淺談PLC的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

在傳統的自動(dòng)化工廠(chǎng)中，位于生產(chǎn)現場(chǎng)的許多設備和裝置，如：傳感器、調節器、變送器、執行器等都是通過(guò)信號電纜與計算機、PLC相連的。當這些裝置和設備相距較遠、分布較廣時(shí)，就會(huì )使電纜線(xiàn)的用量和敷設費用大大地增加，造成了整個(gè)項目的投資成本增加、系統連線(xiàn)復雜、可靠性降低、維護工作量增大、系統進(jìn)一步擴展困難等問(wèn)題。因此人們迫切需要一種可靠、快速、能經(jīng)受工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境、低廉的通信總線(xiàn)，將分散于現場(chǎng)的各種設備連接起來(lái)，實(shí)施對其監控?，F場(chǎng)總線(xiàn)（Field Bus）就是在這種背景下產(chǎn)生了。

1 現場(chǎng)總線(xiàn)的概念

根據國際電工委員會(huì )IEC標準和現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )FF（Fieidbus Foundation）的定義：現場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網(wǎng)絡(luò )。也就是說(shuō)基于現場(chǎng)總線(xiàn)的系統是以單個(gè)分散的，數字化，智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)，用總線(xiàn)相連，實(shí)現信息的相互交換，使得不同網(wǎng)絡(luò )，不同現場(chǎng)設備之間可以信息共享?，F場(chǎng)設備的各種運行參數狀態(tài)信息以及故障信息等通過(guò)總線(xiàn)傳送到遠離現場(chǎng)的控制中心，而控制中心又可以將各種控制、維護、組態(tài)命令又送往相關(guān)的設備，從而建立起了具有自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )。

現場(chǎng)總線(xiàn)的節點(diǎn)是現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀器，但不是傳統的單功能的現場(chǎng)儀器，而是具有綜合功能的智能儀表。例如，溫度變送器不僅具有溫度信號變換和補償功能，而且具有PID控制和運算功能；調節閥的基本功能時(shí)信號驅動(dòng)和執行，另外還有輸出特性補償、自效驗和自診斷功能?，F場(chǎng)設備具有互換性和互操作性，采用總線(xiàn)供電，具有本質(zhì)安全性。

現場(chǎng)總線(xiàn)不僅是一種通信技術(shù)，也不僅是用數字儀表代替模擬儀表，關(guān)鍵是用新一代的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS（Fieldbus Control System）代替傳統的集散控制系統DCS（Distributed Control System），實(shí)現現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )與控制系統的集成。

2 現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展

現場(chǎng)總線(xiàn)始于20世紀80年代，到90年代其技術(shù)日趨成熟，并受到世界各自動(dòng)化設備制造商和用戶(hù)的廣泛關(guān)注。它成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并導致自動(dòng)化系統結構與設備的深刻變革。

一般把控制系統的發(fā)展分為五代。

1) 第一代控制系統：50年代前的氣動(dòng)信號控制系統PCS。

2) 第二代控制系統：4~20mA等電動(dòng)模擬信號控制系統。

3) 第三代控制系統：基于數字計算機的集中式控制系統。

4) 第四代控制系統：70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統DCS。

5) 第五代控制系統：以開(kāi)放性、分散性與數字通信為特征的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS。

PLC的生產(chǎn)商也將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用于各自的產(chǎn)品之中，構成工業(yè)局域網(wǎng)的底層，使得PLC網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了真正意義上自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，給傳統的工業(yè)控制技術(shù)帶來(lái)了有一次革命。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)的主要特點(diǎn)

1) 全數字化通信：采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)后只用一條通信電纜就可以將控制器與現場(chǎng)設備（智能化的、具有通信口）連接起來(lái)，提高了信號傳輸的可靠性。

2) 系統具有很強的開(kāi)放性：這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致性和公開(kāi)性，用戶(hù)可按自己的需要和對象，把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統。

