摘要:現(xiàn)場總線技術(shù)對工業(yè)領(lǐng)域的意義是非常巨大的。首先，集散控制系統(tǒng)的概述、發(fā)展歷史和組成結(jié)構(gòu)在文中一一簡述，接著從形成背景、概念、特點、優(yōu)勢和組成出發(fā)，對現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀及最新進展進行了綜述，并且介紹了幾種國際上流行的現(xiàn)場總線如CAN總線、LonWorks總線、基金會現(xiàn)場總線、HART總線、Profib
摘要:現(xiàn)場總線技術(shù)對工業(yè)領(lǐng)域的意義是非常巨大的。首先，集散控制系統(tǒng)的概述、發(fā)展歷史和組成結(jié)構(gòu)在文中一一簡述，接著從形成背景、概念、特點、優(yōu)勢和組成出發(fā)，對現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀及最新進展進行了綜述，并且介紹了幾種國際上流行的現(xiàn)場總線如CAN總線、LonWorks總線、基金會現(xiàn)場總線、HART總線、Profibus總線和它們的通信協(xié)議、應(yīng)用領(lǐng)域和實時性，以及他們應(yīng)對技術(shù)變革和系統(tǒng)故障采取的對策。
0引言
隨著科技的進步、生產(chǎn)力的發(fā)展和信息時代的來臨，社會對工業(yè)生產(chǎn)的需求變得日益迫切。集散控制系統(tǒng)以其可靠、靈活、低成本、可適應(yīng)性強等特點成為了工業(yè)控制領(lǐng)域占有主導地位的系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用于化工、電力、石油、造紙等行業(yè)。集散控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，它是控制技術(shù)發(fā)展的一個里程碑?，F(xiàn)場總線自誕生以來一直受到國內(nèi)外業(yè)界人士和企業(yè)的關(guān)注和重視，它為自動控制領(lǐng)域的變革帶來了又一次飛躍?，F(xiàn)場總線所遵循的國際統(tǒng)一協(xié)議標準使得它在集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上發(fā)揮了強大的功能。本文將簡要概述集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀及最新進展，并介紹幾種國際上流行的現(xiàn)場總線。
1集散控制系統(tǒng)概述
在集散控制系統(tǒng)之前的直接數(shù)字控制器(DirectDigitalCon-troller，DDC)實現(xiàn)了從模擬量的逐個控制到數(shù)字化的集中控制，為各種先進控制策略的實施提供了可能，但是這種高度集中的控制方式不可避免地伴隨著巨大的危險，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程的控制規(guī)模不斷擴大，復雜程度不斷增加，信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下產(chǎn)生了集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)。
DCS，又稱為分布式控制系統(tǒng)，是綜合了計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和CRT顯示技術(shù)(4C技術(shù))的一種新型控制技術(shù)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制，同時具備分散的儀表控制系統(tǒng)和集中式計算機控制系統(tǒng)的特點。
1．1集散控制系統(tǒng)的發(fā)展
集散控制系統(tǒng)可分為三個階段:
(1)采用了以微處理器為基礎(chǔ)的過程控制單元，具有各種控制功能要求的算法，同時采用了帶CRT顯示器的操作站和冗余通信系統(tǒng)，實現(xiàn)分散控制和集中管理，具有集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。
(2)采用高分辨率的CRT顯示器、16位微處理器，使得系統(tǒng)性能增強，向模塊化、標準化靠攏工廠級數(shù)據(jù)向過程級分散;實現(xiàn)無主站N;N通信，加強了系統(tǒng)通信功能，更有利于控制站、操作站、可編程邏輯控制器和計算機互連，便于多機資源共享和分散控制。
(3)采用開放系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，操作站采用32位處理器、觸摸式屏幕和實時多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)，為各種應(yīng)用系統(tǒng)的標準平臺提供軟件的可移植性和系統(tǒng)的互操作性，使得第三方應(yīng)用軟件可方便應(yīng)用，用戶的應(yīng)用空間更加廣闊［1］。
