系統(tǒng)總線的組成及其特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概念、組成、特點(diǎn)
FCS
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制是工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制的一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。它是依靠具有檢測(cè)、控制、通信
能力的微處理芯片，數(shù)字化儀表（設(shè)備）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場(chǎng)分散的測(cè)量，控
制設(shè)備單個(gè)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些點(diǎn)以總線形式連接起來(lái)，形成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它是屬
于最底層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，它將原來(lái)集散型的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的功能
，全部分散在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處。為此，可以將原來(lái)封閉、專(zhuān)用的系統(tǒng)變成開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。使得
不同制造商的產(chǎn)品可以互連，是DCS系統(tǒng)的更新?lián)Q代，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，更好滿足了實(shí)
事性要求，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。不同通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)一般通過(guò)工業(yè)PC機(jī)內(nèi)總線
插槽的PC接口板與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段連接。
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)三個(gè)部分組成，而通信部分的硬、軟件是
它最有特色的部分。
　　1、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)：
　　它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護(hù)軟件、仿真軟件、設(shè)備軟
件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開(kāi)發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機(jī)接口軟件MMI。通過(guò)組態(tài)軟件，完成功能塊
之間的連接，選定功能塊參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)
處理、計(jì)算。優(yōu)化控制及邏輯控制報(bào)警、監(jiān)視、顯示、報(bào)表等。
　　2、現(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)量系統(tǒng)：
　　其特點(diǎn)為多變量高性能的測(cè)量，使測(cè)量?jī)x表具有計(jì)算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號(hào)，具
有高分辨率，準(zhǔn)確性高、抗干擾、抗畸變能力強(qiáng)，同時(shí)還具有儀表設(shè)備的狀態(tài)信息，可以對(duì)處理過(guò)
程進(jìn)行調(diào)整。
　　3、設(shè)備管理系統(tǒng)：
　　可以提供設(shè)備自身及過(guò)程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠商
提供的設(shè)備制造信息。例如Fisher-Rosemoune公司，推出AMS管理系統(tǒng)，它安裝在主機(jī)算機(jī)內(nèi)，由它
完成管理功能，可以構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的綜合管理系統(tǒng)信息庫(kù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠性分析
以及預(yù)測(cè)性維護(hù)。將被動(dòng)的管理模式改變?yōu)榭深A(yù)測(cè)性的管理維護(hù)模式AMS軟件是以現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器為平臺(tái)
的T型結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器上支撐模塊化，功能豐富的應(yīng)用軟件為用戶提供一個(gè)圖形化界面。
　　4、總線系統(tǒng)計(jì)算機(jī)服務(wù)模式：
　　以客戶機(jī)/服務(wù)器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)服務(wù)模式。服務(wù)器表示數(shù)據(jù)源（提供者
），應(yīng)用客戶機(jī)則表示數(shù)據(jù)使用者，它從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步進(jìn)行處理?？头繖C(jī)運(yùn)行在
ＰＣ機(jī)或工作站上。服務(wù)器運(yùn)行在小型機(jī)或大型機(jī)上，它使用雙方的智能、資源、數(shù)據(jù)來(lái)完成任務(wù)
。
　　5、數(shù)據(jù)庫(kù)：
　　它能有組織的、動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)大量有關(guān)數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享、交叉訪問(wèn)，具有
高度獨(dú)立性。工業(yè)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中參數(shù)連續(xù)變化，數(shù)據(jù)量大，操作與控制的實(shí)時(shí)性要求很高。因
