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1、現(xiàn)場總線及Profibus應用1引言隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，因特網(wǎng)正在把全世界的計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集成起來，形成信息高速公路，從而形成一個公用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。以計算機(Computer)、通信(Communication)和控制(Control)為代表的“3C”技術迅速發(fā)展，使得網(wǎng)絡集成信息自動化正在迅速應用到現(xiàn)場設備、控制、管理和市場的各個層次，并迅速進入工業(yè)制造、工業(yè)流程、環(huán)境工程、民用工程等應用領域。[1]而現(xiàn)場總線(Fieldbus)作為當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標志著工
2、業(yè)控制領域又一個新時代的開始，并將對該領域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。2現(xiàn)場總線2.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生背景隨著控制、計算機、通訊、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制、管理的各個層次、覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結構的深刻變革，現(xiàn)場總線就是在這種形式下發(fā)展起來的新技術。[1]20世紀50年代至今，工業(yè)過程控制儀表一只采用4~20mA的標準信號。20世紀60年代，測控系統(tǒng)一般采用直接數(shù)字式控制系統(tǒng)。20世紀70年代，數(shù)字式計算機被映入到測控系統(tǒng)中，此時
3、的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀80年代，微處理器被嵌入到各種儀器設備中，而形成了分布式控制系統(tǒng)(DCS)，這種分布式控制系統(tǒng)經(jīng)歷了若干發(fā)展階段，從集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)到智能控制、維護、管理集成系統(tǒng)(ICMMS)，控制單元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制單元的協(xié)同工作模式[2]。由于各種現(xiàn)場總線技術的相繼出現(xiàn)，人們對傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)要求變革的呼聲越來越高，現(xiàn)場總線為引入智能現(xiàn)場儀表提供了一個開放平臺?；诂F(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem,FC
4、S)是在傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,DCS)的基礎之上發(fā)展起來的，順應了自動控制系統(tǒng)發(fā)展的潮流。2.2現(xiàn)場總線的基本概念按照國際電工委員會IEC61158的標準定義，現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動空盒子裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線[1]。它的本質含義主要表現(xiàn)在以下三個方面：現(xiàn)場總線是一種低帶寬的計算機局域網(wǎng)；現(xiàn)場總線是一種數(shù)字通信協(xié)議；現(xiàn)場總線是開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。圖1為DCS與FCS的對比。6圖1DCS與FCS的對比2.3現(xiàn)場
5、總線的特點現(xiàn)場總線的特點主要體現(xiàn)在兩個方面：一是在體系結構上成功地實現(xiàn)了串行連接，克服了并行連接的諸多不足；二是在技術上成功地解決了開放競爭和設備兼容兩大難題，實現(xiàn)了現(xiàn)場設備的高度智能化、互換性和控制功能的徹底分散化[2]。現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結構特點：現(xiàn)場總線是以ISO的OSI模型為基本框架的，并根據(jù)實際需要進行簡化了的體系結構系統(tǒng)，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層和用戶層。它具有一對N結構、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡、維護方便等優(yōu)點，另還有以下特點：(1)網(wǎng)絡體系結構簡單。模型有4層，具有設計靈活，執(zhí)行直觀，價格低
6、廉，性能良好等優(yōu)點，還能保證通信的速度；(2)綜合自動化功能把現(xiàn)場智能設備分別作為一個網(wǎng)絡節(jié)點，通過現(xiàn)場總線來實現(xiàn)各節(jié)點之間、節(jié)點與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實現(xiàn)各種復雜的綜合自動化功能；(3)容錯能力強?，F(xiàn)場總線通過使用檢錯、自校驗、監(jiān)督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提高了系統(tǒng)的容錯能力；(4)抗干擾能力強，測控精度高。現(xiàn)場智能設備可以就近處理信號，并采用數(shù)字通信方式與主控系統(tǒng)交換信息，不僅具有較強的抗干擾能力，且其精度和可靠性也得到了提高。[3]現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有以下技術特點：(1)系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開
7、,各不同廠家的設備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換，建立起統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng),它可以與任何遵守相同標準的其他設備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)必須是開放的,開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。(2)一對N結構一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號，這使得接線簡單，工程期短，安裝費用低。若增加現(xiàn)場控制設備或現(xiàn)場儀表，只需并行掛接到電纜上，無須架設新的電纜。(3)互可操作
8、性與互用性這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實行點對點,6一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著用戶可自由選擇不同制造商提供的現(xiàn)場控制設備或現(xiàn)場儀表，并將它們通過總線互連，進行統(tǒng)一組態(tài)，構成所需的控制回路，即使某臺儀表
