1、計算機控制技術(shù)電子教案第8章 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò) 8.1 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) 8.2 現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線概述 8.3 五種有影響的現(xiàn)場總線五種有影響的現(xiàn)場總線 8.4 OSI參考模型與現(xiàn)場總參考模型與現(xiàn)場總線通信模型線通信模型 8.5 FF現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù) 8.6 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計 8.1 集散控制系統(tǒng)概述 集散控制系統(tǒng)(DCS)，亦稱分散型控制系統(tǒng)或分散型綜合控制系統(tǒng)(TDCS)。它是綜合了計算機技術(shù)、通信技術(shù)、CRT顯示技術(shù)和過程控制技術(shù)的新型控制系統(tǒng)。其設(shè)計原則是控制分散、操作集中、危險分散、管理集中、分級管理、分而自治。集散控制系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、功能完

2、備、應(yīng)用靈活、操作方便、運行可靠等多方面顯著特點，為計算機控制開創(chuàng)了一個嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，并得到了越來越普遍的應(yīng)用。 8.1.1 集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生 利用常規(guī)模擬儀表組成的控制系統(tǒng)，雖然具有高可靠性、低成本等優(yōu)點，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益大型化、復(fù)雜化，它的局限性越來越明顯，主要表現(xiàn)在：不易實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，不易實現(xiàn)集中監(jiān)視和操作，不易組成分級控制的通信聯(lián)系等。 為了克服模擬控制儀表的上述缺點，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)五六十年代開始，出現(xiàn)了兩類計算機控制系統(tǒng)：計算機直接數(shù)字控制(DDC,Direct Di Gital Control)和監(jiān)督計算機控制(SCC,Supervisory Com

3、puter Control)系統(tǒng)。所謂DDC系統(tǒng),就是使用一臺DDC主計算機代替多臺模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)對多個過程參數(shù)值的控制；而SCC系統(tǒng)則是由SCC主計算機根據(jù)現(xiàn)場及其他參數(shù)，按一定規(guī)律自動改變模擬調(diào)節(jié)器或DDC系統(tǒng)的給定值，使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工作狀態(tài)。以上兩種計算機控制系統(tǒng)的原理如圖81、圖82所示。 圖81 DDC系統(tǒng)原理框圖 控制室現(xiàn)場操作臺DDC主機輸入通道輸出通道圖82 SCC系統(tǒng)原理框圖 操作臺控制室現(xiàn)場SCC主機模擬調(diào)節(jié)器組或DDC計算機輸入通道 它們雖然具有易于實現(xiàn)復(fù)雜規(guī)律，易于通信，易于實現(xiàn)集中監(jiān)視以及操作、控制精度高等顯著優(yōu)點，但由于它們還屬于“集中型”系統(tǒng)，一臺計算機要控

4、制幾十甚至幾百個回路，同時保存并處理著整個生產(chǎn)過程的全部信息，所以存在著危險集中的嚴(yán)重問題，一旦主機發(fā)生故障，必將影響整個系統(tǒng)的正常工作，甚至造成癱瘓事故發(fā)生。 70年代中期開始出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)，以美國霍尼維爾公司的TDC2000和日本橫河公司的CENTUM系統(tǒng)為典型代表，開始了分級分布系統(tǒng)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。這一類系統(tǒng)從計算機控制角度講，屬于分布式計算機控制系統(tǒng)(DCCS，Distributed Computer Control System)；從控制與管理的角度講，它們是一類分散型綜合控制系統(tǒng)(TDCS，Total Distributed Control System)， 簡稱集

5、散系統(tǒng)(DCS，Distributed Control System)；從其本質(zhì)和內(nèi)部機理上講，是以微處理機為核心的計算機控制系統(tǒng)；從其外部構(gòu)成方式和應(yīng)用角度上講，它類似于單元組合式儀表控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的組態(tài)及擴(kuò)展都十分容易。 集散系統(tǒng)在功能上真正實現(xiàn)了管理集中和控制分散，既實現(xiàn)了操作、管理和監(jiān)視的縱向分級集中，又實現(xiàn)了控制、危險的橫向分散，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS系統(tǒng)是目前公認(rèn)的最理想的工業(yè)控制系統(tǒng)之一，在國內(nèi)外冶金、電力、石油、化工、建筑等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。至今全球DCS系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家近百個，表81、表82中所列為一些典型產(chǎn)品。表81 國外DCS系統(tǒng)典型產(chǎn)品 表82 部

6、分國產(chǎn)DCS系統(tǒng) 8.1.2 集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 自 1 9 7 5 年 第 一 套 集 散 系 統(tǒng)TDC2000誕生至今，隨著微型計算機技術(shù)，特別是數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，集散系統(tǒng)的能力與結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)展與變化，其中大體經(jīng)歷了三個階段。 1.第一代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 第一代集散系統(tǒng)始于1975年，其基本結(jié)構(gòu)如圖83所示，主要由5大部分組成。圖83 第一代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場控制站現(xiàn)場監(jiān)視站CRT操作站監(jiān)控計算機高速通道控制器 (1)現(xiàn)場控制站：亦稱過程控制單元(PCU)、現(xiàn)場控制單元(FCU)或基本控制器(BC)。它是集散系統(tǒng)的基本部件，一般由微處理器(CPU)、存儲器(RAM、RO

