過(guò)程中為短幀結構，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸時(shí)間短，具有較強的抗干擾能力。文獻[7]結合 PLC 和液壓控制技術(shù)，建立了基于 CAN 總線(xiàn)的多任務(wù)協(xié)同控制系統。

5 結論

現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，隨著(zhù)計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域將是現場(chǎng)總線(xiàn)及控制網(wǎng)絡(luò )的天下。從長(cháng)遠看，使用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，維護費用因智能資產(chǎn)管理而降低，進(jìn)而減少了設備的庫存。