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控制科学进展现场总线技术2004年11月5日1.现场总线的定义;2.现场总线的产生和发展;3.现场总线的结构特点和优点;4.几种流行的现场总线的比较及应用;5.现场总线的发展趋势;1.现场总线的定义国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF对现场总线的定义:“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。”2.现场总线的产生和发展2.1自动化控制系统的主要发展阶段:(1)基地式仪表控制系统20世纪40年代,主要基于0.02~0.1MPa气动信号标准的直动控制系统PCS;(2)II型仪表控制系统50~70年代,主要基于4~20mA模拟信号标准的模拟控制系统ACS;(3)III型仪表控制系统70年代初,随着小型、微型计算机的出现而出现的集中控制系统CCS(CentralizedControlSystem)和直接数字控制DDC(DirectDigitalControl)系统。2.现场总线的产生和发展(4)集散控制系统DCS(也称为分布式控制系统)70年代中期以后,随着大规模集成电路的问世、微处理器的诞生以及数字通信技术、阴极射线管(CRT)显示技术的进一步发展而出现,80年代后成为自动化控制技术领域的主导产品;(5)现场总线控制系统FCS80年代中期出现,目前对其研究正处于积极开展阶段。2.现场总线的产生和发展2.2现场总线的产生:由于微处理器与计算机功能的不断增强和器件价格的急剧降低,计算机与计算机网络系统得到迅速发展,用户需要在系统与系统之间、企业与企业之间进行信息的交换,资源的共享以及远程管理控制,而原先处于生产过程底层的测控自动化系统,因采用一对一连线,用电压、电流的模拟信号进行测量控制,或采用自封闭式的集散系统,难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换,使自动化系统成为“信息孤岛”。2.现场总线的产生和发展现场总线(FieldBus)由此近几年来国际上发展形成,并被广泛作为了用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系,它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这种以智能传感、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技术,已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。2.现场总线的产生和发展2.3现场总线的发展:现场总线自20世纪80年代产生以来,一直受到人们的关注,进入90年代以后,现场总线一度成为自动化领域研究的热点,国内外纷纷投入了较大的资金和人力开展了现场总线技术的研究和开发.80年代中期,德国、法国等欧洲国家的一些大公司在推出自己的“现场总线”产品的同时也制订了相应的国家标准。90年代以后,现场总线技术发展迅猛,出现了群雄并起、百家争鸣的局面,全世界开发的现场总线的种类达数十种。3.现场总线的结构特点和优点3.1现场总线的结构特点:现场总线控制系统结构如右图所示:各控制器节点下放到现场,构成一种彻底的分布式控制体系结构,网络拓扑结构任意,通讯介质不受限制.FCS形成的Infranet很容易与Intranet和Internet互连,构成一个完整的企业网络体系三级结构.3.现场总线的结构特点和优点3.2现场总线的优点现场总线系统采用智能设备,通过标准协议在一根总线上实现所有信号的数字化传输。它具有如下优点:1)开放,互操作性好。现场总线采用标准的通信协议,是开放式的互联网络,用户可按自己的需要和考虑,把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2)彻底的分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中,做到彻底的分散控制,提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性。3.现场总线的结构特点和优点3)成本降低。由于现场总线完全采用数字通信,控制功能下放到现场。由现场总线组成的FCS硬件相对简化,简化了控制系统内部的连接,节省了大量的导线,费用可节省66%以上,同时系统的可靠性和抗干扰能力都会有很大的提高。4)安装、维护、使用方便。正因为FCS的互操作性和开放性好。使用现场总线接口技术,无需用很多控制电缆连接各控制单元,只需将各控制设备挂接在总线上,显著减少连接导线,便于安装、维护和使用。3.现场总线的结构特点和优点5)对现场环境的适应性高。工作在生产现场前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境而设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现供电与通信,并可满足安全防爆要求等。4.几种流行的现场总线的比较及应用现场总线发展迅速,现处于群雄并起,百家争鸣的阶段.目前已经开发了40多种,然而,这些现场总线通过实际应用,其优劣差别日趋明显,优存劣汰。在作为行业标准的现场总线领域内始终有4-5种网络的技术不相上下,它们具有各自的特点,也显示了较强的生命力。4.几种流行的现场总线的比较及应用4.1HART总线最早的现场总线系统HART(Highwayaddressableremotetransducer)是美国Rosemount公司于1986年提出并研制的一种通信协议,得到了80多家著名仪表公司的支持,这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,它在常规模拟仪表的4—20mADC信号的基础上迭加了FSK(Frequencyshiftkeying)数字信号,这种通信协议既可以用于4—20mADC的模拟仪表,也可以用于数字式通讯仪表。