7、M)、模擬量和數(shù)字量I/O接口、電源、通信接口及內(nèi)部總線組成。通常有十幾到幾十種標(biāo)準(zhǔn)控制算法固化在ROM中，供組態(tài)時選用。第一代PCU主要完成對一個或多個回路的控制功能，它使集散系統(tǒng)獲得了分散控制的能力。 (2)現(xiàn)場監(jiān)視站：亦稱過程接口單元(PIU)、數(shù)據(jù)采集單元(DAU)或現(xiàn)場監(jiān)視單元。其主要作用是采集及處理非控制參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)通道將采集到的數(shù)據(jù)送到操作站和上位機。它 使集散系統(tǒng)獲得了分散數(shù)據(jù)采集與處理的能力。有些系統(tǒng)將PCU和DAU放在一個單元中。 (3)CRT操作站：它是系統(tǒng)中最主要的人機接口，主要由微處理器、存儲器、CRT顯示器、操作鍵盤及打印機組成，主要完成以系統(tǒng)生成、維護(hù)為主的工

8、程功能，以監(jiān)視、運行、維護(hù)為主的操作功能，以及與PCU和上位機交換信息的通信功能。 (4)監(jiān)控計算機：它是系統(tǒng)的主計算 機 ， 亦 稱 上 位 機 ( H i G h L e v e l Computer)，能綜合處理和管理整個系統(tǒng)的信息。 (5)高速數(shù)據(jù)通道(DHW，Data Hi Gh Way)：亦稱數(shù)據(jù)高速公路或總線，是系統(tǒng)的通信命脈，一般由通信電纜和高速通道控制器(HTD，HiGh Way Traffic Director)組成。PCU、DAU、CRT、上位機等之間的信息交換均由HTD控制，通過DHW進(jìn)行。總之，第一代集散系統(tǒng)主要是為克服集中式計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)的不足而產(chǎn)生的，因此

9、其主要的技術(shù)特征體現(xiàn)在分散控制上。其集中顯示和操作比計算機集中控制系統(tǒng)更復(fù)雜也更先進(jìn)。但由分散控制而引入的數(shù)據(jù)通信手段則處于較低級階段。 第一代集散系統(tǒng)的典型產(chǎn)品有：美國霍尼維爾公司的TDC2000(Total Distributed Control)、泰勒公司的MOD、貝利公司的Network90，過程系統(tǒng)有限公司的MICON、?？怂共_公司的Spectrum，日本東芝公司的TOSDIC、日立公司的UNITROL、橫河公司的CENTUM和英國肯特公司的P4000等。 2. 第二代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 20世紀(jì)80年代始，由于大規(guī)模集成電路及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展帶動了集散系統(tǒng)的發(fā)展，使其在性能和規(guī)模上

10、都有所進(jìn)步，從而形成了第二代集散系統(tǒng)。第二代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖84所示，其主要結(jié)構(gòu)特征是以局部網(wǎng)絡(luò)為主干，系統(tǒng)中各單元都看作是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作站。局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點又可掛接橋和網(wǎng)間連接器與同網(wǎng)或異網(wǎng)連接。因此，第一代系統(tǒng)不過是通過橋或網(wǎng)間連接器接入第二代系統(tǒng)局部網(wǎng)絡(luò)上的子系統(tǒng)。 圖84 第二代集散系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 主計算機GW第一代集散系統(tǒng)其 他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)GW中 央操作站系 統(tǒng)管理站GW現(xiàn)場過程控制站 第二代集散系統(tǒng)的主要組成部分如下： (1)局部網(wǎng)絡(luò)：又稱局域網(wǎng)(LAN)。它由傳輸介質(zhì)(如同軸電纜、雙絞線或光導(dǎo)纖維等)和節(jié)點組成。網(wǎng)絡(luò)通信功能有較復(fù)雜的機制，各公司產(chǎn)品局部網(wǎng)的取名也有所不同，如霍尼維爾公

11、司的TDC3000系統(tǒng)取名為局部控制網(wǎng)絡(luò)，橫河公司的NEWCENTUM系統(tǒng)取名為HF總線。另外，各公司局部網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議也不盡相同。 (2)節(jié)點工作站:從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度上講，局域網(wǎng)的節(jié)點都可稱為工作站，而這里是特指過程控制站。第二代集散系統(tǒng)的控制站是在第一代集散系統(tǒng)的控制單元基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有更完善的控制功能和通信功能。 (3)中央操作站:它由微機、顯示器、鍵盤、打印機等組成，是全系統(tǒng)的人機接口，可完成對整個系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合、管理。 (4)系統(tǒng)管理站：亦稱系統(tǒng)管理模件(SMM，System Mana Gement Module)。為了加強全系統(tǒng)的管理功能，有些集散系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中

12、加上了專門用來配合主計算機和中央操作站進(jìn)行系統(tǒng)管理的系統(tǒng)管理模件，如歷史模件(HM，History Module)、應(yīng)用模件(AM，Application Module)，計算模件(CM，Caculate Module)等，未采用硬件系統(tǒng)管理單元的第二代集散系統(tǒng)一般應(yīng)用高性能管理軟件來實現(xiàn)同樣功能。 (5)主計算機:亦稱管理計算機。它應(yīng)是具有較強運算和管理功能的計算機，一般為小型機。無主機集散系統(tǒng)則應(yīng)該加強中央操作站與節(jié)點工作站功能。 ( 6 ) 網(wǎng) 間 連 接 器 : 亦 稱 門 路(GW,Gate Way)，它是LAN與其他子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(如第一代集散系統(tǒng)的DHW)或其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)(如可編程控制

