總線技術(shù)在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、總線技術(shù)在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場總線技術(shù) HART控制網(wǎng)絡(luò) AS-i總線序 言進入新世紀(jì)來，檢測技術(shù)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，自動化技術(shù)日新月異。至今以來，自動化技術(shù)已經(jīng)歷了兩次飛躍。第一次在上個世紀(jì)5060年代,從傳統(tǒng)的電氣傳動控制發(fā)展到以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表的監(jiān)控系統(tǒng),這次飛躍是以微電子技術(shù)的進步為基礎(chǔ)的。第二次是在上個世紀(jì)7080年代，集散控制系統(tǒng)DCS的出現(xiàn)，把分散的單回路測控系統(tǒng)采用了計算機技術(shù)進行了統(tǒng)一管理，用各種I/O功能模板代替了常規(guī)儀表，用計算機高速運算的強大功能，集中實現(xiàn)了回路調(diào)節(jié)、工況連鎖、參數(shù)顯示報警、歷史數(shù)據(jù)儲存和工藝流程動態(tài)顯示等多種功能，在大

2、型控制系統(tǒng)中還帶有操作指導(dǎo)和專家系統(tǒng)等軟件。人類認(rèn)識世界，探索自然規(guī)律，必須用檢測技術(shù)和測量儀器來增強人的視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺。“儀器儀表是人類認(rèn)識世界的工具。”沒有這個工具我們就無法去探索自然界新的奧秘。DCS系統(tǒng)對工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。這次飛躍是以計算機技術(shù)的飛速發(fā)展為基礎(chǔ)的。上個世紀(jì)90年代以后，自動化技術(shù)進入第三次飛躍，現(xiàn)場總線技術(shù)的逐漸成熟成為21世紀(jì)自動化領(lǐng)域中的主導(dǎo)技術(shù)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是以現(xiàn)代計算機、通訊和控制技術(shù)的推動下集成而形成的，我們稱為三C（Computer，Communication，Control）技術(shù)。 總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線技術(shù)起

3、勢于20世紀(jì)80年代中期，到20世紀(jì)90年代初期逐步形成了幾種有影響的標(biāo)準(zhǔn)：它們是德國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)Profibus、法國標(biāo)準(zhǔn)可交互系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISP、美國儀表協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ISA SP50等。經(jīng)世界現(xiàn)場總線基金組織-國際性現(xiàn)場總線基金會、諸多國際知名的儀表和控制系統(tǒng)公司的參與，在長達16年的討論和9次投票表決，最后于1999年7月在加拿大渥太華召開會議，IEC TC65（國際電工委員會負(fù)責(zé)工業(yè)測量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會）通過了IEC61158決議，規(guī)定了8種類型的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國際電工委員會（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分

4、支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。8種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)分別為：類型一 IEC技術(shù)報告（即FF的H1）類型二 Control Net（美國Rockwell公司支持）類型三 Profibus（德國西門子公司支持）類型四 P- Net（丹麥Process Data公司支持）類型五 FF HSE（即原FF的H2）類型六 Swift Net（美國波音公司支持）類型七 World FIP（法國Alston公司支持）類型八 Interbus（德國Phoenix contact公司支持）另外IEC SC17B（國際電工委員會負(fù)責(zé)低壓電器的第17 B標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會）也通過了三種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，它們分別為：SDS（Smart

5、 Distributed System）智能分布系統(tǒng)ASI（Actuator Sensor Interface）執(zhí)行器傳感器接口Device Net 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)國際上另外一個組織ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織），也推出了ISO 11898決議，認(rèn)定CAN（Control Area Network）總線為國際標(biāo)準(zhǔn)。所以目前有關(guān)現(xiàn)場總線技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多，當(dāng)前很多研究結(jié)構(gòu)和大公司正在投入相關(guān)力量進行工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）的研究，希望利用工業(yè)以太網(wǎng)來統(tǒng)一現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，但目前仍然采用處于多種現(xiàn)場總線技術(shù)各自發(fā)展，互相補充，共同存在的時期。總線系統(tǒng)FCS的特點總線控制系統(tǒng)FCS與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)

6、相比有以下特點：一、數(shù)字化的信號傳輸：系統(tǒng)全部使用數(shù)字化信號，并在網(wǎng)絡(luò)中采用了許多防止碰撞、檢查糾錯的技術(shù)措施，實現(xiàn)了高速、雙向、多變量、多站點之間的可靠通信。與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)中底層到控制站之間420mA模擬信號傳輸相比，在通信質(zhì)量和連線方式上都有重大突破。信號內(nèi)容所表達的不僅是單一的測量量的數(shù)值，而是具有測量范圍，工程單位，生產(chǎn)廠家，設(shè)備型號和工位號碼等多種參數(shù)內(nèi)容。二、分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：廢除了傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)中采用“操作站控制站現(xiàn)場儀表”三層主從結(jié)構(gòu)模式。把輸入/輸出單元，控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去。每個現(xiàn)場儀表作為一個智能節(jié)點，都帶有CPU單元，可分別完成獨立測量、校正、調(diào)節(jié)、

