紫金橋淺談現(xiàn)場總線
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控制系統(tǒng)的發(fā)展以及現(xiàn)場總線的產(chǎn)生
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，過程控制領(lǐng)域在過去的兩個(gè)世紀(jì)里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現(xiàn)的基于5－13psi的氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（PCS，Pneumatic Control System氣動(dòng)控制系統(tǒng)），標(biāo)志著控制理論初步形成，但此時(shí)尚未有控制室的概念；20世紀(jì)50年代，隨著基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號(hào)的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)，設(shè)立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀(jì)70年代，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了"集中控制"的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而信號(hào)傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號(hào)，不久人們也發(fā)現(xiàn)了伴隨著"集中控制"，該系統(tǒng)存在著易失控、可靠性低的缺點(diǎn)，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System分布式控制系統(tǒng)）；微處理器的普遍應(yīng)用和計(jì)算機(jī)可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表以及智能部件實(shí)現(xiàn)的分布式控制是其最主要的特征，而數(shù)字傳輸信號(hào)也在逐步取代模擬傳輸信號(hào)。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。設(shè)備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護(hù)性等都有更高的要求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。
現(xiàn)場總線的實(shí)質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)
1984年，現(xiàn)場總線的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,國際電工委員會(huì)）對現(xiàn)場總線（Fieldbus）的定義為：現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)。
不同的機(jī)構(gòu)和不同的人可能對現(xiàn)場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認(rèn)現(xiàn)場總線的本質(zhì) 體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：
現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)
用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)
依據(jù)實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場設(shè)備或者現(xiàn)場儀表相互關(guān)聯(lián)。
互操作性
用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號(hào)的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。
分散功能塊
FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表, 從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。
通信線供電
通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表, 與其配套的還有安全柵。
開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。
從以上內(nèi)容我們可以看到，現(xiàn)場總線體現(xiàn)了分布、開放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)，而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點(diǎn)。DCS通常是一對一單獨(dú)傳送信號(hào)，其所采用的模擬信號(hào)精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調(diào)整參數(shù)和預(yù)測故障，處于"失控"狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標(biāo)準(zhǔn)，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現(xiàn)代的要求，而且?guī)缀跛械目刂乒δ芏嘉挥诳刂普局?。FCS則采取一對多雙向傳輸信號(hào)，采用的數(shù)字信號(hào)精度高、可靠性強(qiáng)，設(shè)備也始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)控和可控狀態(tài)，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設(shè)備互聯(lián)，智能儀表具有通信、控制和運(yùn)算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個(gè)智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進(jìn)步。
也正是由于FCS的以上特點(diǎn)使得其在設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)都具有很大的優(yōu)越性：首先由于分散在前端的智能設(shè)備能執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以掛接多了設(shè)備，大大節(jié)約了安裝費(fèi)用；由于現(xiàn)場控制設(shè)備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護(hù)工作；同時(shí)，由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品；整體系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性也大為提高。這一切都幫助用戶實(shí)現(xiàn)了減低安裝、使用、維護(hù)的成本，最終達(dá)到增加利潤的目的。
現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀
由于各個(gè)國家各個(gè)公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會(huì)/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現(xiàn)場總線市場有著以下的特點(diǎn)：
多種現(xiàn)場總線并存
目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會(huì)現(xiàn)場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動(dòng)化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有８０％左右的市場。
各種總線都有其應(yīng)用的領(lǐng)域
每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。
每種現(xiàn)場總線都有其國際組織和支持背景
大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個(gè)或幾個(gè)大型跨國公司為背景并成立相應(yīng)的國際組織，力圖擴(kuò)大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺(tái)，成立了WorldFIP國際用戶組織。
多種總線成為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)
為了加強(qiáng)自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，比如PROFIBUS已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成為法國標(biāo)準(zhǔn)等。
設(shè)備制造商參與多個(gè)總線組織
為了擴(kuò)大自己產(chǎn)品的使用范圍，很多設(shè)備制造商往往參與不止一個(gè)甚至多個(gè)總線組織。
各個(gè)總線彼此協(xié)調(diào)共存
由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標(biāo)準(zhǔn)中也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。
工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，要求也千變?nèi)f化，使用一種現(xiàn)場總線技術(shù)也很難滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求；現(xiàn)場總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人們將會(huì)面對一個(gè)多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個(gè)技術(shù)規(guī)范，也是一個(gè)商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。
主流現(xiàn)場總線簡介
下面就幾種主流的現(xiàn)場總線做一簡單介紹。
1基金會(huì)現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）
這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。
基金會(huì)現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，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)。FF的物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼切斯特編碼。
CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域網(wǎng)）
最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。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。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級(jí)來避免沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達(dá)40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。
評(píng)論