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什么是現(xiàn)場(chǎng)總線
點(diǎn)擊次數(shù):1875 更新時(shí)間:2016-01-09

現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn),因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視。  現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是20世紀(jì)80年代末、90年代初上發(fā)展形成的,用于 
    
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò),而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù),已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注,成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn),并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過(guò)程設(shè)備的底層,作為工廠設(shè)備級(jí)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò),要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn) :具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求,還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定,多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù),都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。 
  一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱(chēng)為第五代控制系統(tǒng),也稱(chēng)作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱(chēng)作*代,把4~20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱(chēng)為第二代,把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱(chēng)為第三代,而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱(chēng)作第四代。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng),一方面,突破了DCS系統(tǒng)采用通信網(wǎng)絡(luò)的局限,采用了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案,克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu),變成了新型全分布式結(jié)構(gòu),把控制功能*下放到現(xiàn)場(chǎng)。可以說(shuō),開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)zui顯著的特征。 
、發(fā)展歷史
  1984年美國(guó)Inter公司提出一種計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)-位總線(BITBUS),它 
    
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展概覽
主要是將低速的面向過(guò)程的輸入輸出通道與高速的計(jì)算機(jī)總線多(MULTIBUS)分離,形成了現(xiàn)場(chǎng)總線的zui初概念。80年代中期,美國(guó)Rosemount 公司開(kāi)發(fā)了一種可尋址的遠(yuǎn)程傳感器(HART)通信協(xié)議。采用在4~20mA模擬量疊加了一種頻率信號(hào),用雙絞線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸。HART協(xié)議已是現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司發(fā)起,成立了World FIP制定了FIP協(xié)議。1987年,以Siemens,Rosemount,橫河等幾家公司為首也成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)委員會(huì)互操作系統(tǒng)協(xié)議(ISP)并制定了PROFIBUS協(xié)議。后來(lái)美國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)也制定了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISA SP50。隨著時(shí)間的推移,世界逐漸形成了兩個(gè)針?shù)h相對(duì)的互相競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)場(chǎng)總線集團(tuán):一個(gè)是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團(tuán);另一個(gè)是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP集團(tuán)。1994年,兩大集團(tuán)宣布合并,融合成現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation)簡(jiǎn)稱(chēng)FF。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)發(fā)展和制定標(biāo)準(zhǔn),基金委員會(huì)取得以下共識(shí):共同制定遵循IEC/ISA SP50協(xié)議標(biāo)準(zhǔn);商定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展階段時(shí)間表。 
、技術(shù)特點(diǎn)
系統(tǒng)的開(kāi)放性
  開(kāi)放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開(kāi),各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn) 
    
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與傳統(tǒng)總線技術(shù)成本對(duì)比
信息交換,現(xiàn)場(chǎng)總線就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)。這里的開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開(kāi)性,強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開(kāi)放的,開(kāi)放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶(hù)。用戶(hù)可按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 
互可操作性與互用性
  這里的互可操作性,是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn),一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類(lèi)似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。 
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性
  它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成,僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能,并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性
  由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能,使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了可靠性。 
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性
  工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端,作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線,是專(zhuān)為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的,它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信,并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。 
技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
節(jié)省硬件數(shù)量與投資
  由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感 
    
