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1.2 现场总线及其发展

1.现场总线的技术特点

根据国际电工委员会标准和现场总线基金会的定义,现场总线的技术特点主要体现在以下几个方面。

(1)现场设备互连

现场设备是指在生产现场安装的自动化仪器仪表,按功能可分为 变送器、执行器、服务器和网桥 等,这些现场设备通过双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、微波等传输介质进行 相互连接、相互交换信息

(2)现场通信网络

现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备,使得现场设备之间互连、现场设备与外界网络互连,从而构成企业信息网络,完成生产现场到控制层和管理层之间的信息传递。

(3)互操作性

现场设备种类繁多,这就要求不同厂家的产品能够实现交互操作与信息互换,避免因选择了某一品牌的产品而被限制选择可使用设备的范围。用户把不同制造商的各种智能设备集成在一起,进行统一组态和管理,构成需要的控制回路。现场设备互连是最基本的要求,但只有实现设备的互操作性,才能使得用户能够根据需求自由集成现场总线控制系统。

(4)分散功能块

FCS系统对DCS系统的结构进行了调整,摒弃了DCS的输入/输出单元和控制站,把DCS控制站的功能分散到现场具有智能的芯片或功能块中,使控制功能彻底分散,直接面对对象。如图1-4所示,压差变送器用来测量模拟输入量;而处理后的模拟输出量则用来控制调节阀;功能块AI100被置入变送器中,功能块PID100、AO100被置入调节阀中。由系统对这3个标准的功能块及其信号连接关系进行组态,并通过通信调度来执行控制系统的应用功能;将AI功能块的输出发送给PID功能块,把经过PID功能块运算得到的输出发送给AO功能块,由AO功能块的输出来控制阀门的开度,从而实现对被控流量的控制。

图1-4 现场总线的分散功能块

由于将控制功能分散到多台现场仪表中,并可统一组态,所以用户可灵活选用各种功能块,构成所需的控制系统,彻底实现系统的分散控制。

(5)总线供电

总线在传输信息的同时,还可以给现场设备提供工作电源。这种供电方式能用于要求本质安全(简称为本安)环境的低功耗现场仪表,为现场总线控制系统在易燃易爆环境中的应用奠定了基础。

本质安全技术是在易燃易爆工作环境下使用电气设备时确保安全的一种方法。 通常许多生产现场都有易燃易爆物质,为了确保设备及人身安全,必须采取安全措施,严格遵守安全防爆标准,以保证易燃易爆等工作场所的安全性。

本安电气设备与可燃性气体的接触将不会产生潜在的环境危险。整个系统的设计使得即使在设备或连接电缆出现故障的情况下,可能出现的电火花或热效应也不足以引起燃烧或爆炸。本安技术仅适用于低电压和低功耗的设备。

(6)开放式互联网络

现场总线为开放式互联网络,既可与同层网络互联,又可与不同层网络互联。其采用公开化、标准化、规范化的通信协议,只要符合现场总线协议,就可以把不同制造商的现场设备互连成系统,用户不需要在硬件或软件上花费太多精力,就可以实现网络数据库的共享。

通过以上阐述, 现场总线控制系统(FCS)的关键要点如下:

1) FCS的核心是现场总线,即总线标准。

2) FCS的基础是数字智能现场装置。

3) FCS的本质是信息处理现场化。

2.现场总线的优越性

现场总线的优越性体现在以下几个方面。

(1)开放性

现场总线的开放性主要包含两方面的含义。一方面其通信规约开放,也就是开发的开放性;另一方面能与不同的控制系统相连接,也就是应用的开放性。开放系统把系统集成的权利交给了用户,用户可按自己的需求,把来自不同供应商的产品组成大小随意、功能不同的系统。

(2)互操作性和互用性

互操作性是指实现生产现场设备与设备之间、设备与系统之间信息的传送与沟通;而互用性则意味着不同生产厂家的同类设备可以进行相互替换从而实现设备的互用。

(3)现场设备的智能化与功能自治性

现场总线将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能下放到现场设备中完成,因此单独的现场设备就可完成自动控制的基本功能,随时自我诊断运行状态。

