現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展與應用

　　2.3現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)基礎：

　　現場(chǎng)總線(xiàn)以數字信號取代模擬信號，在3C技術(shù)即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎上，大量現場(chǎng)檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現場(chǎng)設備，一大批數字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應運而生，自動(dòng)化儀表與控制系統以嶄新的面貌呈現在廣大用戶(hù)面前。一般認為“現場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數字化、雙向、多站的通信系統，是用于工業(yè)控制的計算機系統的工業(yè)總線(xiàn)。按照國際電工委員會(huì )IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)。

　　從現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS，Fieldbus Control System）的角度來(lái)看，它的通訊網(wǎng)絡(luò )結構將是ISO的通訊模型的七層結構（一般簡(jiǎn)化為三層，物理層、數據鏈路層、應用層）。

　　2.4各種現場(chǎng)總線(xiàn)與標準

　　2.4.1 IEC 1984年提出現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的草案。1993年才通過(guò)了物理層的標準IEC1158－2。

　　2.4.2 SP50 IEC/ISA SP50國際總線(xiàn)規范由Honeywell等公司共同開(kāi)發(fā)。1984年美國儀表協(xié)會(huì )ISA（Instrument Society of America）下屬的標準實(shí)施（Standard and Practice）第50組，簡(jiǎn)稱(chēng)ISA/SP50開(kāi)始制定現場(chǎng)總線(xiàn)標準，1992年IEC批準了SP50的物理層標準。

　　2.4.3 Profibus,過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)，1987年德國聯(lián)邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個(gè)研究所成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)委員會(huì )開(kāi)始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中發(fā)表，對其進(jìn)行了論述從而正式為德國現場(chǎng)總線(xiàn)的國家標準，現在是歐洲標準pr ENS50170的三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱(chēng)為“德國派”。

　　2.4.4 ISP和ISPF 1992年由Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB等公司成立ISP組織（Interoperable System Project,可互操作系統規劃），是一個(gè)以Profibus為基礎制定的現場(chǎng)總線(xiàn)，1993年成立ISPF（ISP Foundation,ISP基金會(huì )）。

　　2.4.5 World FIP工廠(chǎng)儀表世界協(xié)議，1993年由Honeywell,Bailey等公司牽頭成立FIP（Factory Instrumentation Protocol），120家公司加盟，以法國標準46－602/603/604/606為基礎制定.該標準與德國的Profibus同時(shí)在歐洲投票通過(guò)為歐洲標準pr EN50170,成為三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱(chēng)為“法國派”。

　　2.4.6 FF（Fielbdus Foundation,現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )）1994年6月ISPF和World FIP握手言和成立了FF，總部設在美國Texas州的Austin，有會(huì )員120家，它是一個(gè)非商業(yè)化的公正的國際標準化組織和協(xié)會(huì )組織，無(wú)專(zhuān)利許可要求，供任何人使用（World FIP的歐洲部分在1995年3月才參加）。低速總線(xiàn)H1已進(jìn)入實(shí)用階段。FF發(fā)展的主要障礙來(lái)自Profibus的商業(yè)利益。

　　2.5幾種有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)

　　2.5.1 CAN 由德國Robert Basch以及幾個(gè)集成電路制造商一起開(kāi)發(fā)，最初是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)工業(yè)設計，后來(lái)推廣到各個(gè)領(lǐng)域.目前已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì )批準為ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是現場(chǎng)總線(xiàn)中唯一被批準為國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。值得注意的是一些微處理器的生產(chǎn)商也在微處理器芯片中附加CAN的接口，并且成為一種潮流。而其他現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議芯片基本上是以專(zhuān)用的芯片來(lái)供應，這樣CAN在低成本方面優(yōu)勢明顯，此外CAN技術(shù)在抗干擾技術(shù)方面頗有特色。