此就形成了一個(gè)可以互訪操作的分布關(guān)系及實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，市面上成熟的供選用的如關(guān)系數(shù)
據(jù)庫(kù)中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的Infoplus，PI，ONSPEC等。
　　6、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件與軟件：
　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件有：系統(tǒng)管理主機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換器、集線器，用戶計(jì)算機(jī)等及底層
智能化儀表。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件有網(wǎng)絡(luò)操作軟件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服務(wù)器操作軟件如
Lenix，os/2，Window NT。應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等。
　　1、在功能上管理集中，控制分散，在結(jié)構(gòu)上橫向分散、縱向分級(jí)。
　　2、要有快速實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，對(duì)于工業(yè)設(shè)備的局域網(wǎng)絡(luò)，它主要的通信量是過(guò)程信息及操作管理
信息，信息量不大，傳輸速率不高在1MPS以下，信息傳輸任務(wù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單但其實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間要求
較高為0.01-0.5S。所謂實(shí)時(shí)性是在網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中能在線實(shí)時(shí)采集過(guò)程的參數(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)
行加工處理，并迅速反饋給系統(tǒng)完成過(guò)程控制，滿足過(guò)程控制對(duì)時(shí)間限制的要求。除了控制管理計(jì)
算機(jī)系統(tǒng)的外部設(shè)備外，還要控制管理控制系為統(tǒng)的設(shè)備，并具有處理隨機(jī)事件能力。實(shí)際操作系
統(tǒng)應(yīng)保證在異常情況下及時(shí)處置，保證完成任務(wù)，或完成最重要的任務(wù)，要求能及時(shí)發(fā)現(xiàn)糾正隨機(jī)
性錯(cuò)誤，至少保證不使錯(cuò)誤影響擴(kuò)大，應(yīng)具有抵制錯(cuò)誤操作和錯(cuò)誤輸入信息的能力。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線
控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要措施為：
　?。?）OSI協(xié)議中7層都是提供高度的功能性服務(wù)，為此降低了通信流量和增大傳輸時(shí)間，因而影
響實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。因此將OSI七層通信協(xié)議，采取不同程度的簡(jiǎn)化，減少由于層間轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，而
影響實(shí)時(shí)響應(yīng)能力?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的通信協(xié)議一般為物理層、鏈路層、應(yīng)用層，再增加一個(gè)用
戶作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，互連成底層總線網(wǎng)。如PRUFIBUS總層的四層結(jié)構(gòu)。
　?。?)）把基本控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)具有智能的芯片或功能塊中，使控制功能徹底分散，直接面
對(duì)對(duì)象，接口直觀簡(jiǎn)、結(jié)。把同時(shí)具有控制、測(cè)量與通信功能的功能塊，與功能塊應(yīng)用進(jìn)程，作為
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，互連成底層總線網(wǎng)。如PRUFIBUS總線系統(tǒng)，按照主站、從站分，把底層的通信及控制集
中在從站來(lái)完成。各公司廠商提供較齊全的各類(lèi)主站與從站列芯片，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單又便宜。有如
LONWORKS雖然通信協(xié)議與OSI相同為七層，但全部固化在一個(gè)神經(jīng)芯元片中，不需要經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，同
樣可加快實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，同時(shí)應(yīng)用程序定義一個(gè)特殊對(duì)象網(wǎng)絡(luò)變量存在于神經(jīng)元芯片ROM中
，它是在節(jié)點(diǎn)代碼編譯時(shí)確定，將不同節(jié)點(diǎn)。同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)變量連接起來(lái)進(jìn)行自控，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)
發(fā)和安裝分布系統(tǒng)過(guò)程。
　?。?）介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議：一般采用令牌傳遞總線訪問(wèn)方式（TOKEN BUS）既可達(dá)到通信快速的目的
，又可以有較高的性?xún)r(jià)比，對(duì)于多路訪問(wèn)沖突檢測(cè)（CSMA/CD）方法，雖然通信管理上較為簡(jiǎn)單，但
并不能完全避免碰撞現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)比較復(fù)雜，此外在線路中常態(tài)干擾與差錯(cuò)往往和碰撞難以
