1 引言

　　隨著計算機、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化典型代表的現(xiàn)場總線(FieldBus)技術(shù)也得到了發(fā)展迅速、影響巨大，引起了工程技術(shù)界的普遍興趣與重視，使計算機控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System DCS)走向以現(xiàn)場總線位基礎(chǔ)的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System,FCS)，被譽為工業(yè)自動化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)。現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。

　　2 被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)

　　2.1 現(xiàn)場總線及其特點

　　(1)什么是現(xiàn)場總線?

　　根據(jù)國際電工委員會(IEC)和美國儀表協(xié)會(ISA)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標志是能支持雙向多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通訊，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統(tǒng)安全、造價低廉、維護成本低等特點。

　　國際電工協(xié)會(IEC)的SP50委員會對現(xiàn)場總線有以下三點要求：

　　(1)同一數(shù)據(jù)鏈上過程控制單元(PCU)、PLC等與數(shù)字1/0設(shè)備互連;

　　(2)現(xiàn)場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)等進行數(shù)據(jù)存取;

　　(3)通信媒體安裝費用較低。

　　SP50委員會提出的兩種現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型是：

　　●星型總線用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線

　　●總線型總線數(shù)據(jù)傳輸距離長、速率高，采用點對點、點對多點和廣播式通信方式

　　2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)特征

　　現(xiàn)場總線完整地實現(xiàn)了控制技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的集成，具有以下幾項技術(shù)特征。

　　(1)現(xiàn)場設(shè)備已成為以微處理器為核心的數(shù)字化設(shè)備，彼此通過傳輸媒體(雙繪線、同軸電纜或光纖)以總線拓撲相連;

　　(2)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信采用基帶傳輸(即數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字傳輸)，數(shù)據(jù)傳輸速率高(為Mbit/s或10Mbit/s級)，實時性好，抗干擾能力強;

　　(3)廢氣了集散控制系統(tǒng)(DCS)中的I/O控制站，將這一級功能分配給通信網(wǎng)絡(luò)完成;

　　(4)分散的功能模塊，便于系統(tǒng)維護、管理與擴展，提高可靠性;

　　(5)開放式互連結(jié)構(gòu)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)相連，也可通過網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與控制級網(wǎng)絡(luò)或管理信息級網(wǎng)絡(luò)相連;

　　(6)互操作性，在遵守同一通信協(xié)議的前提下，可將不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的網(wǎng)絡(luò)。

　　3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)

　　3.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是集當(dāng)今計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當(dāng)代最先進的計算機控制技術(shù)，是一種全分散、全數(shù)字、全開放的控制系統(tǒng)。它適用于工業(yè)過程控制、制造業(yè)及樓宇自動化等領(lǐng)域，將成為現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)的主流。

　　3.2 FCS對計算機控制系統(tǒng)的影響

　　傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)一般采用DCS結(jié)構(gòu)。在DCS中，對現(xiàn)場信號需要進行點對點的連接，并且I/0端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設(shè)大量的信號傳輸電纜，布線復(fù)雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而基于FCS的控制系統(tǒng)則完全克服了這些缺點。

　　(1)FCS借助于現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場被轉(zhuǎn)換成標準數(shù)字信號，只需一根電纜(兩線或四線)就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送到控制室監(jiān)控設(shè)備上，減低了成本，又便于安裝和維護，同時數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。

　　(2)FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設(shè)計采用IEC11314五種國際標準編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。

　　(3)系統(tǒng)的效率高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設(shè)備才能完成的PLC和NC/CNC任務(wù)。在多任務(wù)的Windows NT操作系統(tǒng)下，PC中的軟PLC可以同時執(zhí)行多達十幾個PLC任務(wù)，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調(diào)試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。

　　(4)在FCS中，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：工控機或商用PC、現(xiàn)場總線主站接口卡、現(xiàn)場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實時多任務(wù)控制軟件包、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件。上位機的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)報表組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數(shù)據(jù)報表組態(tài)、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)打印輸出、數(shù)據(jù)輸入及參數(shù)修改、控制運算調(diào)節(jié)、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個方面，并真正實現(xiàn)控制集中、危險分散、數(shù)據(jù)共享、完全開放的控制要求。

