現(xiàn)場總線的特點及其應(yīng)用研究

馮艷雙

大慶煉化公司機電儀廠，黑龍江大慶 163411

現(xiàn)場總線的特點及其應(yīng)用研究

馮艷雙

大慶煉化公司機電儀廠，黑龍江大慶 163411

信息集成是工廠自動化的需要，現(xiàn)場總線技術(shù)自出現(xiàn)就與DCS密不可分，DCS的進步伴隨著現(xiàn)場總線的發(fā)展。本文首先介紹了現(xiàn)場總線的特點，然后詳細介紹了現(xiàn)場總線使用中要注意的一些問題。

現(xiàn)場總線；特點；問題

1 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點

1）開放性?，F(xiàn)場總線的開放性有幾層含義。一是指相關(guān)標準的一致性和公開性，開放的標準有利于不同廠家設(shè)備之間的互連與替換。二是系統(tǒng)集成的透明性和開放性，用戶進行系統(tǒng)設(shè)計、集成和重構(gòu)的能力大大提高。三是產(chǎn)品競爭的公正性和公開性，用戶可按自己的需要和評價，選用不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)；2）交互性?，F(xiàn)場總線設(shè)備的交互性有幾層含義。一是指上層網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場設(shè)備之間具有相互溝通的能力。二是指現(xiàn)場設(shè)備之間具有相互溝通的能力，也就是具有互操作性。三是指不同廠家的同類設(shè)備可以相互替換，也就是具有互換性；3）自治性。由于智能儀表將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能下載到現(xiàn)場設(shè)備中完成，因此一臺單獨的現(xiàn)場設(shè)備即具有自動控制的基本功能，可以隨時診斷自己的運行狀況，實現(xiàn)功能的自治；4）適應(yīng)性。安裝在工業(yè)生產(chǎn)第一線的現(xiàn)場總線是專為惡劣環(huán)境而設(shè)計的，對現(xiàn)場環(huán)境具有很強的適應(yīng)性。具有防電、防磁、防潮和較強的抗干擾能力，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，可支持多種通信介質(zhì)如雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等。

2 現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)特點

1）基礎(chǔ)性。在企業(yè)實施信息集成、實現(xiàn)綜合自動化的進程中，作為工廠底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線是一種能在現(xiàn)場環(huán)境運行的可靠、實時、廉價、靈活的通信系統(tǒng)，能夠有效地集成到TCP/IP信息網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線是企業(yè)強有力的控制和通信的基礎(chǔ)設(shè)施；2）靈活性。現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)、維護、重組和擴容更加靈活簡便。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的并行連線，按控制回路分別進行連接。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達之間均為一對一的物理連接，每個裝置需單獨使用一條線，因此形成了龐大的線束。由于現(xiàn)場布線的復(fù)雜性，因此傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在設(shè)計之初就需一次性規(guī)劃好布線的數(shù)量和走向，一旦實施就具有剛性，不便于調(diào)整和維護，增大了投入的門檻，不利于滾動發(fā)展?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、I/O模塊和通信模塊移置到現(xiàn)場設(shè)備中，使現(xiàn)場設(shè)備能夠在一條總線上串行連接起來直接傳送信號，完成控制功能。這樣一來，系統(tǒng)布線就由幾十條、上百條甚至于上千條簡化為一條，不僅簡化了設(shè)計施工，方便了修理維護，也降低了系統(tǒng)投入的門檻，大大提高了可靠性和靈活性。因為增減現(xiàn)場設(shè)備只需直接將設(shè)備掛上總線或?qū)⒃O(shè)備從總線取下即可，不必另行布線；3）分散性。由于現(xiàn)場總線中智能現(xiàn)場設(shè)備具有高度的自治性，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。另外，由于現(xiàn)場設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，這使得把不同網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場設(shè)備和不同地理范圍中的現(xiàn)場設(shè)備組成一個控制系統(tǒng)成為可能。因此，現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，具有高度的分散性；4）經(jīng)濟性。由于現(xiàn)場總線通信用數(shù)字信號替代了模擬信號，因而可通過復(fù)用技術(shù)在一條總線上傳輸多個信號，同時還可在這條總線上為現(xiàn)場設(shè)備供電，原來的大量集中式I/O部件全部省去。這樣就為簡化體系結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝和維護費用創(chuàng)造了條件。另外，由于投入門檻的降低和重構(gòu)靈活性的提高，使得現(xiàn)場總線的資產(chǎn)投入不會產(chǎn)生沉淀而浪費，大大提高了經(jīng)濟性。最后，由于現(xiàn)場設(shè)備的開放性，設(shè)備價格不會被廠家壟斷；由于現(xiàn)場設(shè)備的互換性，備品庫存也可大大降低。

