現(xiàn)場總線及通訊協(xié)議.doc

現(xiàn)場總線及通訊協(xié)議現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和未來發(fā)展一、引言 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)（DCS）后，今后將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的方向發(fā)展?，F(xiàn)場總線(field bus)是指現(xiàn)場儀表和數(shù)字控制系統(tǒng)輸入輸出之間的全數(shù)字化、雙向、多站的通訊系統(tǒng)。二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)，每一代新的控制系統(tǒng)推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動下占領市場的主導地位，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外。1、模擬儀表控制系統(tǒng) 模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導地位。其顯著缺點是：模擬信號精度低，易受干擾。 2、集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器，控制器內部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點是易于根據(jù)全局情況進行控制計算和判斷，在控制方式、控制機時的選擇上可以統(tǒng)一調度和安排；不足的是，對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當系統(tǒng)任務增加時，控制器的效率和可靠性將急劇下降。 3、集散控制系統(tǒng)（DCS） 集散控制系統(tǒng)（DCS）于八、九十年代占主導地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，若干臺下位機下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，各上下位機之間用控制網(wǎng)絡互連以實現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結構有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系統(tǒng)中，分布式控制思想的實現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用，遺憾的是，不同的DCS廠家為達到壟斷經(jīng)營的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡采用各自專用的封閉形式，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡之間難以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連和信息共享，因此集散控制系統(tǒng)從該角度而言實質是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)且DCS造價昂貴。在這種情況下，用戶對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求。 4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） FCS正是順應以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場總線這一開放的，具有可互操作的網(wǎng)絡將現(xiàn)場各控制器及儀表設備互連，構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。因此，F(xiàn)CS實質是一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，有望成為21世紀控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。 三、現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 1、現(xiàn)場總線的概念 現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 2、現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別 （1）按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實時性高。簡而言之，現(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實時性。從這個意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡。 （2）按實現(xiàn)方式比較現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需 要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實現(xiàn)成本高。 3、現(xiàn)場總線的特點在傳統(tǒng)的DCS中，體現(xiàn)的是集中管理與分散控制的思想。其結構體系可描述為“三站一線”，即工程師站、操作員站、I/O站和通信網(wǎng)絡。工程師站負責系統(tǒng)管理、控制組態(tài)、系統(tǒng)生成與下裝；操作員站實現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制操作、過程狀態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)的收集、報警狀態(tài)顯示以及趨勢顯示和報表生成打印等；現(xiàn)場I/O站實現(xiàn)各種信號的采集和處理、回路的運算和控制結果輸出等；通信網(wǎng)絡負責提供各種功能站之間的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)絡。現(xiàn)場總線的突出特點在于它克服了DCS系統(tǒng)中通信由封閉的專用網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷，把基于封閉專用的解決方案變成基于公開標準化的解決方案；同時把集中與分散相結合的DCS集散控制結構，變成新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身實現(xiàn)基本控制功能?，F(xiàn)場總線的特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）以數(shù)字信號完全取代傳統(tǒng)DCS的420mA模擬信號，且雙向傳輸信號。一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大為減少，連線設計與接頭校對工作量也大為減少。同時，通信總線延伸到現(xiàn)場傳感器、變送器、控制器和伺服機構，操作人員在控制室就能實現(xiàn)主控系統(tǒng)對現(xiàn)場設備的在線監(jiān)視、診斷、校驗和參數(shù)整定, 從而提高了系統(tǒng)的精度、可監(jiān)視性和抗干擾能力，節(jié)省了硬件數(shù)量與投資。