3) 具有強的互可操作性與互用性：實(shí)現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信，不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可以進(jìn)行互用。

4) 現場(chǎng)設備具有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(chǎng)設備中完成，僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。

5) 系統結構的高度分散性：由于現場(chǎng)設備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現場(chǎng)總線(xiàn)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集中于分散相結合的集散控制系統體系，簡(jiǎn)化了系統結構。

6) 對現場(chǎng)環(huán)境的適應性：工作在現場(chǎng)設備前端，作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn)，是專(zhuān)為現場(chǎng)環(huán)境工作而設計的，它可支持多種轉輸介質(zhì)，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線(xiàn)制實(shí)現送點(diǎn)與通信，并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。

4 幾種主要的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議及其特點(diǎn)

現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展的最初，各個(gè)公司都提出自己的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，如AB公司的DeviceNet、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的InterBus-S等。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議逐漸趨于統一。針對制造業(yè)自動(dòng)化，DeviceNet在北美和日本用得比較普遍，PROFIBUS-DP在歐洲用得比較普遍。針對過(guò)程自動(dòng)化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占據大部分市場(chǎng)。其他的總線(xiàn)協(xié)議如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的領(lǐng)域也有一些市場(chǎng)。

下面介紹幾種主要的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議及其特點(diǎn)。

1) PROFIBUS

PROFIBUS是在1987年，由德國科技部集中了13家公司和5家科研機構的力量，按照ISO/OSI參照模型制訂的現場(chǎng)總線(xiàn)的德國國家標準，并已成為歐洲標準EN50170，主要由擁有400多個(gè)公司成員的PROFIBUS用戶(hù)組成（PNO）進(jìn)行管理。

PROFIBUS有3部分組成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。

2) DeviceNet

DeviceNet（設備網(wǎng)）是一種低價(jià)位的總線(xiàn)，最初由AB公司設計，現在已經(jīng)發(fā)展成為一種開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議，可連接自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)系統中廣泛的工業(yè)設備。它的管理組織ODVA由全球多家公司組成，提供設備網(wǎng)的產(chǎn)品、支持設備網(wǎng)規范的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

DeviceNet能夠降低設備安裝的費用和時(shí)間?？刂葡到y中的接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)和閥門(mén)等可通過(guò)電纜、插件、站等產(chǎn)品進(jìn)行長(cháng)距離通信。并且能夠提高設備級的診斷能力。相對于PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更強大的通信功能，支持除了主-從方式之外的，多種通信方式，可以更靈活地應用于控制系統中。

3) Foundation Fieldbus

高級過(guò)程控制現場(chǎng)總線(xiàn)Foundation Fieldbus（基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)）是針對過(guò)程自動(dòng)化而設計的，它是通過(guò)數字、串行、雙向的通信方法來(lái)連接現場(chǎng)裝置的。Foundation Fieldbus通信不是簡(jiǎn)單的數字4~20mA信號，而是使用復雜的通信協(xié)議，它可連接執行簡(jiǎn)單的閉環(huán)算法（如PID）的現場(chǎng)智能裝置，一個(gè)通信段可配置32各現場(chǎng)裝置。

4) LonWorks

LonWorks（Local Operating Network）由美國Ecelon公司推出，它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量把網(wǎng)絡(luò )通信設計簡(jiǎn)化為參數設置，其通信速率從300bit/s至15Mbit/s不等，直接通信距離可達2700m（78kbit/s，雙絞線(xiàn)），支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光線(xiàn)、射頻、紅外線(xiàn)、電源線(xiàn)等多種通信介質(zhì)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò )。

5) CAN

CAN是控制網(wǎng)絡(luò )Control Area Network的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早由德國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。

CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開(kāi)放系統互連模型基礎上的，但其模型結構只有三層：OSI底層的物理層、數據鏈層和頂層的應用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，通信頻率最高可達1Mbit/s/40m，具有較強的抗干擾能力。