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http://blog.163.com/xiaoxiangzihff@126/blog/static/1936511220098135240135/ 一、 现场总线技术的由来 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一）一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4~20mA(传送模拟量信息)或者VDC（传送开关量信息）信号。 这样的系统存在的缺点是： 1．信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4~20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。 2．系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4~20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少。 3．可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。 4．可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。现场总线技术可以概括为几方面： a. 制定总线通讯协议及技术标准 b. 自动化厂商按照标准生产各种自动化类产品，包括控制器、传感器、执行机构、驱动装置及控制软件 c. 实际应用于中，使用一根通讯电缆，将所有现场设备连接到控制器，形成设备及车间级的数字化通讯网络。 二、 现场总线技术特点 1．系统的开放性由于网络协议公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按照自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 2．互可操作性与互用性 互可操作性是指互联设备间、系统间的信息传送与沟通；互用性是指不同生产厂家生产的性能类似的设备可实现相互替换。 3．现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4．系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5．对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 三、现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 1．节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 2．节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60%以上。 3．节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询氖设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4．用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 5．提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 6．此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单、易于重构等优点。四、几种有影响的现场总线技术 自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。 1． 基金会现场总线（FF） 其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80余家公司制订的ISP协议和以法国阿尔斯通、斯耐德等几家法国公司为首，联合欧洲与北美等地的150家公司制订的WorldFIP协议。基金会现场总线得到了过程控制领域自动控制设备的主要供应商的支持。这些公司对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备左右该领域现场自控设备发展方向的能力。所以该总线具有相当的权威性。目前它只有低速现场总线协议与产品。低速现场总线速率为31.25kbps，通信距离可达1900米（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。上层直接与工业以太网连接。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC61158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。这是一种极有前途的现场总线。目前它的应用领域主要以过程自动化为主，如石化、化工等领域，主要用于对生产过程中连续量的控制。 2．WorldFIP WorldFIP现场总线是以法国几家跨国公司为主开发的，是法国标准和欧洲标准。WorldFIP组织目前有100多个会员单。1994年6月，WorldFIP的北美部分与ISP合并成为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立。总部设在法国的WorldFIP组织采取了一种灵活的策略：一方面积极推广成熟的WorldFIP技术和产品，抢占市场；另一方面也积极支持建立世界唯一现场总线标准的工作，支持IEC现场总线标准，并已经做好准备，一旦IEC标准通过，马上推出与IEC标准相连接的产品使自己立于不败之地。它也是FF的成员。 WorldFIP采用三层结构:物理层、数据链路层和应用层。 a.物理层: WorldFIP物理层采用国际标准IEC 61158-2，保证信息从一个设备安全地传送到接在总线上的其它设备，传输介质为屏蔽双绞线或光纤。传输速率为31.25kb/s、1Mb/s和2.5Mb/s，标准速率为1Mb/s。 b.数据链路层: 数据链路层负责传输、差错和访问控制。有周期和非周期两种数据交换，变量寻址和报文寻址两种寻址空间，采用生产者-使用者、广播ID-DAT询问帧-响应RP-DAT回答帧的通信模式，由总线仲裁器进行集中式介质访问控制。总线仲裁器和生产者分别具有时空惟一性。 c.应用层: WorldFIP应用层提供变量和报文两种访问报务。 WorldFIP各种硬、软产品从通信芯片到开发工具,有350多种。使用这些产品，现场设备如变送器、执行器、I/O或者处理单元（PC、PLC等）可以方便地挂到WorldFIP现场总线上。 WorldFIP在技术上有很多特点与优势。 a.实用性。WorldFIP采用IEC物理层标准，支持电缆冗余,大部分协议固化在硬件上，稳定性强；它的生产者/使用者模式和总线仲裁器的调度方式保证了在一条总线上传递大量信息的同时，不会干扰时限变量的通信。 b.它具极强的抗干扰能力和实时性；能完全满足IEC关于电磁兼容性的EMC标准；它的通讯模式支持后台传输报文、周期和事件变量，保证诊断信息传输不影响实时控制。 c.WorldFIP现场总线不论低速还是高速，只有一套通信协议，所以不需要任何网桥或网关，低速与高速网络的衔接只用软件完成。 