它属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力,得到了广泛的应用。4.几种流行的现场总线的比较及应用4.2CAN总线CAN是控制器局域网络(ControllerAreaNetwork)的简称,是由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准,并广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型,但进行了优化,抗干扰能力强,可靠性高。4.几种流行的现场总线的比较及应用4.3LonWorks总线LonWorks是美国Echelo公司推出的一种功能全面的测控网络,主要用于工厂及车间的环境、安全、保卫、报警、动力分配、给水控制、库房和材料管理等。该总线技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片是高性能、低成本的专用神经元芯片,能实现完整的LonTalk通信协议。该协议支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。目前,LonWorks在国内应用最多的是电力行业,如变电站自动化系统;另外,楼宇自动化和住宅自动化也是其主要应用行业之一。4.几种流行的现场总线的比较及应用4.4PROFIBUS总线PROFIBUS(ProcessFieldBus)是由西门子等十几家公司、研究所共同推出的符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。协议包括Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三部分。Profibus-DP用于分散外设间的高速数据传输,适合于加工自动化领域。Profibus-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而Profibus-PA则是用于过程自动化的总线类型。该总线的最大特点是具有在防爆危险区内连接的本征安全特性。是一种面向工业自动化应用的现场总线系统。4.几种流行的现场总线的比较及应用4.5基金会现场总线FFFF(FoundationFieldbus)是由现场总线基金会提供的一种全新概念的通信标准,是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术,主要用于工业过程控制和制造业自动化环境。FF总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbps,通信距离可达1900m,可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种,其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158-2标准。4.几种流行的现场总线的比较及应用FF总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互连模型中第2~7层通信协议的通信栈、用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。4.几种流行的现场总线的比较及应用上述这些已被用户采用的现场总线技术都有各自的标准,不同现场总线技术的产品并不兼容,加上众多行业需求各异,制造商及用户都要考虑已有现场总线产品的投资效益和各公司的商业利益,这种情况导致了在一段时间内仍然是多种现场总线标准共存的局面。5.现场总线的发展趋势现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化,并且使现场控制的功能更加强大。由于采用了现场总线带来了过程控制系统的开放性,使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。今后,现场总线的发展将表现在如下几个方面。5.现场总线的发展趋势5.1现场总线标准的统一问题:(1)几种优异的现场总线共存当今现场总线现已呈现兼容并蓄的发展趋势。各自动化厂商除化大力气从事自身的总线产品开发推广外,同时也充分吸收、采纳其它总线的相关技术,推出包容多种技术标准的现场总线产品。尤以整合了Ethernet和TCP/IP技术的现场总线为今后现场总线发展的主流体系和应用热点。由于Ethernet技术的快速发展,Ethernet介入控制领域已初见倪端。TCP/IP是将数据打包成信息,从多个数据源仲裁传送,并保证在另一端完整地重建信息的一种方式。许多供应商都在设计不同的协议以便将其现场总线的数据转换到TCP/IP,这样,就可实现不同现场总线的数据在同一网络上传输。5.现场总线的发展趋势目前现场总线正在开发与Ethernet、TCP/IP结合的技术有:ControlNet、Devicenet和Ethernet/IP联合推出CI(ControlandInformationProtocl);(FoundationFieldbus推出HSE(HighSpeedEthernet);PROFIBUS推出Profinet;还有一些现场总线本身就是与Ethernet功能接近的LAN(局域网),因此它们不经过Ethernet而直接与TCP/IP推出WorldFIPTCP/IP。5.现场总线的发展趋势(2)统一采用以太网技术以太网技术是目前最符合网络控制系统现场总线特点(数字式互连网络、互操作性、开放性和高网络性能)的技术。然而,能否将以太网用于网络控制系统的低层完全取代现场总线,目前还有很多问题,因此尚处于研究和开发阶段,而未完全应用。结束语综上所述,现场总线技术所代表的是一种数字化到现场、网络化到现场、控制功能到现场和设备管理到现场的不可逆转的发展方向。现场总线的出现,使数字通信技术迅速占领工业过程控制系统中模拟量信号的最后一块领地。一种全数字化、全开放式的、可互操作的全新的控制系统已经展现在我们面前。
本文标题:现场总线概述
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