現(xiàn)場總線技術的發(fā)展與應用

1、現(xiàn)場總線技術的發(fā)展與應用摘要：現(xiàn)場總線作為一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，近年來得到了迅猛的發(fā)展和應用。為此本文闡述了現(xiàn)場總線的發(fā)展和多現(xiàn)場總線技術的應用。關鍵字：現(xiàn)場總線自動化控制系統(tǒng)1概述在計算機自動控制系統(tǒng)急速發(fā)展的今天，特別是考慮到現(xiàn)場總線已經(jīng)普遍地滲透到自動控制的各個領域的現(xiàn)實，現(xiàn)場總線必將成為電工自動控制領域主要的發(fā)展方向之一。現(xiàn)場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域；并且國外大公司已經(jīng)在大力拓展中國市場，發(fā)展我國的現(xiàn)場總線產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩?，F(xiàn)場總線對自動化技術的影響意義深遠。當今可以認為現(xiàn)場總線是提高自動化系統(tǒng)整體水平的基礎技術，對國民經(jīng)濟影響重大。因此，要在自

2、動化領域中推廣應用和發(fā)展現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是近年來自動化領域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡，具有協(xié)議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標準尚未建立。較著名的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、HART現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS-INTERFACE總線等。自動化控制系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡把眾多的帶有通信接口的控制設備、檢測元件、執(zhí)行器件與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，實現(xiàn)集中數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調(diào)

3、度的新型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。從目前國內(nèi)外自動化控制系統(tǒng)所應用的現(xiàn)場總線來看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現(xiàn)場總線。以上系統(tǒng)基本上都是采用單一的現(xiàn)場總線技術，即整個自動化控制系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場總線，整個系統(tǒng)構造比較單一?，F(xiàn)場總線已不僅僅是一個新技術領域或新技術問題，在研究它的同時，我們發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)改變了我們的觀念；如何去看待現(xiàn)場總線，要比研究它的技術細節(jié)更為重要。1.1 現(xiàn)場總線是一個巨大的商業(yè)機會一項權威報告聲稱現(xiàn)場總線的應用將使控制系統(tǒng)的成本下降67；巨大的商業(yè)利益直接導致產(chǎn)生一個巨大的市場，并且促使傳統(tǒng)市場萎縮，從而引發(fā)技術進步。這些對于我

4、們行業(yè)來說都很重要，因為我們正處在新舊市場交替的關口。1.2.現(xiàn)場總線是一場技術革命現(xiàn)場總線帶來了觀念的變化，我們以往開發(fā)新產(chǎn)品，往往只注意產(chǎn)品本身的性能指標，對于新產(chǎn)品與其它相關產(chǎn)品的關聯(lián)就考慮比較少一點。這樣對于電工行業(yè)這樣一個比較保守的行業(yè)來說，新產(chǎn)品就不那么容易地被用戶接收。而現(xiàn)場總線產(chǎn)品卻恰恰相反，它是一個由用戶利益驅(qū)動的市場，用戶對新產(chǎn)品應用的積極性比生產(chǎn)商更高。然而，現(xiàn)場總線新產(chǎn)品的開發(fā)也與傳統(tǒng)產(chǎn)品不同；它是從系統(tǒng)構成的技術角度來看問題，它注重的是系統(tǒng)整體性能的提高，不強求局部最優(yōu)，而是整體的配合。這種配合在主控計算機軟件運行下能使控制系統(tǒng)應用新的理論來發(fā)揮最大的效能；這一點是傳

5、統(tǒng)產(chǎn)品很難做到的?，F(xiàn)場總線的“負跨越（指在技術水平提高的同時，掌握和應用這項新技術的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。2.現(xiàn)場總線的發(fā)展2.1 自動控制領域的發(fā)展過程2.1.150多年前第一代過程控制體系是基于513psi的氣動信號標準（氣動控制系統(tǒng)PCS,PneumaticControlSystem）。簡單的就地操作模式，控制理論初步形成，尚未有控制室的概念。2.1.2 第二代過程控制體系（模擬式或ACS,AnalogControlSystem）是基于010mA或420mA的電流模擬信號，這一明顯的進步,在整整25年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個自動控制領域。它表征了電氣自動控制時代的到來?？刂?/p>

