本文從應(yīng)用的角度首先詳細(xì)分析了五種現(xiàn)場總線的技術(shù)特點，然后針對應(yīng)用現(xiàn)場總線的一些問題進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵字：現(xiàn)場總線、FF、PROFIBUS、CAN、LONWORKS、HART 1 前言 現(xiàn)場總線是90年代初期興起的一種工業(yè)控制技術(shù)，和DCS相比有許多的優(yōu)點，它是一種全數(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)的新一代控制系統(tǒng)；是計算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合與集成;它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備，用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，它將傳統(tǒng)的 DCS三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)“工作站現(xiàn)場總線智能現(xiàn)場儀表”，降低了成本，提高了可靠性，實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系，所以自它誕生之日起，就對DCS形成了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。目前現(xiàn)場總線己成為世界上自動化技術(shù)的熱點，世界上許多工控領(lǐng)域的巨人如：Honeywell，F(xiàn)isher-Rosemount等都積極開展FCS技術(shù)的開發(fā)研究和應(yīng)用，推出了自己的FCS產(chǎn)品，據(jù)不統(tǒng)計，目前各類現(xiàn)場總線產(chǎn)品有40多種，從而，使有的用戶對之目不暇接，甚至感到困惑而不知所從。本文將從應(yīng)用的角度出發(fā)，對目前比較流行的五種現(xiàn)場總線技術(shù)特點進(jìn)行分析之后，針對應(yīng)用現(xiàn)場總線系統(tǒng)時工程中關(guān)心的有關(guān)問題開展討論。
2 幾種現(xiàn)場總線的特點 1． CAN
CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡稱，它是由德國的Bosch公司及幾個半導(dǎo)體生產(chǎn)商開發(fā)出來的，起初它是為汽車的檢測和控制而設(shè)計的，后來逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)部門，值得指出的是，CAN是目前被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，它有如下基本特點：
(1) CAN協(xié)議遵循 ISO／OSI模型，采用了其中的物理層，鏈路層與應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)。
(2) CAN的通信速率為5Kbps／10km，lMbps／40m，節(jié)點數(shù)可達(dá)110個：傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，光纖等。
(3) CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。并且，當(dāng)CAN節(jié)點發(fā)生嚴(yán)重錯誤時， CAN具有自動關(guān)閉節(jié)點的功能，自動切斷與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，所以，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
(4) CAN采用點對點，一點對多點及全局廣播幾種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無主從之分。
(5) CAN采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)。
(6) CAN不能支持防爆區(qū)。
CAN自誕生以來，以其的設(shè)計思想，良好的功能特性和的可靠性越來越受到工業(yè)界的青睞，目前己在許多行業(yè)獲得應(yīng)用：汽車，機(jī)器人，樓宇自控，紡織機(jī)械，，自動化儀表，傳感器等。目前支持 CAN協(xié)議的世界有多家大公司：Intel，Motorla，Honeywell，NEC，Siemens，Philips等。其在測控和智能儀表方面的應(yīng)用如圖l和圖2所示。
2．LONWORKS
LONWORKS是局部操作網(wǎng)絡(luò)， LON是Local operating network的簡稱，它是美國Echelon公司于1991年3月推出的技術(shù)和產(chǎn)品，其主要特點為：
(1) LONWORKS采用LONTALK通訊協(xié)議，該協(xié)議遵循 ISO／OSI參考模型，它提供了OSI所定義的全部7層服務(wù)，在所有現(xiàn)場總線中，這是無二的特色。
(2)通信速率為78Kbps／2700m，1．25Mbps／130m，節(jié)點數(shù)32000個，傳輸介質(zhì)可為雙絞線，同軸電纜，光纖，電源線等。
(3)LONWORKS的核心是Neuron(神經(jīng)元)芯片，內(nèi)含3個8位CPU。個CPU為介質(zhì)訪問控制處理器，處理LONTALK協(xié)議的層和第二層。第二個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，實現(xiàn)LONTALK的第3層到第6層的功能：第3個CPU為應(yīng)用處理器，實現(xiàn)LONTALK的第七層協(xié)議，執(zhí)行由用戶編的代碼及用戶的代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。 Neuron芯片的編程語言為Neuron C，是從ANSI C中派生出來的。 LONWORKS提供一套開發(fā)平臺， LON BUILDER和Node Builder，價格為10-30萬.
