【導(dǎo)讀】成都紡專電氣083方堯畢業(yè)論文現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究

　　

【正文】 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 第 四 代過程控制體系 第四代過程控制體系（ DCS， DistributedControlSystem 分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計(jì)算機(jī)技術(shù)可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過程控制體系（ DCS，或分布式數(shù)字控制系統(tǒng)），它主要特點(diǎn)是整個(gè)控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺計(jì)算機(jī)，而是由幾臺計(jì)算機(jī)和一些智能儀表和智能部件構(gòu)成一個(gè)了控制系統(tǒng)。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個(gè)重要的發(fā)展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴于 4－ 20mA 的模擬信號，而逐漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。 第 五 代過程控制體系 第五代過程控制體系（ FCS， FieldbusControlSystem 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）： FCS 是從 DCS發(fā)展而來，就象 DCS 從 CCS 發(fā)展過來一樣，有了質(zhì)的飛躍。 “分散控制 ”發(fā)展到 “現(xiàn)場控制 ”；數(shù)據(jù)的傳輸采用 “總線 ”方式。但是 FCS與 DCS的真正的區(qū)別在于 FCS有更廣闊的發(fā)展空間。 現(xiàn)場總線協(xié)議控制器 通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是采用模塊化結(jié)構(gòu)和多 CPU 工作方式來設(shè)計(jì)的，因?yàn)槟K化的結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，為系統(tǒng)將來的升級換代帶來便利。 通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器主要由底板和插卡組成， 其中底板帶有電源以及擴(kuò)展槽、固定支架、系統(tǒng)總線、信號線構(gòu)成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶 CPU。主控板負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)以及與上位機(jī)的通信，通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通過 RS232 接口與上位機(jī)連接，主控板通過它與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，主要包括：管理系統(tǒng)總線，給協(xié)議板和接口板分配系統(tǒng)資源，與協(xié)議板進(jìn)行信息交換，對來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，等待上位機(jī)提取。協(xié)議板是通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器的關(guān)鍵部分，所有與現(xiàn)場設(shè)備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現(xiàn)場總線協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進(jìn)行一種現(xiàn)場總線協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，接口種類有 RS23 RS42 RS485 等。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器與上位機(jī)以及與現(xiàn)場設(shè)備的通信都采用串行方式，而通信控制器內(nèi)部各插卡之間通過系統(tǒng)總線來完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過系統(tǒng)總線分別與協(xié)議板進(jìn)行通信，各協(xié)議板之間不能進(jìn)行通信。 通信過程如下：主控板在系統(tǒng)總線上，通過廣播方式發(fā)送協(xié)議板號來呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號識別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號相符的 協(xié)議板才響應(yīng)主控板，從而實(shí)現(xiàn)主控板與協(xié)議板的通信。當(dāng)用戶增加新的協(xié)議設(shè)備時(shí)，不必改動硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設(shè)置好協(xié)議板號，并在上位機(jī)的組態(tài)中添加相應(yīng)的系統(tǒng)信息存入計(jì)算機(jī)即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過系統(tǒng)中的局部總線來完成。 智能化配電系統(tǒng) 智能化配電系統(tǒng)由配各種智能化開關(guān)柜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件包括成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 各種智能化開關(guān)柜、通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器、上位控制計(jì)算機(jī)。 軟件由主控程序、通訊界面和人機(jī)界面三部分組成。根據(jù)以上硬件設(shè)備的配置情況，在上位機(jī)上輸入系統(tǒng)配置信息，通過串行口 傳遞給控制器主板。主控板將系統(tǒng)配置信息分類傳遞給各協(xié)議板，各協(xié)議板收到系統(tǒng)信息后與所屬硬件設(shè)備進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控板傳送到上位機(jī)，并通過主控板接受上位機(jī)命令。 現(xiàn)場總線崛起的過程 80 年代，微處理器及其相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)成為 DCS 發(fā)展的瓶頸。 1982 年，現(xiàn)場總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于 1984 年各國開始進(jìn)行現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。 