d.它的生产者/使用者（Producer/Consumer）模式和总线仲裁器（Bus Arbiter）的调度方式特别适合工业过程控制。IEC标准与FF规范都采用了这种通信模式，只是名称不同。FF的术语为发布方/接收方（Publisher/Subscriber）和链路活动调度器（LAS）。这也说明了为什么WorldFIP支持IEC标准，因为它向IEC转化在技术上是比较容易的。 e.WorldFIP是开放的现场总线，WorldFIP产品的设计者、用户或集成商都可以得到WorldFIP组织的帮助。这些帮助包括:技术培训、技术支持和技术测试。它可以根据用户、集成商和开发商要求提供各种培训服务，帮助大家在产品开发应用及安装的过程中，正确地使用WorldFIP协议及各种器件；为客户提供产品规划、硬件设计、软件设计和测试支持；还可为各厂商开发和销售的产品提供技术鉴定。这种鉴定是对使用WorldFIP网络的系统中设备的互操作能力进行测试。 WorldFIP组织目前有100多个成员，它们在共同研究、开发这项技术的同时，也将这项技术推广到了各个应用领域。经过十多年的应用与改进，WorldFIP已经是一项完全成熟的技术，具有品种齐全的通信产品和开发工具。WorldFIP现场总线目前已被广泛应用于发电与输配电、楼宇自动化、机械过程、机车、铁路运输、航运和造船、地铁、食品与饮料工业、核工业、化工、航空与航天、汽车制造等多个自动化控制领域。 3．PROFIBUS PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。 DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，使用DP可取代24VDC或4~20mA信号传输，数据传输类型为RS485，。适合于加工自动化领域的应用。 FMS意为现场信息规范，用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络，数据传输类型为RS485，传输速率为9.6kbps~12Mbps,最大传输距离在12Mbps时为100m, 500Kbps时为400m。PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 PA是专为过程自动化设计，数据传输采用数字式、位同步、曼彻斯特编码。传输速率：31.25Kbit/s，电压式。可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本质安全防爆功能，总线供电。物理层遵从IEC61158-2标准。 由于Profibus对不同的应用有三种不同的总线，应用领域广泛。DP和FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。PA和DP之间需要通过偶合器连接。 3． P-NET P-NET是丹麦国家标准和欧洲标准。其用户组织目前有将近100个公司、研究所成员。是一种多主站主从式总线（每段最多可容纳32个主站），使用屏蔽双绞线电缆RS485，每段总线最长1200米，每段最多可联接125个设备，总线分段之间使用中继器。数据以NRZ编码异步式传输，传输速率76.8kbit/s。 它的主要应用领域是在农业和食品加工业，如：奶制品厂、啤酒厂、农业环境控制、动物饲养系统，在其它领域如沥青和水泥生产、纺织工业、质量控制系统、发电厂、太阳能电站等领域也有应用。 4． LonWorks LON（Local operating networks）总线是美国ECHELON公司1991年推出的局部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。在其支持下，诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。为支持LON总线，ECHELON公司开发了LONWORKS技术，它为LON总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。目前采用LONWORKS技术的产品广泛应用地工业，楼宇、家庭、能源等自动化领域，LON总线也成为当前最为流行的现场总线之一。 LONWORKS协议支持OSI的七层协议，具体实现就采用网络变量这一形式。网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互联便可完成。又由于硬件芯片的支持，实现了实时性和接口的直观、简洁的现场总线的应用要求。神经元芯片（neuron chip）是lonWorks技术的核心，它不仅是Lon总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，LONWORKS技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。它的主要应用领域是在楼宇自动化控制。由于它优良的性能/价比，在其它领域也得到应用。 5． CAN CAN是控制局域网络（control Area Network）的简称，最早由德国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。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola， Intel, Ohilip, Siemence, NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的，不过其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂接设备数量最多可达110个。 CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 6． HART HART是Highway Addressable remote Transducer（可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议）的缩写。最早由Rosemount公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。严格意义上讲，它不是现场总线。它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性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。 HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。 HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 四、几种现场总线应用领域
五、IEC国际标准情况 正在争取成为现场总线国际标准的子集的总线有： 类型1 Control Net 类型2 Profibus 类型3 P-NET 类型4 FF HSE 类型5 SwiftNet 类型6 WorldFIP 类型7 Interbus 目前和IEC标准最接近的现场总线只有FF和WorldFIP。 |
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