13、器PLC網(wǎng)絡(luò))的接口裝置，起著通信接轉(zhuǎn)器、協(xié)議翻譯及系統(tǒng)擴(kuò)展器的作用。 第二代集散系統(tǒng)是應(yīng)市場要求而產(chǎn)生的，20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)自動化技術(shù)飛速發(fā)展，世界市場上產(chǎn)品競爭激烈，迫使生產(chǎn)廠家必須提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，因此，必須實現(xiàn)全面的優(yōu)化管理。局部網(wǎng)及各種管理模件等正是為適應(yīng)這方面要求而引入的。同樣，市場的競爭導(dǎo)致了生產(chǎn)周期變短，生產(chǎn)品種變換頻繁，工藝過程變化大，這就要求控制系統(tǒng)不僅要有完善的連續(xù)控制和順序控制功能，還必須增強批量控制功能。這就形成了第二代集散系統(tǒng)的主要技術(shù)特征：引入局部網(wǎng)和管理模件；引入或加強了批量控制功能。 第二代集散系統(tǒng)的典型代表有：霍尼維爾公司的TDC3000，

14、東芝公司的TOSDICADVANCEDSYSTEM，泰勒公司的MOD3000，貝利公司的第二代Network90，利茲公司的MAX1等。 3. 第三代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別是局部網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展帶動了集散系統(tǒng)的進(jìn)步，第三代集散系統(tǒng)的主要變化是在局部網(wǎng)絡(luò)中采用了MAP(Manufactuin Gautomation Protocal，制造自動化協(xié)議)，從而解決了第二代集散系統(tǒng)各公司產(chǎn)品相互不能兼容的缺點。第三代集散系統(tǒng)的另一進(jìn)展是系統(tǒng)的智能化進(jìn)一步向現(xiàn)場延伸，采用了智能變送器(Smart Transmitter)，并通過現(xiàn)場總線(FB，F(xiàn)ieldbus)與PCU或LAN的節(jié)點相連。由于

15、工業(yè)局部網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議尚未完全成熟，因此第三代集散系統(tǒng)仍處在發(fā)展初期，其基本結(jié)構(gòu)如圖85所示。 圖85 第三代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)DHW中 央操作站GWMAP協(xié)議LANFBPCU智能儀 表智 能變送器本地操作站主計算機 4. 集成式集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 近年來，在計算機控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了系統(tǒng)集成的新概念。這個概念是由從事計算機及應(yīng)用技術(shù)的研究人員提出的。系統(tǒng)集成就是將以微處理器為基礎(chǔ)的各類數(shù)字設(shè)備(如PCU、DAU、CRT、GW等)統(tǒng)一連接在數(shù)據(jù)總線DHW或局部網(wǎng)絡(luò)LAN上，構(gòu)成所謂的集成式分散系統(tǒng)(IDS，Inte Grated Distributed System)。微處理、智能儀表及通信技術(shù)的

16、發(fā)展，使這種系統(tǒng)成為可能。在國外已經(jīng)出現(xiàn)了許多專營IDS系統(tǒng)的公司。IDS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖86所示。圖中橋用來連接同類網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)間連接器W用來連接不同類型的網(wǎng)絡(luò)，以便對IDS擴(kuò)展PIU(Process Interface Unit)過程接口單元。圖86 集成式集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 主計算機中 央操作站管理模塊GW橋PCUPCUPLCPIU 8.1.3 集散系統(tǒng)的特點 集散系統(tǒng)之所以能有較快的發(fā)展，是與其所具有的特點分不開的。與其他計算機控制系統(tǒng)相比較，集散系統(tǒng)主要具有以下幾個特點： (1)在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了分級分散控制。縱向分級便于生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視、操作和管理，橫向分散，提高了系統(tǒng)的可靠性。 (2

17、)完善了系統(tǒng)功能。由于采用了高性能的上位機，使系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)各種復(fù)雜控制功能和決策管理功能。 (3)系統(tǒng)構(gòu)成方式簡便。硬件積木化，軟件模塊化，應(yīng)用靈活，擴(kuò)展方便，通過連接部件還可以與其他同類或不同類系統(tǒng)連接，方便了用戶，提高了效率。 (4)應(yīng)用了局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由此可以實現(xiàn)全系統(tǒng)的信息綜合利用，資源共享，相互協(xié)調(diào)。 (5)獲得了很高的可靠性。通過系統(tǒng)的分散結(jié)構(gòu)特征，使用冗余技術(shù)、自診斷技術(shù)和可靠性元器件等手段，使系統(tǒng)得到了極高的可靠性。其中利用率可達(dá)99.9999%，平均無故障時間可大于50000h。 8.1.4 集散系統(tǒng)的發(fā)展方向與趨勢 集散系統(tǒng)是隨著4C (Computer/Contro

18、l/ /Communication/CRT)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，因此隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著工業(yè)控制領(lǐng)域市場的競爭與要求，集散系統(tǒng)的性能指標(biāo)及性能價格比將進(jìn)一步提高。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)近期將著重在以下幾個方面得到改進(jìn)和完善： (1)操作性能進(jìn)一步提高，操作、管理、組態(tài)、開發(fā)將更加方便。軟件更加豐富，各種高性能的控制管理軟件，特別是人工智能專家系統(tǒng)，如人工智能(AI，Artificial Intelli Gence)在集散控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 (2)加強網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一通信規(guī)程，加上現(xiàn)場總線的規(guī)格化，系統(tǒng)硬件、軟件的標(biāo)準(zhǔn)化，形成開放型的集散系統(tǒng)。另外，網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)應(yīng)用也會使集成式集