（2）相對于傳統(tǒng)的DCS三層結構而言，現(xiàn)場總線在結構上只有現(xiàn)場設備和操作管理站兩個層次，將傳統(tǒng)DCS的I/O控制站并入現(xiàn)場智能設備，取消了I/O模件，現(xiàn)場儀表都是內裝微處理器的，它們各自進行采樣、A/D轉換、線性化或校正運算處理、報警判斷以及控制算法功能等，輸出的結果直接送到鄰近的調節(jié)閥上，完全不需要經(jīng)過控制室主控系統(tǒng)，從根本上改變了傳統(tǒng)DCS集中與分散相結合的結構體系，實現(xiàn)了結構上的徹底分散。（3）總線網(wǎng)絡系統(tǒng)是開放的。將系統(tǒng)集成的權力交給用戶，用戶可以按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產(chǎn)品組成規(guī)模各異的系統(tǒng)。因而現(xiàn)場總線稱為自動化領域的開放互連系統(tǒng)，其開放性和互操作性體現(xiàn)在可以用不同廠家的現(xiàn)場儀表去替換出現(xiàn)故障的另一廠家的現(xiàn)場儀表，更換后通信能夠恢復正常，同時又可以查詢新的現(xiàn)場儀表的自身信息。四、現(xiàn)場總線的未來（1）能否出現(xiàn)全世界統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準（2）現(xiàn)場總線能否全面取代現(xiàn)時風靡世界的DCS系統(tǒng)。五、現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，較流行的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能對照見表1） 表1 5種現(xiàn)場總線性能對照表特性現(xiàn)場總線類型FFProfibusHARTCANLonWorks應用范圍儀表PLC智能變送器汽車樓宇自動化、工業(yè)自動化等OSI網(wǎng)絡層次1 2 3 41 2 71 2 71 2 717通訊介質雙絞線、電纜、光纖、無線等雙絞線、光纖電源信號線雙絞線雙絞線、電力線、電纜、光纖、無線等介質訪問方式令牌、主從令牌、主從令牌、查詢位仲裁PP CSMA CRC糾錯方式CRCCRCCRCCRCCRC通訊速率（Mbps）2.51.21.211.25最大字節(jié)數(shù)3212815110248優(yōu)先級有有有有有保密性身份認證安全性是是是是是開發(fā)工具有有有有（1）基金會現(xiàn)場總線(foundation fieldbus)在現(xiàn)場總線標準的研究制訂過程中，出現(xiàn)過多種企業(yè)集團或組織，通過不斷的競爭，到1994年在國際上基本上形成了兩大陣營，一個以Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議；另一個以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲150家公司制訂的World FIP協(xié)議。這兩大集團于1994年合并，成立現(xiàn)場總線基金會(Fieldbus Foundation,FF)，致力于開發(fā)國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。FF的體系結構參照ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，另外增加了用戶層。FF提供兩種物理標準：H1和H2。H1為用于過程控制的低速總線，速率為31.25kbps,傳輸距離為200m、400m、1200m和1900m四種。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、同軸電纜和光纖，協(xié)議符合IEC1158-2標準。（2）Profibus現(xiàn)場總線它是作為德國國家標準和歐洲國家標準的現(xiàn)場總線標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。分散化的外圍設備(DP)型隱去了第3層至第7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口；現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)型則只隱去第三至第六層，采用了應用層。過程自動化(PA)型的標準目前還處于制定過程之中。其最大傳輸速率為12Mbps,傳輸距離為100m和400m，傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。（3）LonWork(Local Operating Network局部操作網(wǎng))現(xiàn)場總線它是由美國Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7層協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其最大傳輸速率為1.5Mbps,傳輸距離為2700m，傳輸介質可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等。采用的LonTalk協(xié)議被封裝在Neuron芯片中，內含三個8位微處理器，一個負責介質訪問控制，一個負責網(wǎng)絡處理，一個負責應用處理。（4）控制局域網(wǎng)(Control Area Network，CAN)控制網(wǎng)絡最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。CAN結構模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。通信速率最高可達1Mbps，通信距離最遠可達10000m。物理傳輸介質可支持雙絞線，最多可掛接設備110個。CAN在我國的應用較早，我國華控技術公司基于CAN協(xié)議開發(fā)了SDS智能分布式系統(tǒng)；和利時公司開發(fā)的HS2000系統(tǒng)的內部網(wǎng)絡就是應用CAN3。（5）HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應用于智能變送器。HART為一過渡性標準，它通過在4-20mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）來傳送數(shù)字信號，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，其數(shù)字通信由于采用調制/解調方式，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強的競爭力，得到了較快的發(fā)展。預計其生命周期為最近20年。HART通訊協(xié)議簡介HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。 HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。HART協(xié)議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中過渡性產(chǎn)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(fā)展。HART 規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設備都理解、都執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設備（盡管不是全部）中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的的現(xiàn)場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便于工作在某些設備中實現(xiàn)特殊功