　　3.3 IEC61158國際標準規(guī)定的8種總線及其特點

　　(1)Profibus主要由德國西門子公司支持，是按照ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線德國國家標準。Profibus由三部分組成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及 Profibus-PA。其中，F(xiàn)MS主要用于非控制信息的傳輸，PA主要用于過程自動化的信號采集及控制，Profibus-DP是制造業(yè)自動化主要應(yīng)用的協(xié)議內(nèi)容，是滿足用戶快速通信的最佳方案，傳輸速度為12Mb/s。掃描1000個I/O點的時間少于1ms。

　　(2)基金會現(xiàn)場總線FF(H1，IEC技術(shù)報告)是針對過程自動化而設(shè)計，它是通過數(shù)字、串行、雙向的通信方法來連接現(xiàn)場裝置的。FF通信不是簡單的數(shù)字4-20mA信號，而是使用復(fù)雜的通信協(xié)議，它可連接能執(zhí)行簡單的閉環(huán)算法(如PID)的現(xiàn)場智能裝置。一個通信段可配置32個現(xiàn)場裝置，通信速度為31。25kb/s ，每段最大通信距離為1900m。

　　(3)Interbus主要由德國Phoenix Contact公司支持，其網(wǎng)絡(luò)簡單，且易于安裝與配置。網(wǎng)上的節(jié)點類似簡單的移位寄存器，位流經(jīng)過節(jié)點則發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Interbus-S啟動網(wǎng)絡(luò)并自動配置，不需要節(jié)點地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規(guī)定。一個網(wǎng)絡(luò)上最多可有64個裝置，速度可達500K/s，最長距離為25600m，移動節(jié)點間距離為400m。

　　(4)ControlNet主要由美國Rockwell公司支持，具有非常高的實時性能，界于設(shè)備級總線(像DeviceNet)與工廠級總線(通�；贓thernet)之間。在相同的通信鏈路上提供了適合于I/O控制設(shè)備的帶寬、實時聯(lián)鎖響應(yīng)、對等信息和程序傳輸，為斷續(xù)和連續(xù)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了確定性和重復(fù)性功能;并且允許多控制器處理I/O控制設(shè)備，提供了輸入數(shù)據(jù)和對等數(shù)據(jù)兩者之間的多點傳送、通信傳輸媒體的冗余和本征安全的選擇、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇(總線、樹型、星型)和媒體傳輸介質(zhì)(同軸電纜、光纖等)。

　　(5)WorldFIP主要由法國的Alstom公司支持，支持雙重冗余總線運行方式，總線上可以連接PLC、I/O現(xiàn)場設(shè)備、控制器、HMI系統(tǒng)等。通過雙重冗余總線，能夠完全確�？刂葡到y(tǒng)不會因為控制電纜損壞等原因造成其他控制系統(tǒng)被迫停機的事故。

　　3.4 其他幾種被工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛采用的幾種總線

　　(1)CANBUS(Controller Area Network)：是德國Bosch公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線(FieldBus)的范疇。1993年11月，ISO正式頒布了控制器局域網(wǎng)CAN國際標準(ISO11898)，CAN總線的通訊介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維。通訊距離與波持率有關(guān)，最大通訊距離可達10km，最大通訊波持率可達1Mdps。CAN總線仲裁用11位(CAN2.0A協(xié)議)和29位(CAN2.0B協(xié)議)標識和非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級，保證在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沖突時最高優(yōu)先級點不需要沖突等待。CAN結(jié)構(gòu)模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈層和應(yīng)用層。CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。

　　(2)CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復(fù)合的、開放的、適應(yīng)性強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適用于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感器層網(wǎng)絡(luò)的不同范圍。CC-Link是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，一般情況下，CC-Link整個一層網(wǎng)絡(luò)可由一個主站和六十四個從站組成。CC-Link具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速度，最高可達10Mbps，其底層通信協(xié)議遵循RS-485。2 CC-Link的數(shù)據(jù)通信方式可分為2種方式：循環(huán)通訊和瞬時傳送。信息從主站傳遞到從站，信息數(shù)據(jù)將以150字節(jié)為單位分割，并以每批150字節(jié)傳遞。若從站傳遞到主站或其他從站，每批信息數(shù)據(jù)最大為34字節(jié)。瞬時傳送需要由專用指令來完成。瞬時傳送不會影響循環(huán)通信的時間。