現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用

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1、現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用

2、第11引言隨著計算機、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化典型代表的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術(shù)也得到了發(fā)展迅速、影響巨大，引起了工程技術(shù)界的普遍興趣與重視，使計算機控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystemDCS）走向以現(xiàn)場總線位基礎(chǔ)的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,FCS），被譽為工業(yè)自動化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)。現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。2被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)2．1現(xiàn)場總線及其特點（1）什么是現(xiàn)場總線？根據(jù)

3、國際電工委員會（IEC）和美國儀表協(xié)會(ISA)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標志是能支持雙向多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通訊，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統(tǒng)安全、造價低廉、維護成本低等特點。國際電工協(xié)會（IEC）的SP50委員會對現(xiàn)場總線有以下三點要求：（1）同一數(shù)據(jù)鏈上過程控制單元（PCU）、PLC等與數(shù)字1/0設(shè)備互連；（2）現(xiàn)場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)等進行數(shù)據(jù)存??；（3）通信媒體安裝費用較低。SP50委員會提出的兩種現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型是：●星型總線

4、用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線●總線型總線數(shù)據(jù)傳輸距離長、速率高，采用點對點、點對多點和廣播式通信方式2．2現(xiàn)場總線技術(shù)特征現(xiàn)場總線完整地實現(xiàn)了控制技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的集成，具有以下幾項技術(shù)特征。（1）現(xiàn)場設(shè)備已成為以微處理器為核心的數(shù)字化設(shè)備，彼此通過傳輸媒體（雙繪線、同軸電纜或光纖）以總線拓撲相連；（2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信采用基帶傳輸（即數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字傳輸），數(shù)據(jù)傳輸速率高（為Mbit/s或10Mbit/s級），實時性好，抗干擾能力強；（3）廢氣了集散控制系統(tǒng)（DCS）中的I/O控制站，將這一級功能分配給通信網(wǎng)絡(luò)完成；（4）分散的功能模塊，便于

5、系統(tǒng)維護、管理與擴展，提高可靠性；（5）開放式互連結(jié)構(gòu)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)相連，也可通過網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與控制級網(wǎng)絡(luò)或管理信息級網(wǎng)絡(luò)相連；（6）互操作性，在遵守同一通信協(xié)議的前提下，可將不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的網(wǎng)絡(luò)。3現(xiàn)場總線控制技術(shù)3．1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是集當今計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當代最先進的計算機控制技術(shù)，是一種全分散、全數(shù)字、全開放的控制系統(tǒng)。它適用于工業(yè)過程控制、制造業(yè)及樓宇自動化等領(lǐng)域，將成為現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)的主流。3．2FCS對計算機控制系統(tǒng)的影響傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)一般采用DCS結(jié)構(gòu)。在DCS中

6、，對現(xiàn)場信號需要進行點對點的連接，并且I/0端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設(shè)大量的信號傳輸電纜，布線復(fù)雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而基于FCS的控制系統(tǒng)則完全克服了這些缺點。（1）FCS借助于現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場被轉(zhuǎn)換成標準數(shù)字信號，只需一根電纜（兩線或四線）就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送

7、到控制室監(jiān)控設(shè)備上，減低了成本，又便于安裝和維護，同時數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設(shè)計采用IEC11314五種國際標準編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。（3）系統(tǒng)的效率高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設(shè)備才能完成的PLC和NC/C任務(wù)。在多任務(wù)的I系統(tǒng)等。通過雙重冗余總線，能夠完全確保控制系統(tǒng)不會因為控制電纜損壞等原因造成其他控制系統(tǒng)被迫停機的事故。另外還有三種：主要由Fisher-Ro

8、semount公司支持的FFHSE，美國波音公司支持的s，最大通訊波持率可達1Mdps。CAN總線仲裁用11位（CAN2.0A協(xié)議）和29位（CAN2.0B協(xié)議）標識和非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級，保證在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沖突時最高優(yōu)先級點不需要沖突等待。CAN結(jié)構(gòu)模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈層和應(yīng)用層。CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國

9、際標準化組織認證，技術(shù)比