19、散系統(tǒng)得到發(fā)展。 (3)系統(tǒng)規(guī)模在向大的方向發(fā)展的同時也向小規(guī)模系統(tǒng)發(fā)展?；究刂茊卧矊⑾蛐』芈飞踔羻位芈返姆较虬l(fā)展。可編程控制器成為集散系統(tǒng)的一個節(jié)點。 總之，集散系統(tǒng)的出現(xiàn)給工業(yè)生產(chǎn)帶來許多好處，但事物總是要發(fā)展的。這里介紹繼集散系統(tǒng)后的新的控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線，它比集散系統(tǒng)有更廣闊的應(yīng)用前景。 8.2 現(xiàn)場總線概述 現(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,它主要解決現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線具有簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實用等一系列突出的優(yōu)點，因而成為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展

20、的熱點之一。它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。 8.2.1 現(xiàn)場總線的含義 根據(jù)國際電工委員會IEC(International Electrotechnical Commission)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會FF(Fieldbus Foundation)的定義，現(xiàn)場總線是指連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線的含義表現(xiàn)在以下五個方面。 1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 傳統(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)(DCS,Distributed Control System)的通信網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元，現(xiàn)場儀表仍然是一對一模擬信號傳輸，

21、如圖87所示?，F(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備，如圖88所示。圖中現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器或執(zhí)行器等，這些設(shè)備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜和光纜等。 圖87 傳統(tǒng)DCS控制層 分析儀傳統(tǒng)儀表LANPLC控制站操作站G圖88 第一代FCS控制層服務(wù)器32現(xiàn)場設(shè)備H1 現(xiàn)場總線H1 現(xiàn)場總線LAN32現(xiàn)場設(shè)備124現(xiàn)場設(shè)備H1H1H1網(wǎng)橋H2 現(xiàn)場總線操作站 2.互操作性 互操作性的含義是來自不同制造廠的現(xiàn)場設(shè)備，不僅可以相互通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，共同實現(xiàn)控制策略

22、。也就是說，用戶選用各種品牌的現(xiàn)場設(shè)備集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”。現(xiàn)場設(shè)備互連是基本要求，只有實現(xiàn)操作性，用戶才能自由地集成FCS(Field Control System)。 3. 分散功能塊 FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入功能塊，而且PID有控制和運算功能塊；調(diào)節(jié)閥除了具有信號驅(qū)動和執(zhí)行功能外，還內(nèi)含輸出特性補償功能塊、PID控制和運算功能塊，甚至有閥門特性自校驗和自診斷功能。 由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可以統(tǒng)一組態(tài)，因此用戶可以靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需

23、要的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制，如圖89所示。其中差壓變送器含有模擬量輸入功能塊(AI110)，調(diào)節(jié)閥含有PID控制功能塊(PID110)及模擬量輸出功能塊(AO110)，這3個功能塊構(gòu)成流量控制回路。圖89 現(xiàn)場總線的分散功能 差壓變送器模擬量輸入塊模擬量輸出塊服務(wù)器LAN現(xiàn)場總線操作站AI110PID110PID控制塊調(diào)節(jié)閥FTFCAO110 4.通信線供電 現(xiàn)場總線的常用傳輸是雙絞線，通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種低功耗現(xiàn)場儀表可以用于本質(zhì)安全環(huán)境，與其配套的還有安全柵。有的企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場設(shè)備必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線也不例外。 5.

24、 開放式網(wǎng)絡(luò)互連 現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同類網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同類網(wǎng)絡(luò)互連。開放式互連網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，天衣無縫地把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。 8.2.2 現(xiàn)場總線對自動化領(lǐng)域的變革 1.現(xiàn)場總線給當(dāng)今的自動化領(lǐng)域帶來的變革 現(xiàn)場總線是用于工業(yè)控制的新型系統(tǒng)。它有如下特點： (1)用一對通信線連接多臺數(shù)字儀表取代一對信號線只能連接一臺儀表。 (2) 用多變量、雙向、 數(shù)字通信方式取代單變量、單向、模擬傳輸方式。 (3)用多功能的現(xiàn)場數(shù)字儀表取代單功能的 現(xiàn)場模擬儀表。 (4)用分散式的虛擬控制站代替集中式控

25、制站。 (5)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)DCS。 (6) 變革傳統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 (7) 變革傳統(tǒng)的 自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法和安裝調(diào)試方法。 自動化領(lǐng)域的這場變革，其深度和廣度都將超過歷史上任何一次，必將開創(chuàng)自動化控制的新紀(jì)元。 2.FCS對S的變革 FCS對DCS的變革表現(xiàn)在： (1) FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互連。 (2) 圖88所示的FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為全分散式，它廢棄了圖87所示的DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS控制站的功

26、能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成了虛擬控制站，實現(xiàn)了徹底的分散控制。 (3)FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性，徹底改變了傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性，使不同廠商的現(xiàn)場設(shè)備既可互連也可互換，還可統(tǒng)一組態(tài)。 (4)FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)， 用戶可非常方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，使同層網(wǎng)絡(luò)可以互連，也可以使不同網(wǎng)絡(luò)互連。 (5)FCS 的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用?，F(xiàn)場總線開發(fā)者只需致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。 8.2.3 現(xiàn)場總線產(chǎn)生的原因 現(xiàn)場總線對自動化領(lǐng)域中傳統(tǒng)的模擬儀表分散控制系統(tǒng)DCS的變革，是在分析、比較模擬儀表和現(xiàn)場總線利弊的基礎(chǔ)