(4) Lonworks可以構(gòu)成：總線型、星型、環(huán)型和混合型等典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自由組合，可以通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線的互聯(lián)。見圖3、圖4。
(5) Lontalk協(xié)議的介質(zhì)訪問協(xié)議對 CSMA作了改進(jìn)，采用一種稱作Predictive P-Persistent CSMA的新協(xié)議。
(6)Lonworks能支持防爆區(qū)。
Lonworks技術(shù)自1991年推出后，發(fā)展很快，到1996年已有2600家生產(chǎn)商，使用并且安裝了200多萬個節(jié)點，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了任何其他測控現(xiàn)場總線，其應(yīng)用范圍包括工業(yè)控制，樓宇自動化，航空／航天等，幾乎囊括了測控應(yīng)用的所有范疇，在其銷售額中，40％是工業(yè)控制，30％是樓宇自動化.(LONWORKS不屬于IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之列) 3． HART
HART是可尋址遠(yuǎn)程傳感器通路( Highway Addressable Remote transducer)的簡稱，是美國的Rosemount公司1986年研制的一種通訊協(xié)議，它具有如下特點：
(1) HART協(xié)議參照 ISO／OSI模型，其通訊模型由三層構(gòu)成：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
(2) HART支持模擬信號和數(shù)字信號在同一線路上同時存在，可實現(xiàn)與其它模擬設(shè)備混合使用，其通訊速率為：在4~20mADC模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號時為1200bps，用屏蔽雙絞線單臺設(shè)備距離可達(dá)3000m；而多臺互連距離可達(dá)1500m．
(3) HART支持點對點，主從應(yīng)答方式和多點廣播方式，通訊模式為：“問答式”，或“廣播式”?！ ?4)HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
嚴(yán)格地講，HART不屬于現(xiàn)場總線，而是模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)過渡的一種產(chǎn)品，目前世界上HART協(xié)議的產(chǎn)品仍在生產(chǎn)，但現(xiàn)場總線的產(chǎn)品大量上市，而價格能與之接近，所以，它的生命周期不會太長。 4． PROFIBUS
PROFIBUS是Process Fieldbus的簡稱。它是1987年德國聯(lián)邦按照ISO／OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線德國國家標(biāo)準(zhǔn)，于1991年正式成為德國現(xiàn)場總線國家標(biāo)準(zhǔn) (DINl9245)；并于1998年又成為歐洲的標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)。它具有如下特點：
(1) PROFIBUS由三部分組成：
a． PROFIBUS—FMS(Fieldbus Message Speciflcation現(xiàn)場總線報文規(guī)范)。此部分是完成控制器和現(xiàn)場器件之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此，它考慮的是系統(tǒng)功能而不是系統(tǒng)響應(yīng)時間，適應(yīng)于完成中等傳輸速度進(jìn)行較大數(shù)據(jù)交換的循環(huán)和非循環(huán)通訊任務(wù)。
b． PROFIBUS—DP(Decentralized Periphery分散型外圍設(shè)備)是一種優(yōu)化的通訊模塊，適用于自動控制系統(tǒng)和外圍設(shè)備之間的通信，對時間要求苛刻的場合。
c． PROFIBUS—PA(Process Automation過程自動化)，應(yīng)用于過程自動化，實現(xiàn)了 IECll58-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。
(2) PROFIBUS遵循ISO／OSI模型，其通信模型由三層構(gòu)成：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