1．2集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖1為集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自下而上通常分為:控制級、監(jiān)控級和管理級，每級之間分別由控制網(wǎng)絡(luò)(ControlNetwork，Cnet)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(SupervisionNetwork，Snet)、管理網(wǎng)絡(luò)(ManagementNetwork，Mnet)把相應(yīng)的設(shè)備連接在一起，進行數(shù)據(jù)和命令的傳輸［2］?？刂萍売蛇^程控制站和數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成，一般安裝在位于主控室后的電子設(shè)備室中。過程控制站接受位于被控生產(chǎn)設(shè)備附近包括傳感器、變送器和執(zhí)行器等設(shè)備送來的信號并通過基本控制單元按照控制策略計算出控制量送回執(zhí)行器中，其中現(xiàn)場級的設(shè)備以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字信息傳遞方式是今后的發(fā)展方向。數(shù)據(jù)采集站也接受現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，通過數(shù)據(jù)輸入/輸出單元進行轉(zhuǎn)換和處理后送到集散控制系統(tǒng)的其他部分，但無控制功能;監(jiān)控級主要有運行員操作站、工程師工作站和計算站。根據(jù)具體情況應(yīng)配有CRT顯示器、鍵盤和技術(shù)手段齊備的計算機系統(tǒng)等各類硬件，以及功能強大的軟件，確保工程師和操作員監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的運行情況，及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下，方便對生產(chǎn)過程實行高級控制策略、故障診斷和質(zhì)量評估。運行員操作站安裝在中央控制室，用以監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程，工程師工作站和計算站安裝在電子設(shè)備室。監(jiān)控級的通信網(wǎng)絡(luò)采取雙網(wǎng)冗余是DCS最顯著的特點［3］;管理級可以是廠級管理計算機，也可以是若干個機組的管理計算機，實現(xiàn)整個企業(yè)的綜合信息管理，主要包括生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理，面向廠長、經(jīng)理、總工程師等行政管理或運行人員。
2現(xiàn)場總線
2．1現(xiàn)場總線的誕生
DCS雖然實現(xiàn)了從模擬量到數(shù)字化的集中控制，但最基層的眾多現(xiàn)場儀表和現(xiàn)場控制站之間的信息和數(shù)據(jù)仍是采用傳統(tǒng)的沿獨立導線傳輸?shù)?～20mA的DC信號，現(xiàn)場儀表的功能遠遠沒有發(fā)揮出來。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了以微處理器為核心的智能設(shè)備，在此基礎(chǔ)之上誕生了現(xiàn)場總線技術(shù)。
現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)。它把代替了原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊和各輸入輸出模塊的專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使得它們各自具備多種運算功能，成為能獨立承擔某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，從而通過雙絞線、光纖、同軸電纜等多種途徑構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［4］，實現(xiàn)徹底的分散控制。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照規(guī)范和公開的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)現(xiàn)場的多個微機化自控設(shè)備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作管理、監(jiān)控的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，進一步構(gòu)成了各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)［5－6］。
2．2現(xiàn)場總線優(yōu)勢
(1)微處理器的多種運算和故障診斷功能豐富了現(xiàn)場儀表的功能，提高了測量精度和傳輸過程中的抗干擾能力。
(2)將原來由各種I/O單元和控制器來完成的功能交由每個現(xiàn)場儀表來完成，從而形成真正的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制風險的分散化。
(3)現(xiàn)場總線的數(shù)字通信功能使每個現(xiàn)場儀表通過底層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將自身運行狀況的診斷信息向上傳遞給控制系統(tǒng)的上層，同時還可以接受上層數(shù)字控制系統(tǒng)向其發(fā)送的信息，儀表可以和數(shù)字控制系統(tǒng)直接進行數(shù)字信號的傳送，增加信息流通能力，提高信息的準確性，給系統(tǒng)的日常維護帶來了方便［7］。
(4)由于現(xiàn)場總線式現(xiàn)場儀表是按照國際統(tǒng)一的標準設(shè)計制造，它的通信協(xié)議一致公開，各個不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換，從而使用戶在系統(tǒng)設(shè)計時可以選用最適于自己要求的產(chǎn)品來構(gòu)建系統(tǒng)，提高了靈活性。
(5)現(xiàn)場總線帶來了各方面成本的節(jié)約。由于將控制功能徹底下放到控制系統(tǒng)最底層的控制器和儀表，降低了安裝成本、維護費用。并且少量的通訊總線代替了大量的模擬信號電纜大大減少了設(shè)備的占地面積和資金［8］。