　　2.5.2 LON works（Local Operation Network）局部操作網(wǎng)絡(luò )；1991年3月由美國的Echelon公司推出，是一種“智能網(wǎng)”，核心技術(shù)是節點(diǎn)由神經(jīng)元芯片（含三個(gè)CPU）構成，帶有OSI的七層網(wǎng)模型，適應面最廣，開(kāi)發(fā)工具約10－30萬(wàn)，價(jià)格較貴。據統計產(chǎn)品的40％用于工業(yè)控制，30％用于樓宇自動(dòng)化。

　　2.5.3 Hart和HCF 1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)議HART（Highway Addressable Remote Transducer,可尋址遠程傳感器數據通路），主要是在4－20mA的DC信號上疊加FSK（Frequency Shift Keying，頻率調制鍵控）數字信號，是現場(chǎng)總線(xiàn)的過(guò)渡性協(xié)議，它對于現場(chǎng)總線(xiàn)的形成有重大影響，但是在電器行中發(fā)展的可能性很小。

　　2.5.4一些可能對電器行業(yè)產(chǎn)生影響的低層次的現場(chǎng)總線(xiàn)：如：Bitbus,Interbus,AS－Interface,DEVICE Net,VXL等等。

　　3.多現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

　　目前，在一些工程中通常的做法是在某種現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎上開(kāi)發(fā)能連接其他公司現場(chǎng)總線(xiàn)的接口產(chǎn)品。由于現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準尚未建立，多種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)枚不勝數，需要開(kāi)發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿(mǎn)足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著(zhù)名現場(chǎng)總線(xiàn)為例，要使它們中任意兩種不同現場(chǎng)總線(xiàn)能統一于一個(gè)智能化配電系統中，僅是協(xié)議轉換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統中有三種或三種以上不同現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來(lái)自不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品兼容性問(wèn)題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。

　　 隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應用量越來(lái)越大，而且隨著(zhù)用戶(hù)對智能化控制系統可靠性和靈活性的更高要求，加上各現場(chǎng)總線(xiàn)本身的特點(diǎn)以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在智能化配電系統工程設計中，采用一種現場(chǎng)總線(xiàn)總線(xiàn)的智能化產(chǎn)品往往不能滿(mǎn)足應用的全面要求，多現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品共存于一個(gè)智能化控制系統已成為一個(gè)現實(shí)的問(wèn)題。

　　由于多現場(chǎng)總線(xiàn)系統中不同類(lèi)型的產(chǎn)品均配專(zhuān)用的通信協(xié)議，有的廠(chǎng)家還專(zhuān)門(mén)為自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的通信卡、通信控制器等專(zhuān)用設備，因此，整個(gè)系統中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無(wú)法直接和主控單元進(jìn)行通信，這嚴重防礙智能自動(dòng)化控制系統設計中對智能設備的選擇。對應用而言,如果在一個(gè)智能化控制系統中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專(zhuān)用的通信卡或通信控制器，一個(gè)智能化控制系統將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，使得系統的性能價(jià)格比不高，而且在系統進(jìn)行改造或升級時(shí)，將要花費用戶(hù)更多的時(shí)間和費用。因此，多現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在一個(gè)智能化控制系統中的應用已成為一個(gè)重要的研究課題。

　　對于智能化自動(dòng)化控制領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，它的現場(chǎng)總線(xiàn)有一定的特殊性。同時(shí)它又不能完全脫離上層現場(chǎng)總線(xiàn)。對于智能化控制系統的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，特別是過(guò)程自動(dòng)化系統將不得不面對幾個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)其原因是：