7、診斷等功能，依靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。任何一個節(jié)點出現(xiàn)故障只影響本身而不會危及全局，這種徹底的分散型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)更加可靠。三、方便的互操作性：FCS系統(tǒng)特別強調(diào)“互聯(lián)”和“互操作性”。因此不同廠商的FCS產(chǎn)品可以異構(gòu)，組成統(tǒng)一系統(tǒng)，可以互相操作，統(tǒng)一組態(tài)，打破了傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)互不兼容的缺點，方便了用戶。四、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：FCS系統(tǒng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)是全開放性的，從總線標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布都是公開的，面向所有的產(chǎn)品制造商和用戶。通信網(wǎng)絡(luò)可以和其它系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或高速網(wǎng)絡(luò)相連接，用戶可以共享網(wǎng)絡(luò)資源。五、多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：FCS系統(tǒng)由于采用了數(shù)字通信方式，因此可采用多種傳輸介質(zhì)進行通

8、信。按控制系統(tǒng)中節(jié)點空間的分布情況，可采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳輸介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的的多樣性給自動化系統(tǒng)的施工帶來了極大的方便，按可靠的統(tǒng)計參數(shù)顯示，僅僅計算布線工程一項就可節(jié)省40%的經(jīng)費。以下將介紹檢測技術(shù)和儀器儀表聯(lián)系最為緊密的兩種現(xiàn)場總線技術(shù)：HART控制網(wǎng)絡(luò)和AS-i總線。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議即“可尋址遠(yuǎn)程變送器數(shù)據(jù)通道”是HART控制網(wǎng)絡(luò)（HART Control Net）的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它是一種用來在現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間雙向通信的協(xié)議規(guī)程。按照現(xiàn)場總線定義，HART通信協(xié)議并不完全符合現(xiàn)場總線技

9、術(shù)要求，所以可以說它是模擬系統(tǒng)和數(shù)字總線之間的一種過渡措施。HART協(xié)議最初是由美國Rosemount公司開發(fā)的，它采用了美國貝爾實驗室的Rell 202通信標(biāo)準(zhǔn)中的頻移鍵控FSK（Freguency Shift Keying）技術(shù)，在傳統(tǒng)的420mA直流模擬信號上疊加了一個頻率信號。它成功地使模擬與數(shù)字通信可以同時進行而互不干擾。具有HART協(xié)議的智能儀表既可以在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)上使用，也可以在新型的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用，它是在新舊技術(shù)交替階段的一種最佳方式。為了推廣HART控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Rosemount公司把HART協(xié)議的所有權(quán)和HART標(biāo)志的注冊權(quán)轉(zhuǎn)交給了1993年成立的HART通信基金會

10、HCF（HART Communication Foundation），目前世界上已有200多家公司參加了HCF。HART協(xié)議的內(nèi)容完全是公開的，任何廠家都可以按照協(xié)議的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)自己的產(chǎn)品，所以目前基于協(xié)議的智能儀表在國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛，查閱相關(guān)的統(tǒng)計資料截止到1998年全世界已累計生產(chǎn)HART協(xié)議儀表200多萬臺，占世界智能變送器市場的70%多。盡管從發(fā)展趨勢看，HART協(xié)議儀表最終會被全數(shù)字化的現(xiàn)場總線通信協(xié)議所替代，但這仍然是一個漫長的階段。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的特點一、因HART協(xié)議既具有常規(guī)模擬信號的功能，又具有現(xiàn)代數(shù)字信號的功能，所以用戶在控制系統(tǒng)中可以將具有HART協(xié)議接口的智能儀表與

11、常規(guī)模擬儀表一起混合使用，并逐步實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化，減少風(fēng)險和投資，是目前最有效的過渡方式。二、若采HART協(xié)議的數(shù)字通信方式，則系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)橋以上系統(tǒng)可構(gòu)成總線結(jié)構(gòu)形式，可節(jié)省大量接線和安裝費用。并可以通過電話線進行通信。三、支持多主站（PC機和手機編程器）的主從模式，通信方式為“點對點”的問答模式或“多點”的成組模式。采用統(tǒng)一的報文格式，有多種糾錯和數(shù)據(jù)檢驗方法。四、為解決不同生產(chǎn)廠家HART協(xié)議產(chǎn)品互操作性和互換性問題，HART協(xié)議采用了設(shè)備描述語言DDL。儀器儀表供應(yīng)商除了提供HART協(xié)議設(shè)備的硬軟件外，還應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)格式提供HART DDL文件，經(jīng)由HART通信基金會認(rèn)可后對外公

