現(xiàn)場總線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)初探

湖北鐵道運輸職業(yè)學(xué)院 馮 驥

現(xiàn)場總線發(fā)展的初期，各個公司都具備自己的現(xiàn)場總線協(xié)議，譬如像AB公司的DevoceNy和TURCK公司的Sensoplex或Hpneuwell公司提出來的SDS、Phoenix等等，這些技術(shù)均被廣泛的應(yīng)用于各種現(xiàn)場總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制工作當(dāng)中，原因此技術(shù)更符合時代性特征，也更加人性化。

一、現(xiàn)場總線的主要特點

1.全數(shù)字化通信

此項技術(shù)采用的是在現(xiàn)場總線技術(shù)以后所采用的一條通信電纜將控制器以及現(xiàn)場設(shè)備（像智能化的或者具備通信口）進行有線連接，以能夠更進一步的提高信號的傳輸性。

2.系統(tǒng)具有很強的開放性

系統(tǒng)的開放性指的是與之相關(guān)的一些標(biāo)準(zhǔn)的一致性或者公開性，而用戶方面也可以按照其自身的實際需求和對象把部分來自于各個地區(qū)的供應(yīng)商極其產(chǎn)品進行隨意性的系統(tǒng)性組合。

3.具有強的互可操作性與互用性

互聯(lián)網(wǎng)和其系統(tǒng)的信息傳送及信息溝通實際上可以以點對點或者是一點對多點如此的數(shù)字通信方式來完成，但如果針對各種具有差異性的廠家較之相類似的設(shè)備之間又能夠相互間進行使用。

4.現(xiàn)場設(shè)備具有智能化與功能自治性

此性能可以將傳感測量以及補償計算或者是工程量的處理和控制等充分的分散于各設(shè)備之中來具體完成，并且其也只是僅僅依靠于現(xiàn)場中的部分設(shè)備來完成自動化控制使現(xiàn)場總線能夠構(gòu)成一種比較全新的分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。以更進一步地從其根本上讓DCS可以有效集中于分散結(jié)合的集散控制系統(tǒng)，同時使其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)得以簡化。

5.對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

我們在現(xiàn)場總線的前端工作的同時，作為網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，則應(yīng)該專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)，這就能夠從其根本上支持各種各樣的轉(zhuǎn)輸介質(zhì)，所以它又具備比較強的抗干擾能力，和有效采用兩線制來進行送點及通信，與此同時也可以進一步滿足其安全防爆的具體要求等。

二、幾種主要的現(xiàn)場總線協(xié)議及其特點

提到幾種比較常見的設(shè)備以及其特點：

1.PROFIBUS

公元1987年，德國科技部門將近13家公司集中起來，同時也包括5駕科研機構(gòu)的綜合力量研發(fā)出了PROFIBUS，這個過程是具體參照ISO/OSI的具體參照模型根據(jù)實況制定的符合本國要求的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，與此同時也成了歐洲地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)EN50170，這就主要由接近400余家公司成員的PROFONIS用戶而具體組成（PNO）展開管理工作。實際上，PROFIBUS具體由三個部分組成，即就是PROFONIS-FMS和PROFIBUS-DP以及PROFIBUS-PA幾個組成部分。

2.DeviceNet

針對DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)）的設(shè)計來說，他屬于一種價位較低的總線，在最初也是由AB公司來進行設(shè)計的，目前也已經(jīng)慢慢發(fā)展成為較之開放式的現(xiàn)場總線協(xié)議，為的就是可以充分的連接自動化生產(chǎn)線中各種比較廣泛的工業(yè)設(shè)備。但假如在其管理組織ODBA來說他也是由多家公司接手來組成的，那么在提供有關(guān)設(shè)備網(wǎng)的產(chǎn)品來說其規(guī)范方面則也有了更進一步的開發(fā)。

針對DebiceNey來講來說，可以有效地使得設(shè)備在安裝其費用或者是時間都可以降低。但在控制系統(tǒng)當(dāng)中較為接近開關(guān)及光電開關(guān)亦或閥門均能夠以電纜以及插件等等這些產(chǎn)品長距離的展開通信。與此同時，我們也可以進一步提升設(shè)備級別的診斷能力，這樣在支持除過主-從這樣的方式以外的各種形式的通信方式，那么也就理所當(dāng)然的能夠以更加靈活的應(yīng)用于控制系統(tǒng)當(dāng)中去。

3.Fondation Fieldbus

Foundation Fieldbus即高級過程控制現(xiàn)場總線，一般來說，我們也可以將其稱之為基金會現(xiàn)場總線，這種技術(shù)具體以過程的自動化來展開設(shè)計，同時也以數(shù)字以及串行或者是雙向的通信方法來具體現(xiàn)場裝置的連接工作。

但作為Foundation Fieldbus該項通信技術(shù)來說不一定所指的即就是一些比較簡單的數(shù)字4-20mA信號，因而這也是其在使用當(dāng)中較之復(fù)雜的通信協(xié)議，同時我們又可以具體連接比較簡單的閉環(huán)算法（譬如PID）現(xiàn)場的智能裝置，而這樣一個通信段則就可以配置多達32種現(xiàn)場的具體化裝置。

4.LonWorks

LonWorks（Local Operating Network）技術(shù)最早由美國Ecelon公司推行，他采用的則是以O(shè)SO及OSI模型所具備的七層通信協(xié)議，并且又采用了能夠面向?qū)ο蟮妮^之具體的設(shè)計方法，和能夠通過網(wǎng)絡(luò)間的變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計進行簡化，簡化為參數(shù)的設(shè)置，由此其通信速率就可以由300biy/s到15Mit/s不相等，此外，它的直線距離也可以達到2700m（78kbit/s，雙絞線），這就可以同時性支持雙絞線以及同軸電纜或者是光線和射頻紅外線以及電源線等各種各樣的通信介質(zhì)，所以他又被稱為是通用控制網(wǎng)絡(luò)。