　　3.1實(shí)際上過(guò)程自動(dòng)化控制系統和高中壓電網(wǎng)控制系統存在各種不同的現場(chǎng)總線(xiàn)。

　　3.2建筑自動(dòng)化系統在推廣Lonworks現場(chǎng)總線(xiàn)，用于智能大廈。

　　3.3FF有國家的大力支持，也許是重要的發(fā)展方向。

　　3.4CAN的價(jià)格優(yōu)勢對低壓電器有很大的吸引力。

　　3.5Profibus已經(jīng)有了不少應用。這是一個(gè)需要認真考慮的現實(shí)。

　　智能化召開(kāi)系統現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是個(gè)多層次的網(wǎng)絡(luò ), IEC62026本身就包含各種現場(chǎng)總線(xiàn)。IEC62026明確表示了高層的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò )由IEC/SC65C考慮。FCS，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的一個(gè)重要的發(fā)展方向是多層次的網(wǎng)絡(luò )結構；向下連接低層次的現場(chǎng)總線(xiàn)，智能化控制系統現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需要多層次的網(wǎng)絡(luò )。而智能設備需要非常靈活地與各種總線(xiàn)、控制對象等的配合控制和交換信息。實(shí)現各種總線(xiàn)相互間的轉換也是解決現場(chǎng)總線(xiàn)之爭的途徑之一。

　　目前，在一些工程設計中通常的做法是在某種現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎上開(kāi)發(fā)能連接其他公司現場(chǎng)總線(xiàn)的接口產(chǎn)品。由于現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準尚未建立，多種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)枚不勝數，需要開(kāi)發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿(mǎn)足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著(zhù)名現場(chǎng)總線(xiàn)為例，要使它們中任意兩種不同現場(chǎng)總線(xiàn)能統一于一個(gè)智能化配電系統中，僅是協(xié)議轉換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統中有三種或三種以上不同現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，其技術(shù)復雜程度和管理、維護、擴展等因素都是影響現場(chǎng)總線(xiàn)在智能化控制系統中推廣應用，國際上的個(gè)大公司為了解決來(lái)自不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品兼容性問(wèn)題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。

　　針對上述在智能化控制系統開(kāi)發(fā)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，在工程中的解決方案是做一個(gè)統一而簡(jiǎn)單的子網(wǎng)：一個(gè)簡(jiǎn)單的子網(wǎng)可能解決自動(dòng)化控制系統的大部分控制問(wèn)題。各智能化設備的各種現場(chǎng)總線(xiàn)接口的配合可以通過(guò)相應的協(xié)議芯片來(lái)解決。統一的子網(wǎng)可能使整個(gè)行業(yè)的開(kāi)發(fā)成本最低，開(kāi)發(fā)速度最快。為此提出了通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過(guò)硬件和軟件的方法共同對現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行處理，解決智能化控制系統中多現場(chǎng)總線(xiàn)的兼容性問(wèn)題，其目的是為了能將不同現場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)品和諧地融入一個(gè)系統中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長(cháng)處，為那些希望使用不同廠(chǎng)家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶(hù)提供更大的靈活性。

　　通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器是現場(chǎng)級的通用通信管理設備，由它把各個(gè)現場(chǎng)設備連成網(wǎng)絡(luò )，并負責現場(chǎng)設備與上位機之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過(guò)相應的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的轉換，實(shí)現與不同廠(chǎng)家的現場(chǎng)設備進(jìn)行通信。

　　4.現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器

　　通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器是采用模塊化結構和多CPU工作方式來(lái)設計的，因為模塊化的結構可以使系統有較強的擴展能力，為系統將來(lái)的升級換代帶來(lái)便利。

　　通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴展槽、固定支架、系統總線(xiàn)、信號線(xiàn)構成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶CPU。主控板負責管理整個(gè)系統以及與上位機的通信，通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器通過(guò)RS232接口與上位機連接，主控板通過(guò)它與上位機進(jìn)行信息交換，主要包括：管理系統總線(xiàn)，給協(xié)議板和接口板分配系統資源，與協(xié)議板進(jìn)行信息交換，對來(lái)自協(xié)議板的數據進(jìn)行處理，等待上位機提取。協(xié)議板是通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器的關(guān)鍵部分，所有與現場(chǎng)設備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進(jìn)行一種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶(hù)可以根據實(shí)際情況進(jìn)行選擇，接口種類(lèi)有RS232、RS422、RS485等。通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器與上位機以及與現場(chǎng)設備的通信都采用串行方式，而通信控制器內部各插卡之間通過(guò)系統總線(xiàn)來(lái)完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過(guò)系統總線(xiàn)分別與協(xié)議板進(jìn)行通信，各協(xié)議板之間不能進(jìn)行通信。

