1 引言
現(xiàn)場總線( Fieldbus) 技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù);是一次工業(yè)現(xiàn)場級設(shè)備通信數(shù)字化革命。計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、 控制技術(shù)發(fā)展, 使這種全數(shù)字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)新一代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)( FCS) 到長足發(fā)展。它與智能化現(xiàn)場設(shè)備相結(jié)合充分體現(xiàn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)優(yōu)越性?，F(xiàn)場總線優(yōu)越性是無庸置疑, 它各個行業(yè)應(yīng)用也是來勢洶涌。我們關(guān)注它發(fā)展動態(tài), 是很有意義。
2 現(xiàn)場總線技術(shù)概念
目前, 公認(rèn)現(xiàn)場總線技術(shù)概念描述如下: 現(xiàn)場總線是安裝生產(chǎn)過程區(qū)域現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)自動控制裝置/系統(tǒng)之間一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信數(shù)據(jù)總線。其中, “生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。, 現(xiàn)場總線是以單個分散、數(shù)字化、智能化測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 用總線相連接, 實現(xiàn)相互交換信息, 共同完成自動控制功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
3 基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)
與傳統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)及其它現(xiàn)場總線儀表相比, 現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以下幾方面具有極大優(yōu)勢。
3. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化,降低系統(tǒng)及工程成本
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS) 與模擬儀表間保持著一對一連接方式, 每個現(xiàn)場儀表到控制系統(tǒng)都需要使用一對傳輸線, 單向傳輸一個模擬信號。
這種結(jié)構(gòu), 現(xiàn)場需要使用I/O模塊、接線盒、電纜; 控制室又要使用大量電纜、端子排。儀表到系統(tǒng)連接環(huán)節(jié)多, 導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用高, 占用空間大, 接線龐雜, 安裝費(fèi)用高, 工程周期長, 維護(hù)困難。
現(xiàn)場總線儀表與控制系統(tǒng)之間采用是一對N連接方式, 一對傳輸線可接N 臺設(shè)備, 雙向傳輸多個信號。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省大量電纜, 無需使用I/O模塊、接線盒和大量端子排, 使接線大大簡化, 減少由接線點(diǎn)造成不可靠因素。設(shè)備占用空間小, 安裝費(fèi)用低, 工程周期短, 維護(hù)方便, 系統(tǒng)擴(kuò)展容易。
3. 2 真正分散控制
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制功能分散到現(xiàn)場儀表模塊中, 現(xiàn)場設(shè)備和儀表就構(gòu)成控制回路, 不再如今日過程自動控制結(jié)構(gòu)以DCS為中心, 不再依賴于控制室, 取消了I/O單元與控制站, 實現(xiàn)徹底分散?，F(xiàn)場控制回路中, 變送器具有信號變送、補(bǔ)償?shù)裙δ? 還有I/O、P ID調(diào)節(jié)和運(yùn)算功能; 執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有信號轉(zhuǎn)換和執(zhí)行功能, 還可內(nèi)含輸出特性校驗和補(bǔ)償功能,也可以有P ID控制和運(yùn)算功能。各種功能都被模塊化做成功能塊, 用戶可需要選用功能塊安裝現(xiàn)場設(shè)備和儀表中, 控制功能塊可放變送器模塊中, 也可以放執(zhí)行器模塊中, 或二者均設(shè)置, 實現(xiàn)冗余控制?？刂葡到y(tǒng)仍可對過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,對現(xiàn)場儀表和設(shè)備進(jìn)行線組態(tài)、調(diào)校等, 同時還可用控制系統(tǒng)完成一些復(fù)雜控制和管理功能。這樣提高系統(tǒng)可靠性、自治性和靈活性。
3. 3 開放式、互操作性、可維護(hù)性、可集成性