(4)系统结构的高度分散性

由于现场设备的智能化与功能自治性,使得现场总线构成了一种新型的全分布式控制系统的体系结构,各控制单元高度分散、自成体系,提高了系统的可靠性。

(5)对现场环境的适应性

现场总线是专为工业现场设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、微波、红外线等传输介质,具有较强的抗干扰能力,可根据现场环境要求进行选择;能采用两线制实现通信与送电,可满足本质安全防爆要求。

由于现场总线本身所具有的技术特点,使得控制系统从设计、安装、投入运行到正常生产运行及检修维护等方面都体现出了极大的优越性。现场总线技术使自动控制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。

3.现场总线的标准

现场总线的发展是与微处理器技术、通信技术、网络技术等高新技术的发展及自动控制技术的不断进步分不开的。Honeywell公司在1983年推出了Smart智能变送器,在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能,并采用模拟信号与数字信号叠加的方法,使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到数字信号,为现场总线仪表提出了新的发展方向。其后世界上各大公司相继推出了具有不同特色的智能仪表,如Rosemount公司推出了1151智能变送器,Foxboro公司推出了820、860智能变送器等,这些智能变送器带有微处理器和存储器,能够进行模拟信号到数字信号的转换处理,还可完成各种信号的滤波和预处理,给自动化仪表的发展带来了新的生机,为现场总线的产生奠定了一定基础。

国际电工委员会(IEC)非常重视现场总线标准的制定,早在1984年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组起草现场总线技术标准(即IEC 61158),但由于行业、应用地域的不同及产品推出的时间不同等多种因素,加上各公司和企业集团受自身利益的驱使,致使现场总线标准的制定工作进展十分缓慢,且形成了多种总线并存的局面,使得每种总线在应用与发展中都形成了自己的特点和应用领域。根据相关资料统计,已出现的现场总线有100多种,其中宣称为开放型总线的就有40多种。

现场总线的多样性使得它在短时间内难以统一,设备的互连、互通与互操作问题就很难解决,而以太网的优势可以使其延伸至过程控制领域,并已逐渐被工业自动化系统接受。为了满足实时性能应用的需要,各大公司和标准组织提出了各种提升工业以太网实时性的技术解决方案,产生了实时以太网(Real Time Ethernet,RTE)。

国际上对现场总线标准在不断地修订和增减,工作非常活跃。2007年,第四版国际现场总线标准IEC 61158发布,具体类型见表1-1所示。其中,类型6(Swift Net总线)因为市场推广应用不理想等原因被撤销。

表1-1 IEC 61158(第四版)现场总线类型

IEC 61158系列标准的各部分正陆续由全国工业过程测量控制和自动化技术委员会(SAC/TC124)转化为我国国家标准。

IEC 61158系列标准代表了现场总线技术和实时以太网技术的最新发展。各主要企业在力推自己的总线产品的同时,也都尽力开发接口技术,将自己的总线产品与其他总线相连接。目前,现场总线技术还处于发展和完善阶段,标准的完善和统一在短期内还很难实现;总的来说,现场总线将向着工业以太网以及统一的国际标准方向发展。

4.对工业控制系统的影响

现场总线为工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展提供了解决方法, 它的出现使得目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程序控制器在产品的体系结构、功能结构方面有了较大的变革,自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。使得传统的模拟仪表逐步向智能化数字仪表方向发展,并具有数字通信功能;出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器;出现了集检测温度、压力、流量于一体的多变量变送器;出现了带控制模块和具有故障诊断信息的执行器;并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。因此,现场总线作为工业自动化技术的热点,受到了普遍的关注,且对企业的生产方式、管理模式都将产生深远的影响。 4cmUDGcKGCcXfBeTlD7Ou6OpJ2G1PRRWVGjN/1Hu8AbIcheNx82oFZUv0PhH7de7