12、布，此后該文件進入各種手持編程器和PC機管理軟件中。當(dāng)這個廠商的產(chǎn)品接入HART網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中后就會自動被識別并建立數(shù)據(jù)交換關(guān)系，否則你生產(chǎn)的HART協(xié)議設(shè)備就無法接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中去。AS-i總線技術(shù)AS-i（Actuator-Sensor-Interface）是執(zhí)行器-傳感器-接口的英文縮寫，它是一種用在控制器（主站）和傳感器/執(zhí)行器（從站）之間雙向交換信息的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場總線（Fieldbus）下面底層的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一個AS-i總線系統(tǒng)通過它主站中的網(wǎng)關(guān)可以和多種現(xiàn)場總線（如FF、Profibus、CANbus）相連接。AS-i主站可以作為上層現(xiàn)場總線的一個節(jié)點服務(wù)器，在它的下面又可以掛

13、接一批AS-i從站。AS-i總線主要運用于具有開關(guān)量特征的傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)，傳感器可以是各種原理的位置接近開關(guān)以及溫度、壓力、流量、液位開關(guān)等。執(zhí)行器可以是各種開關(guān)閥門，電/氣轉(zhuǎn)換器以及聲、光報警器，也可以是繼電器、接觸器、按鈕等低壓開關(guān)電器。當(dāng)然AS-i總線也可以連接模擬量設(shè)備，只是模擬信號的傳輸要占據(jù)多個傳輸周期。必須注意的是在連接主站和從站的兩芯電纜上除傳輸信號外，同時還提供工作電源。AS-i總線技術(shù)特點一、完整的AS-i總線系統(tǒng)AS-i總線是在分析了傳統(tǒng)的I/O并行和樹型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點以及開關(guān)量技術(shù)特點后發(fā)展起來的，它省去了各種I/O卡、分配器的控制柜，節(jié)約了大量的連接電纜。因采用了兩

14、芯扁平電纜和特殊的穿刺安裝技術(shù)，能很方便地將傳感器/執(zhí)行器連接到AS-i網(wǎng)絡(luò)上。二、應(yīng)用十分簡便AS-i總線是一個主從系統(tǒng)，主站和所有的從站可雙向交換信息，當(dāng)主站與上層現(xiàn)場總線進行通信時，主站擔(dān)當(dāng)了AS-i和上層網(wǎng)絡(luò)信息交換的出入口，因AS-i主要傳輸?shù)氖情_關(guān)量，所以它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單，用戶僅需關(guān)心數(shù)據(jù)格式、傳輸率和參數(shù)配置等。三、傳輸速率快捷在AS-i總線系統(tǒng)中，主站和從站之間采用了串行雙向數(shù)字通信方式。因為報文較短，如若在有一個主站和31個從站的系統(tǒng)中，ASI的通信周期大約為5ms，也就是說主站在5ms內(nèi)就可以對31個從站輪流訪問一遍。四、功能可靠在AS-i總線不同的應(yīng)用情況下，功能可靠

15、包含下列內(nèi)容，首先是通信數(shù)據(jù)的可靠性方面，AS-i總線在許多方面采取了抗干擾措施。在接收數(shù)據(jù)時，必須進行錯誤檢驗，此方法十分有效，出錯誤后信息可以重發(fā)。另外如系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障時主站會很快檢測到故障信息，并自動與發(fā)生故障的從站切斷通信聯(lián)系，通知操作人員故障地址，以便及時進行維修。主站還具備網(wǎng)絡(luò)運行監(jiān)視功能，在任何時刻用戶都能得到系統(tǒng)中所有從站當(dāng)前運行狀態(tài)的完整資料。五、節(jié)省資金AS-i總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的I/O并行方式樹形結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)省大量的連接導(dǎo)線和安裝費用。若用戶因生產(chǎn)流程變化需要擴展系統(tǒng)、改變控制動作，或在運行中出現(xiàn)故障，則AS-i總線系統(tǒng)具有的快速安裝、故障診斷、自動測試、預(yù)防性維護、程序

16、參數(shù)變化等功能可以大大縮短系統(tǒng)重新配置和排除故障的時間，提高了效率，節(jié)省了資金。六、系統(tǒng)開放AS-i總線系統(tǒng)在研制開發(fā)的初期就確定它必須是一個開放系統(tǒng)，AS-i不同的部件在規(guī)范和行規(guī)中均有詳細(xì)的定義和技術(shù)要求，任何AS-i部件都必須遵守這些規(guī)范，其中如包括兩芯電纜，機電一體化接口EMS，功能模塊與I/O標(biāo)準(zhǔn)接口等。所有廠商的產(chǎn)品均通過AS-i協(xié)會指定機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)測試和程序認(rèn)證，以保證AS-i產(chǎn)品的兼容性和互操作性。AS-i總線系統(tǒng)的開發(fā)是由11個公司聯(lián)合贊助和規(guī)劃的，它得到德國科技工業(yè)部的支持，諸多科研機構(gòu)和AS-i協(xié)會也加入到這個隊伍中來，由此形成了一個世界性的組織AS-i國際協(xié)會，這個組織對任何公司和企業(yè)都是