不同廠家產(chǎn)品使用同一總線標(biāo)準(zhǔn), 就具有互操作性、互換性, 設(shè)備具有很好可集成性。系統(tǒng)為開放式, 允許其它廠商將自己專長控制技術(shù), 如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去, , 市場上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。同樣也增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息集成能力,現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息, 能夠更好滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò), 它不單純?nèi)〈?～20 mA信號, 還可實現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備線故障診斷、報警、記錄功能, 可完成現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作, 也增強(qiáng)了系統(tǒng)可維護(hù)性?；诂F(xiàn)場總線自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù), 使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò), 構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層, 使企業(yè)信息溝通覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。
CIMS系統(tǒng)中, 現(xiàn)場總線是工廠計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場級設(shè)備延伸, 是支撐現(xiàn)場級信息集成技術(shù)基礎(chǔ)。
3. 4 對環(huán)境高度適應(yīng)性
現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計, 它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無線方式來傳送數(shù)據(jù), 具有很強(qiáng)抗干擾能力。常用數(shù)據(jù)傳輸線是廉價雙絞線, 并允許現(xiàn)場設(shè)備利用數(shù)據(jù)通信線進(jìn)行供電, 還能滿足本質(zhì)安全防爆要求。
3. 5 規(guī)?？勺兛刂葡到y(tǒng)和靈活網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)DCS或PLC分大、中、小規(guī)模和型號, 增加設(shè)備時要增加電纜、I/O接口及接線牌, 增加控制器, 對不同系統(tǒng)還要采用不同計算機(jī)語言等進(jìn)行組態(tài), 系統(tǒng)擴(kuò)展給設(shè)計和施工帶來許多不便。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用完全分散式結(jié)構(gòu), 系統(tǒng)功能單元模塊化, 功能塊內(nèi)嵌于現(xiàn)場總線設(shè)備和儀表或控制器中, 現(xiàn)場設(shè)備和儀表作為節(jié)點(diǎn)平等掛接現(xiàn)場總線上, 是相對理想狀態(tài), 從幾個回路到幾百個回路均可。增加控制回路或單元, 只需將設(shè)備掛接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上, 功能強(qiáng)大軟件可幫我們迅速組態(tài)現(xiàn)場設(shè)備, 并投入運(yùn)行, 系統(tǒng)擴(kuò)展十分簡單, 故被稱為規(guī)模可變控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以復(fù)雜現(xiàn)場情況組成不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 如樹型、星型、總線型和層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。
可以說, 開發(fā)性、分散性和低成本是現(xiàn)場總線最顯著三大特征。一些特殊行業(yè)、特殊要求下, 現(xiàn)場總線對環(huán)境適應(yīng)性以及采用靈活網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是很有必要。比如危險區(qū)域, 要求現(xiàn)場設(shè)備防爆; 常規(guī)防爆方法會限制能量來避免電磁感應(yīng)產(chǎn)生火花能量。這樣與現(xiàn)場總線主要優(yōu)點(diǎn)就有了抵觸, 限制能量(運(yùn)用本安方法) , 那么, 每個總線分支上允許連接現(xiàn)場設(shè)備就會大大減少。又比如總線采用線狀結(jié)構(gòu), 一條總線支路電纜斷了, 這個支路就癱瘓了; 采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 斷了一兩條支路,信息還可以其他途徑傳遞, 系統(tǒng)功能會下降,但不會癱瘓。
4 主要現(xiàn)場總線簡介
現(xiàn)場總線發(fā)展迅速, 現(xiàn)正處于群雄并起、百家爭鳴階段, 目前已開發(fā)出40多種現(xiàn)場總線, 具有影響力有4種。
4. 1 基金會現(xiàn)場總線FF( Founda tion Fieldbus)
