發布日期：2022-04-18 點擊率：73
1.概述 在計算機自動控制系統急速發展的今天，特別是考慮到現場總線已經普遍地滲透到自動控制的各個領域的現實，現場總線必將成為電工自動控制領域主要的發展方向之一。現場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域；并且國外大公司已經在大力拓展中國市場，發展我國的現場總線產品已經刻不容緩。現場總線對自動化技術的影響意義深遠。當今可以認為現場總線是提高自動化系統整體水平的基礎技術，對國民經濟影響重大。因此，要在自動化領域中推廣應用和發展現場總線。 現場總線是近年來自動化領域中發展很快的互連通信網絡，具有協議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。目前，國際上各種各樣的現場總線有幾百種之多，統一的國際標準尚未建立。較著名的有基金會現場總線（FF）、HART現場總線、CAN現場總線、LONWORKS現場總線、PROFIBUS現場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。 自動化控制系統就是通信網絡把眾多的帶有通信接口的控制設備、檢測元件、執行器件與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，實現集中數據處理、集中監控、集中分析和集中調度的新型生產過程控制系統。 從目前國內外自動化控制系統所應用的現場總線來看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現場總線。以上系統基本上都是采用單一的現場總線技術，即整個自動化控制系統中只采用一種現場總線，整個系統構造比較單一。 現場總線已不僅僅是一個新技術領域或新技術問題，在研究它的同時，我們發現它已經改變了我們的觀念；如何去看待現場總線，要比研究它的技術細節更為重要。 1.1現場總線是一個巨大的商業機會 一項權威報告聲稱現場總線的應用將使控制系統的成本下降67％；巨大的商業利益直接導致產生一個巨大的市場，并且促使傳統市場萎縮，從而引發技術進步。這些對于我們行業來說都很重要，因為我們正處在新舊市場交替的關口。 1.2.現場總線是一場技術革命 現場總線帶來了觀念的變化，我們以往開發新產品，往往只注意產品本身的性能指標，對于新產品與其它相關產品的關聯就考慮比較少一點。這樣對于電工行業這樣一個比較保守的行業來說，新產品就不那么容易地被用戶接收。而現場總線產品卻恰恰相反，它是一個由用戶利益驅動的市場，用戶對新產品應用的積極性比生產商更高。然而，現場總線新產品的開發也與傳統產品不同；它是從系統構成的技術角度來看問題，它注重的是系統整體性能的提高，不強求局部最優，而是整體的配合。這種配合在主控計算機軟件運行下能使控制系統應用新的理論來發揮最大的效能；這一點是傳統產品很難做到的。現場總線的“負跨越（指在技術水平提高的同時，掌握和應用這項新技術的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。 2.現場總線的發展 2.1自動控制領域的發展過程 2.1.150多年前第一代過程控制體系是基于5－13psi的氣動信號標準（氣動控制系統PCS，PneumaticControlSystem）。簡單的就地操作模式，控制理論初步形成，尚未有控制室的概念。 2.1.2第二代過程控制體系（模擬式或ACS,AnalogControlSystem）是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號，這一明顯的進步，在整整25年內牢牢地統治了整個自動控制領域。它表征了電氣自動控制時代的到來。控制理論有了重大發展，三大控制論的確立奠定了現代控制的基礎；控制室的設立，控制功能分離的模式一直沿用至今。 2.1.3第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代開始了數字計算機的應用，產生了巨大的技術優勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領域率先使用，從而產生了第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領域的一次革命，它充分發揮了計算機的特長，于是人們普遍認為計算機能做好一切事情，自然而然地產生了被稱為“集中控制”的中央控制計算機系統，需要指出的是系統的信號傳輸系統依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號，但是時隔不久人們發現，隨著控制的集中和可靠性方面的問題，失控的危險也集中了，稍有不慎就會使整個系統癱瘓。所以它很快被發展成分布式控制系統（DCS）。 2.1.4第四代過程控制體系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系統）：隨著半導體制造技術的飛速發展，微處理器的普遍使用，計算機技術可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過程控制體系（DCS，或分布式數字控制系統），它主要特點是整個控制系統不再是僅僅具有一臺計算機，而是由幾臺計算機和一些智能儀表和智能部件構成一個了控制系統。