现场总线的分类及发展趋势
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  现场总线技术自70年代诞生至今,由于它在减少系统线缆,简化系统安装、维护和管理,降低系统的投资和运行成本,增强系统性能等方面的优越性,引起人们的广泛注意,得到大范围的推广,导致了自动控制领域的一场革命。

  现场总线简介

  现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术,是能应用于各种计算机控制领域的工业总线,因现场总线潜在着巨大的商机,世界范围内的各大公司都投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域,由于现场总线技术的不断创新,过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS(FieldbusControlSystem)系统,已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号,在3C(Computer计算机、Control控制、Commcenication通信)技术的基础上,大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用,许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争,仍未形成一个统一的标准,目前现场总线网络互联都是遵守OSI参考模型。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础,这一技术正在从根本上改变控制系统的理念和方法,将极大地推动整个工业领域的技术进步,对工业自动化系统的影响将是积极和深远的。

  现场总线技术是当代工业数字通信的前沿技术,是计算机技术、通信技术和自动化控制技术的集成,也是信息技术、测量技术在信息时代的体现。现场总线技术经过10年的研发、试验和局部应用阶段,现已开始大量地在中小系统中应用,并开始在超大规模的自动化系统工程中应用。现场总线技术是工业数字通信时代的先驱,它的出现正在引起工业控领域的一次前所未有的技术革命。现场总线不仅仅是分散于最底层的控制系统,而且是建立于整个工业体系的通信系统,它的通信协议建立在控制策略之上,标准的编程语言(DDL)和强大的通信功能,使现场总线控制系统成为贯彻操作者意志的最得力的工具,由于其巨大的技术优势,被认为是工业控制发展的必然趋势,将逐步取代传统的控制方法。

  几种主流现场总线介绍

  1、基金会现场总线(FoundationFieldbus简称FF)

  这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,2,7层),即物理层、数据链路层、应用层,另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率,前者传输速率为31.25Kbit/秒,通信距离可达1900m,可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒,通信距离为750m和500m,支持双绞线、光缆和无线发射,协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

  2、CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域网)

  最早由德国BOSCH公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层:物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功能,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达40M/1Mbp/s,网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

  3、Lonworks它由美国Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距离可达2700m(78Kbit/s),被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中,并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

  4、DeviceNet

  DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案,有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术,传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个,其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer),采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是OpenDeviceNetVendorAssociation(开放式设备网络供应商协会,简称ODVA)。

  5、PROFIBUS

  PROFIBUS是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型,服从IEC1158-2标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s,最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m,在12Mbit/s小为200m,可采用中继器延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点。

  6、HART

  HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写,最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本质安全防爆的要求,并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

  7、CC-Link

  CC-Link是ControlCommunicationLink(控制与通信链路系统)的缩写,在1996年11月,由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛,在亚洲占有较大份额。在其系统中,可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络,具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

  8、WorldFIP

  WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后,WorldFIP的欧洲部分仍保持独立,总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求,而且没有任何网关或网桥,用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现透明联接,并对FF的H1进行了技术拓展,如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面,WorldFIP做得最好,走在世界前列。

  此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-DataA/S提出的P-Net,该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域,还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。

  现场总线的特点

  现场控制设备具有通信功能,便于构成工厂底层控制网络。

  通信标准的公开、一致,使系统具备开放性,设备间具有互可操作性。

  功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。

  控制功能下放到现场,使控制系统结构具备高度的分散性。

  现场总线的优点

  现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列,为其应用开拓了更为广阔的领域;

  一对双绞线上可挂接多个控制设备,便于节省安装费用;节省维护开销;提高了系统的可靠性;为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

  国内现场总线的现状:

  ①多种现场总线在国内展开激烈竞争,竞争的重点是应用工程

  ②国内自己开发的现场总线产品开始投入市场;

  ③国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。

  国内现场总线的发展趋势

  从现场总线技术本身来分析,它有两个明显的发展趋势:

  1.是寻求统一的现场总线国际标准;

  2.是IndustrialEthernet走向工业控制网络;

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