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現場總線技術的研究

2018-3-28 來源：天津市勞動經濟學校作者（zhě）：高雪蓮

【摘要】隨著微處理器的快速發（fā）展和廣泛的應用（yòng），設備之間彼此（cǐ）通信、控（kòng）製，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求（qiú）。因（yīn）此對主流（liú）現場總線（xiàn）在不同領域的對比研究具有非常大的應用價值，本文對基金會現場總（zǒng）線、Lonworks現場總線、profibus現場總線的對比必將對同類課（kè）題的研究提供一定的參考。

【關鍵詞】現（xiàn）場總線數控係統應用比較

1、前言

微處理器的（de）普遍應用和計算機可（kě）靠性的提高，使分（fèn）布式控製係統得到了廣泛的應用，由多（duō）台計算機和一些智能儀表以（yǐ）及智能部件實現的分布式控製是（shì）其（qí）最主要的特征，而數字傳輸信號也在（zài）逐步取代模擬（nǐ）傳輸信號 ,隨著科學技術的快速發展，過程控製領域在（zài）過去的兩個世紀裏發生了（le）巨人的變革。150多年前出現的基於5一13psi的氣動信號標準(PCS, Pneumatic Control System動（dòng）控製係統)，標誌著控製理論初步形（xíng）成，但此時尚（shàng）未有控製室（shì）的概念20世紀50年代，隨著基於0一10mA或4一20mA的電流模擬信號的模擬過程控（kòng）製體（tǐ）係被提出並得到廣泛的應用，標誌了（le）電氣自動控製時代的到來，三大（dà）控製論的（de）確立（lì）奠定了（le）現代控製的基礎，設立控製（zhì）室、控製功能分離的模式也一直沿用至今。

2、現場總線的現狀

由於各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會(IEC /ISA)就著手開始製定現場總線的標準，至今（jīn）統一的標準仍未（wèi）完成。很多公（gōng）司也推出其各自的現場總線技術，但彼此的開放性和互操作還難以統一。目（mù）前現場總線（xiàn）市場有著多種（zhǒng）現場總線並存的特點:

現場總線人（rén）都（dōu）用於過程自動（dòng）化、醫藥領域、加工（gōng）製造（zào）、交通運輸（shū）、國防、航人、農業和樓宇等領域，大概不到十種（zhǒng）的總線（xiàn）占有80%左（zuǒ）右的市場。

每種總線大都有其應用的領域，比如FF. PROFIBUS一PA適用於石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程控製（zhì）領（lǐng）域（yù） LonWrks.PROFIBUS一FMS. DevieceNet適用於樓宇、交通運輸、農（nóng）業等領域DeviceNet.PROFIBUS一（yī）DP適用（yòng）於加工製造業，而這此劃分（fèn）也不是絕對的（de），每種現（xiàn）場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透，各種總線都有其應用的領域。

3、現場總線技術的發展

80年代初，最初的現場總線出現（xiàn）在歐洲，由於現場總線具有數字方式通訊帶來的優（yōu）點，使其得到很快發展，一時間（jiān）出（chū）現了各種各樣（yàng）的現場總線.據統（tǒng）計，目前（qián）約有40多種（zhǒng）現場總線，由於沒有（yǒu）一個統一的標準可以遵循，各廠家開發的（de）現（xiàn）場總線都是自行（háng）其是，各種產品之間無法直接互相操作，帶來了（le）極大的混亂和負，另一方麵，用戶對現場總線（xiàn）通信協議標準化（huà）的（de）要求（qiú）非常強烈.采用標準化（huà）的現場總線將允許不（bú）同供應（yīng）商的設備都可能與現場總線相連:用戶仁將可以隨心所（suǒ）欲地從不同供應（yīng）商那裏選擇（zé）他們所需要的（de）產品，現場總線標（biāo）準的一（yī）致性將確保網絡中（zhōng）的所有節點都良好地工（gōng）作在一起。

