现场总线技术及控制系统研究

方宝义

[摘 要]介绍了现场总线技术的特点及发展概况,分析了现场总线控制系统相对于集散控制系统的特点。针对当前流行的几种现场总线,简要介绍了各自的技术特色,指出控制系统的开放互连是发展的必然。

[关键词]现场总线 集散控制系统 FCS 开放式互连系统

[中图分类号]TB[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0017-02

1 引言

现场总线(Fieldbus)技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备连接,用数字化通信代替DC4～20mA/24V信号,完成现场设备控制、检测、远程参数化等功能[1]。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点,因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。现有的多数现场设备,为提高其性能价格比,在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件,于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的就是为了满足这种要求,为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段[2]。

2 典型现场总线简介

2.1 基金会现场总线FF

基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首,联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首,联合欧洲等地150家公司制定的World FIP协议。这两大集团于1994年9月合并,成立了现场总线基金会,致力于开发出国际上统一的现场总线协议。

基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps,通信距离可达1.9km,可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种,通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158-2标准。其物理介质的传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。

2.2 CAN总线

CAN总线最早是由德国Bosch公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型,但进行了优化,采用了其中的物理层、数据链路层、应用层,提高了实时性。其节点有优先级设定,支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线,通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文,每一帧有效字节数为8个;当节点出错时,可自动关闭,抗干扰能力强,可靠性高。

2.3 LonWorks总线

LonWorks技术是美国ECHELON公司开发,并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能,称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器,运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器,作为前两者的中介,它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构,组网方式灵活,其IS-78本安物理通道使得它可以应用于危险区域。LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等,在组建分布式监控网络方面有较优越的性能[4]。

2.4 PROFIBUS总线

PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线,包括?PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权,主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站,可向从站发送、获取信息。PROFIBUS-DP用于分散外设间的高速数据传输,适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。

2.5 HART总线

HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品,因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力,在智能仪表市场上占有很大的份额。

3 现场总线控制系统(FCS)的结构与特点

3.1 现场总线控制系统的结构

随着现场总线技术的出现和成熟,促使了控制系统由集散控制系统(DCS)向现场总线控制系统(FCS)的过渡。在一般的FCS系统中,遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路,使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担,使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用,甚至可以把控制站取消,在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器,操作站直接与现场仪表相连,构成分布式控制系统。

3.2 现场总线控制系统的特点

分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中,控制分散”的思想[3]。与传统的DCS相比,FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性,它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性,可完成控制的基本功能,并可以随时诊断设备的运行情况。另外,FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层,操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。

现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开,各不同厂家的设备之间可实现信息交换,通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通;而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等,具有较强的抗干扰能力。

由于结构上的改变,FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口,这样就节省了I/O装置及装置室的空间;同时减少了大量电缆,可以极大地节省安装费用。与此同时,FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A/D变换,使仪表精度得到极大的提高;通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去,使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次,改善了调节性能。

4 结语

当前,各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域,Lonworks和CAN网络具有一定的优势;在过程自动化领域,主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及同样较有竞争力的PROFIBUS协议。HART协议将是目前几年内智能化仪表的主要通信协议;基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线,得到许多自动化仪表设备厂商的支持;由于Lonworks技术的开放性,国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性,传统DCS的退出将是一个渐进过程。在一段时期内,会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是,发展共同遵从的统一的标准规范,真正形成开放式互连系统,是大势所趋。

[参考文献]

[1] 王兆晶.维修电工[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2] 王勤.计算机控制技术[M].南京:东南大学出版社,2003.

[3] 王常力,廖道义.集散型控制系统的设计与应用[M].北京:清华大学出版社,1993.