幾種典型現(xiàn)場(chǎng)總線的比較與應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線電纜  （全國(guó)統(tǒng)一銷售：）                                  

現(xiàn)場(chǎng)總線電纜-技術(shù)是目前正在興起的一種全新的控制技術(shù)。該文闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，并且對(duì)當(dāng)前典型的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線做了詳細(xì)的介紹和對(duì)比，以利于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣應(yīng)用。。

一  現(xiàn)場(chǎng)總線的背景及發(fā)展?fàn)顩r

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制隨著通信、微電子、微處理器等技術(shù)的進(jìn)步而不斷的展,60~70年代采用兩線制4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);進(jìn)入80年代,微處理器被嵌入到各種儀表設(shè)備之中,形成了分布式控制系統(tǒng)(DCS)。在分布式控制系統(tǒng)中,雖然現(xiàn)場(chǎng)儀表因含有微處理器而形成智能現(xiàn)場(chǎng)儀表,但由于是三層結(jié)構(gòu)模式,成本較高,且各公司的DCS系統(tǒng)有各自的標(biāo)準(zhǔn),不能互聯(lián)。鑒于以上情況,國(guó)外提出了現(xiàn)場(chǎng)總線概念,現(xiàn)場(chǎng)總線是用于智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和基于微處理器的控制室自動(dòng)化系統(tǒng)間的全數(shù)字化、多站總線式的雙向多信息數(shù)字通訊的通迅規(guī)程,是互相操作以及數(shù)據(jù)共享的公共協(xié)議。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)課題,并受到各國(guó)自動(dòng)化設(shè)備制造商與用戶的廣泛關(guān)注。它的出現(xiàn),給工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域帶來了又一次革命,以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)———現(xiàn)場(chǎng)總線控制系(FCS)將是21世紀(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流。

二  現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

(1)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化儀表技術(shù)從模擬數(shù)字混合向全數(shù)字的轉(zhuǎn)變，自動(dòng)化系統(tǒng)從封閉式向開放式的轉(zhuǎn)變。

(2)不同廠家的產(chǎn)品互操作性與互用性給用戶進(jìn)行系統(tǒng)集成提供了方便，即用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。

(3)控制、報(bào)協(xié)、趨勢(shì)分析等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀表和裝置中，簡(jiǎn)化了上層系統(tǒng)。

(4)從根本上改變了現(xiàn)有DCs集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

三  幾種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中后期。從本質(zhì)上講,它是一種數(shù)字通信協(xié)議,是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),在智能控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、多節(jié)點(diǎn)的串行數(shù)字通信系統(tǒng),是一種開放的、數(shù)字化的、多點(diǎn)通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快、符合環(huán)境保護(hù)要求、造價(jià)低廉和維護(hù)成本低等特點(diǎn)。它的發(fā)展帶來了自動(dòng)化領(lǐng)域的重大變革。上現(xiàn)有各種現(xiàn)場(chǎng)總線達(dá)40多種。其中具有一定影響并占有一定*的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有CAN、Profibus、FF、Lonworks、WordFIP、HART、P-NET等。

3.1  基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF

FF總線是由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織（FF）開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，被*為有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線。FF總線的體系結(jié)構(gòu)是參照標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互連協(xié)議（OSI）而制定的。OST有七層，F(xiàn)F總線提取了其中的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，另外有在應(yīng)用層上增加了一層即用戶層。其中,物理層規(guī)定了信號(hào)如何發(fā)送;數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信;應(yīng)用層規(guī)定了設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、時(shí)間信息以及請(qǐng)求應(yīng)答的信息格式,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理,為每個(gè)對(duì)象(包括系統(tǒng)內(nèi)的各種資源塊、功能塊、轉(zhuǎn)換塊和過程對(duì)象)提供標(biāo)準(zhǔn)化的通信服務(wù);用戶層則用于組成用戶需要的應(yīng)用程序。FF總線的突出特點(diǎn)在于設(shè)備的互操作性、更早的預(yù)測(cè)維護(hù)及可靠的安全性。FF總線的傳輸介質(zhì)為雙絞線，同軸電纜，光線和無線電。協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn),其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼。有兩種速率現(xiàn)場(chǎng)總線：H1低俗總線和H2高速總線。

FF總線設(shè)備分為鏈路主設(shè)備、基本設(shè)備和網(wǎng)橋等3類。鏈路主設(shè)備指有能力成為鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS的設(shè)備,它是總線段的訪問控制中心,擔(dān)負(fù)通信的發(fā)起和管理的任務(wù)?；驹O(shè)備則只能對(duì)來自總線的鏈路數(shù)據(jù)作出響應(yīng),控制本設(shè)備對(duì)總線的活動(dòng)。網(wǎng)橋用于網(wǎng)絡(luò)中幾段總線間的連接,網(wǎng)橋?qū)儆阪溌分髟O(shè)備。