2．3幾種典型的現(xiàn)場總線
由于現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷完善，各個組織和企業(yè)開發(fā)了多種用于工業(yè)現(xiàn)場儀表和控制室之間的數(shù)字通信協(xié)議?，F(xiàn)在存在的現(xiàn)場總線約有數(shù)十種，國際上比較流行的現(xiàn)場總線標準有CAN總線、LonWorks總線、基金會現(xiàn)場總線、Profibus總線、HART總線等。
2．3．1CAN總線
CAN總線(ControllerAreaNetwork)是德國Bosch公司為解決汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。
CAN總線只采用了國際標準化組織制定的信息開放系統(tǒng)互連參考模型(ISO/OSI)7層中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。開發(fā)者能夠根據(jù)需要自行定制通信協(xié)議是CAN總線靈活的體現(xiàn)。用戶在設(shè)計通信軟件時，必須先根據(jù)需求設(shè)計合適的CAN總線通信協(xié)議，才能完成數(shù)據(jù)準確可靠的傳輸。但在一些利用簡單的通信協(xié)議就可以滿足要求的情況下，采用復雜的協(xié)議有時會造成資源浪費，限制了CAN的靈活性，所以在一些情況下定制適合要求的通信協(xié)議，對于CAN的開發(fā)和應(yīng)用至關(guān)重要。文獻［9］以CAN技術(shù)規(guī)范2．0A為標準，對CAN通信協(xié)議的實現(xiàn)作了一定的分析和介紹，總結(jié)了CAN通信協(xié)議的開發(fā)經(jīng)驗，為用戶定制自己的通信協(xié)議提供了參考和思路，充分實現(xiàn)CAN的靈活應(yīng)用。
CAN控制器在航天航空領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但航天電子設(shè)備在生產(chǎn)、運輸和使用過程中的各種自然或人為環(huán)境對CAN總線造成了極大的威脅。根據(jù)系統(tǒng)可能會造成的故障程度，解決可靠性問題的一個有效的辦法就是對總線進行不同程度的冗余。文獻［10］提出了CAN總線冗余的方法。通過總線、總線驅(qū)動器、協(xié)議芯片和單片機等的冗余來實現(xiàn)系統(tǒng)不同程度上的冗余，并對系統(tǒng)的冷冗余和熱冗余進行了研究。
2．3．2LonWorks總線
LonWorks(LonWorksNetWorks)總線，即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是美國Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用在樓宇、家庭自動化領(lǐng)域，具有成本低，性能高的優(yōu)點。它的特點是將通信協(xié)議嵌入到一個具備通信和控制功能的Neuron芯片內(nèi)。該芯片固化了ISO/OSI參考模型的7層服務(wù)，內(nèi)含3個8位微處理器，分別負責介質(zhì)訪問控制、網(wǎng)絡(luò)處理和應(yīng)用處理。用戶采用該芯片及相關(guān)的配件就可設(shè)計出自己需要的各種應(yīng)用節(jié)點，再利用各節(jié)點與路由器，中繼器等組成LonWorks網(wǎng)絡(luò)。
目前對于LonWorks總線實時性的研究已成為其理論研究的重要課題。文獻［11］討論了在組建LonWorks網(wǎng)絡(luò)時最常使用的幾個標準配置屬性，以及它們的優(yōu)化值和這些值對網(wǎng)路性能的影響，但沒有給出如何準確計算這些最優(yōu)值。文獻［12］從Lon-Works總線的介質(zhì)訪問控制協(xié)議入手，按照沖突解決和沖突避免兩種思路 軟實時通過對參數(shù)動態(tài)估計，硬實時通過改進仲裁方案給出了一種新的LonTalk協(xié)議，使系統(tǒng)改進后重載時的吞吐率有了很大提高。但由于在硬實時性改進方案中去掉了隨機時隙，使得該協(xié)議失去了隨機競爭方式介質(zhì)訪問控制(mediumac-cessingcontrol，MAC)機制的優(yōu)越性。文獻［13］對LonTalk協(xié)議的MAC仲裁機制進行了改進，提出了一種新的實時通信協(xié)議，避免了優(yōu)先級較高的節(jié)點交替占用總線而引起沖突問題，同時也解決了優(yōu)先級較低的節(jié)點長期得不到總線使用權(quán)的問題。文獻［14］在充分考慮網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，從硬件和軟件兩個角度對LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化。在保證了通訊可靠的同時，也提高了網(wǎng)絡(luò)的實時性。
2．3．3基金會現(xiàn)場總線
基金會現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus，F(xiàn)F)是由現(xiàn)場總線基金會組織開發(fā)的。根據(jù)過程自動化系統(tǒng)的特點，在1996年頒布了參考了ISO/OSI模型的低速總線FF－H1。具有支持總線供電、本質(zhì)安全的特點。原來定義的FF－H2的高速總線標準在發(fā)展過程中逐步被以太網(wǎng)(HighSpeedEthernet，HSE)取代。