27、之上產(chǎn)生的。 1.模擬儀表的缺點 模擬儀表有以下缺點： (1)一對一結(jié)構(gòu)。一對傳輸線，一臺儀表，單向傳輸一個信號，如圖87所示。 (2)可靠性差。模擬信號傳輸不僅精度低，而且易受干擾。 (3)失控狀態(tài)。操作員在控制室既不了解現(xiàn)場模擬儀表工作狀況，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對其處于“失控”狀態(tài)。 (4)互換性差。盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標(biāo)準(zhǔn)420mA(DC)，可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表無法互換。 2. 現(xiàn)場總線的優(yōu)點 現(xiàn)場總線具有以下優(yōu)點： (1)一對N結(jié)構(gòu)。一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號，如圖88所示。 (2)可靠性高。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的

28、智能化、數(shù)字化,與模擬信號相比，它從根本上提高了測控精度，減少了傳輸誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能的加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。 (3)可控狀態(tài)。操作員在控制室既可了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可預(yù)測或診斷故障，始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)。 (4)互可操作性與互換性。互可操作性是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通；而互換性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。 (5)現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備就可完成自

29、動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。 (6)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性?，F(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散型控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。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，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 (7)系統(tǒng)的開放性。開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。開放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。 另外，由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護(hù)都體現(xiàn)出優(yōu)越性。 3.微處理器技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展每臺現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表

30、就是一臺微處理器，既有CPU、內(nèi)存和通信等數(shù)字信號處理，又有非電量信號檢測、變換和放大等模擬信號處理。由于必須把現(xiàn)場設(shè)備安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，而且工作環(huán)境十分惡劣，對于易燃易爆場所，必須提供總線供電的本質(zhì)安全。這勢必要求微處理器體積小、功能全、性能好、可靠性高、耗電少。另外，現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)分布于生產(chǎn)現(xiàn)場，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成虛擬控制站，這就要求采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。 8.2.4 現(xiàn)場總線發(fā)展過程 在20世紀(jì)80年代中期，國外就提出了現(xiàn)場總線，但研究工作進(jìn)展緩慢，且沒有國際標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。許多國際組織對現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化做了不少工作，下面簡述部分國際組織研究現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化工作，以便了解現(xiàn)場總線發(fā)展

31、的過程。 1984年，美國儀表協(xié)會(ISA)下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實施工作組中的ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)；1985年，國際電工委員會決定由Proway Workin G Group負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作；1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線(Process Fieldbus)標(biāo)準(zhǔn)，簡稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品開發(fā)的序幕。 1992年，Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yoko Gawa等80家公司聯(lián)合成立了ISP(Interoperable System Protocol)組織，并著手在PROFIBUS的基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場總

32、線標(biāo)準(zhǔn)。1993年，以Honeywell、Bailey等公司為首，成立了WorldFIP組織，有120多個公司加盟該組織，并以法國標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。此時各大公司均已清醒地認(rèn)識到，現(xiàn)場總線應(yīng)該有一個統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線技術(shù)勢在必行。但總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)和地域發(fā)展歷史等原因，加之各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，致使總線的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展緩慢。 1994年，ISP和World FIP北美部分 合 并 ， 成 立 了 現(xiàn) 場 總 線 基 金 會(Fieldbus Foundation，簡稱FF)，推動了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品開發(fā)，并于1996年第一季度頒

33、布了低速總線H1的標(biāo)準(zhǔn)，安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)范的儀表互連為控制系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)，使H1低速總線開始步入實用階段。 另外，值得一提的是HART(HiGhway Addressable Remote Transducer，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路)協(xié)議，它最初由美國Rosemount公司開發(fā)，已應(yīng)用38年。HART協(xié)議作為一個公開性協(xié)議，已有70多家公司支持并使用，如E+H、Moore Products、AllenBradley、Siemens、FisherRosemount、SMAR公司等，并成立專門機構(gòu)發(fā)展HART協(xié)議，從事互可操作性及標(biāo)準(zhǔn)化工作，以前是HUG(HARTU se

34、r Group)，現(xiàn)在由HCF(HART Communication Foundation， 1993年成立)接替。HART協(xié)議的特點是具有與現(xiàn)場總線類似的體系結(jié)構(gòu)，具有總線式數(shù)字通信，兼容現(xiàn)存的420mA模擬系統(tǒng)，是從模擬系統(tǒng)向現(xiàn)場總線過渡的一塊墊腳石。HART通信是在模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，使模擬與數(shù)字可同時通信，可在一根雙絞線上連接多臺現(xiàn)場設(shè)備，構(gòu)成多站網(wǎng)絡(luò)。HART協(xié)議被認(rèn)為是事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但它并不是現(xiàn)場總線，是一個過渡性協(xié)議。 與此同時，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標(biāo)準(zhǔn)。它們大都是在公司標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國際組織的支持的。大千世

35、界，眾多行業(yè)，需求各異，加上要考慮已有各種總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，預(yù)計在今后的一段時間內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通信的局面，但發(fā)展統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范形成開放互連系統(tǒng)是大勢所趨。 9.2.5 現(xiàn)場總線的設(shè)備 現(xiàn)場總線的設(shè)備分為現(xiàn)場設(shè)備和開發(fā)設(shè)備兩類，設(shè)備名稱及類型隨總線及應(yīng)用而定。本節(jié)以用于過程自動化的基金會現(xiàn)場總線(FF)為例，對其加以說明。 1.現(xiàn)場設(shè)備 FF現(xiàn)場設(shè)備有變送器、執(zhí)行器、終端器、電源、本質(zhì)安全柵、中繼器、網(wǎng)橋和操作站等。常用的變送器有溫度、壓力、流量、料位和分析五大類，每類又有多個品種。變送器既有監(jiān)測、變換和補償功能，又有PID控制