　　通信過(guò)程如下：主控板在系統總線(xiàn)上，通過(guò)廣播方式發(fā)送協(xié)議板號來(lái)呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號識別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號相符的協(xié)議板才響應主控板，從而實(shí)現主控板與協(xié)議板的通信。當用戶(hù)增加新的協(xié)議設備時(shí)，不必改動(dòng)硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設置好協(xié)議板號，并在上位機的組態(tài)中添加相應的系統信息存入計算機即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過(guò)系統中的局部總線(xiàn)來(lái)完成。

　　5.智能化配電系統

　　智能化配電系統由配各種智能化開(kāi)關(guān)柜的硬件系統和軟件系統兩部分組成。硬件包括各種智能化開(kāi)關(guān)柜、通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器、上位控制計算機。軟件由主控程序、通訊界面和人機界面三部分組成。根據以上硬件設備的配置情況，在上位機上輸入系統配置信息，通過(guò)串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統配置信息分類(lèi)傳遞給各協(xié)議板，各協(xié)議板收到系統信息后與所屬硬件設備進(jìn)行通信，將采集到的數據經(jīng)主控板傳送到上位機，并通過(guò)主控板接受上位機命令。

　　5.1通訊功能

　　5.1.1遙訊功能：現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器向上站機報送斷路器現時(shí)的各項保護參數。

　　5.1.2遙測：現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器向上位機報送工作參數、故障參數，達到上位機對電力電網(wǎng)系統遙測的目的。

　　5.1.3遙調：現場(chǎng)總線(xiàn)控制器接收上位機的遙調參數來(lái)改變斷路器中智能型脫扣器的保護特性參數來(lái)達到改變電力電網(wǎng)干路參數設定值的目的

　　5.1.4遙控：現場(chǎng)總線(xiàn)控制器接收上位機的控制信號來(lái)實(shí)現電力電網(wǎng)計算機控制系統的遙控功能。

　　5.2網(wǎng)絡(luò )結構：

　　5.2.1數據通信網(wǎng)絡(luò )的結構為一點(diǎn)對多點(diǎn)的由上位機主呼的主從網(wǎng)結構（現場(chǎng)總線(xiàn)型）。

　　5.2.2通訊方式廣播應答方式，半雙工類(lèi)型

　　4.2.3硬件接口電路類(lèi)型：RS－485、RS—232、RS—422接口電器，（具有瞬態(tài)保護或隔離型）

　　5.2.4通訊線(xiàn)路UTP雙絞線(xiàn)，8芯（4對），五類(lèi)通訊線(xiàn)，（在干擾嚴重的工業(yè)環(huán)境或線(xiàn)路與電力線(xiàn)一同敷設時(shí)可選用屏蔽線(xiàn)STP）

　　5.2.5上位機：中央處理器應為586以上。若上位機處于干擾嚴重的工業(yè)環(huán)境中，則應選用工控機機型。

　　6.結束語(yǔ)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)作為自動(dòng)化領(lǐng)域的一次革命，它的意義和產(chǎn)生的效益是非常巨大的。積極開(kāi)展各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的研究和應用，特別是加強對于一些已有成功經(jīng)驗的現場(chǎng)總線(xiàn)在智能化控制系統中的開(kāi)發(fā)與應用，對于開(kāi)電氣設備制造廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)可以避免很多彎路和資源浪費，是適合我國國情的一個(gè)實(shí)用的發(fā)展途徑。

　　智能化控制系統采用多現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，全中文操作界面，具有很高的通用性和靈活性以及較低的成本，使其具有非常高性能價(jià)格比，可以使用戶(hù)方便、靈活地構成一個(gè)實(shí)用可靠的智能化控制系統，其優(yōu)良的可擴展性使其能夠適應通信技術(shù)發(fā)展的潮流，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。