現(xiàn)場總線技術(shù)及其控制系統(tǒng)縱橫談
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總之，現(xiàn)場總線是３Ｃ技術(shù)（計(jì)算機(jī)、通訊、控制）的融合。其技術(shù)的特點(diǎn)是：信號輸出全數(shù)字、控制功能全分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開發(fā)。
４ 現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別
（１）按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實(shí)時(shí)性高。簡而言之，現(xiàn)場總線是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計(jì)算機(jī)，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實(shí)時(shí)性。從這個(gè)意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。
（２）按實(shí)現(xiàn)方式比較，現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質(zhì)，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實(shí)現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實(shí)現(xiàn)成本高。
５ 現(xiàn)場總線系統(tǒng)ＦＣＳ與集散控制系統(tǒng)ＤＣＳ的比較
ＦＣＳ是在ＤＣＳ的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，ＦＣＳ順應(yīng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代ＤＣＳ。這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生、發(fā)展都是在對舊事物的揚(yáng)棄中進(jìn)行的，ＦＣＳ與ＤＣＳ的關(guān)系必然也不例外。ＦＣＳ代表潮流與發(fā)展方向，而ＤＣＳ則代表傳統(tǒng)與成熟，也是獨(dú)具優(yōu)勢的事物。特別是現(xiàn)階段，
ＦＣＳ尚沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)而呈群雄逐鹿之勢，ＤＣＳ則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占據(jù)著一個(gè)尚不可完全替代的地位。筆者認(rèn)為：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)ＦＣＳ應(yīng)該與集散式控制系統(tǒng)ＤＣＳ相互兼容。首先以工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結(jié)構(gòu)簡單，從而布線費(fèi)用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現(xiàn)場信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在ＦＣＳ系統(tǒng)初裝的前提下，倘若企業(yè)建立有完善的ＤＣＳ，現(xiàn)在要向ＦＣＳ過渡，則必須仔細(xì)考慮現(xiàn)有投資對已有投資的回報(bào)率。充分利用已有的ＤＣＳ設(shè)施，現(xiàn)有ＤＣＳ 的布線以及成熟的ＤＣＳ控制管理方式來實(shí)現(xiàn)ＦＣＳ是我們應(yīng)選之途。雖然現(xiàn)場總線對已有的數(shù)字現(xiàn)場協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過渡的代價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求ＦＣＳ與ＤＣＳ應(yīng)相兼容。ＦＣＳ實(shí)現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場層，使ＤＣＳ的多層網(wǎng)絡(luò)被扁平化，各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立功能得以加強(qiáng)，因此，在ＦＣＳ中有必要增加和完善現(xiàn)場子層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊功能。由于歷史的原因，ＤＣＳ通常擁有大型控制柜用以協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備，同時(shí)更強(qiáng)調(diào)層與層的數(shù)據(jù)傳輸。可見，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。ＤＣＳ適用于較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率；ＦＣＳ則更適用于較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及更靈活的處理數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過一定值過于偏大時(shí)，如果同層的設(shè)備過于獨(dú)立，則很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的堵塞。要解決這個(gè)問題，擬設(shè)立一個(gè)適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設(shè)備，必然是有益的，ＤＣＳ就能輕松地勝任這一工作。可見，為使ＦＣＳ的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒ＤＣＳ的一些控制思想的。
要把握新世紀(jì)工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢，無論在學(xué)術(shù)研究或是工程應(yīng)用方面都有必要使ＦＣＳ綜合與繼承ＤＣＳ的成熟控制策略；與此同時(shí)，ＤＣＳ的發(fā)展也應(yīng)追尋ＦＣＳ控制策略的新思想，使其具有新的生命力。ＤＣＳ應(yīng)能動(dòng)地將底層控制權(quán)交付給ＦＣＳ系統(tǒng)，將較高層的系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理功能發(fā)揚(yáng)光大，完成對新時(shí)代，新形勢的工業(yè)控制系統(tǒng)的智能設(shè)備集成。
６ 當(dāng)前流行的幾類現(xiàn)場總線