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個重要的發展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴于4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數字信號來取代模擬信號。 2.1.5第五代過程控制體系（FCS，FieldbusControlSystem現場總線控制系統）：FCS是從DCS發展而來，就象DCS從CCS發展過來一樣，有了質的飛躍。“分散控制”發展到“現場控制”；數據的傳輸采用“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區別在于FCS有更廣闊的發展空間。 2.2現場總線崛起的過程 80年代，微處理器及其相關技術的不斷發展，使得數據傳送環節成為DCS發展的瓶頸。1982年，現場總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國開始進行現場總線標準的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通訊協議HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠程傳感器數據通路），主要是在4－20mA的DC信號上疊加FSK（FrepuencyShiftKeying,頻率調制鍵控）數字信號，結果取得了很好的效果，同時Interbus等簡單的現場總線也都取得了成功。這樣DSC的發展的重點落在了現場總線上，開始了被稱為第五代過程控制體系（FCS，FieldbusControlSystem現場總線控制系統）的時代。 FCS是從DCS發展而來，有一個量變到質變的過程。從表面上來看，FCS與DCS區別僅僅在于從“分散控制”發展到“現場控制”；數據的傳輸從“點到點”采用“總線”方式。其實不然，當時系統論的觀點已被廣泛地接受，人們開始以大系統的概念來看待整個過程控制體系。系統的增大，導致了網絡的通訊技術急劇發展；于是科技界充分認識到在計算機系統的發展中起過重要作用的總線技術可以大大地推進控制系統的發展。整個控制系統就象是一臺巨大的“計算機”按總線方式運行，這樣資源的共享成了FCS的主要發展空間，于是現場總線應運而生，并且以前所未有的激烈程度展開了市場競爭。 2.3現場總線的技術基礎： 現場總線以數字信號取代模擬信號，在3C技術即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎上，大量現場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現場設備，一大批數字化、智能化的高新技術產品應運而生，自動化儀表與控制系統以嶄新的面貌呈現在廣大用戶面前。一般認為“現場總線是一種全數字化、雙向、多站的通信系統，是用于工業控制的計算機系統的工業總線。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線。 從現場總線控制系統（FCS，FieldbusControlSystem）的角度來看，它的通訊網絡結構將是ISO的通訊模型的七層結構（一般簡化為三層，物理層、數據鏈路層、應用層）。 2.4各種現場總線與標準 2.4.1IEC1984年提出現場總線國際標準的草案。1993年才通過了物理層的標準IEC1158－2。 2.4.2SP50IEC/ISASP50國際總線規范由Honeywell等公司共同開發。1984年美國儀表協會ISA（InstrumentSocietyofAmerica）下屬的標準實施（StandardandPractice）第50組，簡稱ISA/SP50開始制定現場總線標準，1992年IEC批準了SP50的物理層標準。 2.4.3Profibus,過程現場總線，1987年德國聯邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個研究所成立了一個專門委員會開始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中發表，對其進行了論述從而正式為德國現場總線的國家標準，現在是歐洲標準prENS50170的三個組成部分之一。被工業界稱為“德國派”。 2.4.4ISP和ISPF1992年由Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB等公司成立ISP組織（InteroperableSystemProject,可互操作系統規劃），是一個以Profibus為基礎制定的現場總線，1993年成立ISPF（ISPFoundation,ISP基金會）。 2.4.5WorldFIP工廠儀表世界協議，1993年由Honeywell,Bailey等公司牽頭成立FIP（FactoryInstrumentationProtocol），120家公司加盟，以法國標準46－602/603/604/606為基礎制定.該標準與德國的Profibus同時在歐洲投票通過為歐洲標準prEN50170,成為三個組成部分之一。被工業界稱為“法國派”。 