计算机控制现场总线技术

现场总线技术现场总线（FieldBus）技术10.1绪言10.2现场总线技术发展概况10.3现场总线控制系统（FCS）的特点10.4五种典型现场总线Feldbus10.5Fieldbus的应用10.6Fieldbus体系结构模式现场总线技术10.1绪言到目前为止，自动化技术已经经历了两次飞跃，第一次是在20世纪50－60年代从传统的电气传动控制发展到以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表监控系统，这次飞跃是以微电子技术进步为基础的。现场总线技术第二次则是在20世纪70－80年代，分布式控制系统DCS的出现，把分散的、单回路的测控系统用计算机进行了统一的管理，用各种I/O功能模板代替了控制室的仪表，利用计算机高速运算的强大功能，集中实现了回路调节，工矿连锁、参数显示报警，历史数据储存，工艺流程动态显示等多种功能，在大型控制系统中往往还带有操作指导和专家系统等软件。现场总线技术DCS技术对工业控制技术的发展起到了极大的推动作用，得到了用户的肯定。这次飞跃是以计算机技术的飞速发展为基础的。4－20MA信号是DCS系统与现场设备相互连接的最本质点。是控制系统和仪表装置发展的一大进步。进入20世纪90年代后，数字化和网络化成为当今控制技术发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智能变送器在4－20mA信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。现场总线技术Fieldbus的先驱可谓是Honeywell公司在1983年推出的4－20mA输出的差分信号驱动器它在4－20mA信号上叠加了数字信号，从而使现场装置与控制室控制装置间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上，美国Rosemount公司配合使用了他自己的的HART数字协议。1987年美国Foxboro公司发表了I/A智能式自动控制系统，系统使用了全数字通信。Fieldbus网络体系结构及标准的研究和制定始于1985年。现场总线技术选择何种网络形式－完全型还是简化型网络结构，是逐步形成现场总线概念过程中考虑的一个最重要问题。Fieldbus选用了简化型网络结构，与OSI未完全保持一致，只选用了三层：物理层、数据链路层和应用层。现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。Fieldbus的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制功能更加强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断的综合能力的控制网络。现场总线技术Fieldbus是现代计算机、通信和控制技术的集成，使自动化技术正在进入第三次飞跃。可以预言，随着Fieldbus技术的兴起和逐渐成熟，将使21世纪的自动化领域成为Fieldbus的世界。现场总线技术10.2现场总线技术发展概况现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中通讯体系最底层的低成本网络。根据国际电工委员会(IEC)的标准和现场总线基金会（FF）的定义：“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通讯网络”。现场总线技术基本内容包括：以串行通讯方式取代传统的4－20mA模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质交换信息；其核心是它的通讯协议，协议必须根据ISO的计算机网络开放系统的OSI参考模型来制定，它是一种开放的七层网络协议标准，多数现场总线只使用其中的一、二和七层协议（即物理层、数据链路层、应用层，这三层也是最重要和必须考虑的）。即Fieldbus采用了三层网络结构，流量控制和差错控制在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。现场总线技术现场总线技术始于20世纪80年代中期，于90年代初期形成了几种较有影响的的标准，它们是PROFIBUS（德国和欧洲标准），FIP（法国标准），ISP（可交互系统标准），ISASP50（美国仪表协会标准）。另外还有一些公司厂家推出了自己的现场总线产品，形成了事实上的标准，比较著名的有CAN、HART和LONWorks。1994年和1995年ISP与WORLDFIP的北美和欧洲分会宣布合并，成立了FF（FieldbusFoundation）现场总线基金会组织，旨在支持和帮助ICE/ISA-SP标准化委员会工作，推动和加速建立一个统一、开放、国际性的Feldbus国际标准。现场总线技术但因FF通信协议的技术目标较高，涉及面广，受厂商自身商业利益的影响，因而使标准的指定工作进展缓慢。而那些单个厂商或组织制定的现场总线技术标准及其产品却往往有较大业绩。许多国际知名仪表公司和控制系统公司如Honeywell、Simens、Foxboro、Yokogawa等纷纷加入实力强大。现场总线技术10.3现场总线控制系统（FCS）的特点FCS与传统DCS相比有着明显的优点。根据国际电工委员会(IEC)的标准和现场总线基金会（FF）的定义，Fieldbus技术以下6个主要特点：（1）数字信号完全取代4－20mA模拟信号；实现现场管理和控制的统一；（2）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；（3）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；现场总线技术（4）一般只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段。（6）网络结构简单、执行协议直观，价格低廉，与上层网络的联接费用也不高。（5）Fieldbus是一种开放式实时系统只具有简化的网络结构，而与OSI不完全保持一致。真正实现系统开放性、互操作性。现场总线技术21世纪是现场总线的世纪，因为：、现场总线标准将开辟过程控制的新纪元；、现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革；、目前制定的一些现场总线标准将在几十年中影响控制领域；、现场总线将大大改变现有的实现控制和维护的全部方法。