淺談現場總線技術及其發展
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企業：控制網
領域：PLC /PAC/PCC/RTU
行業：輸配電
- 點擊數：2203 發布時間：2005-07-04 13:58:08
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從現場總線的產生、概念、特點及其體系結構入手，闡述了它的發展現狀和趨勢，分析了為迎接現場總線這場自控領域內的技術變革應采取的對策。
1 引言
現場總線FF（Field Bus）的概念起源于70年代，當時主要考慮將操作室的現場信號和到控制儀器的控制信號由一組總線以數字信號形式傳送，不必每個信號都用一組信號線。隨著儀表智能化和通訊數字化技術的發展，數字通信網絡延伸到工業過程現場成為可能，由全數字現場控制系統代替數字與模擬分散型控制系統已成為工業化控制系統發展的必然趨勢。現場總線已經發展成為集計算機網絡、通信技術、現場控制、生產管理等內容為一體的現場總線控制系統FCS（Field-bus Control System）。它將通信線一直延伸到生產現場生產設備，用于過程和制造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通信網絡，將傳統的DCS三層網絡結構變成兩層網絡結構，降低了成本，提高了可靠性，實現了控制管理一體化的結構體系。
2 現場總線的產生
縱觀控制系統的發展史，每一代新的控制系統的推出都是針對老一代控制系統存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動下占領市場的主導地位，現場總線和現場總線控制系統的產生也不例外[1]。
2.1 模擬儀表控制系統
模擬儀表控制系統于六七十年代占主導地位。其顯著缺點是：模擬信號精度低，易受干擾。
2.2 集中式數字控制系統
集中式數字控制系統于七八十年代占主導地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器，控制器內部傳輸的是數字信號，克服了模擬儀表控制系統中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統的抗干擾能力。它的優點是容易根據全局情況進行控制計算和判斷，在控制方式、控制時機的選擇上可以統一調度和安排；不足的是，對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性。
2.3 集散控制系統（DCS）
集散控制系統（DCS）于八九十年代占主導地位。其核心思想是集中管理、分散控制，有力地克服了集中式數字控制系統中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷；不足的是，不同廠家的DCS系統之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網絡之間難以實現網絡互連和信息共享，因此DCS從這個角度出發實質是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統而且DCS造價十分昂貴。在這種情況下，用戶對網絡控制系統提出了開放化和降低成本的迫切要求[1]。
2.4 現場總線控制系統（FCS）
現場總線控制系統（FCS）作為新一代控制系統，利用現場總線開放且具有可互操作的網絡將現場各控制器及儀表設備互連，構成現場總線控制系統，控制功能徹底下放到現場，降低了安裝成本和維護費用。一方面，突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構。可以說，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征[4]。
3 現場總線及現場總線控制系統
3.1 現場總線的概念
現場總線是應用于生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。即通過該系統將傳感器、執行器與控制器等“現場”設備相互連接起來，形成具有控制功能的系統[2]。
3.2 現場總線與局域網的區別
按功能比較，現場總線連接自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備，網線上傳輸的是檢測、狀態、控制信息等小批量數據信息，傳輸速率低，但實時性高。局域網用于連接局域區域的各臺計算機，是一種高速信息網絡，網線上傳輸的是文本、聲音、圖像等大批量的數字信息，傳輸速率高，但不要求實時性。按實現方式比較，現場總線可采用雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等通訊介質，實現成本低。局域網需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實現成本高。
3.3 現場總線控制系統體系結構
