浅谈现场总线技术及其发展--控制网



浅谈现场总线技术及其发展
企业：控制网 日期：2005-07-04
领域：PLC&PAC 点击数：1716

1   引言
    现场总线FF（Field Bus）的概念起源于70年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号形式传送，不必每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统发展的必然趋势。现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）。它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，将传统的DCS三层网络结构变成两层网络结构，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。
2   现场总线的产生
    纵观控制系统的发展史，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外[1]。
2.1  模拟仪表控制系统
    模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。
2.2  集中式数字控制系统
    集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC、SLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。它的优点是容易根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性。
2.3  集散控制系统（DCS）
    集散控制系统（DCS）于八九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷；不足的是，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此DCS从这个角度出发实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统而且DCS造价十分昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求[1]。
2.4  现场总线控制系统（FCS）
    现场总线控制系统（FCS）作为新一代控制系统，利用现场总线开放且具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征[4]。
3   现场总线及现场总线控制系统
3.1  现场总线的概念
    现场总线是应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。即通过该系统将传感器、执行器与控制器等“现场”设备相互连接起来，形成具有控制功能的系统[2]。
3.2  现场总线与局域网的区别
    按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是检测、状态、控制信息等小批量数据信息，传输速率低，但实时性高。局域网用于连接局域区域的各台计算机，是一种高速信息网络，网线上传输的是文本、声音、图像等大批量的数字信息，传输速率高，但不要求实时性。按实现方式比较，现场总线可采用双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等通讯介质，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。
3.3  现场总线控制系统体系结构
    现场总线控制系统通常由现场智能仪表、控制器，现场总线系统，监控、组态计算机三部分组成。它由三层网络组成: 最底层(即I/O 端)为低速现场总线(如FF的H1, Device Net或Profibus的PA)连成的控制网络CNET，连接各种智能仪表(包括压力变送器、温度变送器、流量测量仪表及调节阀等)，各控制器节点下放到现场, 构成一种彻底的分布式控制体系结构；中间一层采用中速网(如FF 的H2 或Profibus的DP)连接控制器、数据集中器、远程I/O及智能I/O设备，形成系统网络SNET；最上一层即决策支持层MNET，采用高速以太网连接各控制器与站级计算机。现场总线控制系统是一个实现电气传动控制、仪表控制和计算机控制一体化的系统结构，它的网络拓扑结构可采用线形、总线形、星形、环形等。一般情况下采用线形结构,通讯介质可用双绞线、光导纤维电缆、同轴电缆、电力线、无线、红外线等各种形式。
4   现场总线的技术特点
    现场总线在技术上主要具有以下特点：
4.1  系统的开放性
    开放系统是指通信协议公开，不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
4.2、互可操作性与互用性
    互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
4.3  现场设备的智能化与功能自治性
    现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。
4.4  系统结构的高度分散性
    由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
4.5  对现场环境的适应性
    作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本安防爆要求等。
5   现场总线技术的发展现状与展望
5.1  现场总线技术的发展现状
    从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影响力的有5种，分别是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART[2]。
5.1.1  FF是现场总线基金会(Field bus Foundation)的简称，由美国仪器协会（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount
主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。
    FF遵照 ISO/OSI模型，其通信模型由物理层，数据链路层，应用层及用户层四层构成，在OSI模型基础之外增加了用户层。FF定义两种速率的总线，低速总线H1采用本安型总线供电，满足本安防爆要求，支持总线型或树型，波特率为31.25kbps，传输距离为0.2km-1.9km(取决于介质)；高速总线H2，支持总线型，波特率为1.0Mbps/750m或2.5Mbps/500m。FF采用容令牌和查询通信方式为一体的技术。
5.1.2  Lon Works是局部操作网络系统（Local operating network）的简称，它是美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业 自动化和电力行业等。