5.CAN

CAN實際上是Control Area Network控制網(wǎng)絡(luò)的簡稱，而這項技術(shù)技術(shù)在最早是由德國BOSCH公司推出來的，所以又被應(yīng)用于汽車內(nèi)部測量和執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信。

此外CAN協(xié)議也被建立于國際標(biāo)準(zhǔn)的組織開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上，由于模型結(jié)構(gòu)可以被劃分為三層，即OSI底層物理層和數(shù)據(jù)鏈接層及頂層應(yīng)用層。它的信號傳輸介質(zhì)又可以將其劃分為雙絞線，同時其通信頻率也可以達到1Mbiy/s/40m，所以它的抗干擾能力又很強。

6.HART

所謂HART具體是“Highway Addressable Remote Transduer”的縮寫。此項技術(shù)最早由Rosemout公司開發(fā)并且同時也收獲了近80多家比較著名的儀表公司的鼎力支持。該技術(shù)的通用模型是由三個層面組成的，其中包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層。在其物理應(yīng)用層采用的是FSK（Freqoencu Shift.Keyong）技術(shù)，而我們將把一個頻率信號疊加在4-20mA的信號上面，而此時數(shù)據(jù)的傳輸率則應(yīng)該為1200bit/s，并且0的其信號應(yīng)該在2200hz，但針對邏輯信號其傳輸?shù)木唧w頻率應(yīng)該控制在1200Hz左右。

三、PROFIBUS簡介

1.PROFIBUS的組成

對于PROFIBUS該項技術(shù)主要由PROFIBUS-FMS、PROFIBISPA以及PROFIBIS-DP三個主要部分組成。

1）PROFIBUS-DP（Distrbuted Periphery）：這種技術(shù)是一種同時兼?zhèn)涓咚伲▊鬏斔俾蕬?yīng)該在9.6kbit/s-12Mbit/s）此兩種經(jīng)濟特點的設(shè)備級別網(wǎng)絡(luò)，同時其也被主要應(yīng)用于現(xiàn)場總線控制器或者分散I/O技術(shù)之間的通信技術(shù)，能夠快速的響應(yīng)時間的具體需求;此等級的PLC和工業(yè)控制計算機也可以被應(yīng)用于PROFONIS-DP同分散現(xiàn)場展開通信工作。

2）PROFIBUS-PA（Process Automation）：此項技術(shù)專程應(yīng)用于自動化設(shè)計協(xié)議，同時也可以被應(yīng)用于其安全性能較高的場合。

此種方式是通過接口卡將現(xiàn)場總線掛于DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)中的，并且也可以以DCS的操作形式來對現(xiàn)場總線之中具體得到的控制信息或者是測量信息做進一步的瀏覽及修改。而該方式的操作優(yōu)勢則體現(xiàn)在DCS控制器當(dāng)中部分控制算法以及計算功能能夠針對可下放至現(xiàn)場儀表當(dāng)中來有效實現(xiàn)，與此同時又可以在具體的操作界面獲取一些與之相關(guān)的參數(shù)或者是信息，所以又不需要改動控制站，這樣做會對系統(tǒng)的影響小一些。

2.現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)并行集成

此方式所采用的是一套通過網(wǎng)管和DCS系統(tǒng)來實現(xiàn)信息互聯(lián)之間的FCS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，與此同時，F(xiàn)CS與DVS系統(tǒng)又處于一種完全獨立的狀態(tài)。此外，假如能夠?qū)CS系統(tǒng)和DVS系統(tǒng)相互結(jié)合起來，那么就應(yīng)該要兩個問題來解決，分別是DCS廠家的充分開放以及DCS系統(tǒng)各個層面的通信協(xié)議以及統(tǒng)一現(xiàn)場總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3.現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展與DCS系統(tǒng)的發(fā)展

以往傳統(tǒng)的DCS的分散控制一般都建立在分散遠程過程的控制裝置上的，并且過程控制以及現(xiàn)場的變送器和執(zhí)行器這三者之間的傳輸是以模擬信號的形式單向進行的，因為模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換以及各種控制規(guī)模的具體運算基本都是需要在過程控制裝置的內(nèi)部完成的，如此傳輸信息量會減少，效率也會降低，并且安裝的工作量又很大。而伴隨著現(xiàn)場儀表的智能化以及數(shù)字化，亦或是現(xiàn)場總線設(shè)備的不間斷開發(fā)，致使DCS控制功能得以進一步下移至現(xiàn)場的變送器當(dāng)中成為可能，也就在同時使得采樣周期得以縮短，從而提高控制質(zhì)量。相較于DCS系統(tǒng)來說，現(xiàn)場總線的傳輸信號屬于雙向的，并且其傳輸?shù)男畔⒘恳脖容^大，與此同時，操作人員也可以直接性在控制室進行標(biāo)定現(xiàn)場儀表或者是校驗和故障診斷等等;除此以外，也可以使得DCS的安裝空間得以進一步減少，同時還包括I/O和附屬設(shè)備的部分。

四、結(jié)語

基于此，DCS技術(shù)將會吸收進去FCS的長處，并且不斷地發(fā)展壯大，從而真正的實現(xiàn)分散控制，最終得以朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的方向進一步發(fā)展。