36、和運算功能。 常用的執(zhí)行器有電動、氣動兩大類，每類又有多個品種。執(zhí)行器的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸出特性補償、PID控制和運算等功能，另外有閥門特性自校驗和自診斷功能。終端器使用在傳輸電纜始末端的阻抗匹配器，每條總線只需兩個終端器。終端器可防止信號失真和衰減。 2. 開發(fā)設(shè)備 FF開發(fā)設(shè)備有專用集成電路(ASIC)、通信棧軟件、DD軟件、開發(fā)和維護(hù)工具等。現(xiàn)場總線設(shè)備因其種類繁多，用戶量大，所以由各廠商分別供應(yīng)，需單獨經(jīng)過現(xiàn)場總線基金會(FF)和Fraunhofer研究所進(jìn)行一致性測試和互操作性測試，最終由FF發(fā)給產(chǎn)品注冊商標(biāo)，并定期發(fā)行產(chǎn)品目錄。8.3 五種有影響的現(xiàn)場總線 自

37、20世紀(jì)80年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸產(chǎn)生影響，并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢和較強的生命力。目前較為流行的現(xiàn)場總線主要有以下五種：基金會現(xiàn)場總線FF、局部操作網(wǎng) 絡(luò) L O N W O R K S 、 過 程 現(xiàn) 場 總 線PROFIBUS、控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN、可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路HART。 8.3.1 FF(Foundation Fieldbus) FF基金會現(xiàn)場總線是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)，它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測

38、控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。 FF基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kb/s，通信距離可達(dá)1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境；H2的傳輸速率為1Mb/s和2.5Mb/s兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā) 射 ， 協(xié) 議 符 合IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。其物理介質(zhì)的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。 FF的主要技術(shù)內(nèi)容包括:FF通信協(xié)議；用于完成開放互連模型中第27層通信協(xié)議的通信棧(Communication Stack)；用于描述設(shè)備特征

39、、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典；用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能的功能塊；實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及購成集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。 8.3.2 LONWORKS(Local Operating Networks) LONWORKS局部操作網(wǎng)絡(luò)是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距離可達(dá)2700m(78kb/s，雙絞線)；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、

40、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)防爆安全產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 LONWORKS技術(shù)所采用的Lon Talk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經(jīng)元中而得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位CPU：一個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為介質(zhì)訪問控制器，實現(xiàn)介質(zhì)訪問控制與處理；第二個用于完成第36層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。 N e u r o n 芯

41、片 的 編 程 語 言 為Neuron C，它是從ANSIC派生出來的。LONWORKS提供了一套開發(fā)工具Lon Builder與Node Builder。 此外，Lon Talk協(xié)議還提供了五種基本類型的報文服務(wù)：確認(rèn)(Acknowled Ged)、非確認(rèn)(Unacknowled Ged)、請求/響應(yīng)(Request/ Response)、重復(fù)(Repeated)、非確認(rèn)重復(fù)(UnacknowledGed Repeated)。 LonTalk協(xié)議的介質(zhì)訪問控制子層(MAC)對CSMA(載波信號多路監(jiān)聽)作了改進(jìn)，采用了一種新的稱作預(yù)測的P堅持CSMA(PredictivePPresisten

42、tCSMA)的協(xié)議。帶預(yù)測的P堅持CSMA在保留CSMA協(xié)議優(yōu)點的同時，注意克服了它在控制網(wǎng)絡(luò)中的不足。所有的節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)等待隨機時間片來訪問介質(zhì)，這就有效地避免了網(wǎng)絡(luò)的頻繁碰撞。 LONWORKS技術(shù)產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LONWORKS神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。 8.3.3 PROFIBUS(Process Fieldbus) PROFIBUS過程現(xiàn)場總線是符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、

43、PROFIBUSPA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，F(xiàn)MS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。 該項技術(shù)是由Siemens公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。 它采用OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kb/s12Mb/s，最大傳輸距離在12Mb/s時為100m，1.5Mb/s時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點，可實現(xiàn)總線供

44、電與本質(zhì)安全防爆。 PROFIBUS引入功能模塊的概念，不同的應(yīng)用需要使用不同的模塊。在一個確定的應(yīng)用中，按照PROFIBUS規(guī)范來定義模塊，寫明其硬件和軟件的性能，規(guī)范設(shè)備功能與PROFIBUS通信功能的一致性。PROFIBUS為開放系統(tǒng)協(xié)議，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在德國建立了FZI信息研究中心，對制造廠和用戶開放，并對其產(chǎn)品進(jìn)行一致性監(jiān)測和實驗性檢測。 8.3.4 CAN(Control Area Network) CAN控制局域網(wǎng)絡(luò)是由德國Bosch公司推出的，用于汽車檢測與控制部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在

45、國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型的基礎(chǔ)之上，不過其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。 CAN的通信速率為5kb/s(10km)、1Mb/s(40m)，可掛接設(shè)備數(shù)最多達(dá)110個，信號傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖等；CAN采用點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)；CAN可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)且無主、從機之分，每個節(jié)點均主動發(fā)送報文，用此特點可方便構(gòu)成多機備份系統(tǒng)；CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息，按節(jié)點類型不同分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時