現場總線控制系統通常由現場智能儀表、控制器，現場總線系統，監控、組態計算機三部分組成。它由三層網絡組成: 最底層(即I/O 端)為低速現場總線(如FF的H1, Device Net或Profibus的PA)連成的控制網絡CNET，連接各種智能儀表(包括壓力變送器、溫度變送器、流量測量儀表及調節閥等)，各控制器節點下放到現場, 構成一種徹底的分布式控制體系結構；中間一層采用中速網(如FF 的H2 或Profibus的DP)連接控制器、數據集中器、遠程I/O及智能I/O設備，形成系統網絡SNET；最上一層即決策支持層MNET，采用高速以太網連接各控制器與站級計算機。現場總線控制系統是一個實現電氣傳動控制、儀表控制和計算機控制一體化的系統結構，它的網絡拓撲結構可采用線形、總線形、星形、環形等。一般情況下采用線形結構,通訊介質可用雙絞線、光導纖維電纜、同軸電纜、電力線、無線、紅外線等各種形式。
4 現場總線的技術特點
現場總線在技術上主要具有以下特點：
4.1 系統的開放性
開放系統是指通信協議公開，不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的，開放系統把系統集成的權利交給了用戶，用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
4.2、互可操作性與互用性
互可操作性是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。
4.3 現場設備的智能化與功能自治性
現場總線設備能處理各種參數、運行狀態信息及故障信息，能在部件、甚至網絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統的可靠性和容錯能力。
4.4 系統結構的高度分散性
由于現場設備本身可完成自動控制的基本功能，控制站功能分散在現場儀表中，通過現場儀表就可以構成控制回路，實現了徹底的分散控制，從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了系統的可靠性、自治性和靈活性。
4.5 對現場環境的適應性
作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本安防爆要求等。
5 現場總線技術的發展現狀與展望
5.1 現場總線技術的發展現狀
從20世紀90年代以后，現場總線技術得到了迅猛發展，出現了群雄并起、百家爭鳴的局面。目前已開發出有40多種現場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影響力的有5種，分別是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART[2]。
5.1.1 FF是現場總線基金會(Field bus Foundation)的簡稱，由美國儀器協會（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount
主要應用于石油化工、連續工業過程控制中的儀表。
FF遵照 ISO/OSI模型，其通信模型由物理層，數據鏈路層，應用層及用戶層四層構成，在OSI模型基礎之外增加了用戶層。FF定義兩種速率的總線，低速總線H1采用本安型總線供電，滿足本安防爆要求，支持總線型或樹型，波特率為31.25kbps，傳輸距離為0.2km-1.9km(取決于介質)；高速總線H2，支持總線型，波特率為1.0Mbps/750m或2.5Mbps/500m。FF采用容令牌和查詢通信方式為一體的技術。
5.1.2 Lon Works是局部操作網絡系統（Local operating network）的簡稱，它是美國Echelon公司1991年推出，主要應用于樓宇自動化、工業 自動化和電力行業等。
Lon Works采用Lon talk通訊協議，遵循 ISO/OSI參考模型，提供了OSI所定義的全部7層服務，在所有現場總線中是獨一無二的。Lon works能支持防爆區，通信速率為78Kbps/2700m，1.25Mbps/130m，節點數32000個，傳輸介質可為雙絞線，同軸電纜，光纖，電源線等。Lon works的核心是Neuron(神經元)芯片，內含3個8位CPU，第一個CPU為介質訪問控制處理器，處理Lon talk協議的第一層和第二層；第二個CPU為網絡處理器，實現Lon talk的第3層到第6層的功能，第3個CPU為應用處理器，實現Lon talk的第七層協議，執行由用戶編的代碼及用戶的代碼所調用的操作系統服務。
5.1.3 Profibus是Process Field Bus的簡稱，是德國西門子公司于1987年推出，主要應用于PLC。
Profibus由Profibus-FMS(Field bus Message Specification現場總線報文規范)、Profibus-DP(Decentralized Periphery分散型外圍設備)、Profibus-PA(Process Automation過程自動化)三部分組成。Profibus-FMS使用 RS-485時為9.6k-500k波特，距離1.6km-4.8km，最多可接122個節點，使用 FSK(頻移鍵控)時最多32個節點，距離可達5km，介質可為雙絞線或光纜；Profibus-DP使用RS-485時為9.6K-12M波特，最大距離：12M波特時為100m，1.5M波特時為200m，可用中繼器加大距離，最大站數126；Profibus-PA采用總線供電，支持安防爆要求，通信速率為31.25kbps，最大距離為≤1.9km，其每一段上可連接的儀表臺數≤32臺,取決于所接入總線儀表設備的耗電量和應用的最大總線電流，只要饋入總線的電源不超過規定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險區域中運行的本質安全性。
