現(xiàn)場總線技術(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)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀與展望李玉吉(鄭州煤炭工業(yè)集團龍力水泥有限責任公司，河南新密452300)摘要：闡述了DCS的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，介紹了現(xiàn)場總線標準和發(fā)展概況。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；現(xiàn)狀；展望中圖分類號：F49文獻標識碼：A文章編號：1672—3198(2011)150235—02l概述現(xiàn)場總線(Fieldbus)是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)與控

2、制室之間的全分散，全數(shù)字化，智能，雙向，多變量，多點多站的互連通訊網(wǎng)絡，也被稱為開放式，數(shù)字式多點通信的底層控制網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線技術(shù)以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優(yōu)點，必然成為未來自動化技術(shù)發(fā)展的主流。2幾種流行的現(xiàn)場總線簡介21FF總線FF總線，即FoundationFieldBus，基金會現(xiàn)場總線，是成立于1992年的國際現(xiàn)場總線基金會提出的一個現(xiàn)場總線標準。它以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用

3、層為FF通信模型的相應層次，并在應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、用于描述設備特性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典，用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的應用功能塊，實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(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單的網(wǎng)絡解決方案，有著開放的網(wǎng)絡標準，符合IEC61158國際現(xiàn)

4、場總線工業(yè)標準的通訊網(wǎng)絡。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DeviceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為l25Kbit／s至500Kbit／s，每個網(wǎng)絡的最大節(jié)點為64個，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、對等等通訊方式。用戶的PLC可以利用控制程序及上位PC機的數(shù)據(jù)，通過DevieeNet網(wǎng)絡實現(xiàn)對現(xiàn)場設

5、備有效監(jiān)控。采用多信道廣播信息發(fā)送方式DeviceNet網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，實時性強，它采用生產(chǎn)者／客戶模式，提供了強有力的故障診斷與排除能力，是一種理想的設備層現(xiàn)場總線。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是OpenDeviceNetVendorAs—sociation(開放式設備網(wǎng)絡供應商協(xié)會，簡稱“ODVA”)23ControlNet總線ControlNet總線是一種高速確定性現(xiàn)場總線，用于對時間有苛刻要求應用場合的信息傳輸，為對等通信提供

6、實時控制和報文傳送服務。ControlNet采用了一種新型的生產(chǎn)者／消費者通信模式，該模式允許網(wǎng)絡上的所有節(jié)點同時存取同一個數(shù)據(jù)源，具有較高的網(wǎng)絡通信效率；生產(chǎn)者／消費者模式還采用廣播信息發(fā)送方式，各個節(jié)點可以在同一時間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點接收到的信息精確同步；當網(wǎng)絡連接更多的設備時，網(wǎng)絡通信量不會增加。作為控制器和1／0設備之間的一條高速通信鏈路，ControlNet綜合了現(xiàn)有網(wǎng)絡的諸多優(yōu)點：實時I／O通信、控制器互鎖、對等

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

8、電機為主的多家公司于1996年底推出的開放式現(xiàn)場總線，2005年7月CC—Link正式取得中國國家標準認證(GB／Z19760—2005)。CC—Link是高速的現(xiàn)場總線，它能夠同時處理控制和信息數(shù)據(jù)。它通過簡單的總線，將工業(yè)設備(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)連接成為設備層的網(wǎng)絡。同時這個網(wǎng)絡還可以方便地連接到其他網(wǎng)絡(如：Ethernet，MELECNRT／H等)。CC—Link

9、又是一種簡單的現(xiàn)場總線解決方案，不但解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復雜的問題，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)絡偵聽功能，使系統(tǒng)維護更加簡單，這是以往的連接方式所無法完成的。25Profibus總線Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現(xiàn)場總線。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型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158—2標準。該項技術(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)場總線技術(shù)國家標準。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準第一部分的子集，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，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158—2標準，可實現(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。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之

12、間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(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)一周的最長時間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權(quán)時，可以按主一從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播(不要求應答)，或有選擇地向一組站點廣播。表l各種類型現(xiàn)場總線的比較總線類型傳輸距離與傳輸速度技術(shù)優(yōu)勢低速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Devicenet總線輸距離最大500m時間傳輸速度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、確定和可重復的性能軸電皺為3km，使用光纖傳輸可以達到30Km。最大總延長距離可達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(T型分支)或光纖中繼器，可4距離延長自由自在進一步延長傳輸距離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等提供中繼器延長至10kin強大的硬件支撐注：RAS即Reliability，Availability，Serviceability(可靠性，有效性，可維護性)。3現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點由于現(xiàn)場總線的特點及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其從設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，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)省了安裝費用，而且系統(tǒng)的維護開銷也大大地降低?，F(xiàn)場總線控制系統(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備達到最佳的系統(tǒng)集成，在設備出現(xiàn)故障時，可以自由選擇替換的設備，保障用戶的高度系統(tǒng)集成主動權(quán)。此外，它還具有設計簡單，易于重構(gòu)等特點。4現(xiàn)場總線技術(shù)應注意的問題41元器件的不穩(wěn)定性現(xiàn)場總線系統(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的要求，是一件非常仔細、認真的工作，而

17、且要使用專用工具。可在安裝、維護中，許多工作人員卻不嚴格按上面的方法安裝。給總線不穩(wěn)定性潛伏的機會。44冗余問題現(xiàn)場總線設計思想，低速部分是不要冗余的。因此當總線出現(xiàn)故障時，雖然可以完全依靠就地來完成功能調(diào)節(jié)，卻無法讓運行人員監(jiān)視到全系統(tǒng)運行狀況，按照熱控的檢修標準在控制系統(tǒng)機組主要運行參數(shù)的監(jiān)視就應該停止機組運行，所以要想達到安全的目的，冗余設計是很有必要的。5現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢(1)通過應用技術(shù)發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)勢。筆者認為首先要突出

18、現(xiàn)場總線降低系統(tǒng)投資成本和減少運行費用的優(yōu)點，而現(xiàn)場總線的這項優(yōu)點能否發(fā)揮，與應用者是否合理地使用現(xiàn)場總線、充分發(fā)揮它的潛能有關(guān)。(2)不同類型的現(xiàn)場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應用或過程控制應用，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。而到人一機界面這一層，不同總線的區(qū)別對用戶來說是不大的。(3)現(xiàn)場總線的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。信息處理的現(xiàn)場化才是智能化儀表和現(xiàn)場總線所追求的目標，也是現(xiàn)場總線不同與其它計算機通信技術(shù)的標志。(4)網(wǎng)絡的設計優(yōu)化。減少信息的往返傳遞是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中網(wǎng)絡設計和系統(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)響應時間的好處。(5)系統(tǒng)組態(tài)傻瓜化。目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復雜的，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關(guān)系比較復雜，如果不

20、是對現(xiàn)場總線非常熟悉，很難將系統(tǒng)設置到最佳狀態(tài)。(6)克服本安防爆對現(xiàn)場總線的限制。本安防爆理論的現(xiàn)狀對現(xiàn)場總線的推廣應用限制極大。因為它限制電纜的長度和總線上負載的數(shù)量?，F(xiàn)場總線的主要優(yōu)點在這些限制下，大部分都消失了。因此現(xiàn)場總線要求本安防爆理論要有所發(fā)展，目前各國都在對現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念(fieldbusintrinsicalsafetyconcept，F(xiàn)IS—C0)理論加強研究，爭取有所突破。6結(jié)語綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)適應了控