6、理論有了重大發(fā)展，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎；控制室的設立，控制功能分離的模式一直沿用至今。2.1.3 第三代過程控制體系（CCS,ComputerControlSystem）.70年代開始了數(shù)字計算機的應用，產(chǎn)生了巨大的技術優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領域率先使用,從而產(chǎn)生了第三代過程控制體系（CCS,ComputerControlSystem）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領域的一次革命,它充分發(fā)揮了計算機的特長,于是人們普遍認為計算機能做好一切事情,自然而然地產(chǎn)生了被稱為“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng),需要指出的是系統(tǒng)的信號傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿用420mA的模

7、擬信號，但是時隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問題,失控的危險也集中了,稍有不慎就會使整個系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（DCS）。2.1.4 第四代過程控制體系（DCS,DistributedControlSystem分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導體制造技術的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計算機技術可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過程控制體系（DCS，或分布式數(shù)字控制系統(tǒng)），它主要特點是整個控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺計算機，而是由幾臺計算機和一些智能儀表和智能部件構成一個了控制系統(tǒng)。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個重要的發(fā)展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依

8、賴于420mA的模擬信號，而逐漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。2.1.5 第五代過程控制體系（FCS,FieldbusControlSystem現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）：FCS是從DCS發(fā)展而來，就象DCS從CCS發(fā)展過來一樣,有了質(zhì)的飛躍?！胺稚⒖刂啤卑l(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區(qū)別在于FCS有更廣闊的發(fā)展空間。2.2 現(xiàn)場總線崛起的過程80年代，微處理器及其相關技術的不斷發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)成為DCS發(fā)展的瓶頸。1982年，現(xiàn)場總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國開始進行現(xiàn)場總線標準的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)

9、議HART（HighwayAddressableRemoteTransducer，可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在420mA的DC信號上疊加FSK（FrepuencyShiftKeying,頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號，結果取得了很好的效果，同時Interbus等簡單的現(xiàn)場總線也都取得了成功。這樣DSC的發(fā)展的重點落在了現(xiàn)場總線上，開始了被稱為第五代過程控制體系（FCS,FieldbusControlSystem現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的時代。FCS是從DCS發(fā)展而來，有一個量變到質(zhì)變的過程。從表面上來看，F(xiàn)CS與DCS區(qū)別僅僅在于從“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數(shù)據(jù)的傳輸從“點到點”采用“總線”方

10、式。其實不然，當時系統(tǒng)論的觀點已被廣泛地接受，人們開始以大系統(tǒng)的概念來看待整個過程控制體系。系統(tǒng)的增大，導致了網(wǎng)絡的通訊技術急劇發(fā)展；于是科技界充分認識到在計算機系統(tǒng)的發(fā)展中起過重要作用的總線技術可以大大地推進控制系統(tǒng)的發(fā)展。整個控制系統(tǒng)就象是一臺巨大的“計算機”按總線方式運行，這樣資源的共享成了FCS的主要發(fā)展空間，于是現(xiàn)場總線應運而生，并且以前所未有的激烈程度展開了市場競爭。2.3 現(xiàn)場總線的技術基礎：現(xiàn)場總線以數(shù)字信號取代模擬信號，在3C技術即計算機(Computer)、控制(Control)、通信(Communication)的基礎上，大量現(xiàn)場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使

11、用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設備，一大批數(shù)字化、智能化的高新技術產(chǎn)品應運而生，自動化儀表與控制系統(tǒng)以嶄新的面貌呈現(xiàn)在廣大用戶面前。一般認為“現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS,FieldbusControlSystem)的角度來看，它的通訊網(wǎng)絡結構將是ISO的通訊模型的七層結構(一般簡化為三層,物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層)。2.4 各種現(xiàn)場總線與標準2.4.1 I

12、EC1984年提出現(xiàn)場總線國際標準的草案。1993年才通過了物理層的標準IEC11582。2.4.2 SP50IEC/ISASP50國際總線規(guī)范由Honeywell等公司共同開發(fā)。1984年美國儀表協(xié)會ISA(InstrumentSocietyofAmerica)下屬的標準實施(StandardandPractice)第50組，簡稱ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準，1992年IEC批準了SP50的物理層標準。2.4.3 Profibus,過程現(xiàn)場總線，1987年德國聯(lián)邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個研究所成立了一個專門委員會開始制定Profibus。1991年4月完成了制定工