(3) PROFIBUS的通信速率為：
a．PROFIBUS—FMS：使用 RS—485時，為9．6k-500k波特，距離1．6km-4．8km，最多可接122個節(jié)點；使用 FSK(頻移鍵控)時，最多32個節(jié)點，距離可達(dá)5km，介質(zhì)可為雙絞線或光纜。
b． PROFIBUS—DP：RS-485雙絞線或光纜，為9．6K-12M波特；距離：12M波特時為100m；1．5M波特時為200m，可用中繼器加大距離，站數(shù)126。
c． PROFIBUS-PA通信速率為31．25kbps，距離為≤1．9km，其每一段上可連接的儀表臺數(shù)≤32臺,但決定于所接入總線儀表設(shè)備的耗電量和應(yīng)用的總線電流，只要饋入總線的電源不超過規(guī)定的電壓值和電流值，就可以保證在危險區(qū)域中運(yùn)行的本質(zhì)安全性．
(4)總線存取協(xié)議：三種系列的PROFIBUS均使用單一的總線存取協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層采用混合介質(zhì)存取方式，即主站間按令牌方式，主站和從站間按主從方式工作。
(5)三種系列的PROFIBUS很容易集成在一起， DP和FMS使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電線上同時操作； PA和DP之間使用分段耦臺器能方便地集成在一起，如圖5所示。
(6)安全性： PROFIBUS-PA采用總線供電，支持安防爆要求。
PROFIBUS自1989問世以來，由于其嚴(yán)格的定義和*的功能使其成為開放式系統(tǒng)的，目前世界上約有五百多家廠商加入了PROFIBUS用戶協(xié)會，并提供近千種PROFIBUS產(chǎn)品，的Siemens公司可提供100多種PROFIBUS產(chǎn)品，據(jù)統(tǒng)計到1999年世界上已有35萬套PROFIBUS設(shè)備成功應(yīng)用在5萬多個工業(yè)現(xiàn)場。 5． FF
FF是現(xiàn)場總線基金會(Fieldbus Foundation)的簡稱，是的不附屬于某企業(yè)的公正的非商業(yè)化的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制定單一的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，無許可要求，供如何人使用，它具有如下特點：
(1) FF遵照 ISO／OSI模型，其通信模型由四層構(gòu)成：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層及用戶層，在OSI模型基礎(chǔ)之外增加了一層(用戶層)。
(2)通信速率： FF定義兩種速率的總線，低速總線 H1，波特率為31．25kbps，傳輸距離為0．2km-1．9km(取決于介質(zhì))；高速總線 H2，其波特率為1.0Mbps／750m或2．5Mbps／500m。傳輸介質(zhì)可為雙絞線，同軸電纜，光纖或無線電。
(3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： H1：支持總線型或樹型； H2支持總線型。
(4)介質(zhì)訪問：采用容令牌和查詢通信方式為一體的技術(shù)，在一個網(wǎng)絡(luò)中可以有幾個主站。初始化時，僅容許一個站處于講工作狀態(tài)，講工作狀態(tài)傳來后，主站查詢從站，并且特殊的幀結(jié)構(gòu)把講工作狀態(tài)送給另一個主站。
(5)安全性：低速總線H1采用本安型總線供電，滿足本安防爆要求。
FF自1994年成立，世界上已有120多個成員公司加入，的現(xiàn)場設(shè)備制造商及控制系統(tǒng)供應(yīng)商都在其列。 IEC已批準(zhǔn)了FF的物理層標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)冶金部自動化研究院1995年4月加入了 FF，1996年4月華控技術(shù)有限公司也參加了FF。 3 應(yīng)用問題的探討 可以看出：工業(yè)上還沒有一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，各類總線都有一些自己的特色。鑒于現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未出來，在眾多現(xiàn)場總線并存的局面下，作為一名準(zhǔn)備應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品的用戶，必須根據(jù)自己的要求，結(jié)合各種現(xiàn)場總線的特色，來選擇合理的產(chǎn)品。那么如何進(jìn)行選擇呢?