基金會現(xiàn)場總線是國際上幾家現(xiàn)場總線激烈競爭后形成一種現(xiàn)場總線, 由現(xiàn)場總線基金會推出。與私有網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議不同, FF總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家。其總線體系結(jié)構(gòu)是參照ISOOSI模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層, 并增加了用戶層而建立起來通信模型。FF到了世界上幾乎所有著名儀表制造商支持,同時遵守IEC協(xié)議規(guī)劃, 與IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)和草案基本- 致。FF總線提供了Hl和H2兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。Hl是用于過程控制低速總線,
傳輸速率為31. 25 kbp s, 傳輸距離為200 m、450m、1 200 m、1 900 m四種(加中繼器可以延長) ,可用總線供電, 支持本質(zhì)安全設(shè)備和非本質(zhì)安全總線設(shè)備。H2為高速總線, 剛開始FF對H2構(gòu)想為1Mbp s (此時傳輸距離為750 m) 或2. 5 Mbps(此時傳輸距離為500 m) 。后來會議中決定改為以100Mbp s以太網(wǎng)為基礎(chǔ), 并稱為高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線HSE (High Speed Ethernet Fieldbus) 。H1和H2每段節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)32個, 使用中繼器后可達(dá)240個, Hl和H2可網(wǎng)橋互連。FF突出特點(diǎn)設(shè)備互操作性、改善過程數(shù)據(jù)、更早預(yù)測維護(hù)及可靠安全性。目前, FF現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主。如: 化工、電力廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。
4. 2 過程現(xiàn)場總線Prof ibus
Profibus是由Siemens公司提出并極力倡導(dǎo),己先后成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)D IN19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170, 是一種開放而獨(dú)立總線標(biāo)準(zhǔn), 機(jī)械制造、工業(yè)過程控制、智能建筑中充當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)。
Profibus由Profibus - PA、Profibus - DP和Profibus- FMS三個系列組成。Profibus - PA ( Process Automation) 用于過程自動化低速數(shù)據(jù)傳輸, 其基本特性同F(xiàn)FH1總線, 可以提供總線供電和本質(zhì)安全, 并到了專用集成電路(ASIC) 和軟件支持。Profibus - DP與Profibus - PA兼容, 基本特性同F(xiàn)FH2總線, 可實現(xiàn)高速傳輸, 適用于分散外部設(shè)備和自控設(shè)備之間高速數(shù)據(jù)傳輸, 用于連接Profibus - PA和加工自動化。Profibus - FMS適用于一般自動化中速數(shù)據(jù)傳輸, 主要用于 傳感器、執(zhí)行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用RS485 通信標(biāo)準(zhǔn), 傳輸速率從9. 6 kbp s到12 Mbp s, 傳輸距離從1 200 m 到100 m (與傳輸速率有關(guān)) 。介質(zhì)存取控制基本方式為主站之間令牌方式和主站與從站之間主從方式, 以及綜合這兩種方式混合方式。
4. 3 Lonwoks總線
Lonworks現(xiàn)場總線全稱為Lonworks NetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 希望推出能夠適合各種現(xiàn)場總線應(yīng)用場合測控網(wǎng)絡(luò)。智能節(jié)點(diǎn)和LonTalk通訊協(xié)議是LonWorks現(xiàn)場總線基礎(chǔ), 前者支持分散化、智能化特征, 后者滿足了現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)之間無擁塞、快速安全通訊要求。它最大特點(diǎn)是全分散智能監(jiān)控, 賦予現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)更大自主權(quán), 大部分任務(wù)就完成, 上位機(jī)只起系統(tǒng)建造、組態(tài)和維護(hù)作用。建立好系統(tǒng)可以脫離上位機(jī)正常運(yùn)行, 上位機(jī)成為“虛擬主機(jī)”。目前LONWORKS應(yīng)用范圍廣泛, 主要包括工業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA 系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動化方面。
4. 4 CANBUS現(xiàn)場總線