發(fā)展趨勢(shì)
、控制、報(bào)警和計(jì)算功能,因而可減少變送器的數(shù)量,不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等,也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線,還可以用工控PC機(jī)作為操作站,從而節(jié)省了一大筆硬件投資,由于控制設(shè)備的減少,還可減少控制室的占地面積。 
節(jié)省安裝費(fèi)用
  現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單,由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)設(shè)備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí),無(wú)需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,既節(jié)省了投資,也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料,可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。 
節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)
  由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力,并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室,用戶(hù)可以查詢(xún)所有設(shè)備的運(yùn)行,診斷維護(hù)信息,以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護(hù)停工時(shí)間,同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。 
  現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與傳統(tǒng)總線技術(shù)成本對(duì)比 
用戶(hù)具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)
  用戶(hù)可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍,不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而*莫展,使系統(tǒng)集成過(guò)程中的主動(dòng)權(quán)*掌握在用戶(hù)手中。 
提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性
  由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,與模擬信號(hào)相比,它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度,減少了傳送誤差。同時(shí),由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,設(shè)備與連線減少,現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng):減少了信號(hào)的往返傳輸,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外,由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化,因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。 
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
  現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下四大類(lèi): 
  環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 
典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介
  目前上有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線,但沒(méi)有任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線能覆蓋所有的應(yīng)用面,按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類(lèi):傳感器總線(sensor bus),屬于位傳輸;設(shè)備總線(device bus),屬于字節(jié)傳輸;現(xiàn)場(chǎng)總線,屬于數(shù)據(jù)流傳輸。 
基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線
  基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線,即Foudation Fieldbus,簡(jiǎn)稱(chēng)FF,這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國(guó)Fisher-Rousemount公司為首,聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門(mén)子Siemens等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首,聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。屈于用戶(hù)的壓力,這兩大集團(tuán)于1994年9月合并,成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì),致力于開(kāi)發(fā)出上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它以ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ),取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次,并在應(yīng)用層上增加了用戶(hù)層。 
  基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達(dá) 1900m (可加中繼器延長(zhǎng)),可支持總線供電,支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2 5Mbps兩種,其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射,協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼,每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變,或是負(fù)跳變。正跳變代表0,負(fù)跳變代表1,從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息,以保持發(fā)送雙方的時(shí)間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來(lái)判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài),也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置定位。 
  為滿(mǎn)足用戶(hù)需要,Honeywell、Ronan等公司已開(kāi)發(fā)出可完成物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的芯片,許多儀表公司已開(kāi)發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品,1總線已通過(guò)a測(cè)試和β測(cè)試,完成了由 13個(gè)不同廠商提供設(shè)備而組成的FF現(xiàn)場(chǎng)總線工廠試驗(yàn)系統(tǒng)。2總線標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)形成。 
  1996年10月,在芝加哥舉行的ISA96展覽會(huì)上,由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織實(shí)施,向世界展示了來(lái)自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品,并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺(tái)上的FF展品,用醒目的橙紅色電纜,互連為七段現(xiàn)場(chǎng)總線演示系統(tǒng),各展臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間可實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)互操作,展現(xiàn)了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的成就與技術(shù)實(shí)力。 
LonWorks
  LonWorks是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),它是由美國(guó)Ecelon公司推出并由它 
    