在具體確定選用那種現(xiàn)場總線產(chǎn)品之前，一般來說，應(yīng)該弄明如下幾方面的情況：
1．規(guī)模的大小，即需要運(yùn)用現(xiàn)場總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點有多少個。
規(guī)模的大小對選用那種現(xiàn)場總線有影響，如： CAN最多可接設(shè)備110個，而 LONWORKS的節(jié)點數(shù)可達(dá)32000個， PROFIBUS的節(jié)點也是從幾十個到一百多個。
2．環(huán)境條件：這包括節(jié)點分布的遠(yuǎn)近，現(xiàn)場的安全防爆要求，電磁環(huán)境等。
環(huán)境條件的不同，對選用那種現(xiàn)場總線也有影響，首先節(jié)點分布的遠(yuǎn)近決定通信線路的長度，而這方面不同的總線其能力是不一樣的，其變化范圍為幾十米至10公里?，F(xiàn)場的安全防爆要求是一項十分重要的指標(biāo)，根據(jù)上面分析除 CAN總線外，其余幾種都能滿足安全防爆要求，依據(jù)目前的發(fā)展趨勢選用 PROFIBUS-PA或 FF的 H1?，F(xiàn)場電磁環(huán)境的優(yōu)劣，決定了選用構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)，如果現(xiàn)場電磁干擾等很嚴(yán)重，選用光纖作為傳輸介質(zhì)。
3．傳輸信號情況：這包括傳輸信號是模擬量或數(shù)字量，信息量的大小，對實時性的要求等。傳輸信號情況的不同對現(xiàn)場能力也提出不同的要求，如果是模擬與數(shù)字信號共存，可以選用HART；如果傳輸?shù)男畔⒘刻貏e大，實時性不高，可以考慮選用PROFIBUS—FMS；如果是信息量大，實時性高，可以考慮選用PROFIBUS—FMS和PROFIBUS—DP構(gòu)成系統(tǒng).
4．現(xiàn)場設(shè)備情況：這是指對原老設(shè)備的技術(shù)改造，還是采用符合現(xiàn)場總線要求的新的智能儀表等。這種情況在國內(nèi)的許多單位都存在，由于原來使用的許多儀表都是II型或III型表，且目前使用的效果又比較好，但又希望利用的現(xiàn)場總線技術(shù)提高生產(chǎn)的綜合自動化水平，這樣實際上是提出了一個在如果充分利用原來老設(shè)備的基礎(chǔ)上建立現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。所幸的是目前市場提供的遠(yuǎn)程智能 I／O能滿足這種要求如：國內(nèi)的北京中機(jī)浦發(fā)工貿(mào)發(fā)展有限公司就能生產(chǎn)這種產(chǎn)品，通過這種 I／O能將傳統(tǒng)儀表的模擬4—20mA或0-5v的信號轉(zhuǎn)換成和現(xiàn)場總線相兼容的通信信號，從而實現(xiàn)與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接與通信。這種方案對一些財力不是很充足的老企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造是一種可取的途徑。總之作為用戶，總是希望選用性能價格比的產(chǎn)品，但是由于用戶自身的需求千差萬別，往往一種現(xiàn)場的產(chǎn)品很難滿足各方面的需求，所以在實際選型時，我們可以利用網(wǎng)關(guān)技術(shù)，將不同的現(xiàn)場總線集成一起，從而滿足自己的要求。
另外，如果針對自己的要求，有幾種產(chǎn)品都能滿足自己的要求，且性能價格比都差不多時，這時考慮的因素應(yīng)該是服務(wù)，如果哪家的產(chǎn)品用戶多，服務(wù)好(包括安裝，培訓(xùn)，維修等)，就應(yīng)該考慮優(yōu)先選擇該產(chǎn)品。照目前時情況PROFIBUS和FF在這方面比較有優(yōu)勢。 電磁流量計 壓力變送器 測溫槍 (責(zé)任編輯：admin) | 
