现场总线技术及控制系统

现场总线技术及控
制系统
现场总线技术及控制系统
摘要:文章介绍了现场总线的概念,回顾了其产生及发展历程,分析了现场总线控制系统相对于集散控制系统的特点和优点。

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,分布式控制,FCS,DCS,开放式互连系统
一、前言
七十年代以前,控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递,其精度差、受干扰信号影响大,因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。

七十年代末,随着大规模集成电路的出现,微处理器技术得到很大发展。

微处理器功能强、体积小、可靠性高、经过适当的接口电路用于控制系统,控制效果得到提高;可是尽管如此,还是属于集中式控制系统。

随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展,控制领域又发生了一次技术变革。

这次变革使传统的控制系统(如集散控制系统)无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃,这次变革的基础就是现场总线技术的产生。

现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,它也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。

80年代以来,各种现场总线技术开始出现,人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高,从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。

美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准,在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等,各种现场总线标准陆续形成。

其中主要的有:基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)、控制局域网络CAN(Controller Area Network)、局部操作网络LonWorks(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(Process Field Bus)和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。

可是,总线标准的制定工作并非一帆风顺,由于行业与地域发展等历史原因,加上各公司和企业集团受自身利益的驱使,致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。

可是不论如何,制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。

二、当前流行的几类现场总线
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,其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。

用户层主要针对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规则,采用设备描述语言规定了通用的功能块集。

FF总线包括FF通信协议、ISO 模型中的2～7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL 设备描述语言、设备描述字典,用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块,实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

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,而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。

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能够进行对等通信。

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能够应用于危险区域。

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、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。