13、作，在DIN19245中發(fā)表，對其進行了論述從而正式為德國現(xiàn)場總線的國家標準，現(xiàn)在是歐洲標準prENS50170的三個組成部分之一。被工業(yè)界稱為“德國派”。2.4.4 ISP和ISPF1992年由Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB等公司成立ISP組織(InteroperableSystemProject,可互操作系統(tǒng)規(guī)劃)，是一個以Profibus為基礎制定的現(xiàn)場總線，1993年成立ISPF(ISPFoundation,ISP基金會)。2.4.5 WorldFIP工廠儀表世界協(xié)議，1993年由Honeywell,Bailey等公司牽頭成立

14、FIP(FactoryInstrumentationProtocol)，120家公司加盟，以法國標準46602/603/604/606為基礎制定.該標準與德國的Profibus同時在歐洲投票通過為歐洲標準prEN50170,成為三個組成部分之一。被工業(yè)界稱為“法國派”。2.4.6 FF（FielbdusFoundation,現(xiàn)場總線基金會）1994年6月ISPF和WorldFIP握手言和成立了FF,總部設在美國Texas州的Austin,有會員120家，它是一個非商業(yè)化的公正的國際標準化組織和協(xié)會組織，無專利許可要求，供任何人使用（WorldFIP的歐洲部分在1995年3月才參加）。低速總線H

15、1已進入實用階段。FF發(fā)展的主要障礙來自Profibus的商業(yè)利益。2.5 幾種有影響的現(xiàn)場總線2.5.1 CAN由德國RobertBasch以及幾個集成電路制造商一起開發(fā)，最初是專門為汽車工業(yè)設計，后來推廣到各個領域.目前已由ISO/TC22技術委員會批準為ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是現(xiàn)場總線中唯一被批準為國際標準的現(xiàn)場總線。值得注意的是一些微處理器的生產(chǎn)商也在微處理器芯片中附加CAN的接口，并且成為一種潮流。而其他現(xiàn)場總線的協(xié)議芯片基本上是以專用的芯片來供應，這樣CAN在低成本方面優(yōu)勢明顯，此外CAN技術在抗干擾技

16、術方面頗有特色。2.5.2 LONworks（LocalOperationNetwork）局部操作網(wǎng)絡；1991年3月由美國的Echelon公司推出，是一種“智能網(wǎng)”，核心技術是節(jié)點由神經(jīng)元芯片（含三個CPU）構成，帶有OSI的七層網(wǎng)模型，適應面最廣，開發(fā)工具約1030萬，價格較貴。據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)品的40用于工業(yè)控制，30用于樓宇自動化。2.5.3 Hart和HCF1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)議HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在420mA的DC信號上疊加FSK（FrequencyShiftKeying，頻

17、率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號，是現(xiàn)場總線的過渡性協(xié)議，它對于現(xiàn)場總線的形成有重大影響，但是在電器行中發(fā)展的可能性很小。2.5.4一些可能對電器行業(yè)產(chǎn)生影響的低層次的現(xiàn)場總線：如：Bitbus,Interbus,ASInterface,DEVICENet,VXL等等。3. 多現(xiàn)場總線技術目前，在一些工程中通常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標準尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUSDP、MODBUS五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)

18、一于一個智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。隨著自動化技術和通信技術的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應用量越來越大，而且隨著用戶對智能化控制系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現(xiàn)場總線本身的特點以及相關的產(chǎn)品品種繁多，因此在智能化配電系統(tǒng)工程設計中，采用一種現(xiàn)場總線總線的智能化產(chǎn)品往往不能滿足應用的全面要求，多現(xiàn)場總線產(chǎn)品共存于一個智能化控制系統(tǒng)已成為一個現(xiàn)實的問題。由于多現(xiàn)場總線系統(tǒng)中不同類型的產(chǎn)品均配專

19、用的通信協(xié)議，有的廠家還專門為自己的產(chǎn)品開發(fā)了專用的通信卡、通信控制器等專用設備，因此，整個系統(tǒng)中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無法直接和主控單元進行通信，這嚴重防礙智能自動化控制系統(tǒng)設計中對智能設備的選擇。對應用而言,如果在一個智能化控制系統(tǒng)中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個智能化控制系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，使得系統(tǒng)的性能價格比不高，而且在系統(tǒng)進行改造或升級時，將要花費用戶更多的時間和費用。因此，多現(xiàn)場總線技術在一個智能化控制系統(tǒng)中的應用已成為一個重要的研究課題。對于智能化自動化控制領域來說，它的現(xiàn)場總線有一定的特殊性。同時它又不能完全脫離上層現(xiàn)場總線。對于智