Profibus遵循ISO/OSI模型，通信模型由物理層，數據鏈路層和應用層三層構成，使用單一的總線存取協議，數據鏈路層采用混合介質存取方式，即主站間按令牌方式，主站和從站間按主從方式工作。DP和FMS使用了同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，PA和DP之間使用分段耦合器能方便地集成在一起。
5.1.4 CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱，是由德國的Bosch公司及幾個半導體生產商開發出來于1993年推出的，應用于汽車監控、開關量控制、制造業等。
CAN協議遵循 ISO/OSI模型，采用了其中的物理層，鏈路層與應用層的三層結構。通信速率為5Kbps/10km，lMbps/40m，節點數可達110個，傳輸介質可以是雙絞線，光纖等，信號傳輸采用短幀結構，每一幀有效字節數為8個，當CAN節點發生嚴重錯誤時，自動切斷與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN采用點對點，一點對多點及全局廣播幾種發送和接收數據，可實現全分布式多機系統，且無主從之分。CAN采用非破壞性的總線仲裁技術，不能支持防爆區。
5.1.5 HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠程傳感器數據通路）是美國Rosemount公司1989年推出，主要應用于智能變送器。
HART協議參照 ISO/OSI模型，通訊模型由物理層，數據鏈路層和應用層三層構成。HART支持模擬、數字信號在同一線路上同時存在，可實現與其它模擬設備混合使用，通訊速率在4-20mA DC模擬信號上疊加FSK數字信號時為1200bps，用屏蔽雙絞線單臺設備距離可達3000m，而多臺互連距離可達1500m。HART通訊模式為“問答式”，或“廣播式”，能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
5.2 現場總線技術的應用展望
現場總線技術的產生促進了現場設備的數字化和網絡化，使現場控制的功能更加強大。由于采用了現場總線技術而帶來了過程控制系統的開放性，使得系統成為具有測量、控制、執行和過程診斷等綜合能力的控制網絡。為更好適應工業過程控制的需要，今后現場總線技術會從以下幾個方面發展：
(1)基于現場總線的一次儀表和二次儀表的研制
現在，生產自動化儀表的廠家必須向現場總線靠攏，開發出具有現場總線結構的一次及二次儀表。檢測、變換、補償、控制、告警、趨勢分析等功能可以分散在現場解決，簡化上層系統，徹底實現分散控制、集中管理以提高系統的可靠性和穩定性。
(2)基于現場總線網絡設備的軟、硬件開發
系統的開放性和通信問題是分散控制系統的突出問題，它需要解決不同廠家軟、硬件產品能否集中到一個系統的問題。如Lon Works總線技術的產品，只要遵循Lon Talk標準，幾百家不同產品均可連接在一個系統中，所以要進行網絡設備的研制必須遵循現場總線的統一標準。
(3)開放的組態技術研究
目前現場總線系統的組態是比較復雜的，需要組態的參數多，各參數之間的關系比較復雜，所以研究開放的組態技術也是現場總線的發展趨勢。開放的組態技術的研究主要還包括網絡拓撲結構、網絡設備、網段互聯等。在異構網連接的網關路由的開發方面，Lon Works具有獨特的優勢。
(4)網絡設計與網絡管理技術的增強
網絡設計的重點是從物理形態上考慮通信網絡和輸入、輸出線纜網絡的布置，減少信息的往返傳遞是現場總線系統中網絡設計和系統組態的一條重要原則。因此，網絡設計時應優先將相互間信息交換量大的節點放在同一條支路里。網絡管理技術主要還包括網絡管理軟件、網絡數據操作與傳輸。現場總線的出現形成了低層網絡，應同時提供與企業網、國際互聯網相連接的可能性。
(5)基于現場總線技術的全開放控制系統集成技術的開發
自動化系統與設備將朝著現場總線體系結構的方向發展，并且涉及的應用領域十分廣闊，幾乎覆蓋了所有的過程控制領域。
(6)控制網絡與數據網絡的結合
實現Internet-Intranet-Infranet體系結構，對于人們的生產和生活有著重要的意義。如遠程監控系統就是該體系在生產控制領域內的應用之一。現場總線系統接入Internet，在一定的條件下便可通過Internet監視，并控制這些生產系統和現場設備的運行狀況和各種參數[3]。
6 結束語
現場總線技術是電子、儀器儀表、計算機技術和網絡技術的發展成果，對自動化控制系統和儀器儀表未來的發展必將具有重要的影響。目前現場總線并存的局面將使現場總線的全面應用并取代DCS控制系統還需很長一段時間，在這段時間，FCS與DCS相容并蓄，共同發展。我國在應用推廣現場總線技術過程中，應跟蹤并采用國際先進的技術，注重采用TCP/P等開放、免費的技術，這樣不但可以節約資金，減少技術的依賴性，有利于自主知識產權技術的開發，而且減少了專有網絡的影響，有利于降低項目投資費用，形成公平的市場競爭環境，有利于我國與國際接軌。
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