Feldbus技术不仅是一种通信技术，实际上也融入了智能化仪表、网络和开放系统互连（OSI）等技术精粹。现场总线技术与传统DCS相比优越性：（1）系统结构大大简化，成本显著降低；（2）现场设备自治性加强，系统性能全面提高；（3）提高了信号传输的可靠性和精度；（4）真正实现完全分散、全数字化的控制网络；（5）用户始终拥有系统集成权。现场总线技术FCS和DCS网络结构比较现场总线技术10.4五种典型现场总线Fieldbus目前较流行的5种是：CAN、LONWorks、PROFIBUS、HART、FF。1、CAN（控制器局域网络）CAN（ControllerAreaNetwork）是由德国Bosch公司专门为汽车检测和控制而设计的、逐步发展到用于其他工业领域的现场控制。CAN已成为国际标准化组织ISO11898标准。CAN具有如下特性：现场总线技术（1）通讯速率为5kbps/10km、1Mbps/40m，节点数110个，传输介质为双绞线或光纤等。（2）采用点对点、一点对多点及全局广播等方式发送接受数据。（3）可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节点均主动发送报文，可方便的构成多机备份系统。现场总线技术（4）采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分成不同的优先级字节数为8个。这样传输时间短，受干扰的概率低，具有较好的检错效果。（5）采用CRC校验及其他检错措施，保证了极低的信息出错率。（6）节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，自动切断与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。现场总线技术（7）CAN单片机，如Motorola公司生产的带CAN模块的MC68HC05x4、Philips公司生产的82C200、Intel公司生产带CAN模块的P8XG592。（8）CAN控制器，如Philips公司生产的82C200和Intel公司生产的82527。（9）CANI/O器件，如Philips公司生产的82C150，具有数字和模拟I/O接口。现场总线技术2、LONWorks（局部操作网络）LONWorks(LocalOperatingNetwork)是美国Echelon公司研制的一种现场总线，主要特性有：（1）通讯速率为78kbps/2700m、1.25Mbps/130m、节点数32000，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线、电力线以及无线传输等。（2）采用LONTalk通讯协议，该协议遵循ISO定义的开放系统互连OSI（OpenSysytemInterconnection）全部7层模型。（3）LONWorks的核心是NEURON（神经元）芯片（MC143150和MC143120，内含3个8位的CPU：第一个CPU为介质访问控制处理器，实现LONTalk协议的第1层和第2层；第二个CPU为应用处理器，实现LONTalk协议的第7层，执行用户编写的代码及用户用户代码调用的操作系统服务）。现场总线技术（4）NEURON芯片的编程语言为NEURONC，它是从ANSIC派生出来的。LONWorks提供了一套开发工具LONBilder与NodeBuilder。（5）LONTalk协议提供了5种基本类型的报文服务；确认（Acknowledged）、非确认（Unacknowledged）、请求/响应（Request/Reponse）、重复（Repeated）、非确认重复（Un-acknowledgedRepeated）。（6）LONTalk协议的介质访问控制子层（MAC）对CSMA作了改进，采用一种新的PredictiveP-PersistentCSMA，根据总线负载随即调整时间槽n（1－63），从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化。现场总线技术3、PROFIBUS（过程现场总线）PROFIBUS（ProcessFieldBus）是德国标准，1991年在DIN19245中公布了标准，PROFIBUS有几种改进型分别用于不同的场合，例如：（1）PROFIBUS－PA（ProcessAutomation）用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。（2）PROFIBUS－FMS（FieldbusmessageSpecification）用于一般自动化。（3）PROFIBUS－DP用于加工自动化，适用于分散的外围设备。PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PROFIBUS规范来定义模块，规范设备功能与PROFIBUS通信功能的一致性。PROFIBUS为开放系统协议，为了保证产品质量，在德国建立了FZ1信息研究中心，对制造厂和用户开放，对其产品进行一致性检测和实验性检测。现场总线技术4、HART（可寻址远程传感器数据通路通信协议）HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）是美国Rosemount研制的一种总线。HART协议参照ISO/OSI模型的1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层，主要特性有：（1）物理层采用基于Bell202通信标准的调频技术FM，即在4－20MA信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200HZ，逻辑0为2200HZ，波特率为1200bps，调制信号为±0.5mA或0.25V（p-p），250Ω负载。用屏蔽双绞线单台设备距离3000m，多台设备互连距离1500m。（2）数据链路层数据帧长度不固定，最长25个字节。可寻地址为0－15，当地址为0时，处于4－20MA与数字通信兼容状态；当地址为1－15时，则处于全数字状态。通信模式为问答式或广播式。现场总线技术（3）应用层规定了三类命令，第一类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第二类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第三类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。另外为用户提供了设备描述语言DDL（Dev