現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

1、No15，2011現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)ModernBusinessTradeIndustry2011年第15期現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀與展望李玉吉(鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)龍力水泥有限責(zé)任公司，河南新密452300)摘要：闡述了DCS的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展概況。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；現(xiàn)狀；展望中圖分類號(hào)：F49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672—3198(2011)150235—02l概述現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)與控

2、制室之間的全分散，全數(shù)字化，智能，雙向，多變量，多點(diǎn)多站的互連通訊網(wǎng)絡(luò)，也被稱為開放式，數(shù)字式多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、開放性的優(yōu)點(diǎn)，必然成為未來自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流。2幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介21FF總線FF總線，即FoundationFieldBus，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，是成立于1992年的國際現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)提出的一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用

3、層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層，包括FF通信協(xié)議、IS0模型中的2～7層通信協(xié)議的通棧、用于描述設(shè)備特性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的應(yīng)用功能塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)?！?2Devicenet總線DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，符合IEC61158國際現(xiàn)

4、場(chǎng)總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)陣地功能。DeviceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為l25Kbit／s至500Kbit／s，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)為64個(gè)，允許在線組態(tài)和帶電熱插拔，其通信模式為：生產(chǎn)者／客戶(Producer／Consumer)，支持主／從、多主、對(duì)等等通訊方式。用戶的PLC可以利用控制程序及上位PC機(jī)的數(shù)據(jù)，通過DevieeNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)

5、備有效監(jiān)控。采用多信道廣播信息發(fā)送方式DeviceNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，它采用生產(chǎn)者／客戶模式，提供了強(qiáng)有力的故障診斷與排除能力，是一種理想的設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是OpenDeviceNetVendorAs—sociation(開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(huì)，簡(jiǎn)稱“ODVA”)23ControlNet總線ControlNet總線是一種高速確定性現(xiàn)場(chǎng)總線，用于對(duì)時(shí)間有苛刻要求應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸，為對(duì)等通信提供

6、實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)。ControlNet采用了一種新型的生產(chǎn)者／消費(fèi)者通信模式，該模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)數(shù)據(jù)源，具有較高的網(wǎng)絡(luò)通信效率；生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式還采用廣播信息發(fā)送方式，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在同一時(shí)間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)接收到的信息精確同步；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接更多的設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信量不會(huì)增加。作為控制器和1／0設(shè)備之間的一條高速通信鏈路，ControlNet綜合了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的諸多優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)I／O通信、控制器互鎖、對(duì)等

7、報(bào)文傳輸(Peer—to—PeerMessaging)以及編程操作都可以在同一條ControlNet鏈路上實(shí)現(xiàn)等。ControlNet使用光纖介質(zhì)的最遠(yuǎn)可達(dá)30公里，速度都始終保持在5Mbps而不會(huì)隨距離衰減，并可在噪聲環(huán)境中使用。這些都使得ControlNet當(dāng)之無愧地成為連接遠(yuǎn)程I／O和對(duì)等PLC主站的最理想的網(wǎng)絡(luò)。24CC—LinkCC—Link(Control&CommunicationLink)，即控制與通信鏈路系統(tǒng)，是由三菱

8、電機(jī)為主的多家公司于1996年底推出的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線，2005年7月CC—Link正式取得中國國家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證(GB／Z19760—2005)。CC—Link是高速的現(xiàn)場(chǎng)總線，它能夠同時(shí)處理控制和信息數(shù)據(jù)。它通過簡(jiǎn)單的總線，將工業(yè)設(shè)備(如限位開關(guān)、光電傳感器、電磁閥門、條形碼讀取器、變頻器、觸摸控制屏、用戶操作接口等)連接成為設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)還可以方便地連接到其他網(wǎng)絡(luò)(如：Ethernet，MELECNRT／H等)。CC—Link

9、又是一種簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，不但解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)配線復(fù)雜的問題，大幅度地降低了工程的成本，提高了可靠性和穩(wěn)定性，而且還擁有了非常重要的網(wǎng)絡(luò)偵聽功能，使系統(tǒng)維護(hù)更加簡(jiǎn)單，這是以往的連接方式所無法完成的。25Profibus總線Profibus是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線。ISO／OSI模型也是它的參考模型。由Profibus～Dp、Profibus—FMS、Profibus—PA組成了Prof

10、ibus系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動(dòng)化，而PA型則是用于過程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC1158—2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)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，并在2006年l1月份成為我國的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)第一部分的子集，DP型隱去了3～7層

11、，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第316層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158—2標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。t一235—現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)ModernBusinessTradeIndustry2011年第15期Porfibus支持主一從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對(duì)總線的控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)送信息。對(duì)多主站系統(tǒng)來說，主站之

12、間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時(shí)，可以按主一從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。主站可采取對(duì)所有站點(diǎn)廣播(不要求應(yīng)答)，或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。表l各種類型現(xiàn)場(chǎng)總線的比較總線類型傳輸距離與傳輸速度技術(shù)優(yōu)勢(shì)低速Hl：3125Kbps，傳輸距