3 現(xiàn)場總線使用中要注意的問題

現(xiàn)場總線逐漸在工業(yè)現(xiàn)場推廣，不少設(shè)備不但具有傳統(tǒng)儀表的功能，而且還具備現(xiàn)場總線的功能、在DCS中，現(xiàn)場總線被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)場總線在使用中需要注意以下幾個問題：1）通信距離?，F(xiàn)場總線的通信距離一般有一定的要求，例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率時，采用標準電纜，可以達到200m，如果采用187.5kbps速率，可以達到1 000m。通信距離有兩層含義，第一個，是兩個節(jié)點之間不通過中繼器能夠?qū)崿F(xiàn)的距離，一般來說，距離和通信速率成反比；另一個，是整個網(wǎng)絡(luò)最遠的兩個節(jié)點之間的距離。往往在廠家的介紹材料中對于此類的描述不夠清楚，在實際使用中，必須考慮整個網(wǎng)絡(luò)的范圍，電磁波信號在電纜中傳遞是需要時間的，特別在—些高速的現(xiàn)場總線中，如果增大距離，就必須對一些通信參數(shù)進行修改；2）線纜選擇?，F(xiàn)場的環(huán)境決定現(xiàn)場總線的通信速度和通信介質(zhì)。一般而言，現(xiàn)場總線采用電信號傳遞數(shù)據(jù)，在傳輸?shù)倪^程中不可避免地收到周圍電磁環(huán)境的影響。大多數(shù)現(xiàn)場總線采用屏蔽雙絞線。必須注意的是，不同種類現(xiàn)場總線要求的屏蔽雙絞線可能是不同的。現(xiàn)場總線的開發(fā)者一般規(guī)定一種特制的線纜，在正確使用這種線纜的條件下才能實現(xiàn)規(guī)定的速率和傳輸距離。在電磁條件極度惡劣的條件下，光纜是合理的選擇，否則局部的干擾，可能影響整個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的工作；3）隔離。一般來說，現(xiàn)場總線的電信號與設(shè)備內(nèi)部是電氣隔離的?，F(xiàn)場總線電纜分布在車間的各個角落，一旦發(fā)生高電壓串入，會造成整個網(wǎng)段所有設(shè)備的總線收發(fā)器損壞。如果不加以隔離，高電壓信號會繼續(xù)將設(shè)備內(nèi)部其他電路損壞，導(dǎo)致嚴重的后果；4）屏蔽?，F(xiàn)場總線采用的屏蔽電纜的外層必須在一點良好接地，如果高頻干擾嚴重，可以采用多點電容接地，不允許多點直接接地，避免產(chǎn)生地回路電流；5）連接器?，F(xiàn)場總線一般沒有對連接器做嚴格的規(guī)定，但是如果處理不當，會影響整個系統(tǒng)通信。例如，現(xiàn)場總線一般采用總線型菊花鏈連接方式，在連接每一個設(shè)備時，必須注意如何不影響在現(xiàn)有通信的條件下，實現(xiàn)設(shè)備插入和摘除，這對連接器就有一定的要求；6）終端匹配?，F(xiàn)場總線信號和所有電磁波信號一樣具有反射現(xiàn)象，在總線每一個網(wǎng)段的兩個終端，都應(yīng)該采用電阻匹配，第一個作用可以吸收放射，第二個作用是在總線的兩端實現(xiàn)正確的電平，保證通信。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計算機、通訊技術(shù)的交叉與集成，它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀?、提高可靠性、增強可維護性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求。

[1]王宜明.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應(yīng)用前景[J].工業(yè)計量，2007(S1).

TP336

A

1674-6708（2011）51-0173-01