區(qū)別，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，并不十分適合。所以大部分總線控制系統(tǒng)
均為令牌傳遞訪問(wèn)。只有LONWORKS采用改進(jìn)型的，即帶預(yù)測(cè)P的CSMA訪問(wèn)方式。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送
信息時(shí)，先帶預(yù)測(cè)Ｐ測(cè)一下網(wǎng)絡(luò)是否空閑，有空閑則發(fā)送，沒(méi)有空閑則暫時(shí)不發(fā)，這樣就避免了碰
撞減少了網(wǎng)絡(luò)碰撞率，提高了重載時(shí)的效率。并采用了緊急優(yōu)先機(jī)制，以提高它的實(shí)時(shí)性與可靠性
。
　?。?）通信方式：一般分調(diào)度通信和非調(diào)度通信多數(shù)為調(diào)度通信，用于設(shè)備間周期性傳輸，控制
的數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)定。非調(diào)度通信用于參數(shù)設(shè)置、設(shè)備診斷報(bào)警處理。從其功能上分，有主站與從站區(qū)
分。從站僅對(duì)收到信息時(shí)確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)信息，所以只需總線協(xié)議一小部分，既經(jīng)
濟(jì)，實(shí)時(shí)性也強(qiáng)。
　　3、產(chǎn)品要具有互操作性
　　各制造商產(chǎn)品要通過(guò)所屬各類(lèi)總線制協(xié)議符合其規(guī)定的OSI標(biāo)準(zhǔn)一次性測(cè)試，及互操作性測(cè)試
，并以專(zhuān)門(mén)測(cè)試中心認(rèn)證。為了提高其可靠性，還要經(jīng)過(guò)在惡劣環(huán)境下魯棒測(cè)試。接口技術(shù)采用了
OEM集成方法構(gòu)成產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)開(kāi)放式傳輸。
　　因此，對(duì)于同一類(lèi)型協(xié)議的不同制造商產(chǎn)品可以混合組態(tài)與調(diào)用為一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，使它具有互
操作性。
　　4、要求具有較高可靠性措施：
　?。?）硬件經(jīng)過(guò)嚴(yán)格挑選，采用專(zhuān)用芯片（ASIC）和表面安裝技術(shù)（SMT）。
　?。?）系統(tǒng)軟件選用成熟適合實(shí)際需要的簡(jiǎn)單易用軟件，及好的工具軟件。應(yīng)用軟件采用功能模
塊化設(shè)計(jì)，定義清晰明確。
　?。?）可通過(guò)在線可快速排除故障，強(qiáng)化硬件可修復(fù)性，如I/O模板可帶電插拔，且診斷故障顯
示，故障時(shí)部件自動(dòng)隔離等
　?。?）軟件上分離化體系結(jié)構(gòu)及各過(guò)程站有地域上各自獨(dú)立的局部數(shù)據(jù)庫(kù)。并經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)在邏
輯上形成全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。
　?。?）有多級(jí)安全措施，采用容錯(cuò)技術(shù)與冗余技術(shù)。
　　現(xiàn)場(chǎng)總線的主要產(chǎn)品
　　連接于總線上的產(chǎn)品，可以分為有源和無(wú)源兩大類(lèi)。
　　有源產(chǎn)品可以產(chǎn)生通訊信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)、調(diào)整信號(hào)或者兼而有之。 有源產(chǎn)品包括以下部件：
　
　　1. 節(jié)點(diǎn)（Node）-總線上可以編址的設(shè)備。
　　2. 總線模塊(Bus Module)-任何形式的現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，可以使用端子或接插件連接傳感器、閥門(mén)、
按鈕等各種現(xiàn)場(chǎng)裝置。
　　3. 網(wǎng)關(guān)（Gateway）：一種特殊的節(jié)點(diǎn)，用于兩種不同的總線之間的信號(hào)和數(shù)據(jù)變換。
　　4. 放大器 - 一種用于實(shí)時(shí)（加強(qiáng)）信號(hào)，以精確復(fù)制原始信號(hào)。連接同一總線的兩部分，解
決通訊信號(hào)在通訊線上由于電氣損耗而造成的衰減。當(dāng)信號(hào)變?nèi)醵蛔冃螘r(shí)可以使用放大器。
　　5. 中繼器（Repeater）-用于加強(qiáng)信號(hào)，產(chǎn)生不變形的新信號(hào)。連接同一總線的兩，當(dāng)信號(hào)變
弱或變形時(shí)可以使用中繼器。
　　6. 橋（Bridge）- 有兩類(lèi)橋。一種是用于連接同一種協(xié)議，不同傳輸速度的兩個(gè)段。另一種是
一種智能的中繼器，當(dāng)通訊的源地址和目的地址位于不同總線段時(shí)，用于重復(fù)兩個(gè)段間的數(shù)據(jù)。橋
必須被編程設(shè)定地址和相關(guān)的段。當(dāng)橋讀地址時(shí)，要有幾個(gè)位的等待時(shí)間。橋可以應(yīng)用于設(shè)備級(jí)總
線，但應(yīng)用并不普遍。
　　7. 路由器（Router）- 用于廣域網(wǎng)的高等級(jí)橋。這類(lèi)產(chǎn)品很少應(yīng)用于設(shè)備級(jí)總線。
　　8. 有源多端口分接器（Active hub）- 多端口中繼器或放大器，以增加總線的分支能力。
　　9. 接口卡、接口模塊（Interface card, interface module）-指網(wǎng)關(guān)的常用術(shù)語(yǔ)，作為PLC或
PC到設(shè)備及總線的接口。
　　無(wú)源總線產(chǎn)品包括：
　　a. T型分支（Tee）-用于產(chǎn)生總線上的一路分支 　　
　　b. 無(wú)源多端口分接器（Passive hub）-多端口T型分支。
　　c. 終端電阻（Terminating Resistor）-安裝在總線的始端和末端的電阻，用于穩(wěn)定和調(diào)整信
號(hào)。
　　d. 總線電纜（Busline）-連接節(jié)點(diǎn)，傳送數(shù)據(jù)的各種電纜。