    Lon Works采用Lon talk通讯协议，遵循 ISO/OSI参考模型，提供了OSI所定义的全部7层服务，在所有现场总线中是独一无二的。Lon works能支持防爆区，通信速率为78Kbps/2700m，1.25Mbps/130m，节点数32000个，传输介质可为双绞线，同轴电缆，光纤，电源线等。Lon works的核心是Neuron(神经元)芯片，内含3个8位CPU，第一个CPU为介质访问控制处理器，处理Lon talk协议的第一层和第二层；第二个CPU为网络处理器，实现Lon talk的第3层到第6层的功能，第3个CPU为应用处理器，实现Lon talk的第七层协议，执行由用户编的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。
5.1.3  Profibus是Process Field Bus的简称，是德国西门子公司于1987年推出，主要应用于PLC。
    Profibus由Profibus-FMS(Field bus Message Specification现场总线报文规范)、Profibus-DP(Decentralized Periphery分散型外围设备)、Profibus-PA(Process Automation过程自动化)三部分组成。Profibus-FMS使用 RS-485时为9.6k-500k波特，距离1.6km-4.8km，最多可接122个节点，使用 FSK(频移键控)时最多32个节点，距离可达5km，介质可为双绞线或光缆；Profibus-DP使用RS-485时为9.6K-12M波特，最大距离：12M波特时为100m，1.5M波特时为200m，可用中继器加大距离，最大站数126；Profibus-PA采用总线供电，支持安防爆要求，通信速率为31.25kbps，最大距离为≤1.9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32台,取决于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流，只要馈入总线的电源不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险区域中运行的本质安全性。
    Profibus遵循ISO/OSI模型，通信模型由物理层，数据链路层和应用层三层构成，使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混合介质存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作。DP和FMS使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，PA和DP之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。
5.1.4  CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来于1993年推出的，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。
    CAN协议遵循 ISO/OSI模型，采用了其中的物理层，链路层与应用层的三层结构。通信速率为5Kbps/10km，lMbps/40m，节点数可达110个，传输介质可以是双绞线，光纤等，信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，当CAN节点发生严重错误时，自动切断与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。CAN采用非破坏性的总线仲裁技术，不能支持防爆区。
5.1.5  HART（Highway Addressable Remote Tranducer可寻址远程传感器数据通路）是美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。
    HART协议参照 ISO/OSI模型，通讯模型由物理层，数据链路层和应用层三层构成。HART支持模拟、数字信号在同一线路上同时存在，可实现与其它模拟设备混合使用，通讯速率在4-20mA DC模拟信号上叠加FSK数字信号时为1200bps，用屏蔽双绞线单台设备距离可达3000m，而多台互连距离可达1500m。HART通讯模式为“问答式”，或“广播式”，能利用总线供电，可满足本安防爆要求。
5.2  现场总线技术的应用展望
    现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化，使现场控制的功能更加强大。由于采用了现场总线技术而带来了过程控制系统的开放性，使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。为更好适应工业过程控制的需要，今后现场总线技术会从以下几个方面发展：
(1)基于现场总线的一次仪表和二次仪表的研制
    现在，生产自动化仪表的厂家必须向现场总线靠拢，开发出具有现场总线结构的一次及二次仪表。检测、变换、补偿、控制、告警、趋势分析等功能可以分散在现场解决，简化上层系统，彻底实现分散控制、集中管理以提高系统的可靠性和稳定性。
(2)基于现场总线网络设备的软、硬件开发
    系统的开放性和通信问题是分散控制系统的突出问题，它需要解决不同厂家软、硬件产品能否集中到一个系统的问题。如Lon Works总线技术的产品，只要遵循Lon Talk标准，几百家不同产品均可连接在一个系统中，所以要进行网络设备的研制必须遵循现场总线的统一标准。
(3)开放的组态技术研究
    目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，所以研究开放的组态技术也是现场总线的发展趋势。开放的组态技术的研究主要还包括网络拓扑结构、网络设备、网段互联等。在异构网连接的网关路由的开发方面，Lon Works具有独特的优势。
(4)网络设计与网络管理技术的增强
    网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置，减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点放在同一条支路里。网络管理技术主要还包括网络管理软件、网络数据操作与传输。现场总线的出现形成了低层网络，应同时提供与企业网、国际互联网相连接的可能性。
(5)基于现场总线技术的全开放控制系统集成技术的开发
    自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向发展，并且涉及的应用领域十分广阔，几乎覆盖了所有的过程控制领域。
(6)控制网络与数据网络的结合
    实现Internet-Intranet-Infranet体系结构，对于人们的生产和生活有着重要的意义。如远程监控系统就是该体系在生产控制领域内的应用之一。现场总线系统接入Internet，在一定的条件下便可通过Internet监视，并控制这些生产系统和现场设备的运行状况和各种参数[3]。
6   结束语
    现场总线技术是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果，对自动化控制系统和仪器仪表未来的发展必将具有重要的影响。目前现场总线并存的局面将使现场总线的全面应用并取代DCS控制系统还需很长一段时间，在这段时间，FCS与DCS相容并蓄，共同发展。我国在应用推广现场总线技术过程中，应跟踪并采用国际先进的技术，注重采用TCP/P等开放、免费的技术，这样不但可以节约资金，减少技术的依赖性，有利于自主知识产权技术的开发，而且减少了专有网络的影响，有利于降低项目投资费用，形成公平的市场竞争环境，有利于我国与国际接轨。
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