46、要求； CAN支持四類報文幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯幀和超載幀，采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，且具有較好的檢錯效果；CAN采用CRC循環(huán)冗余校驗及其他檢錯措施，保證了極低的信息出錯率；CAN節(jié)點具有自動關(guān)閉功能，當(dāng)節(jié)點錯誤嚴(yán)重的情況下，則自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作；CAN單片機有Motorola公司生產(chǎn)的帶CAN模塊的MC68HC05*4，Philips公司生產(chǎn)的82C200，Intel公司生產(chǎn)的帶CAN模塊的P8*C592；CAN控制器有Philips公司生產(chǎn)的82C200，Intel公司生產(chǎn)的82527；CANI/O器件有Philips

47、公司生產(chǎn)的82C150，它具有數(shù)字和模擬I/O接口。 8.3.5 HART(HiGhway Addressable Remote Transducer) HART 可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路是由美國Rosemount公司研制的，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于摸擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭力，且得到了較快發(fā)展。 HART協(xié)議參照ISO/OSI模型的第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其主要特性是： (1)物理層。采用基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)的FSK技術(shù)，即在420mA(DC)模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，邏輯1為12

48、00Hz，邏輯0為2200Hz，波特率為1200b/s，調(diào)制信號為0.5mA或0.25VPP(250負(fù)載)。用屏蔽雙絞線連接單臺設(shè)備時距離為3000m，而多臺設(shè)備互連距離為1500m。 (2)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)幀長度不固定，最長為25個字節(jié)。可尋址位015，當(dāng)?shù)刂窞?時，處于420mA(DC)與數(shù)字通信兼容狀態(tài)；當(dāng)?shù)刂窞?15時，則處于全數(shù)字通信狀態(tài)。通信模式為“問答式”或“廣播式”。 (3) 應(yīng)用層。規(guī)定了三類命令。第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設(shè)備(盡管不是全部)中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設(shè)備功能庫；第三類稱為特殊

49、設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。 HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL。現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語言來描述設(shè)備特性，由HART基金會負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們變?yōu)樵O(shè)備描述字典，主設(shè)備運用DDL技術(shù)來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口。但是由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。 8.4 OSI參考模型與現(xiàn)場總

50、線通信模型 作為工業(yè)控制現(xiàn)場底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線，要構(gòu)成開放互連系統(tǒng)，如何選擇通信模型，是現(xiàn)場總線技術(shù)形成的過程中必須考慮的重要問題。 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量傳感器、控制器和執(zhí)行器等，它們通常零散地分布在一個較大范圍內(nèi)。對由它們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說，單個節(jié)點面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對比較簡單，但實時性、快速性的要求較高。因此，為滿足實時性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同程度的簡化。 典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型如圖810中第2列所示。它采用OSI模型中的三個典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增加一個現(xiàn)場總線訪問子層，以取代

51、省去的OSI模型中第36層的部分功能，以滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求。它是OSI模型的簡化形式，其流量與差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進(jìn)行，因而與OSI模型不完全保持一致。 圖810 OSI與部分現(xiàn)場總線通信模型的對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)鏈路層2物理層1ISO / OSI模型現(xiàn)場總線模型應(yīng)用層功能塊應(yīng)用與設(shè)備描述FF模型UART模型PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)層3傳輸層4會話層5表示層6應(yīng)用層7物理層數(shù)據(jù)鏈路層總線訪問子層應(yīng)用層物理層通信棧物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層隱去37層隱去36層用戶接口應(yīng)用層信息規(guī)范低層接口應(yīng)用層接口PROFIBUS-FMSBell202UART通信規(guī)范UART指令 開放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)

52、場總線技術(shù)的基礎(chǔ)，目前集中有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)，大都以國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放互連模型作為基本框架，施加某些行業(yè)應(yīng)用需要的規(guī)定后形成的標(biāo)準(zhǔn)，并在較大范圍內(nèi)取得了用戶與制造商的認(rèn)可。 8.4.1 基金會現(xiàn)場總線通信模型 FF現(xiàn)場總線模型結(jié)構(gòu)如圖811所示。它采用了OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層這三層，隱去了第36層。其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用IEC/ISA標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層有兩個子層：現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS，并將從數(shù)據(jù)鏈路到FAS、FMS的全部功能集成為通信棧(Communication Stack)。FAS的基本功能是確定數(shù)據(jù)訪問的關(guān)系模型和規(guī)范，根據(jù)不同要求，采用不

53、同的數(shù)據(jù)訪問工作模式?，F(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS的基本功能是面向應(yīng)用服務(wù)， 生成規(guī)范的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場總線訪問子層與信息規(guī)范子層的任務(wù)是完成一個應(yīng)用進(jìn)程到另一個應(yīng)用進(jìn)程的描述，實現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，提供應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)操作，實現(xiàn)應(yīng)用層的開放性。在應(yīng)用層之上增加的用戶層規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊、對象字典設(shè)備和設(shè)備描述，供用戶組成所需要的應(yīng)用程序，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)管理。在網(wǎng)絡(luò)管理中，為了提供一個集成網(wǎng)絡(luò)各層通信協(xié)議的機制，實現(xiàn)設(shè)備操作狀態(tài)的監(jiān)控與管理，設(shè)置了一個網(wǎng)絡(luò)代理和一個網(wǎng)絡(luò)管理信息庫，以提供組態(tài)管理、性能管理和差錯管理的功能。在系統(tǒng)管理中，設(shè)置了系統(tǒng)管理內(nèi)核、系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議和系統(tǒng)管理信息庫

