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1、本文格式為Word版，下載可任意編輯 現場總線技術與現場總線控制系統(tǒng) 1.引言 七十年月以前，掌握系統(tǒng)中采納模擬量對傳輸及掌握信號進行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個掌握系統(tǒng)的掌握效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。七十年月末，隨著大規(guī)模集成電路的消失，微處理器技術得到很大進展。微處理器功能強、體積小、牢靠性高、通過適當的接口電路用于掌握系統(tǒng)，掌握效果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式掌握系統(tǒng)。隨著過程掌握技術、自動化儀表技術和計算機網絡技術的成熟和進展，掌握領域又發(fā)生了一次技術變革。這次變革使傳統(tǒng)的掌握系統(tǒng)（如集散掌握系統(tǒng)）無論在結構上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍

2、，這次變革的基礎就是現場總線技術的產生。 現場總線是連接現場智能設備和自動化掌握設備的雙向串行、數字式、多節(jié)點通信網絡，它也被稱為現場底層設備掌握網絡（INFRANET）。80年月以來，各種現場總線技術開頭消失，人們要求對傳統(tǒng)的模擬儀表和掌握系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高，從而使現場總線成為一次世界性的技術變革浪潮。美國儀表協(xié)會(ISA)于1984年開頭制訂現場總線標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現場總線標準間續(xù)形成。其中主要的有：基金會現場總線FF（Foundation Fieldbus）、掌握局域網絡CAN（Controller Area Network）、局部

3、操作網絡LonWorks（Local Operating Network）、過程現場總線PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是不論如何，制定單一的開放國際現場總線標準是進展的必定。 2.現場總線技術及其特點 現場總線是當今自動化領域技術進展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。現有的多數現場設備，為提高其性能價格比，在實現其內部操作時都采納了微處理器和數字化元件，于是就提出了必需在這些領域的數字設備之間實現數字通信的要求。 現場總線是連接智能現場設備

4、和自動化系統(tǒng)的全數字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現場的智能化儀器儀表、掌握器、執(zhí)行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場掌握設備和高級掌握系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動掌握技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數字一模擬信號掌握的局限性，構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連的通信與掌握系統(tǒng)?，F場總線則是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，其基礎是智能儀表。分散在各個工業(yè)現場的智能儀表通過數字現場總線連為一體，并與掌握室中的掌握器和監(jiān)視器一起共同構成現場總線掌握系統(tǒng)FSC

5、。通過遵循肯定的國際標準，可以將不同廠商的現場總線產品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性。FCS把傳統(tǒng)dcs的掌握功能進一步下放到現場智能儀表，由現場智能儀表完成數據采集、數據處理、掌握運算和數據輸出等功能。現場儀表的數據（包括采集的數據和診斷數據）通過現場總線傳到掌握室的掌握設備上，掌握室的掌握設備用來監(jiān)視各個現場儀表的運行狀態(tài)，保存各智能儀表上傳的數據，同時完成少量現場儀表無法完成的高級掌握功能。另外，FCS還可通過網關和企業(yè)的上級管理網絡相連，以便企業(yè)管理者把握第一手資料，為決策供應依據。所以現場總線具有以下突出特點： 2.1開放性 　 現場總線掌握系統(tǒng)（FCS）采納

6、公開化的通信協(xié)議，遵守同一通信標準的不同廠商的設備之間可以互連及實現信息交換。用戶可以敏捷選用不同廠商的現場總線產品來組成實際的掌握系統(tǒng)，達到最佳的系統(tǒng)集成。 2.2　互操作性 互操作性是指不同廠商的掌握設備不僅可以相互通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，實現同一的掌握策略和“即插即用”，不同廠商的性能相同的設備可以互換。 2.3　敏捷的網絡拓撲結構 　　現場總線掌握系統(tǒng)可以依據簡單的現場狀況組成不同的網絡拓撲結構，如樹型、星型、總線型和層次化網絡結構等。 　2.4　系統(tǒng)結構的高度分散性 　 現場設備本身屬于智能化設備，具有獨立自動掌握的基本功能，從而從根本上轉變了DCS

7、的集中與分散相結合的體系結構，形成了一種全新的分布式掌握系統(tǒng)，實現了掌握功能的徹底分散，提高了掌握系統(tǒng)的牢靠性，簡化了掌握系統(tǒng)的結構。現場總線與上一級網絡斷開后仍可維持底層設備的獨立正常運行，其智能程度大大加強。 2.5　現場設備的高度智能化 傳統(tǒng)的DCS使用相對集中的掌握站，其掌握站由CPU單元和輸入/輸出單元等組成?，F場總線掌握系統(tǒng)則將DCS的掌握站功能徹底分散到現場掌握設備，僅靠現場總線設備就可以實現自動掌握的基本功能，如數據采集與補償、PID運算和掌握、設備自校驗和自診斷等功能。系統(tǒng)的操作員可以在掌握室實現遠程監(jiān)控，設定或調整現場設備的運行參數,還能借助現場設備的自診斷功能

