現場總線的特點及其應用研究

馮艷雙

大慶煉化公司機電儀廠，黑龍江大慶 163411

現場總線的特點及其應用研究

馮艷雙

大慶煉化公司機電儀廠，黑龍江大慶 163411

信息集成是工廠自動化的需要，現場總線技術自出現就與DCS密不可分，DCS的進步伴隨著現場總線的發展。本文首先介紹了現場總線的特點，然后詳細介紹了現場總線使用中要注意的一些問題。

現場總線；特點；問題

1 現場總線的技術特點

1）開放性。現場總線的開放性有幾層含義。一是指相關標準的一致性和公開性，開放的標準有利于不同廠家設備之間的互連與替換。二是系統集成的透明性和開放性，用戶進行系統設計、集成和重構的能力大大提高。三是產品競爭的公正性和公開性，用戶可按自己的需要和評價，選用不同供應商的產品組成大小隨意的系統；2）交互性。現場總線設備的交互性有幾層含義。一是指上層網絡與現場設備之間具有相互溝通的能力。二是指現場設備之間具有相互溝通的能力，也就是具有互操作性。三是指不同廠家的同類設備可以相互替換，也就是具有互換性；3）自治性。由于智能儀表將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能下載到現場設備中完成，因此一臺單獨的現場設備即具有自動控制的基本功能，可以隨時診斷自己的運行狀況，實現功能的自治；4）適應性。安裝在工業生產第一線的現場總線是專為惡劣環境而設計的，對現場環境具有很強的適應性。具有防電、防磁、防潮和較強的抗干擾能力，可滿足本質安全防爆要求，可支持多種通信介質如雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等。

2 現場總線的體系結構特點

1）基礎性。在企業實施信息集成、實現綜合自動化的進程中，作為工廠底層網絡的現場總線是一種能在現場環境運行的可靠、實時、廉價、靈活的通信系統，能夠有效地集成到TCP/IP信息網絡中，現場總線是企業強有力的控制和通信的基礎設施；2）靈活性。現場總線打破了傳統控制系統的結構形式，使控制系統的設計、建設、維護、重組和擴容更加靈活簡便。傳統模擬控制系統采用一對一的并行連線，按控制回路分別進行連接。位于現場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現場的執行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接，每個裝置需單獨使用一條線，因此形成了龐大的線束。由于現場布線的復雜性，因此傳統控制系統在設計之初就需一次性規劃好布線的數量和走向，一旦實施就具有剛性，不便于調整和維護，增大了投入的門檻，不利于滾動發展。現場總線系統由于采用智能現場設備，能夠把傳統控制系統中處于控制室的控制模塊、I/O模塊和通信模塊移置到現場設備中，使現場設備能夠在一條總線上串行連接起來直接傳送信號，完成控制功能。這樣一來，系統布線就由幾十條、上百條甚至于上千條簡化為一條，不僅簡化了設計施工，方便了修理維護，也降低了系統投入的門檻，大大提高了可靠性和靈活性。因為增減現場設備只需直接將設備掛上總線或將設備從總線取下即可，不必另行布線；3）分散性。由于現場總線中智能現場設備具有高度的自治性，因而控制系統功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。另外，由于現場設備具有網絡通信功能，這使得把不同網絡中的現場設備和不同地理范圍中的現場設備組成一個控制系統成為可能。因此，現場總線已構成一種新的全分散性控制系統的體系結構，具有高度的分散性；4）經濟性。由于現場總線通信用數字信號替代了模擬信號，因而可通過復用技術在一條總線上傳輸多個信號，同時還可在這條總線上為現場設備供電，原來的大量集中式I/O部件全部省去。這樣就為簡化體系結構、節約硬件設備、節約連接電纜與各種安裝和維護費用創造了條件。另外，由于投入門檻的降低和重構靈活性的提高，使得現場總線的資產投入不會產生沉淀而浪費，大大提高了經濟性。最后，由于現場設備的開放性，設備價格不會被廠家壟斷；由于現場設備的互換性，備品庫存也可大大降低。

3 現場總線使用中要注意的問題

現場總線逐漸在工業現場推廣，不少設備不但具有傳統儀表的功能，而且還具備現場總線的功能、在DCS中，現場總線被廣泛應用。現場總線在使用中需要注意以下幾個問題：1）通信距離。現場總線的通信距離一般有一定的要求，例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率時，采用標準電纜，可以達到200m，如果采用187.5kbps速率，可以達到1 000m。通信距離有兩層含義，第一個，是兩個節點之間不通過中繼器能夠實現的距離，一般來說，距離和通信速率成反比；另一個，是整個網絡最遠的兩個節點之間的距離。往往在廠家的介紹材料中對于此類的描述不夠清楚，在實際使用中，必須考慮整個網絡的范圍，電磁波信號在電纜中傳遞是需要時間的，特別在—些高速的現場總線中，如果增大距離，就必須對一些通信參數進行修改；2）線纜選擇。現場的環境決定現場總線的通信速度和通信介質。一般而言，現場總線采用電信號傳遞數據，在傳輸的過程中不可避免地收到周圍電磁環境的影響。大多數現場總線采用屏蔽雙絞線。必須注意的是，不同種類現場總線要求的屏蔽雙絞線可能是不同的。現場總線的開發者一般規定一種特制的線纜，在正確使用這種線纜的條件下才能實現規定的速率和傳輸距離。在電磁條件極度惡劣的條件下，光纜是合理的選擇，否則局部的干擾，可能影響整個現場總線網絡的工作；3）隔離。一般來說，現場總線的電信號與設備內部是電氣隔離的。現場總線電纜分布在車間的各個角落，一旦發生高電壓串入，會造成整個網段所有設備的總線收發器損壞。如果不加以隔離，高電壓信號會繼續將設備內部其他電路損壞，導致嚴重的后果；4）屏蔽。現場總線采用的屏蔽電纜的外層必須在一點良好接地，如果高頻干擾嚴重，可以采用多點電容接地，不允許多點直接接地，避免產生地回路電流；5）連接器。現場總線一般沒有對連接器做嚴格的規定，但是如果處理不當，會影響整個系統通信。例如，現場總線一般采用總線型菊花鏈連接方式，在連接每一個設備時，必須注意如何不影響在現有通信的條件下，實現設備插入和摘除，這對連接器就有一定的要求；6）終端匹配。現場總線信號和所有電磁波信號一樣具有反射現象，在總線每一個網段的兩個終端，都應該采用電阻匹配，第一個作用可以吸收放射，第二個作用是在總線的兩端實現正確的電平，保證通信。因此，現場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與集成，它的出現和快速發展體現了控制領域對降低成本、提高可靠性、增強可維護性和提高數據采集的智能化的要求。

[1]王宜明.現場總線控制系統應用前景[J].工業計量，2007(S1).

TP336

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1674-6708（2011）51-0173-01