54、，以實現(xiàn)設(shè)備管理、功能管理、時鐘管理和安全管理等功能。圖811 FF現(xiàn)場總線模型與OSI ISO / OSI模型用戶層(程序)物理層通信棧物理層FF 現(xiàn)場總線模型現(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS現(xiàn)場總線訪問子層FAS應(yīng)用層7數(shù)據(jù)鏈路層用戶層物理層1數(shù)據(jù)鏈路層2網(wǎng)絡(luò)層3傳輸層4會話層5表示層6 8.4.2 LONWORKS通信模型 LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。這七層的作用和所提供的服務(wù)如圖812所示。圖812 LONWORKS模型分層 應(yīng)用層7模型分層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量類型：組態(tài)性能, 文件傳送, 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)作 用服 務(wù)表示層6會話層5傳輸層4

55、網(wǎng)絡(luò)層3數(shù)據(jù)鏈路層2物理層1數(shù)據(jù)表示遠(yuǎn)程傳送控制端端傳輸可靠性報文傳遞媒體訪問與成幀電氣連接 網(wǎng)絡(luò)變量：外部幀傳送 請求 / 響應(yīng), 確認(rèn) 單路 / 多路應(yīng)答服務(wù), 重復(fù)信息服務(wù), 復(fù)制檢查 單路 / 多路尋址, 路徑 成幀, 數(shù)據(jù)編碼, CRC校驗, 沖突回避/仲裁, 優(yōu)先級 媒體特殊細(xì)節(jié)(如調(diào)制), 收發(fā)種類, 物理連接 8.4.3 PROFIBUS通信模型 PROFIBUS是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它的參考模型列于圖810中。它采用了OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層;外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸采用DP型，隱去了第37層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合，作

56、為用戶接口，F(xiàn)MS型則只隱去了第36層，采用了應(yīng)用層。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前 還 處 于 制 定 過 程 之 中 ， 與IEC11582(H1)標(biāo)準(zhǔn)兼容。 8.4.4 CAN通信模型 CAN只采用了ISO/OSI模型中的兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層又分為物理信令(PLS，Physical Si GnallinG)、物理媒體附件(PMA， Physical Medium Attachment)與媒體接口(MDI，Medium Dependent Interface)三部分，完成電氣連接、實現(xiàn)驅(qū)動器/接收器特性、定時、同步、位編碼/解碼。數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制與媒體訪問控制兩部分，分別完成接收濾

57、波、超載通知、恢復(fù)管理，以及應(yīng)答、幀編碼、數(shù)據(jù)封裝拆裝、媒體訪問管理、出錯檢測等。CAN通信模型如圖813所示。圖813 CAN模型 數(shù)據(jù)鏈路層LLCMACPALPMAMDI物 理 層 8.4.5 HART通信模型 HART通信模型由三層組成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其模型結(jié)構(gòu)如圖810所示。它的物理層采用Bell202國際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立的HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開頭碼、終端與現(xiàn)場設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶檢驗等。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。 8.5 FF現(xiàn)場總線技術(shù) FF現(xiàn)場總線標(biāo)

58、準(zhǔn)共有四層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層。其中，物理層規(guī)定了信號如何發(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)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請求應(yīng)答中的信息格式；用戶層則用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、設(shè)備描述，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。下面簡要介紹該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的主要內(nèi)容。 8.5.1 物理層(Physical Layer) 1.物理層的功能 物理層用于實現(xiàn)現(xiàn)場物理設(shè)備與總線之間的連接。它作為電氣接口，一方面接受來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，經(jīng)再加工變?yōu)槲锢硇盘枺瑐魉偷浆F(xiàn)場總線的傳輸媒體上；另一方面把接收到的來自總線傳輸媒體的物理信號進(jìn)行相反處理

59、送往數(shù)據(jù)鏈路層，考慮到現(xiàn)場設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，該層區(qū)應(yīng)具備電氣隔離、信號濾波等功能?，F(xiàn)場總線的傳輸介質(zhì)一般為兩根導(dǎo)線，如雙絞線，因而其機械接口相對較為簡單。 2. 物理層的結(jié)構(gòu) 物理層標(biāo)準(zhǔn)IEC11582已通過多年，按其規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，物理層又被分為媒體相關(guān)子層與媒體無關(guān)子層。媒體相關(guān)子層負(fù)責(zé)處理導(dǎo)線、光纖、無線介質(zhì)等不同傳輸媒體、不同速率的信號轉(zhuǎn)換問題，也稱媒體訪問單元。媒體無關(guān)子層則是媒體訪問單元與數(shù)據(jù)鏈路之間的接口，有關(guān)信號編碼、增加或去除前導(dǎo)碼和定界碼的工作均在此子層中完成。 圖814示出了導(dǎo)線介質(zhì)的媒體接口部分的電路框圖，該接口電路主要完成信號濾波與處理、信號驅(qū)動及其控制、電路隔離等

60、功能，為媒體無關(guān)子層提供合格的物理信號波形。所有現(xiàn)場總線設(shè)備都具有至少一個物理層實體。圖814 導(dǎo)線媒體接口 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動許可現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸出至通信控制器現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸入線路驅(qū)動比較器電壓限幅隔離電路射 頻濾波器帶 通濾波器緩沖驅(qū)動電壓 3. 傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)可以采用雙絞線、電纜、光纜及無線介質(zhì)，目前應(yīng)用較為廣泛的是前兩種。H1標(biāo)準(zhǔn)采用的電纜類型可分為屏蔽雙絞線、屏蔽多對雙絞線、無屏蔽雙絞線、多芯屏蔽電纜等幾種類型。顯然，線纜種類、線徑粗細(xì)不同，對傳輸信號的影響就不同。現(xiàn)場總線基金會對采用不同纜線時的最大傳輸距離規(guī)定如表83所示。 表83 電纜類型與傳輸距離關(guān)系 4. 信號編碼 FF現(xiàn)場總線的通