1986 年由 Rosemount 提 出 的 通 訊 協(xié) 議 HART（ HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠(yuǎn) 程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在 4－ 20mA的 DC 信號上疊加 FSK（ FrepuencyShiftKeying,頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號，結(jié)果取得了很好的效果，同時(shí) Interbus 等簡單的現(xiàn)場總線也都取得了成功。這樣 DSC 的發(fā)展的重點(diǎn)落在了現(xiàn)場總線上，開始了被稱為第五代過程控制體系（ FCS， FieldbusControlSystem 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的時(shí)代。 FCS 是從 DCS 發(fā)展而來，有一個(gè)量變到質(zhì)變的過程。從表面上來看， FCS 與 DCS區(qū)別僅僅在于從 “分散控制 ”發(fā)展到 “現(xiàn)場控制 ”；數(shù)據(jù)的傳輸從 “點(diǎn)到點(diǎn) ”采用 “總線 ”方式。其實(shí)不然，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)已被廣泛地接受，人們開始以大系統(tǒng)的概念來看待整個(gè)過程控制體系。系統(tǒng)的增大，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的通訊技術(shù)急劇發(fā)展；于是科技界充分認(rèn)識到在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展中起過重要作用的總線技術(shù)可以大大地推進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展。整個(gè)控制系統(tǒng)就象是一臺巨大的 “計(jì)算機(jī) ”按總線方式運(yùn)行，這樣資源的共享成了 FCS 的主要發(fā)展空間，于是現(xiàn)場總線應(yīng)運(yùn)而生，并且以前所未有的激烈程度展開了市場競爭。 現(xiàn)場總線的技術(shù)基礎(chǔ) 現(xiàn)場總線以數(shù)字信號取代模擬信號，在 3C 技術(shù)即計(jì)算機(jī)（ Computer）、控制（ Control） 、通信（ Communication）的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設(shè)備，一大批數(shù)字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，自動化儀表與控制系統(tǒng)以嶄新的面貌呈現(xiàn)在廣大用戶面前。 一般認(rèn)為 “現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國際電工委員會 IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)定義： “安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。 從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ FCS， FieldbusControlSystem）的角度來看，它的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是 ISO 的通訊模型的七層結(jié)構(gòu)（一般簡化為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層）。 多現(xiàn)場總線技術(shù) 目前，在一些工程中通常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以 FF、 CAN、 LONWORKS、 PROFIBUS成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 － DP、 MODBUS 五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)一于一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財(cái)力，但成效甚微。 隨著自動化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應(yīng)用量越來越大，而且隨著用戶對智能化控制系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現(xiàn)場總線本身的特點(diǎn)以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在智能化配電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，采用一種現(xiàn)場總線總線的智能化產(chǎn)品往往不能滿足應(yīng)用的全面要求，多現(xiàn)場總線產(chǎn)品共存 于一個(gè)智能化控制系統(tǒng)已成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題。 由于多現(xiàn)場總線系統(tǒng)中不同類型的產(chǎn)品均配專用的通信協(xié)議，有的廠家還專門為自己的產(chǎn)品開發(fā)了專用的通信卡、通信控制器等專用設(shè)備，因此，整個(gè)系統(tǒng)中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無法直接和主控單元進(jìn)行通信，這嚴(yán)重防礙智能自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對智能設(shè)備的選擇。對應(yīng)用而言 ,如果在一個(gè)智能化控制系統(tǒng)中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個(gè)智能化控制系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，使得系統(tǒng)的性能價(jià)格比不高，而且在系統(tǒng)進(jìn)行改造或升級時(shí)，將要花費(fèi)用戶更多的時(shí)間和費(fèi) 用。因此，多現(xiàn)場總線技術(shù)在一個(gè)智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為一個(gè)重要的研究課題。 對于智能化自動化控制領(lǐng)域來說，它的現(xiàn)場總線有一定的特殊性。同時(shí)它又不能完全脫離上層現(xiàn)場總線。對于智能化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，特別是過程自動化系統(tǒng)將不得不面對幾個(gè)現(xiàn)場總線其原因是： 實(shí)際上過 程自動化控制系統(tǒng)和高中壓電網(wǎng)控制系統(tǒng)存在各種不同的現(xiàn)場總線。 ① 建筑自動化系統(tǒng)在推廣 Lonworks 現(xiàn)場總線，用于智能大廈。 ② FF 有國家的大力支持，也許是重要的發(fā)展方向。 ③ CAN 的價(jià)格優(yōu)勢對低壓電器有很大的吸引力。 ④ Profibus 已經(jīng)有了不少應(yīng)用。 這是一個(gè)需要認(rèn)真考慮的現(xiàn)實(shí)。 智能化召開系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)是個(gè)多層次的網(wǎng)絡(luò) ,IEC62026本身就包含各種現(xiàn)場總線。IEC62026 明確表示了高層的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)由 IEC/SC65C 考慮。 FCS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的發(fā)展方向是多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；向下連接低層次的現(xiàn)場總線，智能化控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)需要多層次的網(wǎng)絡(luò)。而智能設(shè)備需要非常靈活地與各種總線、控制對象等的配合控制和交換信息。實(shí)現(xiàn)各種總線相互間的轉(zhuǎn)換也是解決現(xiàn)場總線之爭的途徑之一。 目前，在一些工程設(shè)計(jì)中通 常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以 FF、 CAN、 LONWORKS、PROFIBUS－ DP、 MODBUS 五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)一于一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，其技術(shù)復(fù)雜程度和管理、維護(hù)、擴(kuò)展等因素都是影響現(xiàn)場總線在智能化控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，國際上的 個(gè)大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財(cái)力，但成效甚微。 針對上述在智能化控制系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實(shí)際問題，在工程中的解決方案是做一個(gè)統(tǒng)一而簡單的子網(wǎng)：一個(gè)簡單的子網(wǎng)可能解決自動化控制系統(tǒng)的大部分控制問題。各智能化設(shè)備的各種現(xiàn)場總線接口的配合可以通過相應(yīng)的協(xié)議芯片來解決。 統(tǒng)一的子網(wǎng)可能使整個(gè)行業(yè)的開發(fā)成本最低，開發(fā)速度最快。為此提出了通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對現(xiàn)場總線協(xié)議進(jìn)行處理，解決智能化控制系統(tǒng)中多現(xiàn)場總線的兼容性問題，其目的是為 了能將不同現(xiàn)場總線的產(chǎn)成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 品和諧地融入一個(gè)系統(tǒng)中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長處，為那些希望使用不同廠家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶提供更大的靈活性。 通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是現(xiàn)場級的通用通信管理設(shè)備，由它把各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備與上位機(jī)之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應(yīng)的 CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn) 現(xiàn)場總線在技術(shù)上主要具有以下特點(diǎn)： 系統(tǒng)的開放性 開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，不 同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶，用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 互可操作性與互用性 互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 現(xiàn)場總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，能在部件、甚 至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 由于現(xiàn)場設(shè)備本身可完成自動控制的基本功能，控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表就可以構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，從根本上改變了現(xiàn)有 DCS 集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng) 的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本安防爆要求等。 成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的比較 在計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)急速發(fā)展的今天，特別是考慮到現(xiàn)場總線已經(jīng)普遍地滲透到自動控制的各個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)場總線必將成為電工自動控制領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一。現(xiàn)場總線技術(shù)一直是國際上各大公司激烈競爭的領(lǐng)域；并且國外大公司已經(jīng)在大力拓展中國市場，發(fā)展我國的現(xiàn)場總線產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩。現(xiàn)場總線對自動化技術(shù)的影響意義深遠(yuǎn)。當(dāng)今可以認(rèn)為現(xiàn)場總線是提高自動化系統(tǒng)整體水平的基礎(chǔ)技術(shù)，對國民經(jīng)濟(jì)影響重大。因此，要在自動 化領(lǐng)域中推廣應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)場總線。 現(xiàn)場總線是近年來自動化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議簡單開放、容錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)。目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。較著名的有基金會現(xiàn)場總線（ FF）、 HART現(xiàn)場總線、 CAN