CANBUS現(xiàn)場總線已由ISO /TC22技術(shù)委員會批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)IOS 11898 (通訊速率小于1 Mbp s) 和ISO 11519 (通訊速率小于125 kbp s) 。它協(xié)議是工作站現(xiàn)場總線———智能現(xiàn)場設(shè)備兩層多主結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。它具有標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議, 開放性功能好;無損結(jié)構(gòu)逐位仲裁方式進(jìn)行總線優(yōu)先權(quán)訪問;強(qiáng)有力錯誤處理能力, 故障節(jié)點(diǎn)自動脫離總線;有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力等特點(diǎn)。CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動化等場合均有所應(yīng)用。
5 如何選擇現(xiàn)場總線建議
(1) 是否選用現(xiàn)場總線。任何領(lǐng)域, 沒有實際使用過“新鮮事物”, 人們往往抱著一種懷疑和謹(jǐn)慎態(tài)度, 更先前使用是一種比較成熟技術(shù)或產(chǎn)品?？涩F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)日益細(xì)化, 現(xiàn)場總線系統(tǒng)產(chǎn)品逐漸完善, 使它風(fēng)險分散、控制層開放、成本下降等各方面優(yōu)越性日益突現(xiàn), 選擇使用現(xiàn)場總線廠家和項目逐漸增多。
另, 歷史原因, 我國工控行業(yè)內(nèi)如PLC、DCS落后于國外, 根本原因是國外少數(shù)幾家大公司為保證其壟斷經(jīng)營位對其工控產(chǎn)品采用封閉式結(jié)構(gòu), 我國對其關(guān)鍵核心技術(shù)引進(jìn)消化后方可掌握。現(xiàn)場總線技術(shù)開放性策略無疑為我國工控界國際市場上發(fā)展帶來了一個千載難逢平等競爭機(jī)遇。我們應(yīng)當(dāng)緊緊抓住這一契機(jī), 率先推出有中國自己現(xiàn)場總線產(chǎn)品, 開創(chuàng)中國自己國際工控產(chǎn)品名牌。
(2) 選擇標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)比較多樣化, 與各個行業(yè)習(xí)慣不同有關(guān)。我們應(yīng)該選擇本行業(yè)里占有份額比較大、實際應(yīng)用中取良好成果標(biāo)準(zhǔn)。這樣將來國際標(biāo)準(zhǔn)化組織科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展現(xiàn)狀及廠商用戶對標(biāo)準(zhǔn)制定要求,對標(biāo)準(zhǔn)制定及批準(zhǔn)手續(xù)作出相應(yīng)改變, 并承認(rèn)存所謂事實上標(biāo)準(zhǔn)———即那些市場中已占有較大份額、具有很大用戶成功應(yīng)用經(jīng)驗技術(shù)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。
(3) 選擇總線產(chǎn)品。目前國際上現(xiàn)場總線
群雄并起局面下, 用戶應(yīng)從實際應(yīng)用工程特點(diǎn)出發(fā)去選擇。沒有一種可包羅萬象、適合所有應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品。應(yīng)著重考察這種總線本行業(yè)中應(yīng)用業(yè)績。如制造業(yè)自動化、電力自動化及過程控制自動化三個領(lǐng)域, 數(shù)據(jù)實時響應(yīng)要求方面就大不一樣。當(dāng)然用戶可盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產(chǎn)品應(yīng)用基礎(chǔ)好公司產(chǎn)品, 這些公司現(xiàn)場總線技術(shù)被國際標(biāo)準(zhǔn)采納可能性大, 售后服務(wù)好, 及無縫升級產(chǎn)品機(jī)會大。
針對船舶行業(yè)要求安全性高、實用性強(qiáng)、監(jiān)控點(diǎn)多、監(jiān)控物理量類型多等特點(diǎn), 多年實際應(yīng)用基礎(chǔ)和前輩推薦, 一般采用LonWorks或CANBUS現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)是比較合適。
針對海洋平臺應(yīng)用中過程控制連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力要求, 及其系統(tǒng)設(shè)計中強(qiáng)調(diào)“故障—安全”性和慣用總線標(biāo)準(zhǔn), 一般采用FF或ProfiBus這兩種總線結(jié)構(gòu)。
6 結(jié)束語
現(xiàn)場總線技術(shù)克服了模擬儀表和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS: 集散控制系統(tǒng)) 技術(shù)上和應(yīng)用中各種缺陷, 帶來了傳統(tǒng)控制技術(shù)所無法比擬長期效益。選用現(xiàn)場總線時, 要制定出自己要點(diǎn), 選擇適用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品。
（轉(zhuǎn)載）