20、能化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，特別是過程自動化系統(tǒng)將不得不面對幾個現(xiàn)場總線其原因是：3.1實際上過程自動化控制系統(tǒng)和高中壓電網(wǎng)控制系統(tǒng)存在各種不同的現(xiàn)場總線。3.2 建筑自動化系統(tǒng)在推廣Lonworks現(xiàn)場總線，用于智能大廈3.3FF有國家的大力支持，也許是重要的發(fā)展方向。3.4CAN的價格優(yōu)勢對低壓電器有很大的吸引力。3.5Profibus已經(jīng)有了不少應用。這是一個需要認真考慮的現(xiàn)實。智能化召開系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是個多層次的網(wǎng)絡,IEC62026本身就包含各種現(xiàn)場總線。IEC62026明確表示了高層的工業(yè)通訊網(wǎng)絡由IEC/SC65C考慮。FCS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的一個重要的發(fā)展方向是多層次的網(wǎng)絡

21、結構；向下連接低層次的現(xiàn)場總線，智能化控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡需要多層次的網(wǎng)絡。而智能設備需要非常靈活地與各種總線、控制對象等的配合控制和交換信息。實現(xiàn)各種總線相互間的轉(zhuǎn)換也是解決現(xiàn)場總線之爭的途徑之一。目前，在一些工程設計中通常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標準尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUSDP、MODBUS五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)一于一個智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果

22、一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，其技術復雜程度和管理、維護、擴展等因素都是影響現(xiàn)場總線在智能化控制系統(tǒng)中推廣應用，國際上的個大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。針對上述在智能化控制系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實際問題，在工程中的解決方案是做一個統(tǒng)一而簡單的子網(wǎng)：一個簡單的子網(wǎng)可能解決自動化控制系統(tǒng)的大部分控制問題。各智能化設備的各種現(xiàn)場總線接口的配合可以通過相應的協(xié)議芯片來解決。統(tǒng)一的子網(wǎng)可能使整個行業(yè)的開發(fā)成本最低，開發(fā)速度最快。為此提出了通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對現(xiàn)場總線協(xié)議進行處理，解決智能化控制系

23、統(tǒng)中多現(xiàn)場總線的兼容性問題，其目的是為了能將不同現(xiàn)場總線的產(chǎn)品和諧地融入一個系統(tǒng)中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長處，為那些希望使用不同廠家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶提供更大的靈活性。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是現(xiàn)場級的通用通信管理設備，由它把各個現(xiàn)場設備連成網(wǎng)絡，并負責現(xiàn)場設備與上位機之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場設備進行通信。4. 現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是采用模塊化結構和多CPU工作方式來設計的，因為模塊化的結構可以使系統(tǒng)有較強的擴展能力，為系統(tǒng)將來的升級換代帶來便利。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器主要由底

24、板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴展槽、固定支架、系統(tǒng)總線、信號線構成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶CPU。主控板負責管理整個系統(tǒng)以及與上位機的通信，通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通過RS232接口與上位機連接，主控板通過它與上位機進行信息交換，主要包括：管理系統(tǒng)總線，給協(xié)議板和接口板分配系統(tǒng)資源，與協(xié)議板進行信息交換，對來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進行處理，等待上位機提取。協(xié)議板是通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器的關鍵部分，所有與現(xiàn)場設備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現(xiàn)場總線協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進行一種現(xiàn)場總線協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶

25、可以根據(jù)實際情況進行選擇，接口種類有RS232、RS422、RS485等。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器與上位機以及與現(xiàn)場設備的通信都采用串行方式，而通信控制器內(nèi)部各插卡之間通過系統(tǒng)總線來完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過系統(tǒng)總線分別與協(xié)議板進行通信，各協(xié)議板之間不能進行通信。通信過程如下：主控板在系統(tǒng)總線上，通過廣播方式發(fā)送協(xié)議板號來呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號識別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號相符的協(xié)議板才響應主控板，從而實現(xiàn)主控板與協(xié)議板的通信。當用戶增加新的協(xié)議設備時，不必改動硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設置好協(xié)議板號，并在上位機的組態(tài)中添加相應的系統(tǒng)信息存入計算機即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過系統(tǒng)中的局部總線來完成。5. 智能化配電系統(tǒng)智能化配電系統(tǒng)由配各種智能化開關柜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件包括各種智能化開關柜、通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器、上位控制