現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應用

1 引言

隨著(zhù)計算機、控制、通信、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的發(fā)展，作為工業(yè)控制數字化、智能化與網(wǎng)絡(luò )化典型代表的現場(chǎng)總線(xiàn)（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，使計算機控制系統逐步從集散控制系統（Distributed Control System DCS）走向以現場(chǎng)總線(xiàn)位基礎的分布式現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（Fieldbus Control System,FCS），被譽(yù)為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)?，F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。

2 被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)

2．1 現場(chǎng)總線(xiàn)及其特點(diǎn)

（1）什么是現場(chǎng)總線(xiàn)？

根據國際電工委員會(huì )（IEC）和美國儀表協(xié)會(huì )(ISA)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、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )，它的關(guān)鍵標志是能支持雙向多節點(diǎn)、總線(xiàn)式的全數字通訊，具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統安全、造價(jià)低廉、維護成本低等特點(diǎn)。

國際電工協(xié)會(huì )（IEC）的SP50委員會(huì )對現場(chǎng)總線(xiàn)有以下三點(diǎn)要求：

（1）同一數據鏈上過(guò)程控制單元（PCU）、PLC等與數字1/0設備互連；
（2）現場(chǎng)總線(xiàn)控制器可對總線(xiàn)上的多個(gè)操作站、傳感器及執行機構等進(jìn)行數據存??；
（3）通信媒體安裝費用較低。

SP50委員會(huì )提出的兩種現場(chǎng)總線(xiàn)結構模型是：

●星型總線(xiàn)用短距離、廉價(jià)、低速率電纜取代模擬信號傳輸線(xiàn)
●總線(xiàn)型總線(xiàn)數據傳輸距離長(cháng)、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 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)特征

現場(chǎng)總線(xiàn)完整地實(shí)現了控制技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的集成，具有以下幾項技術(shù)特征。

（1）現場(chǎng)設備已成為以微處理器為核心的數字化設備，彼此通過(guò)傳輸媒體（雙繪線(xiàn)、同軸電纜或光纖）以總線(xiàn)拓撲相連；
（2）網(wǎng)絡(luò )數據通信采用基帶傳輸（即數字數據數字傳輸），數據傳輸速率高（為Mbit/s或10Mbit/s級），實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強；
（3）廢氣了集散控制系統（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，便于系統維護、管理與擴展，提高可靠性；
（5）開(kāi)放式互連結構，既可與同層網(wǎng)絡(luò )相連，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互連設備與控制級網(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(chǎng)家的現場(chǎng)設備產(chǎn)品統一組態(tài)，構成所需要的網(wǎng)絡(luò )。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)

3．1 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統

現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS是集當今計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當代最先進(jìn)的計算機控制技術(shù)，是一種全分散、全數字、全開(kāi)放的控制系統。它適用于工業(yè)過(guò)程控制、制造業(yè)及樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域，將成為現代計算機控制系統的主流。

3．2 FCS對計算機控制系統的影響

傳統的計算機控制系統一般采用DCS結構。在DCS中，對現場(chǎng)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(dòng)化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現場(chǎng)。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜，布線(xiàn)復雜，既費料又費時(shí)，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結構復雜，成本高。而且DCS不是開(kāi)放系統，互操作性差，難以實(shí)現數據共享。而基于FCS的控制系統則完全克服了這些缺點(diǎn)。

（1）FCS借助于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現場(chǎng)，而且所有的信號通過(guò)分布式智能I/O模塊在現場(chǎng)被轉換成標準數字信號，只需一根電纜（兩線(xiàn)或四線(xiàn)）就可把所有的現場(chǎng)子站連接起來(lái)，進(jìn)而把現場(chǎng)信號非常簡(jiǎn)捷地傳送到控制室監控設備上，減低了成本，又便于安裝和維護，同時(shí)數字化的數據傳輸使系統具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。
（2）FCS具有開(kāi)放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設計采用IEC11314五種國際標準編程語(yǔ)言，編程和開(kāi)發(fā)工具是完全開(kāi)放的，同時(shí)還可以利用PC豐富的軟硬件資源。
（3）系統的效率高。在FCS中，一臺PC可同時(shí)完成原來(lái)要用兩臺設備才能完成的PLC和NC/CNC任務(wù)。在多任務(wù)的Windows NT操作系統下，PC中的軟PLC可以同時(shí)執行多達十幾個(gè)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(xiàn)調試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。
（4）在FCS中，系統的基本結構為：工控機或商用PC、現場(chǎng)總線(xiàn)主站接口卡、現場(chǎng)總線(xiàn)輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實(shí)時(shí)多任務(wù)控制軟件包、組態(tài)軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統組態(tài)、數據報表組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數據報表組態(tài)、實(shí)時(shí)數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控制運算調節、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個(gè)方面，并真正實(shí)現控制集中、危險分散、數據共享、完全開(kāi)放的控制要求。

3．3 IEC61158國際標準規定的8種總線(xiàn)及其特點(diǎn)