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
們與摩托羅拉Motorola、東芝Hitach公司共同倡導(dǎo),于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議,采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置,其通訊速率從300bps至15Mbps不等,直接通信距離可達(dá)到2700m(78kbps,雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì),并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品,被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 
  LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱(chēng)之為Neuron的芯片中并得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有3個(gè)8位CPU;一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第 1~ 2層的功能,稱(chēng)為媒體訪問(wèn)控制處理器,實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)的控制與處理 ;第二個(gè)用于完成第3~6層的功能,稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)處理器,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計(jì)量時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理,并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等;第三個(gè)是應(yīng)用處理器,執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶(hù)代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū),以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞,并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。 
  LonWoeks技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本 (每片價(jià)格約 5~9美元),而芯片的低成本又返過(guò)來(lái)促進(jìn)了LonWorks技術(shù)的推廣應(yīng)用,形成了良好循環(huán),據(jù)Ecelon公司的有關(guān)資料,到1996年7月,已生產(chǎn)出 500萬(wàn)片神經(jīng)元芯片。 
  LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵(lì)各OEM開(kāi)發(fā)商運(yùn)用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片,開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品,據(jù)稱(chēng)目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù):1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品,并進(jìn)一步組織起LonWark互操作協(xié)會(huì),開(kāi)發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作,該公司正在開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)關(guān),以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。 
  另外,在開(kāi)發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面,LonWorks神經(jīng)元芯片也具有*的優(yōu)勢(shì)。LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)暖通工程師協(xié)會(huì)ASRE定為建筑自動(dòng)化協(xié)議BACnet的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)剛剛收到的消息,美國(guó)消費(fèi)電子制造商協(xié)會(huì)已經(jīng)通過(guò)決議,以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)制定了EIA-709標(biāo)準(zhǔn)。 
  這樣,LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開(kāi)發(fā)、芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、控制模塊開(kāi)發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、zui終控制產(chǎn)品、分銷(xiāo)、系統(tǒng)集成等一系列完整的開(kāi)發(fā)、制造、推廣、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu),吸引了數(shù)萬(wàn)家企業(yè)參與到這項(xiàng)工作中來(lái),這對(duì)于一種技術(shù)的推廣、應(yīng)用有很大的促進(jìn)作用。 
Profibus
  Profibus是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN 50170的現(xiàn)場(chǎng)總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸,適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范,適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化,而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類(lèi)型,它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門(mén)子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)*部分的子集,DP型隱去了3~7層,而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶(hù)接口,F(xiàn)MS型只隱去第3~6層,采用了應(yīng)用層,作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過(guò)程之中,其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2 (1 )標(biāo)準(zhǔn),可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。 
  Porfibus支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對(duì)總線的控制權(quán),可主動(dòng)發(fā)送信息。對(duì)多主站系統(tǒng)來(lái)說(shuō),主站之間采用令牌方式傳遞信息,得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán),共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的zui長(zhǎng)時(shí)間。按Profibus的通信規(guī)范,令牌在主站之間按地址編號(hào)順序,沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時(shí),可以按主—從方式,向從站發(fā)送或索取信息,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。主站可采取對(duì)所有站點(diǎn)廣播 (不要求應(yīng)答)或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。 
  Profibus的傳輸速率為96~12kbpszui大傳輸距離在12kbps時(shí)為1000m,15Mbps時(shí)為400m,可用中繼器延長(zhǎng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,也可以是光纜,zui多可掛接 127個(gè)站點(diǎn)。 
CAN
  CAN是控制網(wǎng)絡(luò)Control Area Network的簡(jiǎn)稱(chēng),zui早由德國(guó)BOSCH公司推出,用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為標(biāo)準(zhǔn),得到了Motorola、In、Philips、Siemens、NEC等公司的支持,已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。 
  CAN協(xié)議也是建立在標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的,不過(guò),其模型結(jié)構(gòu)只有3層,只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線,通信速率zui高可達(dá) 1Mbps/40m,直接傳輸距離zui遠(yuǎn)可達(dá) 1 0km/kbps,可掛接設(shè)備zui多可達(dá) 110個(gè)。 
  CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè),因而傳輸時(shí)間短,受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的,使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 
  CAN支持多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù),當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí),優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送,從而避免了總線沖突。 
  已有多家公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片,如In公司的 82 52 7,Motorola公司的MC68HC05X4,Philips公司的82 C2 50等。還有插在PC機(jī)上的CAN總線接口卡,具有接口簡(jiǎn)單、編程方便、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。 
HART
  HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫(xiě)。zui早由Rosemout公司開(kāi)發(fā)并得到80多家儀表公司的支持,于1993年成立了HART通信基金會(huì)。這種被稱(chēng)為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議,其特點(diǎn)是現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中工業(yè)過(guò)程控制的過(guò)渡性產(chǎn)品,因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,得到了較好的發(fā)展。 
  HART通信模型由3層組成 :物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用FSK(Frequency Shift Keying)技術(shù)在4~20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào),頻率信號(hào)采用Bell202標(biāo)準(zhǔn);數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps,邏輯0的信號(hào)頻率為2200Hz,邏輯1的信號(hào)傳輸頻率為 1200Hz。 