（1）基金會現(xiàn)場總線ＦＦ：基金會總線（ＦＦ，Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有專有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Ｆｉｓｈｅｒ－Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ公司為首，聯(lián)合Ｆｏｘｂｏｒｏ、橫河、ＡＢＢ、西門子等８０家公司制訂的ＩＳＰ協(xié)議和以Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司為首，聯(lián)合歐洲等地的１５０家公司制訂的Ｗｏｒｌｄ ＦＩＰ協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團(tuán)于１９９４年 ９月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ＩＳＯ／ＯＳＩ開放系統(tǒng)層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動(dòng)化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。由于這些公司是該領(lǐng)域現(xiàn)場自控設(shè)備發(fā)展方向的能力，因而由它們組成的基金會所頒布的現(xiàn)場總線規(guī)范具有一定的權(quán)威性。
基金會現(xiàn)場總線分低速Ｈ１和高速Ｈ２兩種通信速率。Ｈ１的傳輸速率為３１．２５ｋｂｐｓ，通信距離可達(dá)１９００ｍ（可加中繼器延長），可支持總線供電防爆環(huán)境。Ｈ２的傳輸可為１Ｍｂｐｓ和２．５Ｍｂｐｓ兩種，其通信距離分別為７５０ｍ和５００ｍ。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合ＩＥＣ１１５８－２標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。
基金會現(xiàn)場總線的主要技術(shù)內(nèi)容，包括ＦＦ通信協(xié)議、用于完成開放互連模型中第２～７層通信協(xié)議的通信棧（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｃｋ）用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作功能塊；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。１９９６年在芝加哥舉行的ＩＳＡ９６展覽會上，由現(xiàn)場總線基金組織實(shí)施，首次向世界展示了來自４０多家廠商的７０多種符合ＦＦ協(xié)議的產(chǎn)品并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的ＦＦ展品，用醒目的橙紅色電纜，展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的基本概貌。
（2）ＣＡＮ總線：ＣＡＮ總線最早是由德國Ｂｏｓｃｈ公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。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)，并且廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于ＯＳＩ模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提高了實(shí)時(shí)性。其節(jié)點(diǎn)有優(yōu)先級設(shè)定，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、廣播模式通信。各節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。ＣＡＮ總線采用短消息報(bào)文，每一幀有效字節(jié)數(shù)為８個(gè)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。
（3）ＬｏｎＷｏｒｋｓ總線：ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術(shù)是美國ＥＣＨＥＬＯＮ公司開發(fā)，并與Ｍｏｔｏｒｏｌａ和東芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了ＯＳＩ參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Ｎｅｕｒｏｎ芯片。Ｎｅｕｒｏｎ芯片實(shí)現(xiàn)完整的ＬｏｎＷｏｒｋｓ的ＬｏｎＴａｌｋ通信協(xié)議。其上集成有三個(gè)８位ＣＰＵ。一個(gè)ＣＰＵ完成ＯＳＩ模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì)訪問處理器。一個(gè)ＣＰＵ是應(yīng)用處理器，運(yùn)行操作系統(tǒng)與用戶代碼。還有一個(gè)ＣＰＵ為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對等通信。ＬｏｎＷｏｒｋｓ支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，其ＩＳ－７８本安物理通道使得它可以應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域。ＬｏｎＷｏｒｋｓ應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。
（4）ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線：ＰＲＯＦＩＢＵＳ是德國國家ＤＩＮ１９２４５和歐洲標(biāo)準(zhǔn)ＥＮ５０１７０的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ組成了ＰＲＯＦＩＢＵＳ系列。ＤＰ型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。ＦＭＳ意為現(xiàn)場信息規(guī)范，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而ＰＡ型則是用于過程自動(dòng)化的總線類型，它遵從ＩＥＣ１１５８－２標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了ＯＳＩ模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。ＦＭＳ還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為９．６ｋｂｐｓ－１２Ｍｂｐｓ，最大傳輸距離在１２Ｍｂｐｓ時(shí)為１００ｍ１．５Ｍｂｐｓ時(shí)為４００ｍ，可用中繼器延長至１０ｋｍ其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接１２７站點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。
ＰＲＯＦＩＢＵＳ支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權(quán)，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。
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