8、對故障進行定位和診斷。 2.6　對環(huán)境的高度適應性 　 現場總線是專為工業(yè)現場設計的，它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜和無線的方式來傳送數據，具有很強的抗干擾力量。常用的數據傳輸線是廉價的雙絞線，并允許現場設各利用數據通信線進行供電，還能滿意本質平安防爆要求。 3.主要現場總線簡介 3.1基金會現場總線（Foundation Fieldbus） 　 基金會現場總線是由現場總線基金會推出。與私有的網絡總線協(xié)議不同，FF總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家。其總線體系結構是參照、ISO的OSI模型中物理層、數據鏈路層和應用層，并增加了用戶層而建立起來的通信模型。FF得到了世

9、界上幾乎全部的聞名儀表制造商的支持，同時遵守IEC的協(xié)議規(guī)劃，與IEC的現場總線國際標準和草案基本-致，加上它在技術上的優(yōu)勢，所以極有盼望成為將來的主要國際標準。 FF總線供應了Hl和H2兩種物理層標準。Hl是用于過程掌握的低速總線，傳輸速率為31.25Kbps，傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種（加中繼器可以延長），可用總線供電，支持本質平安設備和非本質平安總線設備。H2為高速總線，其傳輸速率為1Mbps（此時傳輸距離為750m）或2.5bps（此時傳輸距離為為500m）。H1和H2每段節(jié)點數可達32個，使用中繼器后可達240個，Hl和H2可通過網橋互連。FF的突

10、出特點在于設備的互操作性、改善的過程數據、更早的猜測維護及牢靠的平安性。 3.2　過程現場總線Profibus Profibus由Siemens公司提出并極力提倡，己先后成為德國國家標DIN19245和歐洲標準EN50170，是一種開放而獨立的總線標準，在機械制造、工業(yè)過程掌握、智能建筑中充當通信網絡。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和 Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA （Process Automation）用于過程自動化的低速數據傳輸，其基本特性同FF的H1總線，可以供應總線供電和本質平安，并得到了專用集成電路（AS

11、IC）和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2總線，可實現高速傳輸，適用于分散的外部設備和自控設備之間的高速數據傳輸，連接Profibus-PA和加工自動化。Profibus-FMS適用于一般自動化的中速數據傳輸，主要用于傳感器、執(zhí)行器、電氣傳動、plc、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采納RS485通信標準，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，傳輸距離從1200M到l00m（與傳輸速率有關）。介質存取掌握的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibus是一種比較成熟的總線，在工程上的應用非

12、常廣泛。 3.3 LonWorks LonWorks技術是采納神經元芯片(Neuron Chip)技術，在ISO的OSI七層協(xié)議上實現的網絡掌握技術，采納面對對象的編程方法，使用網絡變量或顯式消息進行相互通信。 3.4CAN 掌握器局域網（Controller area network 簡稱CAN）是德國Bosch公司于1983年為汽車應用而開發(fā)的。它的基本設計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性。而且能夠檢測出產生的任何錯誤。在汽車制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到廣泛應用。 3.5　HART總線　　 HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提

13、出的通信協(xié)議。它是用于現場智能儀表和掌握室設備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數字系統(tǒng)轉變過程中的過渡產品，因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。 4、FCS掌握系統(tǒng) 傳統(tǒng)的計算機掌握系統(tǒng)一般采納DCS結構。在DCS中，對現場信號需要進行點對點的連接，并且I/O端子與PLC或自動化儀表一起被放在掌握柜中，而不是放在現場。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜，布線

14、簡單，既費料又費時，信號簡單衰減并簡單被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、掌握站等組成，結構簡單，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現數據共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點。 （1）在FCS中，全部的I/O模塊均放在工業(yè)現場，而且全部的信號通過分布式智能I/O模塊在現場被轉換成標準數字信號，只需一根電纜就可把全部的現場子站連接起來，進而把現場信號特別簡捷地傳送到掌握室監(jiān)控設備上，降低了成本，又便于安裝和維護，同時數字化的數據傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾力量。 （2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性

15、好，更新?lián)Q代簡單。程序設計采納IEC1131-3五種國際標準編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。 （3）系統(tǒng)的效率大為提高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設備才能完成的PLC和NC/CNC任務。在多任務的Windows NT操作系統(tǒng)下，PC中的軟PLC可以同時執(zhí)行多達十幾個PLC任務，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。 在FCS中，系統(tǒng)的基本結構為：工控機或商用PC、現場總線主站接口卡、現場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實時多任務掌握軟件包、組態(tài)軟件和應用軟件。上

16、位機的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數據庫組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、掌握算法組態(tài)、數據報表組態(tài)、實時數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、掌握運算調整、報警處理、故障處理、通信掌握和人機接口等各個方面，并真正實現掌握集中、危急分散、數據共享、完全開放的掌握要求。 5.結束語 當前，各種形式的現場總線協(xié)議并存于掌握領域。在樓宇自控領域，Lonworks和CAN網絡具有肯定的優(yōu)勢；在過程自動化領域，主要有過渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現場總線協(xié)議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內智能化儀表的主要通信協(xié)議；基金會現場總線是過程自動化領域中較有前途的一種現場總線，得到很多自動化儀表設備廠商的支持；由于Lonworks技術的開放性，國內消失了利用它開發(fā)掌握系統(tǒng)的很多開發(fā)商?？紤]到統(tǒng)一的開放式現場總線協(xié)議標準制定的長期性和艱難性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進過程。隨著現場總線技術的不斷進展和完善，現場總線掌握系統(tǒng)將得到廣泛的使用。 第 7 頁 共 7 頁