  數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開(kāi)頭碼、顯示終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個(gè)起始位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)奇偶校驗(yàn)位,1個(gè)終止位。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實(shí)現(xiàn),即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。它規(guī)定了一系列命令;按命令方式工作。它有 3類(lèi)命令,*類(lèi)稱(chēng)為通用命令,這是所有設(shè)備理解、執(zhí)行的命令;第二類(lèi)稱(chēng)為一般行為命令,它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 (盡管不是全部 )中實(shí)現(xiàn),這類(lèi)命令包括zui常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù);第三類(lèi)稱(chēng)為特殊設(shè)備命令,以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能,這類(lèi)命既可以在基金會(huì)中開(kāi)放使用,又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所*。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這3類(lèi)命令。HART支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。按應(yīng)答應(yīng)方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為2~3次/s,按廣播方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為 3~4次 /s,它還可支持兩個(gè)通信主設(shè)備。總線上可掛設(shè)備數(shù)多達(dá) 15個(gè),每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可有256個(gè)變量,每個(gè)信息zui大可包含4個(gè)變量。zui大傳輸距離3000m,HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言DDL。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備特性,由HART基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典,主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù),來(lái)理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開(kāi)發(fā)接口。但由于這種模擬數(shù)字混信號(hào)制,導(dǎo)致難以開(kāi)發(fā)出一種能滿(mǎn)足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電,可滿(mǎn)足本安防爆要求。 
RS-485
  盡管RS-485不能稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)總線,但是作為現(xiàn)場(chǎng)總線的*,還有許多設(shè)備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用RS-485通訊具有設(shè)備簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢(shì),仍有一定的生命力。以RS-485為基礎(chǔ)的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 
技術(shù)展望與發(fā)展趨勢(shì)
  現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)為兩個(gè)方面:一個(gè)是低速現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展和完善;另一個(gè)是高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展。 
  目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品,應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看,無(wú)論是FF和Profibus,還是其他一些現(xiàn)場(chǎng)總線,都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較慢的過(guò)程控制。因此,在速率要求較低的控制領(lǐng)域,誰(shuí)都很難統(tǒng)一整個(gè)世界市場(chǎng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶(hù)的愿望。今后現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一,是所有生產(chǎn)廠商和用戶(hù)十分關(guān)心的問(wèn)題。 
  高速現(xiàn)場(chǎng)總線主要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連,連接控制計(jì)算機(jī)、PLC等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備,以及實(shí)現(xiàn)低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)橋間的連接,它是充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié)構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此,高速現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)將是競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的領(lǐng)域,這也將是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的重要機(jī)會(huì)。而選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場(chǎng)總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。 
  發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣為注的焦點(diǎn)課題,上現(xiàn)場(chǎng)總線的研究、開(kāi)發(fā),使測(cè)控系統(tǒng)沖破了長(zhǎng)期封閉系統(tǒng)的禁錮,走上開(kāi)放發(fā)展的征程,這對(duì)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個(gè)*的機(jī)會(huì),也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢(shì),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異,發(fā)展十分迅猛,一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之中,這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有;智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開(kāi)發(fā)的軟硬件技術(shù);組態(tài)抗術(shù),包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等;網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù),包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸;人機(jī)接口、軟件技術(shù);現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成技術(shù)。 
  總體說(shuō)來(lái),自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn),這一發(fā)展趨勢(shì)是肯定的。既然是總線,就要向著趨于開(kāi)放統(tǒng)一的方向發(fā)展,成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域,如過(guò)程自動(dòng)化、制造加工自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。大千世界,眾多領(lǐng)域,需求各異,一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。幾大技術(shù)均具有自己的特點(diǎn),已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。加上商業(yè)利益的驅(qū)使,它們都各自正在十分激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得發(fā)展。有理由認(rèn)為:在從現(xiàn)在起的未來(lái)10年內(nèi),可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存,甚至在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)內(nèi),幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過(guò)路由網(wǎng)關(guān)互連實(shí)現(xiàn)信息共享的局面。在連續(xù)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi),今后10年內(nèi),F(xiàn)F基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線將成為主流發(fā)展趨勢(shì),LonWorks將成為有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,HART作為過(guò)渡性產(chǎn)品也能有一定的市場(chǎng)。這3種技術(shù)是從這一領(lǐng)域的工業(yè)需求出發(fā),其用戶(hù)層的各種功能是專(zhuān)業(yè)連續(xù)過(guò)程設(shè)計(jì)的,而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境,如支持總線供電,可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。 
  另外,F(xiàn)F基金會(huì)幾乎集中了世界上主要自動(dòng)化儀表制造商;LonWorks形成了全面的分工合作體系。這些因素對(duì)成為這一領(lǐng)域的主流技術(shù)是十分關(guān)鍵的。由于HART建立在目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)之上,它可以充分照顧到現(xiàn)有設(shè)備和已有投資的效益,技術(shù)上也充分考慮連續(xù)過(guò)程使用環(huán)境的需要。目前它已經(jīng)占有一定的*,其技術(shù)本身還在不斷完善與更新,如提高傳輸速率等。目前國(guó)外HART儀表的*還在不斷增長(zhǎng),呈上升趨勢(shì),但是它畢竟是過(guò)渡性產(chǎn)品,其生存周期不會(huì)很長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)則由于很多項(xiàng)目都是新項(xiàng)目,所以對(duì)兼容性的考慮較少,而對(duì)先進(jìn)性的考慮較多,相信HART在國(guó)內(nèi)的*不會(huì)很大。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)與國(guó)外市場(chǎng)會(huì)有比較大的差異。一方面國(guó)外市場(chǎng)上占優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品會(huì)不斷滲透到國(guó)內(nèi);另一方面,由于國(guó)內(nèi)廠商的規(guī)模相對(duì)較小,研發(fā)能力較差,更多的是依賴(lài)技術(shù)供應(yīng)商的支持,比較容易受現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)供應(yīng)商 (芯片制造商等)對(duì)國(guó)內(nèi)的支持和市場(chǎng)推廣力度的影響。國(guó)內(nèi)目前僅LonWorks技術(shù)有實(shí)質(zhì)性的市場(chǎng)活動(dòng),所以大部分國(guó)內(nèi)廠商將首先將接受LonWorks技術(shù)。盡管FF號(hào)稱(chēng)儀器儀表行業(yè)的未來(lái)標(biāo)準(zhǔn),但是由于沒(méi)有明確的市場(chǎng)策略和在國(guó)內(nèi)的積極的市場(chǎng)活動(dòng),*將會(huì)受到很大影響。而且事實(shí)表明,所有的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FF)會(huì)員在研制符合FF標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),都同時(shí)推出采用LonWorks技術(shù)的應(yīng)用,由此可見(jiàn)LonWorks技術(shù)的生命力十分頑強(qiáng)。在離散制造加工領(lǐng)域,由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因,其主流技術(shù)會(huì)有一些差別。Profibus和CAN在這一領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。他們已經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面,LonWorks則具有*的優(yōu)勢(shì)。由于LonWorks技術(shù)的特點(diǎn),在多樣化控制系統(tǒng)的應(yīng)用上將會(huì)有較大的發(fā)展。 
  現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起,開(kāi)辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進(jìn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,為企業(yè)帶來(lái)新的效益,因而會(huì)得到廣泛的應(yīng)用,并推動(dòng)自動(dòng)化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。


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