現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其控制系統縱橫談
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總之，現場(chǎng)總線(xiàn)是３Ｃ技術(shù)（計算機、通訊、控制）的融合。其技術(shù)的特點(diǎn)是：信號輸出全數字、控制功能全分散、標準統一全開(kāi)發(fā)。
４ 現場(chǎng)總線(xiàn)與局域網(wǎng)的區別
（１）按功能比較，現場(chǎng)總線(xiàn)連接自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)控制器和現場(chǎng)智能儀表設備，網(wǎng)線(xiàn)上傳輸的是小批量數據信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實(shí)時(shí)性高。簡(jiǎn)而言之，現場(chǎng)總線(xiàn)是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )。局域網(wǎng)用于連接局域區域的各臺計算機，網(wǎng)線(xiàn)上傳輸的是大批量的數字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實(shí)時(shí)性。從這個(gè)意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò )。
（２）按實(shí)現方式比較，現場(chǎng)總線(xiàn)可采用各種通訊介質(zhì)，如雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)、紅外線(xiàn)等，實(shí)現成本低。局域網(wǎng)需要專(zhuān)用電纜，如同軸電纜、光纖等，實(shí)現成本高。
５ 現場(chǎng)總線(xiàn)系統ＦＣＳ與集散控制系統ＤＣＳ的比較
ＦＣＳ是在ＤＣＳ的基礎上發(fā)展起來(lái)的，ＦＣＳ順應了自動(dòng)控制系統的發(fā)展潮流，它必將替代ＤＣＳ。這已是業(yè)內人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生、發(fā)展都是在對舊事物的揚棄中進(jìn)行的，ＦＣＳ與ＤＣＳ的關(guān)系必然也不例外。ＦＣＳ代表潮流與發(fā)展方向，而ＤＣＳ則代表傳統與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物。特別是現階段，
ＦＣＳ尚沒(méi)有統一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，ＤＣＳ則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應用而占據著(zhù)一個(gè)尚不可完全替代的地位。筆者認為：現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統ＦＣＳ應該與集散式控制系統ＤＣＳ相互兼容。首先以工程成本與效益看，現場(chǎng)總線(xiàn)的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結構簡(jiǎn)單，從而布線(xiàn)費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現場(chǎng)信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在ＦＣＳ系統初裝的前提下，倘若企業(yè)建立有完善的ＤＣＳ，現在要向ＦＣＳ過(guò)渡，則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的ＤＣＳ設施，現有ＤＣＳ 的布線(xiàn)以及成熟的ＤＣＳ控制管理方式來(lái)實(shí)現ＦＣＳ是我們應選之途。雖然現場(chǎng)總線(xiàn)對已有的數字現場(chǎng)協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過(guò)渡的代價(jià)與風(fēng)險是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求ＦＣＳ與ＤＣＳ應相兼容。ＦＣＳ實(shí)現控制功能下移至現場(chǎng)層，使ＤＣＳ的多層網(wǎng)絡(luò )被扁平化，各個(gè)現場(chǎng)設備節點(diǎn)的獨立功能得以加強，因此，在ＦＣＳ中有必要增加和完善現場(chǎng)子層設備間的數據通訊功能。由于歷史的原因，ＤＣＳ通常擁有大型控制柜用以協(xié)調各個(gè)設備，同時(shí)更強調層與層的數據傳輸?？梢?jiàn)，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。ＤＣＳ適用于較慢的數據傳輸速率；ＦＣＳ則更適用于較快的數據傳輸速率，以及更靈活的處理數據。然而，當數據量超過(guò)一定值過(guò)于偏大時(shí)，如果同層的設備過(guò)于獨立，則很容易導致數據網(wǎng)絡(luò )的堵塞。要解決這個(gè)問(wèn)題，擬設立一個(gè)適當的監控層用以協(xié)調相互通訊的設備，必然是有益的，ＤＣＳ就能輕松地勝任這一工作?？梢?jiàn)，為使ＦＣＳ的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒ＤＣＳ的一些控制思想的。
要把握新世紀工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展趨勢，無(wú)論在學(xué)術(shù)研究或是工程應用方面都有必要使ＦＣＳ綜合與繼承ＤＣＳ的成熟控制策略；與此同時(shí)，ＤＣＳ的發(fā)展也應追尋ＦＣＳ控制策略的新思想，使其具有新的生命力。ＤＣＳ應能動(dòng)地將底層控制權交付給ＦＣＳ系統，將較高層的系統協(xié)調管理功能發(fā)揚光大，完成對新時(shí)代，新形勢的工業(yè)控制系統的智能設備集成。
６ 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 )總線(xiàn)（ＦＦ，Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有專(zhuān)有良好發(fā)展前景的技術(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家公司制訂的ＩＳＰ協(xié)議和以Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司為首，聯(lián)合歐洲等地的１５０家公司制訂的Ｗｏｒｌｄ ＦＩＰ協(xié)議。屈于用戶(hù)的壓力，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。它以ＩＳＯ／ＯＳＩ開(kāi)放系統層上增加了用戶(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。由于這些公司是該領(lǐng)域現場(chǎng)自控設備發(fā)展方向的能力，因而由它們組成的基金會(huì )所頒布的現場(chǎng)總線(xiàn)規范具有一定的權威性。
基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)分低速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１９００ｍ（可加中繼器延長(cháng)），可支持總線(xiàn)供電防爆環(huán)境。Ｈ２的傳輸可為１Ｍｂｐｓ和２．５Ｍｂｐｓ兩種，其通信距離分別為７５０ｍ和５００ｍ。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)發(fā)射，協(xié)議符合ＩＥＣ１１５８－２標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。
基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的主要技術(shù)內容，包括ＦＦ通信協(xié)議、用于完成開(kāi)放互連模型中第２～７層通信協(xié)議的通信棧（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｃｋ）用于描述設備特征、參數、屬性及操作功能塊；實(shí)現系統組態(tài)、調度、管理等功能的系統軟件以及構筑集成自動(dòng)化系統、網(wǎng)絡(luò )系統的系統集成技術(shù)。１９９６年在芝加哥舉行的ＩＳＡ９６展覽會(huì )上，由現場(chǎng)總線(xiàn)基金組織實(shí)施，首次向世界展示了來(lái)自４０多家廠(chǎng)商的７０多種符合ＦＦ協(xié)議的產(chǎn)品并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的ＦＦ展品，用醒目的橙紅色電纜，展現了基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的基本概貌。
（2）ＣＡＮ總線(xiàn)：ＣＡＮ總線(xiàn)最早是由德國Ｂｏｓｃｈ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是德國國家ＤＩＮ１９２４５和歐洲標準ＥＮ５０１７０的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。由ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ組成了ＰＲＯＦＩＢＵＳ系列。ＤＰ型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)域的應用。ＦＭＳ意為現場(chǎng)信息規范，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ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，它遵從ＩＥＣ１１５８－２標準。該項技術(shù)是西門(mén)子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了ＯＳＩ模型的物理層、數據鏈路層。ＦＭＳ還采用了應用層。傳輸速率為９．６ｋｂｐｓ－１２Ｍｂｐｓ，最大傳輸距離在１２Ｍｂｐｓ時(shí)為１００ｍ１．５Ｍｂｐｓ時(shí)為４００ｍ，可用中繼器延長(cháng)至１０ｋｍ其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)，也可以是光纜。最多可掛接１２７站點(diǎn)?？蓪?shí)現總線(xiàn)供電與本質(zhì)安全防爆。
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。
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