淺談現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展
2015-9-17 19:22:10
1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通訊能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線可實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，實(shí)施綜合自動(dòng)化，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。
2 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)
1983年，Honeywell推出了智能化儀表，它在原模擬儀表的基礎(chǔ)上增加了計(jì)算功能的微處理器芯片，在輸出的4～20mA直流信號(hào)上迭加了數(shù)字信號(hào)，使現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的連接模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。之后，世界上各大公司推出了各種智能儀表。智能儀表的出現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)總線的誕生奠定了基礎(chǔ)。
智能儀表的出現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字化提供了條件，但不同廠商提供的設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，束縛了底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線要求不同的廠商遵從相同的制造標(biāo)準(zhǔn)，組成開放的互連網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)。
3 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的按控制回路要求，設(shè)備一對(duì)一的分別進(jìn)行連線的結(jié)構(gòu)形式。把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊放入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室中的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它把作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化的綜合自動(dòng)化功能。是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：
3．1 系統(tǒng)具有開放性和互用性
通信協(xié)議遵從相同的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)信息交換，用戶可按自己的需要，把不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成開放互連的系統(tǒng)。系統(tǒng)間、設(shè)備間可以進(jìn)行信息交換，不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可以互換。
3．2 系統(tǒng)功能自治性
系統(tǒng)將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以完成自動(dòng)控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。
3．3 系統(tǒng)具有分散性
現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的是一種全分散的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。
3．4 系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境的適應(yīng)
現(xiàn)場(chǎng)總線支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電和通信，并可以滿足安全防爆的要求。
由于現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換隔離等功能單元及其復(fù)雜的接線，節(jié)省了硬件數(shù)量和投資。簡(jiǎn)單的連線設(shè)計(jì)，節(jié)省了安裝費(fèi)用。設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理能力，減少了維護(hù)工作量。設(shè)備的互換性、智能化、數(shù)字化提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。
4 幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
4．1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總
基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）于1994年由美國(guó)Fisher－Rosemount和Honeywell為首成立。它以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分H1和H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31．25kbps，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號(hào)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)。傳輸信號(hào)采用曼冊(cè)斯特編碼。
4．2 LonWorks
它由美國(guó)Echelon公司推出，它采用ISO／OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。采用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。
4．3 PROFIBU
PROFIBUS是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動(dòng)化的總線類型，服從IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)。
4．4 CAN
CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱，由德國(guó)BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
4．5 HAR
HART最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。由于它采用模擬數(shù)字信號(hào)混和，難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。
5 結(jié)語
現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通訊能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線可實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，實(shí)施綜合自動(dòng)化，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。
2 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)
1983年，Honeywell推出了智能化儀表，它在原模擬儀表的基礎(chǔ)上增加了計(jì)算功能的微處理器芯片，在輸出的4～20mA直流信號(hào)上迭加了數(shù)字信號(hào)，使現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的連接模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。之后，世界上各大公司推出了各種智能儀表。智能儀表的出現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)總線的誕生奠定了基礎(chǔ)。
智能儀表的出現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字化提供了條件，但不同廠商提供的設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，束縛了底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線要求不同的廠商遵從相同的制造標(biāo)準(zhǔn)，組成開放的互連網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)。
3 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的按控制回路要求，設(shè)備一對(duì)一的分別進(jìn)行連線的結(jié)構(gòu)形式。把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊放入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室中的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它把作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化的綜合自動(dòng)化功能。是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：
3．1 系統(tǒng)具有開放性和互用性
通信協(xié)議遵從相同的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)信息交換，用戶可按自己的需要，把不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成開放互連的系統(tǒng)。系統(tǒng)間、設(shè)備間可以進(jìn)行信息交換，不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可以互換。
3．2 系統(tǒng)功能自治性
系統(tǒng)將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以完成自動(dòng)控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。
3．3 系統(tǒng)具有分散性
現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的是一種全分散的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。
3．4 系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境的適應(yīng)
現(xiàn)場(chǎng)總線支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電和通信，并可以滿足安全防爆的要求。
由于現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換隔離等功能單元及其復(fù)雜的接線，節(jié)省了硬件數(shù)量和投資。簡(jiǎn)單的連線設(shè)計(jì)，節(jié)省了安裝費(fèi)用。設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理能力，減少了維護(hù)工作量。設(shè)備的互換性、智能化、數(shù)字化提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。
4 幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
4．1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總
基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）于1994年由美國(guó)Fisher－Rosemount和Honeywell為首成立。它以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分H1和H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31．25kbps，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號(hào)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)。傳輸信號(hào)采用曼冊(cè)斯特編碼。
4．2 LonWorks
它由美國(guó)Echelon公司推出，它采用ISO／OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。采用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。
4．3 PROFIBU
PROFIBUS是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動(dòng)化的總線類型，服從IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)。
4．4 CAN
CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱，由德國(guó)BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
4．5 HAR
HART最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。由于它采用模擬數(shù)字信號(hào)混和，難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。
5 結(jié)語
現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
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