13、離19km，高速H2傳輸速率可為可支持總線供屯和本質(zhì)安全防FF總線lMbps和25Mbps兩種，通信器環(huán)境距離為750m和500m傳輸速率為125—500kbps，傳低成本，快速安裝和減少停機(jī)Devicenet總線輸距離最大500m時(shí)間傳輸速度5Mb／s使用中繼器，最大的端到端傳輸距離使用同Controlnet總線高速、確定和可重復(fù)的性能軸電皺為3km，使用光纖傳輸可以達(dá)到30Km。最大總延長(zhǎng)距離可達(dá)l_2km1減少配線，提高效事(15

14、6kbpa)最高傳輸速度2廣泛的多廠商設(shè)備使用環(huán)境CCLink總線10Mbps另外通過使用中繼器3高速的輸人輸出響應(yīng)(T型分支)或光纖中繼器，可4距離延長(zhǎng)自由自在進(jìn)一步延長(zhǎng)傳輸距離5豐育的RAS功能PROF~US的傳輸速率為91總城稃取擲議，是傳艟遙廈6Kbit／s至12Mbit／s，最大傳輸更快Profibus總線距離在9fiKbit／s下為1200m，2配置靈活在l2Mbit／s小為200m可采用3本征安全4有SIMENS，Moto

15、rola等提供中繼器延長(zhǎng)至10kin強(qiáng)大的硬件支撐注：RAS即Reliability，Availability，Serviceability(可靠性，有效性，可維護(hù)性)。3現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)由于現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使其從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。它不僅節(jié)省了硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費(fèi)用，而且系統(tǒng)的維護(hù)開銷也大大地降低?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護(hù)性方面由于系統(tǒng)具有

16、互操作性和互用性，用戶可以自由選擇不同品牌的設(shè)備達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以自由選擇替換的設(shè)備，保障用戶的高度系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。此外，它還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等特點(diǎn)。4現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)注意的問題41元器件的不穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的不穩(wěn)定與元器件的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系。42周圍的環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的不穩(wěn)定與周圍的環(huán)境有關(guān)系。如濕度、溫度、灰塵、噪音等。43安裝接線總線電纜和電纜連接器的安裝有詳細(xì)的要求，是一件非常仔細(xì)、認(rèn)真的工作，而

17、且要使用專用工具。可在安裝、維護(hù)中，許多工作人員卻不嚴(yán)格按上面的方法安裝。給總線不穩(wěn)定性潛伏的機(jī)會(huì)。44冗余問題現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)思想，低速部分是不要冗余的。因此當(dāng)總線出現(xiàn)故障時(shí)，雖然可以完全依靠就地來完成功能調(diào)節(jié)，卻無法讓運(yùn)行人員監(jiān)視到全系統(tǒng)運(yùn)行狀況，按照熱控的檢修標(biāo)準(zhǔn)在控制系統(tǒng)機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視就應(yīng)該停止機(jī)組運(yùn)行，所以要想達(dá)到安全的目的，冗余設(shè)計(jì)是很有必要的。5現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)(1)通過應(yīng)用技術(shù)發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)。筆者認(rèn)為首先要突出

18、現(xiàn)場(chǎng)總線降低系統(tǒng)投資成本和減少運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)總線的這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)能否發(fā)揮，與應(yīng)用者是否合理地使用現(xiàn)場(chǎng)總線、充分發(fā)揮它的潛能有關(guān)。(2)不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線組合更有利于降低成本。不同類型的總線適合于不同的情況。如DeviceNet適合于PIC應(yīng)用或過程控制應(yīng)用，而FF適合于過程控制等，位式總線的能力很有限，用位式總線作為大型系統(tǒng)的信息傳輸主體是不可能的。但是它在成本，速度等方面的優(yōu)勢(shì)又是其它高層次總線無法替代的。因此它常常與其它總線混合使

19、用。而到人一機(jī)界面這一層，不同總線的區(qū)別對(duì)用戶來說是不大的。(3)現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化才是智能化儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線所追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)場(chǎng)總線不同與其它計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的標(biāo)志。(4)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。減少信息的往返傳遞是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則，減少信息往返常?？蓭砀纳葡到y(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的好處。(5)系統(tǒng)組態(tài)傻瓜化。目前現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復(fù)雜的，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜，如果不

20、是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線非常熟悉，很難將系統(tǒng)設(shè)置到最佳狀態(tài)。(6)克服本安防爆對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的限制。本安防爆理論的現(xiàn)狀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的推廣應(yīng)用限制極大。因?yàn)樗拗齐娎|的長(zhǎng)度和總線上負(fù)載的數(shù)量?，F(xiàn)場(chǎng)總線的主要優(yōu)點(diǎn)在這些限制下，大部分都消失了。因此現(xiàn)場(chǎng)總線要求本安防爆理論要有所發(fā)展，目前各國都在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全概念(fieldbusintrinsicalsafetyconcept，F(xiàn)IS—C0)理論加強(qiáng)研究，爭(zhēng)取有所突破。6結(jié)語綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)適應(yīng)了控