1.3 几种有影响力的现场总线

1.FF

FF是 基金会现场总线 (Foundation Fieldbus)的简称,该总线是为了适应自动化系统,特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。它得到了世界上主要的自动化系统集成商的广泛支持,在北美、亚太、欧洲等地区具有较强的影响力。

基金会现场总线采用国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)的开放系统互连(Open System Interconnection,OSI)参考模型的简化模型,只具备了OSI参考模型7层中的3层,即物理层、数据链路层和应用层,另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率,H1用于过程自动化的低速总线,当其传输速率为31.25kbit/s时,通信距离为200~1900m,可支持总线供电和本质安全防爆环境;H2用于制造自动化的高速总线,当其传输速率为1Mbit/s时,传输距离为750m,当其传输速率为2.5Mbit/s时,传输距离为500m。随着现场总线和以太网的发展,H2已经逐渐被高速以太网(High Speed Ethernet,HSE)取代,它满足了控制仪器仪表的终端用户对现场总线的互操作性、高速度、低成本等要求,充分利用低成本的以太网技术,并以100Mbit/s~1Gbit/s或更高的速度运行,主要应用于制造业的自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。FF的物理传输介质支持双绞线、光缆、同轴电缆和无线发射,H1每段节点数最多32个,H2每段节点数最多124个。

2.PROFIBUS

PROFIBUS是 PROcess FIeldBUS 的缩略语,它是一种国际性的开放式现场总线标准,是由SIEMENS公司联合E+H、Samson、Softing等公司推出的,是符合德国标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170的现场总线标准。

PROFIBUS总线采用了OSI模型中的3层,即物理层、数据链路层和应用层,另外还增加了用户层,由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个版本组成,可根据各自的特点用于不同的场合。DP主要用于分散外设间的高速数据传输,适用于加工自动化领域;FMS主要解决车间级通用性通信任务,完成中等速度的循环和非循环通信任务,适用于纺织、楼宇自动化等领域;PA是专门为过程自动化设计的,可以通过总线供电、提供本质安全型,可用于危险防爆区域。PROFIBUS采取主站之间的令牌传递方式和主、从站之间的主从通信方式。传输速率为9.6kbit/s~12Mbit/s,最远传输距离可达到1200m,若采用中继器可延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点。

3.CAN

CAN是 控制器局域网 (Controller Area Network)的简称,最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信,其总线规范已被国际标准化组织制定为国际标准,并得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

CAN协议也是建立在国际标准化组织的开放系统互连模型基础上的,其模型结构为物理层、数据链路层及应用层3层;其信号传输介质为双绞线和光缆。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,以切断该节点与总线的联系,使总线上的其他节点及其通信不受影响,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,传输速率最高可达1Mbit/s(传输距离为40m),传输距离最远可达10km(传输速率为5kbit/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。

4.Lonworks

Lonworks是 局部操作网络 (Local Operating Networks)的缩略语,由美国Echelon公司于1992年推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。最初主要用于楼宇自动化,但很快发展到工业现场控制网。

Lonworks采用OSI参考模型的全部7层通信协议,并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,其最高通信速率为1.25Mbit/s,传输距离不超过130m;最远通信距离为2700m,传输速率为78kbit/s,节点总数可达32000个。网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质,特别是电力线的使用,可将通信数据调制成载波信号或扩频信号,然后通过耦合器耦合到220V或其他交直流电力线上,甚至是耦合到没有电力的双绞线上。电力线收发器提供了一种简单、有效的方法将神经元节点加入到电力线中,这样就可以利用已有的电力线进行数据通信,大大减少了通信中遇到的布线复杂等问题。这也是Lonworks技术在楼宇自动化中得到广泛应用的重要原因。

