現場總線技術及控制系統研究

方寶義

[摘 要]介紹了現場總線技術的特點及發展概況,分析了現場總線控制系統相對于集散控制系統的特點。針對當前流行的幾種現場總線,簡要介紹了各自的技術特色,指出控制系統的開放互連是發展的必然。

[關鍵詞]現場總線 集散控制系統 FCS 開放式互連系統

[中圖分類號]TB[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)12-0017-02

1 引言

現場總線(Fieldbus)技術是實現現場級控制設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術。現場總線技術可使用一條通信電纜將現場設備連接,用數字化通信代替DC4～20mA/24V信號,完成現場設備控制、檢測、遠程參數化等功能[1]。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點,因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。現有的多數現場設備,為提高其性能價格比,在實現其內部操作時都采用了微處理器和數字化元件,于是就提出了必須在這些領域的數字設備之間實現數字通信的要求。采用現場總線的目的就是為了滿足這種要求,為工業領域中的測量和調節控制設備提供實現串行數字通信的手段[2]。

2 典型現場總線簡介

2.1 基金會現場總線FF

基金會現場總線FF是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的一種技術。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首,聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首,聯合歐洲等地150家公司制定的World FIP協議。這兩大集團于1994年9月合并,成立了現場總線基金會,致力于開發出國際上統一的現場總線協議。

基金會現場總線分為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1.9km,可支持總線供電和本質安全防暴環境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種,通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可為雙絞線、光纜和無線發射,協議符合IEC1158-2標準。其物理介質的傳輸信號采用曼切斯特編碼。基金會現場總線以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎,取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次,并在應用層上增加了用戶層。

2.2 CAN總線

CAN總線最早是由德國Bosch公司推出,用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。其總線規范已被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域。它也是基于OSI模型,但進行了優化,采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層,提高了實時性。其節點有優先級設定,支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節點可隨時發送消息。傳輸介質為雙絞線,通信速率與總線長度有關。CAN總線采用短消息報文,每一幀有效字節數為8個;當節點出錯時,可自動關閉,抗干擾能力強,可靠性高。

2.3 LonWorks總線

LonWorks技術是美國ECHELON公司開發,并與Motorola和東芝公司共同倡導的現場總線技術。它采用了OSI參考模型全部的七層協議結構。LonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現完整的LonWorks的LonTalk通信協議。其上集成有三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層的功能,稱為介質訪問處理器。一個CPU是應用處理器,運行操作系統與用戶代碼。還有一個CPU為網絡處理器,作為前兩者的中介,它進行網絡變量尋址、更新、路徑選擇、網絡通信管理等。由神經芯片構成的節點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質并支持多種拓撲結構,組網方式靈活,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化、工業控制等,在組建分布式監控網絡方面有較優越的性能[4]。

2.4 PROFIBUS總線

PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現場總線,包括?PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層、應用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權,主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權。取得控制權的主站,可向從站發送、獲取信息。PROFIBUS-DP用于分散外設間的高速數據傳輸,適合于加工自動化領域。FMS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型。

2.5 HART總線

HART協議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協議。它是用于現場智能儀表和控制室設備間通信的一種協議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議,其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信,屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡產品,因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力,在智能儀表市場上占有很大的份額。

3 現場總線控制系統(FCS)的結構與特點

3.1 現場總線控制系統的結構

隨著現場總線技術的出現和成熟,促使了控制系統由集散控制系統(DCS)向現場總線控制系統(FCS)的過渡。在一般的FCS系統中,遵循一定現場總線協議的現場儀表可以組成控制回路,使控制站的部分控制功能下移分散到各個現場儀表中。從而減輕了控制站負擔,使得控制站可以專職于執行復雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應用,甚至可以把控制站取消,在控制站的位置代之以起連接現場總線作用的網橋和集線器,操作站直接與現場儀表相連,構成分布式控制系統。

3.2 現場總線控制系統的特點

分布式的FCS系統比DCS系統更好地體現了“信息集中,控制分散”的思想[3]。與傳統的DCS相比,FCS有其自身的特點。FCS系統具有高度的分散性,它可以由現場設備組成自治的控制回路。現場儀表或設備具有高度的智能化與功能自主性,可完成控制的基本功能,并可以隨時診斷設備的運行情況。另外,FCS的結構比DCS簡化。有的FCS系統省略了DCS中控制站這一層,操作站直接與現場儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。

現場總線系統具有開放性。系統對相關標準具有一致性、公開性,強調對標準的共識與遵從。通信協議一致公開,各不同廠家的設備之間可實現信息交換,通過現場總線可構筑自動化領域的開放互連系統。系統的開放性決定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互連設備間、系統間信息傳送與溝通;而互用則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。作為工廠網絡底層的現場總線還對現場環境有較強地適應性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等,具有較強的抗干擾能力。

由于結構上的改變,FCS比DCS更節約硬件設備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口,這樣就節省了I/O裝置及裝置室的空間;同時減少了大量電纜,可以極大地節省安裝費用。與此同時,FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換,使儀表精度得到極大的提高;通過將PID功能植入到相應的智能傳感器中去,使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調節2～5次增加到每秒調節10～20次,改善了調節性能。

4 結語

當前,各種形式的現場總線協議并存于控制領域。在樓宇自控領域,Lonworks和CAN網絡具有一定的優勢;在過程自動化領域,主要有過渡型的HART協議、得到廣泛支持的FF現場總線協議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協議。HART協議將是目前幾年內智能化儀表的主要通信協議;基金會現場總線是過程自動化領域中較有前途的一種現場總線,得到許多自動化儀表設備廠商的支持;由于Lonworks技術的開放性,國內出現了利用它開發控制系統的許多開發商。考慮到統一的開放式現場總線協議標準制定的長期性和艱巨性,傳統DCS的退出將是一個漸進過程。在一段時期內,會出現幾種現場總線共存、同一生產現場有幾種異構網絡互連通訊的局面。但是,發展共同遵從的統一的標準規范,真正形成開放式互連系統,是大勢所趨。

[參考文獻]

[1] 王兆晶.維修電工[M].北京:機械工業出版社,2008.

[2] 王勤.計算機控制技術[M].南京:東南大學出版社,2003.

[3] 王常力,廖道義.集散型控制系統的設計與應用[M].北京:清華大學出版社,1993.