在（zài）今後的發展中（zhōng），FCS將會成為主流，FCS是在DCS的基（jī）礎上發展起來的，FCS順應了自動控製係（xì）統的發展潮流，它必將替（tì）代DCS，這已是業內人士的基木共識，盡管現階段FCS尚沒有統一（yī）的國際標準而（ér）旱群雄（xióng）逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發展、完備的功能（néng）及廣泛的應用而占據著一個尚不可（kě）完全替代的地位，並（bìng）且DCS也在朝開（kāi）放性、分散性和可互操作方向發展，所以就目（mù）前現狀看，工業控製處在DCS木（mù）身成熟和FCS發展過程中。智能I/O是（shì）DCS向現場總線的一種過渡。遠程智能I/O以其可靠性高、分散（sàn）性好。而具備了現場總線的性能。所以，現場總線和DCS將會長期共存。但FCS必（bì）將會在一定（dìng）的時期內（nèi）成為主流（liú）控製係統。

4、現場總線的優點

4. 1 數（shù）量與投資

由於現場總線係統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種（zhǒng）傳感、控製、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再（zài）需要單獨的控製器、計算單元等，也不再（zài）需要DCS係（xì）統的信弓調理（lǐ）、轉換、隔離技術（shù）等功能單元及其複雜接線，還可以用工控PC機作為操作站（zhàn），從（cóng）而節省了（le）一大筆硬件（jiàn）投資，由於控製設備的減少（shǎo），還可減少控製室的占地麵積。

4. 2 安裝費用

現場總線係統的接線十分簡中一，由於一對雙絞線或一條電纜上通常可（kě）拄接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋（qiáo）架的用量大大減少（shǎo），連線（xiàn）設計與接頭校對的工（gōng）作量也（yě）大大減少。當需要增加現場（chǎng）控（kòng）製設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有（yǒu）的電纜上，既節省了投資，也減（jiǎn）少了設計、安裝的工作量。據有關（guān）典型試（shì）驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上（shàng）。

4. 3 提高了係統的準確性與（yǔ）可靠性

由於現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比（bǐ），它從根木上提高（gāo）了測量與控製的準確度，減（jiǎn）少了傳送誤差。同時，由（yóu）於係統（tǒng）的結構簡化（huà），設備與連線減少，現場儀表內部功能加強:減少了信號的往返傳輸，提高了係統的工作可靠性（xìng）。此外（wài），由於它的設備標準化和功能模塊化，因而還具（jù）有設計簡單，易於重構等優點。

5、現（xiàn）場總線技術特點

5. 1 係統的開放性

開放係統是指通信協議公開，各不同廠家的設備之間可（kě）進行互連並實現信（xìn）息交換，現場（chǎng）總（zǒng）線開（kāi）發者就是要致力（lì）於建立統一的（de）工（gōng）廠（chǎng）底層網絡的開放係統。這裏的開（kāi）放是指對相關標準的一致、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放係統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或係統相連。一個具有總線功能的現場（chǎng）總線網絡（luò）係統必須是開放的，開放係統把係統集成（chéng）的權利交給（gěi）了用戶。用戶可按自己的需要和（hé）對象把來自不同供應（yīng）商的產品組（zǔ）成大小隨意的係統。

5.2 互可操作性與互（hù）用性

這裏（lǐ）的互可操作（zuò）性，是（shì）指實現互連設備間、係統間的信（xìn）息傳送與溝通，可實行點對點（diǎn），一點對多點的數字通信。而互用性（xìng）則意味著不同生產廠家的性能類（lèi）似（sì）的設備（bèi）可進行互換而實現互用。

5.3 現場設備的智能化與功能自治性（xìng）

它將傳（chuán）感測量（liàng）、補償（cháng）計算、工程量處理與控製等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場（chǎng）設備即可完成自動控製的基本功能，並可（kě）隨時診斷設備的運行狀態。

5.4 係（xì）統結構的高（gāo）度分散性

由於現場設備本（běn）身已可（kě）完（wán）成（chéng）自動控製（zhì）的基木功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式（shì）控製係統的體係結構。從根本上改變了現有DCS集（jí）中（zhōng）與分散相結合的集散控製係（xì）統體係，簡化了係統結構，提（tí）高了（le）可靠性（xìng）。