5.CC-Link

CC-Link是 控制与通信链路系统 (Control&Communication Link)的缩略语,1996年11月由以三菱电机为主导的多家公司推出,目前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时以10Mbit/s的高速传送至现场网络,在10Mbit/s的传输速率下最远传输距离可以达到100m;而在156kbit/s的传输速率下,最远传输距离可以达到1200m。如果使用电缆中继器和光中继器,则可以更加有效地扩展整个网络的传输距离。一般情况下,CC-Link整个一层网络可由1个主站和64个子站组成,它采用总线方式通过屏蔽双绞线进行连接,广泛应用于半导体生产线、自动化生产线等领域。

作为开放式现场总线,CC-Link是唯一起源于亚洲地区的总线系统,CC-Link的技术特点尤其适合亚洲人的思维习惯。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。

6.Modbus

Modbus协议是 应用于电子控制器上的一种通用语言 ,从功能上来看,可以认为它是一种现场总线。通过此协议,在控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间都可以通信,它已经成为一种通用工业标准。

使用Modbus总线,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制器能识别使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。Modbus的数据通信采用主从方式,主设备可以单独和从设备通信,也可以通过广播方式和所有从设备通信。Modbus作为一种通用的现场总线,已经得到很广泛的应用,很多厂商的工控器、PLC、变频器、智能I/O与A/D模块等设备都具备Modbus通信接口。 2tcOHVZ9Cboo/kLtmDNxC8s3E+mIXKZZ1p94ELtZVK0lvCD5VaYWSUOoopR84dKH



1.4 以太网与控制网络的结合

控制网络的基本发展趋势是逐渐形成开放、透明的通信协议,而 现场总线的开放性是有条件的、不彻底的, 且多种总线并存已成定局,难以沿着开放的方向发展。当现场总线的发展遭遇到阻碍时,以太网技术作为一种解决方案得到迅猛的发展且被成功地用于工业控制网络,实现了办公自动化与工业自动化的无缝连接。

工业以太网是以太网技术在控制网络领域延伸的产物,是工业应用环境下信息网络与控制网络的完美结合。 目前,对工业以太网没有严格的定义,各厂家推出的工业以太网在技术上也存在相当大的差距,比较典型的工业以太网技术有德国西门子公司主推的 PROFINET 、法国施耐德电气公司主推的 Modbus TCP 、德国倍福公司主推的 EtherCAT 等。一般来讲,工业以太网是指技术上与商用以太网(IEEE 802.3标准)兼容,且在产品设计时其材质的选用、产品的强度以及网络的实时性、可靠性、抗干扰性、安全性等方面都能满足工业现场要求。工业以太网作为现场总线使用具有一定的优势,主要体现在以下几个方面。

1) 应用方便: 工业以太网是基于TCP/IP的以太网,它是一种标准的开放式通信网络,不同厂商的设备很容易互连。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。

2) 价格低廉、组网容易: 由于信息网络的存在和以太网的大量使用,使得其具有价格明显低于控制网络相应软硬件的特点,如通过普通网卡就可将计算机连接到工业以太网络中。

3) 技术支持广泛: 技术成熟、易于得到,已为许多人掌握,有利于企业网络的信息集成以及与上层网络的连接,便于实现企业管控一体化。

现场总线和工业以太网是当前工业控制应用中普遍采用的两种技术。工业以太网在一些行业的应用上已经真正实现了“ 一网到底 ”,但对于另一些行业,现场总线和工业以太网则在并存使用。现场总线存在着由于协议多、标准难以统一而导致的不同厂商设备之间的系统集成困难;而以太网在控制网络中存在的网络故障快速恢复、本质安全等方面的问题则是制约其全面应用的主要障碍。

从目前国内外工业以太网技术的发展来看,工业以太网在控制层已得到广泛的应用。 事实上,工业以太网已经成为一种新的现场总线标准。 未来,工业以太网将在工业企业综合自动化系统现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。 2tcOHVZ9Cboo/kLtmDNxC8s3E+mIXKZZ1p94ELtZVK0lvCD5VaYWSUOoopR84dKH

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