在一個(gè)總線段上可連接多種通信設(shè)備,可以掛接多個(gè)鏈路主設(shè)備,但一個(gè)總線上某一時(shí)刻只能由一個(gè)鏈路主設(shè)備成為鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS,沒有成為L(zhǎng)AS的鏈路主設(shè)備起著后備的作用。FF總線的通信活動(dòng)分為受調(diào)度通信和非調(diào)度通信兩類。由鏈路活動(dòng)調(diào)度器按預(yù)定的時(shí)間表周期依次發(fā)起的通信活動(dòng)為受調(diào)度通信。在預(yù)定的調(diào)度時(shí)間表之外的時(shí)間,鏈路活動(dòng)調(diào)度器發(fā)送令牌,基本設(shè)備通過得到令牌的機(jī)會(huì)發(fā)送信息的通信方式為非調(diào)度通信。當(dāng)總線上存在多個(gè)鏈路主設(shè)備時(shí),在系統(tǒng)啟動(dòng)或鏈路活動(dòng)調(diào)度器因出錯(cuò)失去LAS權(quán)時(shí),總線上的鏈路主設(shè)備通過競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)奪LAS權(quán)。競(jìng)爭(zhēng)過程中將選具有zui低節(jié)點(diǎn)地址的鏈路主設(shè)備成為鏈路活動(dòng)調(diào)度器,這樣可以很方便地實(shí)現(xiàn)通信的冗余配置。Honeywell，Ronan等公司完成了物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議的芯片，我國(guó)的一些儀表研究所及高等院校也開展了FF總線的研究工作。國(guó)家電力公司熱工研究院汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)裝備改造是國(guó)內(nèi)*個(gè)在電力系統(tǒng)中采用基于FF的FCS的應(yīng)用項(xiàng)目。該項(xiàng)目取得了顯著的效益。

3.2  CAN總線

CAN是控制網(wǎng)絡(luò)Control Area Network的簡(jiǎn)稱，CAN協(xié)議是一種通信速率高、可靠性高，支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是建立在150/OSI模型基礎(chǔ)上的。它的協(xié)議結(jié)構(gòu)分成為三層，即物理層、鏈路層和應(yīng)用層。CAN為多主工作方式,網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)刻可主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從. CAN的介質(zhì)訪問控制采用非破壞性的基于優(yōu)先級(jí)的CSMA/CD仲裁技術(shù)。即多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。CAN采用報(bào)文通信協(xié)議，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到總線上傳送的報(bào)文。其受干擾的概率低，重發(fā)時(shí)間短，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN總線具備復(fù)雜的錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)能力,數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低,且節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能,使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。CAN的通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖,且接口十分簡(jiǎn)單。由于CAN的介質(zhì)訪問控制采用基于優(yōu)先級(jí)的非破壞性總線仲裁方式,要求網(wǎng)絡(luò)一定要同步,對(duì)優(yōu)先級(jí)較低的CAN節(jié)點(diǎn)存在傳輸延遲不確定的問題,因此較適于介質(zhì)單一、節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的網(wǎng)絡(luò)。CAN是針對(duì)相對(duì)少量的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的串行網(wǎng)絡(luò),成本低,系統(tǒng)的開發(fā)廉價(jià)。CAN器件豐富價(jià)格低廉,有IN、MOTOROLA、NEC、PHILIPS等多家產(chǎn)品可選擇。

3.3  LON總線

LON總線是美國(guó)Echolon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，為支持LON總線，Echelon公司開發(fā)了LonWorks技術(shù)，為L(zhǎng)ON總線設(shè)計(jì)，成品化提供了一套完整平臺(tái)。

LonWorks使用的是支持OSI的七層LonTalk協(xié)議。該協(xié)議是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議,利用簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)變量的互相連接方便可靠地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換。這點(diǎn)是其他現(xiàn)場(chǎng)總線所不支持的。除了網(wǎng)絡(luò)變量服務(wù)外,LonTalk協(xié)議還提供了較為復(fù)雜靈活的顯示報(bào)文服務(wù)來進(jìn)行信息的傳輸LonTalk協(xié)議被封裝在Neuron的神經(jīng)元芯片中得以實(shí)現(xiàn),這使得LON具有高度的開放性和互操作性。該協(xié)議提供了應(yīng)答方式、請(qǐng)求/響應(yīng)方式、非應(yīng)答重發(fā)方式、非應(yīng)答方式等四種類型的報(bào)文服務(wù),來滿足不同情況對(duì)通訊可靠性和有效性的要求。LON總線的介質(zhì)訪問控制采用的是帶預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA技術(shù)協(xié)議。該協(xié)議可在負(fù)載較輕時(shí)使介質(zhì)訪問延遲zui小化,而在負(fù)載較重時(shí)使沖突的可能zui小化;同時(shí)還提供可選擇的優(yōu)先級(jí)機(jī)制,以減少緊急事件的響應(yīng)時(shí)間。LON總線支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如自由拓?fù)?、總線拓?fù)?、環(huán)型拓?fù)?、星形拓?fù)涞?。LON具有很強(qiáng)的互操作性及互聯(lián)性,能通過網(wǎng)關(guān)將不同的通訊介質(zhì)、不同的現(xiàn)場(chǎng)總線、異型網(wǎng)連接起來。這一突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)*的。

LON網(wǎng)的開發(fā)需要使用Echolon公司推出的開發(fā)工具,投資較大。但LON總線的設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮姆椒?大大降低了開發(fā)人員在構(gòu)造應(yīng)用控制網(wǎng)絡(luò)通信方面花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用,而將精力集中在所擅長(zhǎng)的應(yīng)用層進(jìn)行控制策略程序的編制。

現(xiàn)場(chǎng)總線性能比較

四  總結(jié)

每個(gè)總線都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線在電廠，變電站和電力系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，結(jié)合不同的總線的技術(shù)特點(diǎn)選擇合適的現(xiàn)在總線。