5.5 對現場環（huán）境的適應性

工作在現場設備前端，作為工廠網絡底（dǐ）層的現場總（zǒng）線，是專為在現場環（huán）境工（gōng）作（zuò）而（ér）設計（jì）的（de），它可支持（chí）雙絞（jiǎo）線、同軸電纜、光纜（lǎn）、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗幹（gàn）擾能力，能采用兩線製實現（xiàn）送（sòng）電與通信，並可滿足本質安全防爆要求等。

6、主流（liú）現（xiàn）場總線

下麵就幾種主流的現場總線做（zuò）一簡單介紹。

6.1 基（jī）金會現場總線

基金會現場總線，即FoudationFieldbus，簡稱FF，這（zhè）是在過程自動化領域得到廣泛（fàn）支持和具有良好發展前景的（de）技術。其前身是以美國Fisher一Rousemount公司為首，聯合Foxboro.橫河、ABB.西門子等80家公司製訂（dìng）的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的150家（jiā）公司製訂的WordFIP協議。屈於用戶的壓力，這兩人集（jí）團於1994年9月合（hé）並，成立了現場總線基金會，致力（lì）於開發出國際上統一（yī）的現場總線協議。它以ISO / OSI開放係（xì）統互（hù）連模（mó）型為基礎，取其物理層、數（shù）據鏈路層、應用層（céng）為FF通信模型的相（xiàng）應層次，並（bìng）在應用層上增加了用戶（hù）層。

基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種（zhǒng）通信速率（lǜ）。H1的傳輸速率為3125 Kbps，通信距離可達1900 m(可加中繼器延長)，可支持（chí）總線供電，支持本（běn）質（zhì）安全防爆環境。H2的（de）傳輸速率為1 Mbps和2 5 Mbps兩種，其通信距（jù）離為750m和（hé）500m。物理傳（chuán）輸介（jiè）質可支持比絞線、光纜和無（wú）線發射，協議符合IEC1158 -2標（biāo）準。其物理媒介（jiè）的傳輸信號采用曼徹斯（sī）特編碼，每位（wèi）發送數據的中心位（wèi）置或是正跳變，或是負跳變（biàn）。正跳變代表0，負（fù）跳（tiào）變（biàn）代表1，從而使串行數據位流中具有足夠的（de）定位信息，以（yǐ）保持發送雙方的時間（jiān）同步。接收方既可根據（jù）跳變（biàn）的極（jí）性來判斷數據的“1”“0”狀態，也可根據數（shù）據的中心位置精確定位。

為滿足用戶需要，Honeywell. Ronan等公（gōng）司（sī）已開發出可（kě）完成（chéng）物理層和部（bù）分（fèn）數據鏈路（lù）層協議的專用（yòng）芯片（piàn），許多儀表公司已開發出符合FF協議的產品，I總線已通過（guò）α測試和β測試，完成了由13個不同廠商提（tí）供設備而組成的FF現場總線工廠（chǎng）試驗係統。2總線（xiàn）標準也已經形成。

1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由（yóu）現場總線基金會組織實施，向世界（jiè）展（zhǎn）示了來自40多家廠商的70多種符合（hé）FF協（xié）議的產品，並將這此分（fèn）布在不同樓層展覽大廳不同展台上的FF展品，用配目（mù）的橙紅色電纜，互連為七段現場總線演示（shì）係統，各展台現場設（shè）備之間可（kě）實地進（jìn）行現場互操作，展現（xiàn）了基金會現場總線的成就與技術實力。

6.2 Profibus

Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN50170的現場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus一Dp. Profibus一FMS. Profibus一PA組（zǔ）成（chéng）了Profibus係列。DP型用於分散外設間的高速傳輸，適合於加工自動化領域（yù）的應用。FMS意為現場信（xìn）息規範，適（shì）用於紡織、樓宇自動化、可編程控製器、低壓（yā）開關等一般自動化，而PA型則是用於過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158 -2標準。該項技（jì）術是由西門子公司為主（zhǔ）的十幾家德國公（gōng）司、研究所共同推（tuī）出的（de）。它（tā）采用了OSI模型的物理層、數據鏈路（lù）層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱（yǐn）去了3 -7層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶接日，FMS型隻Is去第3 -6層，采用了應用層，作為標準的第二（èr）部分。PA型的標準目前還處於製定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158 -2 (1 )標準，可實現總線（xiàn）供電與木質（zhì）安全防爆。

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