（1）Profibus主要由德國西門(mén)子公司支持，是按照ISO/OSI參考模型制訂的現場(chǎng)總線(xiàn)德國國家標準。Profibus由三部分組成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及 Profibus-PA。其中，FMS主要用于非控制信息的傳輸，PA主要用于過(guò)程自動(dòng)化的信號采集及控制，Profibus-DP是制造業(yè)自動(dòng)化主要應用的協(xié)議內容，是滿(mǎn)足用戶(hù)快速通信的最佳方案，傳輸速度為12Mb/s。掃描1000個(gè)I/O點(diǎn)的時(shí)間少于1ms。
（2）基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF（H1，IEC技術(shù)報告）是針對過(guò)程自動(dòng)化而設計，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。FF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，它可連接能執行簡(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個(gè)現場(chǎng)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(jiǎn)單，且易于安裝與配置。網(wǎng)上的節點(diǎn)類(lèi)似簡(jiǎn)單的移位寄存器，位流經(jīng)過(guò)節點(diǎn)則發(fā)生翻轉。Interbus-S啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )并自動(dòng)配置，不需要節點(diǎn)地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規定。一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上最多可有64個(gè)裝置，速度可達500K/s，最長(cháng)距離為25600m，移動(dòng)節點(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(shí)性能，界于設備級總線(xiàn)（像DeviceNet）與工廠(chǎng)級總線(xiàn)（通?；贓thernet）之間。在相同的通信鏈路上提供了適合于I/O控制設備的帶寬、實(shí)時(shí)聯(lián)鎖響應、對等信息和程序傳輸，為斷續和連續過(guò)程控制系統應用提供了確定性和重復性功能；并且允許多控制器處理I/O控制設備，提供了輸入數據和對等數據兩者之間的多點(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 )拓撲結構選擇（總線(xiàn)、樹(shù)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(xiàn)運行方式，總線(xiàn)上可以連接PLC、I/O現場(chǎng)設備、控制器、HMI系統等。通過(guò)雙重冗余總線(xiàn)，能夠完全確?？刂葡到y不會(huì )因為控制電纜損壞等原因造成其他控制系統被迫停機的事故。

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(xiàn)

（1）CANBUS（Controller Area Network）：是德國B(niǎo)osch公司于1983年為汽車(chē)應用而開(kāi)發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，屬于現場(chǎng)總線(xiàn)（FieldBus）的范疇。1993年11月，ISO正式頒布了控制器局域網(wǎng)CAN國際標準（ISO11898），CAN總線(xiàn)的通訊介質(zhì)可采用雙絞線(xiàn)，同軸電纜和光導纖維。通訊距離與波持率有關(guān)，最大通訊距離可達10km，最大通訊波持率可達1Mdps。CAN總線(xiàn)仲裁用11位（CAN2.0A協(xié)議）和29位（CAN2.0B協(xié)議）標識和非破壞性位仲裁總線(xiàn)結構機制，可以確定數據塊的優(yōu)先級，保證在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)沖突時(shí)最高優(yōu)先級點(diǎn)不需要沖突等待。CAN結構模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數據鏈層和應用層。CAN總線(xiàn)采用了多主競爭式總線(xiàn)結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線(xiàn)以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)上任意節點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信。CAN總線(xiàn)協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性?xún)r(jià)比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。
（2）CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是三菱電機于1996年推出的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)，其數據容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個(gè)復合的、開(kāi)放的、適應性強的網(wǎng)絡(luò )系統，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(gè)以設備層為主的網(wǎng)絡(luò )，一般情況下，CC-Link整個(gè)一層網(wǎng)絡(luò )可由一個(gè)主站和六十四個(gè)從站組成。CC-Link具有高速的數據傳輸速度，最高可達10Mbps，其底層通信協(xié)議遵循RS-485。2 CC-Link的數據通信方式可分為2種方式：循環(huán)通訊和瞬時(shí)傳送。信息從主站傳遞到從站，信息數據將以150字節為單位分割，并以每批150字節傳遞。若從站傳遞到主站或其他從站，每批信息數據最大為34字節。瞬時(shí)傳送需要由專(zhuān)用指令來(lái)完成。瞬時(shí)傳送不會(huì )影響循環(huán)通信的時(shí)間。
（3）Leo Works總線(xiàn)：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。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)現完整的Lon Works的Lon Talk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。Lon Works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。Lon Works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。

3．5 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的通訊標準

FCS采用ISO的OSI模型7層體系結構中的第1、2、7層，即物理層（Physical Layer），鏈路層（Data Link Layer），應用層（Application Layer），外加一個(gè)第八層，用戶(hù)層（User Layer）構成其總線(xiàn)通訊標準。用戶(hù)層是現場(chǎng)總線(xiàn)標準在OSI層模型之外增加的一層，它使該標準超過(guò)一項通訊標準而成為一項系統標準，是FCS開(kāi)放性與互操作性的關(guān)鍵。用戶(hù)層定義了29個(gè)標準功能模塊，用于數據處理和組成控制算法，標準功能模塊的數量少于一般的DCS，它允許用戶(hù)自己定義算法模塊，另外還定義了兩個(gè)工具，即設備描述語(yǔ)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(jiàn)對象"，以實(shí)現可互操作性。

4 小結

當前，各種形式的現場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，主要有CAN、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF以及PROFIBUS協(xié)議?？紤]到統一的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準制定的長(cháng)期性和艱巨性，傳統DCS的退出將是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。在一段時(shí)間內，會(huì )出現幾種現場(chǎng)總線(xiàn)共存、同一生產(chǎn)現場(chǎng)有幾種異構網(wǎng)絡(luò )互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統一的標準規范，真正形成開(kāi)放式互連系統，是大勢所趨。