引 言
工業生產的過程測控技術由分離設備向共享設備發展;自動化技術由模擬儀表向智能化儀表發展;計算機網絡技術向現場延伸。同時經歷了五個發展階段:人工控制階段、模擬儀表控制系統階段、計算機集中式數字控制系統階段、集散式控制系統階段和現場總線控制系統階段。集散式控制系統(distributed control system ,DCS)是目前普遍使用的一種控制結構 ,它按照多級計算機分布控制系統的設計思想 ,采用功能分層方法 ,信息一方面自下而上逐漸集中 ,同時它又自上而下逐漸分散 ,構成了系統的基本結構 ,分散控制為其最主要的特征;系統中信息的傳遞主要依賴于 4～20 mA 的模擬信號 ,采用點對點的通信方式。常見的集散式控制系統有美國和日本等某些公司的產品。隨著計算機集成制造系統的發展和控制系統的日益復雜化 ,集散式控制系統逐漸不能滿足發展的需求。現場總線技術為解決問題提供了途徑。
1.現場總線技術及其發展
現場總線技術將專用的微處理器植入傳統的測控儀表 ,使其具備了數字計算和通信的能力 ,采用連接簡單的雙絞線、同軸電纜、光纖等作為總線 ,按照公開、規范的通信協議 ,在位于現場的多個微機化測控儀表之間、遠程監控計算機之間實現數據共享 ,形成適應現場需要的控制系統。它的出現改變了以往使用電壓、電流模擬信號進行測控信號變化慢、信號傳輸抗干擾能力差的特點 ,提高了信號的測控和傳輸準確度 ,同時豐富了控制信息的內容 ,也改變了集中式控制可能造成的全線癱瘓的局面。因此 ,現場總線替代4～20 mA 模擬總線是控制系統發展的必然趨勢 ,形成了新型的網絡集成式全分布控制系統即現場總線控制系統(fieldbus cont rol system FCS) 。
現場總線技術是計算機技術、通信技術和控制技術發展的產物;是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡 ,它的關鍵標志是支持全數字通信。它是應用在生產現場 ,在微機化測控設備之間實現雙向串行多節點數字通信的網絡系統 ,同時還具有與 Internet 和Int ranet 直接連接的能力。因此現場總線可以被看作是信息系統的直接終端。
現場總線控制系統具有以下的特點: ①開放式、互操作性、互換性、可集成性。不同廠家產品只要使用同一種總線標準 ,就具有互操作性、互換性 ,因此設備具有很好的可集成性。開放性的控制系統 ,允許其他廠商將自己專長的控制技術 ,如控制算法、工藝方法、配方等集成到通用控制系統中 ,因此市場上將具有很多面向行業特點的控制系統; ②系統內部從傳感器、變送器到執行器 ,傳遞的都是數字信號 ,可以很容易的處理更復雜、更精確的信號 ,通過采用數字通信的各種錯誤檢測與糾錯算法使系統內部通信的可靠性得到提高; ③控制功能分散到現場設備中 ,控制室內儀表裝置和監控計算機主要完成數據處理、監督控制、優化控制、協調控制和管理自動化等功能; ④系統可靠性高、可維護性好。現場總線控制系統采用總線連接方式代替一對一的 I/ O 連線,對于大規模系統來說 ,減少了由接點造成的不可靠因素。同時,系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警和記錄功能 ,也增加了系統的可靠性和可維護性; ⑤降低了系統及工程成本。對于大范圍大規模的 I/ O分布式系統來說,省去了大量的電纜、I/ O 模塊及電纜敷設費用,降低了系統及工程成本。
當今典型的現場總線產品有: FF 現場總線、LonWorks現場總線、Profibus 現場總線、WorldFIP現場總線、 CAN 現場總線、 HART 協議。
LonWorks現場總線采用了面向對象的設計方法 ,通過使用網絡變量把網絡通信簡化為參數設置,外部設備使用LonWorks現場總線通信只需對Lon2Works的神經元芯片的 I/ O 口進行編程;WorldFIP現場總線的特點是具有單一的總線 ,可用于過程控制及離散控制 ,而且沒有任何網橋或網關 ,低速與高速部分的銜接用軟件的辦法來解決 ,已有較完整的系列產品 ,不像 FF現場總線目前只有低速部分 H1的產品;CAN 現場總線的信號傳輸采用短幀結構,每一幀的有效字節數為 8 個 ,因而傳輸時間短 ,受干擾的概率低。當節點發生嚴重錯誤時 ,具有自動關閉的功能 ,以切斷該節點的信息; HART 協議的特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信,屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡性產品 ,因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力 ,得到了較快發展。
2000 年 IEC 公布了 IEC 61158 現場總線標準,該國際標準容納了8 種互不兼容的協議,每種協議及其系列產品背后都有一定的跨國公司支持,多種現場總線標準并存成為事實 ,過多的標準給用戶選用帶來了很大的困惑和不便。近年來由于以太網技術的飛速發展 ,以太網正逐漸應用于工業自動化領域。
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