由于FF系統(tǒng)是為了適應(yīng)過程自動化系統(tǒng)而專門設(shè)計的，在苛刻的使用環(huán)境以及總線供電等方面都需要有完善的措施，因此實際工程中遇到的常見故障的原因和處理方法對該技術(shù)在實際生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用有很大的影響作用。將現(xiàn)場設(shè)備遠離用電設(shè)備;現(xiàn)場總線電纜與動力電纜分層橋架布置;保持系統(tǒng)軟硬件版本一致等措施都可提高系統(tǒng)的抗干擾性，而修改宏周期等相關(guān)參數(shù)可改善系統(tǒng)控制功能［15］。FF總線是在一對屏蔽雙絞線上掛接多臺現(xiàn)場儀表，任何一臺儀表的短路都會導致整段總線的短路。采用具有總線分支短路保護功能的現(xiàn)場接線箱可解決短路保護問題。這樣任何一臺儀表的短路都不至于影響該總線段其他儀表的正常工作，方便了工作人員排查短路故障［16］。
2．3．4Profibus
Profibus(ProcessFieldBus)是德國制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準同時也是一種不依賴于制造商的開放式現(xiàn)場總線標準。不同的制造商所生產(chǎn)的設(shè)備不需對其接口進行特別的調(diào)整就可以通信，可用于高速并對時間苛求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復雜通信場合。Profibus是一個多主站系統(tǒng)，當主站獲得總線存取權(quán)(令牌)時，不需要外部請求就可以發(fā)送消息。從站是外圍設(shè)備，包括輸入設(shè)備、控制器、變送器等。它們沒有總線存取權(quán)，只能應(yīng)答接受到的信息或當主站請求時向主站回發(fā)消息。
Profibus針對不同的應(yīng)用場合，分為3個系列:Profibus－DP用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。它參考了ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行нM行;Profibus－PA是用于過程自動化的總線類型;Profibus－FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動化。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個對時間要求很高的實時系統(tǒng)，PROFIBUS現(xiàn)場總線的實時性能，在很大程度上影響著整個系統(tǒng)的性能。其中，位于數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制方式?jīng)Q定了PROFIBUS信息通信的實時性［17］。
2．3．5HART總線
HART(HighWayAddressableRemoteTranducer)是由Rosemount公司提出的用于現(xiàn)場智能儀表和控制設(shè)備間通信的一種協(xié)議，它引用了ISO/OSI參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
從傳統(tǒng)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場總線全數(shù)字通信并非一蹴而就，HART協(xié)議在傳統(tǒng)的模擬信號上疊加平移鍵控(FSK)數(shù)字信號，既可進行模擬信號的傳輸，又可進行數(shù)字通信，滿足了從模擬到全數(shù)字的過度。HART協(xié)議采用了統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL，產(chǎn)品供應(yīng)商除了提供設(shè)備的軟硬件外，還應(yīng)按照標準格式提供HARTDDL文件［18］。
傳統(tǒng)的HART總線在智能化控制領(lǐng)域發(fā)展的已經(jīng)相當成熟，但環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場會增加控制系統(tǒng)的故障率，降低系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，且現(xiàn)場布線和后期維護極不方便。隨著工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，HART基金會在2007年提出了面向工業(yè)應(yīng)用的無線HART協(xié)議。無線HART在兼容現(xiàn)有的HART設(shè)備和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進行了功能補充和應(yīng)用拓展，能夠滿足流程工業(yè)應(yīng)用對無線通信技術(shù)的可靠、穩(wěn)定和安全等關(guān)鍵需求，降低了工控系統(tǒng)的成本和故障率，提高了生產(chǎn)效率［19］。采用隧道設(shè)計的原理，將HART協(xié)議幀封裝在2．4G頻率的無線通信幀的數(shù)據(jù)字段中，以無線鏈路來代替有限通信電纜，可將無線引入到HART控制領(lǐng)域［20］。
3結(jié)束語
DCS系統(tǒng)由于具有良好的結(jié)構(gòu)、可拓展性以及高度的可靠性一直受到廣泛的關(guān)注。同時現(xiàn)場總線技術(shù)對科研、社會生產(chǎn)的影響也起到巨大的促進作用。世界發(fā)達國家的自動化公司都投入了巨大的人力、財力，全方位地進行技術(shù)和應(yīng)用研究，并進行了激烈的市場爭奪，這也導致了現(xiàn)場總線技術(shù)復雜的局面，成為該技術(shù)的挑戰(zhàn)，但現(xiàn)場總線技術(shù)終將越來越成熟完善。在未來的工業(yè)自動化中，他將和以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，為自動化產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)［21］。
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