现场总线技术的研究
2018-3-28 来源：天津市劳动经济学校 作者：高雪莲
【摘要】随着微处理器的快速发展和广泛的应用，设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。因此对主流现场总线在不同领域的对比研究具有非常大的应用价值，本文对基金会现场总线、Lonworks现场总线、profibus现场总线的对比必将对同类课题的研究提供一定的参考。
【关键词】现场总线 数控系统 应用比较
1、前言
微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号 ,随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨人的变革。150多年前出现的基于5一13psi的气动信号标准(PCS, Pneumatic Control System动控制系统)，标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念20世纪50年代，随着基于0一10mA或4一20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今。
2、现场总线的现状
由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC /ISA)就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作还难以统一。目前现场总线市场有着多种现场总线并存的特点:
现场总线人都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航人、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80%左右的市场。
每种总线大都有其应用的领域，比如FF. PROFIBUS一PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域 LonWrks.PROFIBUS一FMS. DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域DeviceNet.PROFIBUS一DP适用于加工制造业，而这此划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透，各种总线都有其应用的领域。
3、现场总线技术的发展
80年代初，最初的现场总线出现在欧洲，由于现场总线具有数字方式通讯带来的优点，使其得到很快发展，一时间出现了各种各样的现场总线.据统计，目前约有40多种现场总线，由于没有一个统一的标准可以遵循，各厂家开发的现场总线都是自行其是，各种产品之间无法直接互相操作，带来了极大的混乱和负，另一方面，用户对现场总线通信协议标准化的要求非常强烈.采用标准化的现场总线将允许不同供应商的设备都可能与现场总线相连:用户仁将可以随心所欲地从不同供应商那里选择他们所需要的产品，现场总线标准的一致性将确保网络中的所有节点都良好地工作在一起。
在今后的发展中，FCS将会成为主流，FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS，这已是业内人士的基木共识，尽管现阶段FCS尚没有统一的国际标准而旱群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用而占据着一个尚不可完全替代的地位，并且DCS也在朝开放性、分散性和可互操作方向发展，所以就目前现状看，工业控制处在DCS木身成熟和FCS发展过程中。智能I/O是DCS向现场总线的一种过渡。远程智能I/O以其可靠性高、分散性好。而具备了现场总线的性能。所以，现场总线和DCS将会长期共存。但FCS必将会在一定的时期内成为主流控制系统。
4、现场总线的优点
4. 1 数量与投资
由于现场总线系统中分散在设备前端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，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信弓调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。
4. 2 安装费用
现场总线系统的接线十分简中一，由于一对双绞线或一条电缆上通常可拄接多个设备，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，可节约安装费用60%以上。
4. 3 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，它从根木上提高了测量与控制的准确度，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。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
5、现场总线技术特点
5. 1 系统的开放性
开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
5.2 互可操作性与互用性
这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
5.3 现场设备的智能化与功能自治性
它将传感测量、补偿计算、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。
5.4 系统结构的高度分散性
由于现场设备本身已可完成自动控制的基木功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式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。
5.5 对现场环境的适应性
工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、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，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
6、主流现场总线
下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。
6.1 基金会现场总线
基金会现场总线，即FoudationFieldbus，简称FF，这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技术。其前身是以美国Fisher一Rousemount公司为首，联合Foxboro.横河、ABB.西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这两人集团于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。它以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。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125 Kbps，通信距离可达1900 m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1 Mbps和2 5 Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158 -2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。
为满足用户需要，Honeywell. Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，I总线已通过α测试和β测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。2总线标准也已经形成。
1996年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这此分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用配目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。
6.2 Profibus
Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus一Dp. Profibus一FMS. Profibus一PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158 -2标准。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，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3 -7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接日，FMS型只Is去第3 -6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158 -2 (1 )标准，可实现总线供电与木质安全防爆。
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