2.4.6FF（FielbdusFoundation,現場總線基金會）1994年6月ISPF和WorldFIP握手言和成立了FF，總部設在美國Texas州的Austin，有會員120家，它是一個非商業化的公正的國際標準化組織和協會組織，無專利許可要求，供任何人使用（WorldFIP的歐洲部分在1995年3月才參加）。低速總線H1已進入實用階段。FF發展的主要障礙來自Profibus的商業利益。 2.5幾種有影響的現場總線 2.5.1CAN由德國RobertBasch以及幾個集成電路制造商一起開發，最初是專門為汽車工業設計，后來推廣到各個領域.目前已由ISO/TC22技術委員會批準為ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是現場總線中唯一被批準為國際標準的現場總線。值得注意的是一些微處理器的生產商也在微處理器芯片中附加CAN的接口，并且成為一種潮流。而其他現場總線的協議芯片基本上是以專用的芯片來供應，這樣CAN在低成本方面優勢明顯，此外CAN技術在抗干擾技術方面頗有特色。 2.5.2LONworks（LocalOperationNetwork）局部操作網絡；1991年3月由美國的Echelon公司推出，是一種“智能網”，核心技術是節點由神經元芯片（含三個CPU）構成，帶有OSI的七層網模型，適應面最廣，開發工具約10－30萬，價格較貴。據統計產品的40％用于工業控制，30％用于樓宇自動化。 2.5.3Hart和HCF1986年由Rosemount提出的通訊協議HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠程傳感器數據通路），主要是在4－20mA的DC信號上疊加FSK（FrequencyShiftKeying，頻率調制鍵控）數字信號，是現場總線的過渡性協議，它對于現場總線的形成有重大影響，但是在電器行中發展的可能性很小。 2.5.4一些可能對電器行業產生影響的低層次的現場總線：如：Bitbus,Interbus,AS－Interface,DEVICENet,VXL等等。 3.多現場總線技術 目前，在一些工程中通常的做法是在某種現場總線的基礎上開發能連接其他公司現場總線的接口產品。由于現場總線國際標準尚未建立，多種類型的現場總線枚不勝數，需要開發大量的接口產品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現場總線為例，要使它們中任意兩種不同現場總線能統一于一個智能化配電系統中，僅是協議轉換器這種接口產品就要有二十種之多，如果一個系統中有三種或三種以上不同現場總線產品，那麻煩則更大。不少企業，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。 隨著自動化技術和通信技術的發展，帶有通信接口的產品應用量越來越大，而且隨著用戶對智能化控制系統可靠性和靈活性的更高要求，加上各現場總線本身的特點以及相關的產品品種繁多，因此在智能化配電系統工程設計中，采用一種現場總線總線的智能化產品往往不能滿足應用的全面要求，多現場總線產品共存于一個智能化控制系統已成為一個現實的問題。 由于多現場總線系統中不同類型的產品均配專用的通信協議，有的廠家還專門為自己的產品開發了專用的通信卡、通信控制器等專用設備，因此，整個系統中的產品由于通信協議不同無法直接和主控單元進行通信，這嚴重防礙智能自動化控制系統設計中對智能設備的選擇。對應用而言,如果在一個智能化控制系統中每一種智能化產品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個智能化控制系統將變得支離破碎，組態性和靈活性均較差，使得系統的性能價格比不高，而且在系統進行改造或升級時，將要花費用戶更多的時間和費用。因此，多現場總線技術在一個智能化控制系統中的應用已成為一個重要的研究課題。 對于智能化自動化控制領域來說，它的現場總線有一定的特殊性。同時它又不能完全脫離上層現場總線。對于智能化控制系統的現場總線網絡，特別是過程自動化系統將不得不面對幾個現場總線其原因是： 3.1實際上過程自動化控制系統和高中壓電網控制系統存在各種不同的現場總線。 3.2建筑自動化系統在推廣Lonworks現場總線，用于智能大廈。 3.3FF有國家的大力支持，也許是重要的發展方向。 3.4CAN的價格優勢對低壓電器有很大的吸引力。 3.5Profibus已經有了不少應用。這是一個需要認真考慮的現實。 智能化召開系統現場總線網絡是個多層次的網絡,IEC62026本身就包含各種現場總線。IEC62026明確表示了高層的工業通訊網絡由IEC/SC65C考慮。FCS，現場總線控制系統的一個重要的發展方向是多層次的網絡結構；向下連接低層次的現場總線，智能化控制系統現場總線網絡需要多層次的網絡。而智能設備需要非常靈活地與各種總線、控制對象等的配合控制和交換信息。實現各種總線相互間的轉換也是解決現場總線之爭的途徑之一。 目前，在一些工程設計中通常的做法是在某種現場總線的基礎上開發能連接其他公司現場總線的接口產品。由于現場總線國際標準尚未建立，多種類型的現場總線枚不勝數，需要開發大量的接口產品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現場總線為例，要使它們中任意兩種不同現場總線能統一于一個智能化配電系統中，僅是協議轉換器這種接口產品就要有二十種之多，如果一個系統中有三種或三種以上不同現場總線產品，其技術復雜程度和管理、維護、擴展等因素都是影響現場總線在智能化控制系統中推廣應用，國際上的個大公司為了解決來自不同廠家的產品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。 