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现场总线技术综述
现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统(FCS)的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量,使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来, 的迅猛发展,现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。
1 现场总线的发展
计算机控制系统的早期,采用一台小型机控制几十条控制回路,目的是降低每条回路的成本。但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效,所以后来发展成分布式控制(DCS),即由多台微机进行数据采集和控制,微机间用局域网(LAN)连接起来成为一个统一系统。DCS沿用了二十多年,其优点和缺点均充分显露。最主要的问题仍然是可靠性:一台微机坏了,该微机管辖下的所有功能都失效;一块AD板上的模/数转换器坏了,该板上的所有通道(8或16个)全部失效。曾有过采用双机双I/O等冗余设计,但这又增加了成本,增加了系统的复杂性。为了克服系统可靠性、成本和复杂性之间的矛盾,更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求,实现控制系统的网络化,一种新型控制技术──现场总线控制系统(FCS)正迅速发展起来。
什么是现场总线
从名词定义来讲,现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。
通俗地讲,现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式,从PLC控制各个电器元件,对应每一个元件有一个I/O口,两者之间需用两根线进行连接,作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时,整个系统的接线就显得十分复杂,容易搞错,施工和维护都十分不便。为此,人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起,用一根导线来连接所有设备,所有的数据和信号都在这根线上流通,同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线,就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场,不同于计算机通常用于室内,所以这种总线被称为现场的总线,简称现场总线。
传统的接线方式
现场总线接线方式
图1 传统控制系统接线方式和现场总线系统接线方式的比较
现场总线的特点
现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法,它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输,同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点:
(1)布线简单
这是大多现场总线共有的特性,现场总线的最大革命是布线方式的革命,最小化的布线方式和最大化的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大大降低。由于采用串行方式,所以大多数现场总线采用双绞线,还有直接在两根信号线上加载电源的总线形式。这样,采用现场总线类型的设备和系统给人明显的感觉就是简单直观。
(2)开放性
一个总线必须具有开放性,这指两个方面:一方面能与不同的控制系统相连接,也就是应用的开放性;另一方面就是通讯规约的开放,也就是开发的开放性。只有具备了开放性,才能使得现场总线既具备传统总线的低成本,又能适合先进控制的网络化和系统化要求。
(3)实时性
总线的实时性要求是为了适应现场控制和现场采集的特点。一般的现场总线都要求在保证数据可靠性和完整性的条件下具备较高的传输速率和传输效率。总线的传输速度要求越快越好,速度越快,表示系统的响应时间就越短,但是传输速度不能仅靠提高传输速率来解决,传输的效率也很重要。传输效率主要是有效用户数据在传输帧中的比率还有成功传输帧在所有传输帧的比率。
(4)可靠性
一般总线都具备一定的抗干扰能力,同时,当系统发生故障是,具备一定的诊断能力,以最大限度的保护网络,同时较快的查找和更换故障节点。总线故障诊断能力的大小是由总线所采用的传输的物理媒介和传输的软件协议决定的,所以不同的总线具有不同的诊断能力和处理能力。
2 现场总线的应用领域
现场总线的种类很多,据不完全统计,目前国际上有40多种现场总线。导致多种现场总线同时发展的原因有两个,一是工业技术的迅速发展,使得现场总线技术在各种技术背景下得以快速发展,并且迅速得到普及,但是普及的层面和程度受到不同技术发展的侧重点不同而各不相同;另一方面,