針對上述在智能化控制系統開發中遇到的實際問題，在工程中的解決方案是做一個統一而簡單的子網：一個簡單的子網可能解決自動化控制系統的大部分控制問題。各智能化設備的各種現場總線接口的配合可以通過相應的協議芯片來解決。統一的子網可能使整個行業的開發成本最低，開發速度最快。為此提出了通用型現場總線協議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對現場總線協議進行處理，解決智能化控制系統中多現場總線的兼容性問題，其目的是為了能將不同現場總線的產品和諧地融入一個系統中，充分發揮不同產品的長處，為那些希望使用不同廠家優質產品的用戶提供更大的靈活性。 通用型現場總線協議控制器是現場級的通用通信管理設備，由它把各個現場設備連成網絡，并負責現場設備與上位機之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現場總線協議的轉換，實現與不同廠家的現場設備進行通信。 4.現場總線協議控制器 通用型現場總線協議控制器是采用模塊化結構和多CPU工作方式來設計的，因為模塊化的結構可以使系統有較強的擴展能力，為系統將來的升級換代帶來便利。 通用型現場總線協議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴展槽、固定支架、系統總線、信號線構成。插卡分三種，分別為主控板、協議板、接口板，其中主控板和協議板帶CPU。主控板負責管理整個系統以及與上位機的通信，通用型現場總線協議控制器通過RS232接口與上位機連接，主控板通過它與上位機進行信息交換，主要包括：管理系統總線，給協議板和接口板分配系統資源，與協議板進行信息交換，對來自協議板的數據進行處理，等待上位機提取。協議板是通用型現場總線協議控制器的關鍵部分，所有與現場設備的通信都由它完成。協議板可以提供多種現場總線協議，一般一塊協議板只能進行一種現場總線協議的通信。接口板從屬于某一協議板，為協議板提供通信接口。用戶可以根據實際情況進行選擇，接口種類有RS232、RS422、RS485等。通用型現場總線協議控制器與上位機以及與現場設備的通信都采用串行方式，而通信控制器內部各插卡之間通過系統總線來完成。其中主控板與各協議板的通信采用主從式。主控板通過系統總線分別與協議板進行通信，各協議板之間不能進行通信。 通信過程如下：主控板在系統總線上，通過廣播方式發送協議板號來呼叫與之通信的協議板，每塊協議板上有協議板號識別電路，只有與發送的協議板號相符的協議板才響應主控板，從而實現主控板與協議板的通信。當用戶增加新的協議設備時，不必改動硬件，只需在增加的新的協議板上設置好協議板號，并在上位機的組態中添加相應的系統信息存入計算機即可。協議板和接口之間的信息傳遞通過系統中的局部總線來完成。 5.智能化配電系統 智能化配電系統由配各種智能化開關柜的硬件系統和軟件系統兩部分組成。硬件包括各種智能化開關柜、通用型現場總線協議控制器、上位控制計算機。軟件由主控程序、通訊界面和人機界面三部分組成。根據以上硬件設備的配置情況，在上位機上輸入系統配置信息，通過串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統配置信息分類傳遞給各協議板，各協議板收到系統信息后與所屬硬件設備進行通信，將采集到的數據經主控板傳送到上位機，并通過主控板接受上位機命令。 5.1通訊功能 5.1.1遙訊功能：現場總線協議控制器向上站機報送斷路器現時的各項保護參數。 5.1.2遙測：現場總線協議控制器向上位機報送工作參數、故障參數，達到上位機對電力電網系統遙測的目的。 5.1.3遙調：現場總線控制器接收上位機的遙調參數來改變斷路器中智能型脫扣器的保護特性參數來達到改變電力電網干路參數設定值的目的 5.1.4遙控：現場總線控制器接收上位機的控制信號來實現電力電網計算機控制系統的遙控功能。 5.2網絡結構： 5.2.1數據通信網絡的結構為一點對多點的由上位機主呼的主從網結構（現場總線型）。 5.2.2通訊方式廣播應答方式，半雙工類型 4.2.3硬件接口電路類型：RS－485、RS—232、RS—422接口電器，（具有瞬態保護或隔離型） 5.2.4通訊線路UTP雙絞線，8芯（4對），五類通訊線，（在干擾嚴重的工業環境或線路與電力線一同敷設時可選用屏蔽線STP） 5.2.5上位機：中央處理器應為586以上。若上位機處于干擾嚴重的工業環境中，則應選用工控機機型。 6.結束語 現場總線作為自動化領域的一次革命，它的意義和產生的效益是非常巨大的。積極開展各種現場總線技術的研究和應用，特別是加強對于一些已有成功經驗的現場總線在智能化控制系統中的開發與應用，對于開電氣設備制造廠家來說可以避免很多彎路和資源浪費，是適合我國國情的一個實用的發展途徑。 智能化控制系統采用多現場總線技術，全中文操作界面，具有很高的通用性和靈活性以及較低的成本，使其具有非常高性能價格比，可以使用戶方便、靈活地構成一個實用可靠的智能化控制系統，其優良的可擴展性使其能夠適應通信技術發展的潮流，滿足不同用戶的需要。</font
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